Impact radiatif des aérosols sur le climat méditerranéen dans des simulations régionales hindcast ( ) couplées océan-atmosphère

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1 Impact radiatif des aérosols sur le climat méditerranéen dans des simulations régionales hindcast ( ) couplées océan-atmosphère P. Nabat (CNRM-GAME) S. Somot (CNRM-GAME) et M. Mallet (LA) Atelier CORDEX 23/11/2012

2 Contexte général Les aérosols en région méditerranéenne Chimie complexe : mélange d'aérosols (Lelieveld et al., Sci., 2002), projet ChArMEx Impact important sur le bilan radiatif Combustion de biomasse Aérosol de pollution : -66 W/m² Industries (Roger et al., JGR, 2006) Poussière désertique W/m² -37 (Meloni et al., JGR, 2003 et 2004) Combustion de biomasse Feux de forêt (Formenti et al., JGR, 2002) Aérosol anthropique Sels marins Poussières désertiques (SeaWiFS image, NASA & Orbimage) Valeurs quotidiennes de forçage radiatif direct en surface 2-60 W/m² -18 W/m² (Markowicz et al., GRL, 2002)

3 Une forte variabilité à toutes les échelles Épaisseur optique (AOD) MODIS (Aqua) Variabilité géographique Moyenne 2003/2009 Europe Du Sud Balkans Mer Méditerranée Maghreb 3 Libye-Egypte

4 Une forte variabilité à toutes les échelles Épaisseur optique (AOD) MODIS (Aqua) Variabilité géographique Moyenne 2003/2009 Europe Du Sud Balkans Mer Méditerranée Maghreb Libye-Egypte Variabilité quotidienne Masse totale des poussières désertiques en suspension sur la Méditerranée occidentale (analyses quotidiennes à partir d'images METEOSAT) Saison sèche Saison humide 4 Saison humide Moulin et al., JGR,1997

5 Une forte variabilité à toutes les échelles Épaisseur optique (AOD) MODIS (Aqua) Variabilité géographique Variabilité saisonnière Moyenne 2003/2009 Europe Du Sud Libye-Egypte Maghreb Mer Méditerranée Balkans Balkans Mer Méditerranée Maghreb Europe du Sud Libye-Egypte À partir de Nabat et al., AMTD, 2012 Variabilité quotidienne Masse totale des poussières désertiques en suspension sur la Méditerranée occidentale (analyses quotidiennes à partir d'images METEOSAT) Saison sèche Saison humide 5 Saison humide Moulin et al., JGR,1997

6 Une forte variabilité à toutes les échelles Épaisseur optique (AOD) MODIS (Aqua) Variabilité géographique Variabilité saisonnière Moyenne 2003/2009 Europe Du Sud Libye-Egypte Maghreb Variabilité interannuelle JJA 2005 Mer Méditerranée Balkans Balkans Mer Méditerranée Maghreb Europe du Sud Libye-Egypte À partir de Nabat et al., AMTD, 2012 Variabilité quotidienne Masse totale des poussières désertiques en suspension sur la Méditerranée occidentale (analyses quotidiennes à partir d'images METEOSAT) Saison sèche Saison humide 6 Saison humide Moulin et al., JGR,1997 JJA 2009

7 Une forte variabilité à toutes les échelles Épaisseur optique (AOD) MODIS (Aqua) Variabilité géographique Variabilité saisonnière Moyenne 2003/2009 Europe Du Sud Libye-Egypte Maghreb Variabilité interannuelle JJA 2005 Mer Méditerranée Balkans Balkans Mer Méditerranée Maghreb Europe du Sud Libye-Egypte JJA 2009 À partir de Nabat et al., AMTD, 2012 Variabilité quotidienne Masse totale des poussières désertiques en suspension sur la Méditerranée occidentale (analyses quotidiennes à partir d'images METEOSAT) Saison sèche Saison humide 7 Saison humide Moulin et al., JGR,1997 Dimming/Brightening Zubler et al., JGR, 2011

8 Tour d'horizon de la modélisation des aérosols dans MED-CORDEX Couplés Océanatmosphère CENTRE MODELE Aérosols troposphériques LMD LMDz MORCE-MED WRF Sulfates (direct et indirect) Climatologie? CNRM ALADIN Sulfates/OR/BC/dust/sea-salt (Tegen et al., 1997) ENEA PROTHEUS (RegCM) Rien UCLM PROMES Urban/continental/dust/sea-salt (GADS) Univ. Belgrade Atmosphère Seule Rien MPI REMO Constante GUF COSMO-CLM Urban/land/dust/sea-salt (Tanré et al., 1984) ITU RegCM Rien ICTP RegCM Rien ou schéma interactif - Beaucoup de différences dans la prise en compte des aérosols : Rien Constante 1 seul type Climatologie Schéma interactif - Certains ont en plus des aérosols volcaniques et stratosphériques (CNRM, MPI). 8

