2006 - Sujet de these-DC SM1

Marie-Claude

Description

Année 2006 SDU2E PROPOSITION DE SUJET DE THESE Spécialité : Chimie atmosphérique et assimilation de données NOM - Prénom du Responsable du sujet : Daniel Cariolle Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS-Météo-France daniel. [e-mail] Tel : [phone] Sébastien Massart Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS [e-mail] Tel : [phone] TITRE ET SUJET DE THÈSE PROPOSÉ : Développement d’une approche linéarisée de la chimie de l’atmosphère : application à l’assimilation de données Résumé du sujet : L’étude des interactions entre la chimie et le climat revêt une importance croissante. Ces interactions ont lieu par l’intermédiaire de la distribution des gaz (notamment l’ozone) et des particules ayant un effet direct sur le bilan radiatif et qui impliquent des transformations chimiques en phases gazeuse ou hétérogène. Pour étudier et quantifier ces interactions, des modèles de chimie-transport complexes comme le modèle MOCAGE de Météo-France,, sont couplés à des modèles de circulation générale de l’atmosphère. Cette approche explicite en cours de développement est très prometteuse mais relativement lourde à mettre en œuvre compte tenu des moyens de calcul nécessaires aux simulations climatiques longues. Parallèlement la validation des modèles couplés chimie-transport/climat passe par la confrontation des mesures atmosphériques des constituants avec les concentrations prévues par la simulation. ...

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• Langue: Français

Extrait

Année 2006

SDU2E

PROPOSITION DE SUJET

DE THESE

Spécialité

:

Chimie atmosphérique et assimilation de données

NOM - Prénom du Responsable du sujet :

Daniel Cariolle

Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS-Météo-France

daniel. [e-mail]

Tel : [phone]

Sébastien Massart

Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS

[e-mail]

Tel : [phone]

TITRE ET SUJET DE THÈSE PROPOSÉ

:

Développement d’une approche linéarisée de la chimie de

l’atmosphère : application à l’assimilation de données

Résumé du sujet :

L’étude des interactions entre la chimie et le climat revêt une importance croissante. Ces interactions ont lieu par

l’intermédiaire de la distribution des gaz (notamment l’ozone) et des particules ayant un effet direct sur le bilan radiatif

et qui impliquent des transformations chimiques en phases gazeuse ou hétérogène.

Pour étudier et quantifier ces interactions, des modèles de chimie-transport complexes comme le modèle MOCAGE de

Météo-France,, sont couplés à des modèles de circulation générale de l’atmosphère. Cette approche explicite en cours

de développement est très prometteuse mais relativement lourde à mettre en oeuvre compte tenu des moyens de calcul

nécessaires aux simulations climatiques longues.

Parallèlement la validation des modèles couplés chimie-transport/climat passe par la confrontation des mesures

atmosphériques des constituants avec les concentrations prévues par la simulation. Cette phase de validation est

maintenant aussi abordée à l’aide des techniques d’assimilation de données avec notamment des données spatiales qui

présentent une large couverture spatiale globale (voir par exemple Cathala et al., 2003 et Massart et al., 2005). Les

limitations en terme de moyens de calcul et la complexité des modèles limitent également le nombre et la durée des

périodes de validation. En effet, les méthodes d’assimilation de type variationnelle (usuellement utilisée pour ces

applications) gagnent à utiliser le linéaire et l’adjoint du modèle couplé chimie-transport/climat pour réaliser des

analyses de type 4D-Var. Or, le développement du linéaire et de l’adjoint n’est pas immédiat et leur intégration dans

l’algorithme d’assimilation amène un surcoût important. Ne pouvant se passer du transport, un modèle chimique

linéaire rapide et efficace est le meilleur compromis entre une méthode d’assimilation optimale et des temps de calculs

raisonnables.

Un tel modèle linéaire a déjà été développée avec succès pour l’ozone stratosphérique (Cariolle et al., 1986) et est

utilisée dans les modèles de climat Arpège de Météo-France, dans les modèles de prévision IFS du CEPMMT et dans

certaines versions de l’Unified Model du Met Office. Nous proposons d’évaluer l’apport pour nos problématiques, de

cette approche où les termes de production et de destruction de certaines espèces de la chimie atmosphérique sont

linéarisés autour d’un état de base.

La paramétrisation linéaire d’ozone a récemment été étendue pour prendre en compte les variations de NO

x

, CO et H

2

O

dans le taux de production et destruction de l’ozone. Ceci devrait permettre dans un premier temps l’assimilation

multivariée des concentrations de ces gaz en sus de l’ozone. Les données assimilées de CO et H

2

O pouvant par exemple

interagir avec les sources et puits de l’ozone. On dispose notamment des mesures d'ozone issues des satellites

ENVISAT (instruments MIPAS et GOMOS), ODIN et des mesures in-situ des avions du programme MOZAIC, ainsi

que des mesures de CO des satellites MOPIT, ODIN et dans le futur de l'instrument IASI à bord de METOP. Les

assimilations seront réalisées par des techniques 3D-VAR et 4D-VAR à l'aide de la chaîne MOCAGE/PALM

développée au CERFACS (Massart et al., 2005).

Dans un deuxième temps on développera une approche linéaire pour d’autres espèces que l’O

3

, notamment pour le CO

et l’HNO

3

. L’évaluation de l’apport et des limitations de la méthode sera réalisée par comparaison aux simulations du

modèle MOCAGE complet. De plus, dans le cadre de la mise en oeuvre des assimilations variationnelles les adjoints des

schémas linéaires seront développés.

Le travail proposé pour cette thèse se place dans le cadre des projets européens QUANTIFY (Quantifying the Climate

impact of Global and European Transport Systems ; http://www.pa.op.dlr.de/quantify) et ASSET (Assimilation of

Envisat data ; http://darc.nerc.ac.uk/asset/).

Références :

Cariolle, D. and M. Déqué. Southern hemisphere medium-scale waves and total ozone disturbances in a spectral general

circulation model. J. Geophys. Res., 91, 10.825-10.846, 1986.

Cathala, M.-L., J. Pailleux, V.-H. Peuch. Improving global chemical simulations of the UT/LS with sequential

assimilation of MOZAIC data. Tellus, 55B, 1-10, 2003.

Massart S., D. Cariolle, V.-H. Peuch. Vers une meilleure représentation de la distribution et de la variabilité de l'ozone

atmosphérique par l'assimilation des données satellitaires. C.R. Acad. Sci., 337-15,1305-1310, 2005.

PERSPECTIVES post thèse

(2 lignes) :

Ce travail s'inscrit dans le cadre du programme européen GMES soutenu par l'U.E. et l'ESA. Des

opportunités de poursuite des travaux dans ce cadre se concrétiseront très certainement par

l'ouverture de postes de niveau post-doc dans les laboratoires européens actifs sur la problématique

chimie atmosphérique avec ou sans assimilation de données.