2006 - Sujet de these-DC SM1
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2006 - Sujet de these-DC SM1

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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. cariolle@cerfacs.fr Tel : 0561193171 Sébastien Massart Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS sebastien.massart@cerfacs.fr Tel : 0561193136 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
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. cariolle@cerfacs.fr
Tel : 0561193171
Sébastien Massart
Ingénieur-Chercheur Senior au CERFACS
sebastien.massart@cerfacs.fr
Tel : 0561193136
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.