9 Objectifs Quel impact des aérosols sur le climat en Méditerranée (effets direct et semi-direct)? Rôle des aérosols dans les biais de rayonnement SW en surface? Et dans le cycle saisonnier? Réponse de la mer (TSM) et des flux air-mer? Influence du couplage océan-atmosphère? Tendances depuis 1980? (en lien avec la question du dimming/brightening) Rayonnement SW? Température? Flux air-mer? 9

10 Outils numériques Approche : modélisation climatique régionale couplée Le domaine inclut le domaine officiel MED-CORDEX ALADIN-Climat v5.2 + ISBA (ERA-INTERIM, 50km) Schéma de rivières TRIP (50km) Déqué and Somot, 2008 Colin et al., 2010 NEMO-MED8 (10km) OASIS3 (daily) Decharme et al., 2009 Sevault et al., 2009 Beuvier et al., 2010 Herrmann et al., 2010 The CNRM Regional Climate System Model (RCSM) => 2 Simulations courtes ( ) avec / sans aérosols => 2 Simulations longues ( ) avec / sans variabilité interannuelle des aérosols sulfatés 10

11 Modélisation des aérosols dans ALADIN-Climat ALADIN : pas de schéma interactif, aérosols = forçage externe par des champs mensuels d'aod => utilisation d'une nouvelle climatologie basée sur des sorties modèles et des produits satellites d'aod : NEW Tegen (runs CORDEX Aladin) 11 Mesure satellite (AQUA/MODIS) (Nabat et al., AMTD, 2012)

12 Modélisation des aérosols dans ALADIN-Climat ALADIN : pas de schéma interactif, aérosols = forçage externe par des champs mensuels d'aod => utilisation d'une nouvelle climatologie basée sur des sorties modèles et des produits satellites d'aod : NEW Tegen (runs CORDEX Aladin) (Nabat et al., AMTD, 2012) Mesure satellite (AQUA/MODIS) => champs d'aod mensuels et interannuels sur la période pour chaque type d'aérosol : sulfates (SU), carbone noir (BC) et organique (OC), poussières désertiques (SD), sels marins (SS) OC Moyennes annuelles d'aod par aérosol sur la période BC SU SD 12 Mer Afrique --- Europe SS => extension à la période à l'aide de la tendance des sulfates de LMDz-OR-INCA (Szopa et al., 2012) Total SU SD BC OC SS

13 Effet direct et semi-direct des aérosols : absorption et diffusion du rayonnement solaire incident Épaisseur optique totale (AOD) à 550 nm Moyenne 2006 Rayonnement SW descendant en surface : Différence avec-sans aérosols Moyenne 2006 (W/m²) Moyennes mensuelles (2006) Moyennes mensuelles (2006) Afrique Mer Méditerranée Europe Afrique Europe Forte corrélation entre l'aod et la différence de flux SW en surface Impact radiatif des aérosols négatif en surface (-16 W/m² en moyenne 13 sur la mer : direct = - 21 W/m² / semi-direct = +5 W/m²) Mer Méditerranée

14 Impact des aérosols sur le flux SW descendant en surface (biais/cycle saisonnier) Flux descendant SW en surface : ALADIN OBS (moyenne sur l'année 2006) Sans aérosols Tegen NEW => Biais moyen réduit avec la nouvelle climatologie d'aérosols + effet sur la structure spatiale 14

15 Impact des aérosols sur le flux SW descendant en surface (biais/cycle saisonnier) Flux descendant SW en surface : ALADIN OBS (moyenne sur l'année 2006) Sans aérosols Tegen NEW => Biais moyen réduit avec la nouvelle climatologie d'aérosols + effet sur la structure spatiale ALADIN OBS (moyennes mensuelles par région sur l'année 2006) Sans aérosols Tegen NEW Europe 15 Mer Méditerranée => Réduction du biais plus importante au printemps et en été Afrique OBS (satellites SRB QC, SRB GEWEX et ISCCP)

16 Pourquoi un couplage océan-atmosphère pour étudier la réponse au forçage des aérosols en Méditerranée? Température de surface (T2m) : avec-sans aérosols (sans couplage) Moyenne 2006 ( C) 16 Pas d'impact sur la mer (SST forcée)

17 Pourquoi un couplage océan-atmosphère pour étudier la réponse au forçage des aérosols en Méditerranée? Température de surface (T2m) : avec-sans aérosols (sans couplage) Moyenne 2006 ( C) Pas d'impact sur la mer (SST forcée) Température de surface (T2m) : avec-sans aérosols (avec couplage) è re h p s o n-atm a é c o age l Moyenne 2006 ( C) p u Co Diminution de T2m Impact sur les continents 17

18 Pourquoi un couplage océan-atmosphère pour étudier la réponse au forçage des aérosols en Méditerranée? Température de surface (T2m) : avec-sans aérosols (sans couplage) Moyenne 2006 ( C) Pas d'impact sur la mer (SST forcée) Température de surface (T2m) : avec-sans aérosols (avec couplage) è re h p s o n-atm a é c o age l Moyenne 2006 ( C) p u Co Diminution de T2m Impact sur les continents => Réponse de la température de surface de la mer (SST) : Moyenne 2006 ( C) Diminution annuelle entre -0.3 et -0.8 C (-0.5 C en moyenne) Cycle saisonnier de la réponse de la SST similaire à la charge en aérosols 18 Levantin basin Différence mensuelle de SST : avec-sans aérosols (avec couplage) Algerian basin Mediterranean Sea Algerian basin Levantin basin

19 Diminution des sulfates depuis 1980 : augmentation du rayonnement solaire incident en surface Flux SW en surface : ALADIN-OBS Graz (lat : 46.9 N, lon : 15.5 E) 2 simulations : - TREND : avec la tendance des sulfates - REF : sans variation interannuelle des aérosols Comparaison du flux SW descendant en surface avec des mesures in-situ (stations GEBA) Hambourg (lat : 53.6 N, lon : 10.1 E) Odessa (lat : 46.4 N, lon : 30.6 E) 19

20 Diminution des sulfates depuis 1980 : augmentation du rayonnement solaire incident en surface Flux SW en surface : ALADIN-OBS Graz (lat : 46.9 N, lon : 15.5 E) 2 simulations : - TREND : avec la tendance des sulfates - REF : sans variation interannuelle des aérosols Comparaison du flux SW descendant en surface avec des mesures in-situ (stations GEBA) Tendances (W/m²/décade) Hambourg (lat : 53.6 N, lon : 10.1 E) Odessa (lat : 46.4 N, lon : 30.6 E) Site Graz Hambourg Odessa GEBA 7,5 5,8 4,2 REF 1,2 0,9 0,6 TREND 6,8 5,8 4,2 SRB QC 3,1 1,6 5,0 SRB GX 1,8 1,7 2,7 ISCCP -1,5-0,9 0,2 => Bonne reproduction des tendances du SW en surface avec TREND 20

21 Evolution de la température de surface Tendances de T2m en Europe sur la période : TREND : 0,43 C/décade REF: 0,32 C/décade HADCRUT4 : 0,45 C/décade => Augmentation de T2m plus forte avec TREND qu'avec REF 21

22 Évolution de la température de surface de la mer (TSM) Tendances de TSM sur la période en mer Méditerranée TREND 0,24 C/décade REF 0,16 C/décade Analyses ECMWF 0,33 C/décade Marullo 0,39 C/décade Moyennes annuelles TSM ( C) Analyses ECMWF Marullo TREND REF => Amélioration de la tendance de TSM avec la prise en compte de la tendance des sulfates (TREND) 22

23 Conséquences sur les flux air-mer (latent et sensible) Tendances sur la période sur la mer Méditerranée LATENT TREND : -2,3 W/m²/décade REF : -0,7 W/m²/décade OAFLUX : -6,7 W/m²/décade NOCS : -4,2 W/m²/décade Moyennes annuelles Latent => Augmentation de la perte en chaleur latente trop faible dans ALADIN (mais en progrès avec TREND) 23

24 Conséquences sur les flux air-mer (latent et sensible) Tendances sur la période sur la mer Méditerranée LATENT TREND : -2,3 W/m²/décade REF : -0,7 W/m²/décade OAFLUX : -6,7 W/m²/décade NOCS : -4,2 W/m²/décade Moyennes annuelles Latent => Augmentation de la perte en chaleur latente trop faible dans ALADIN (mais en progrès avec TREND) SENSIBLE TREND : 0,0 W/m²/décade REF : 0,2 W/m²/décade OAFLUX : -1,4 W/m²/décade NOCS : 0,6 W/m²/décade 24 Moyennes annuelles Sensible

25 Évolution des précipitations sur la région méditerranéenne Tendance sur la période TREND REF Moyennes annuelles des précipitations Europe GPCP GPCC GPCP GPCC Mer Méditerranée Tendances en Europe : Sur la mer Méditerranée : TREND : 0,02 mm/j/décade REF : -0,01 mm/j/décade GPCP : 0,04 mm/j/décade GPCC : 0,03 mm/j/décade TREND : 0,04 mm/j/décade REF : 0,01 mm/j/décade GPCP : 0,01 mm/j/décade 25 TREND REF

26 Conclusion et perspectives => Impact important des aérosols sur le climat méditerranéen : Réponse significative au forçage radiatif direct et semi-direct (-16 W/m² sur la mer) Impact sur la mer (diminution des SST, réduction du cycle hydrologique) => importance d'avoir un couplage océan-atmosphère => Amélioration de certains biais (e.g. SW) grâce à une nouvelle climatologie d'aérosols => Depuis 1980, diminution des aérosols sulfatés en Europe : Augmentation du rayonnement descendant SW en surface Augmentation de la température (T2m et TSM) Augmentation de la perte en chaleur latente Trop faible dans ALADIN Pas de tendance significative pour le sensible => Perspectives : Biais et tendances dans le modèle océanographique Etudes multi-modèles (avec la même climatologie d'aérosols?) Utilisation d'un schéma interactif d'aérosols 26 Mieux reproduites avec la tendance des sulfates

27 Merci pour votre attention

28 DJF JJA 28