Martin Ménégoz

Doctorant au CNRM-GAME (Centre National de Recherches Météorologiques - Groupe d’études de l’Atmosphère Météorologique), Météo-France Groupe de Modélisation Grande Echelle et Climat (GMGEC) Unité Dynamique du Climat (UDC)

42 avenue Gaspard Coriolis 31057 Toulouse Cedex (bâtiment Navier (CNRM)) Contrat Météo-France (Janvier 2006-Janvier 2009)

Courriel : menegozmartin AT yahoo DOT fr

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Sujet de Thèse

Curriculum Vitae

Rapports et publications

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TITRE : MODÉLISATION DES RÉTROACTIONS DES AÉROSOLS SUR LE CLIMAT

Encadrant :

David Salas y Mélia (CNRM)

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1. Contexte scientifique de la thèse : aérosols et climat

L’impact radiatif des aérosols constitue actuellement un facteur d’incertitude majeur limitant la compréhension des évolutions climatiques récentes et l’estimation des tendances climatiques futures. En effet, si l’on sait aujourd’hui que l’augmentation des gaz à effet de serre joue dans le sens d’un réchauffement du climat, en piégeant près de la surface terrestre une part croissante du rayonnement infrarouge réémis vers l’espace, l’impact des aérosols sur le climat est nettement moins bien connu.

Par ciel clair, les aérosols absorbent et diffusent le rayonnement solaire qui arrive à la surface de la terre, c’est ce que l’on appelle l’effet direct des aérosols. Les aérosols jouent par ailleurs le rôle de noyau de condensation pour les gouttelettes d’eau nuageuse. Changer la concentration et la taille des aérosols modifie les caractéristiques physiques des nuages et en particulier leurs propriétés radiatives. C’est ce que l’on appelle les effets indirects des aérosols sur le climat.

Pour évaluer les effets directs et indirects des aérosols, il est tout d’abord nécessaire de connaître leur composition chimique et leurs propriétés physiques. Qu’ils soient d’origine anthropique ou naturelle, on classe communément les aérosols en deux familles : les aérosols primaires, directement émis dans l’atmosphère, et les aérosols secondaires, issus de réactions chimiques se produisant dans l’atmosphère. De nombreux processus physico-chimiques dans l’atmosphère devront être appréhendés pour étudier les variations spatio-temporelles des aérosols.

L’objectif de ma thèse est double : il consiste à décrire les évolutions spatio-temporelles des aérosols atmosphériques et à étudier les rétroactions de ces aérosols sur le climat, via la représentation du forçage radiatif de ces aérosols dans l’atmosphère. Ces aspects sont présentés dans la suite de ce résumé.

2. Objectifs de la thèse

2.1. Presentation générale

Le modèle de climat couplé global du CNRM comprend actuellement un modèle de circulation générale atmosphérique (ARPEGE-CLIMAT), un modèle d’océan (OPA), un module de routage des fleuves (TRIP), et un modèle de glace de mer (GELATO) ; l’ensemble est couplé par le logiciel OASIS. Il faut noter que dans cet ensemble les aérosols sont actuellement prescrits par des observations ou des projections futures  ; leur action sur le rayonnement (effet direct) est incluse, mais leur impact climatique via la formation des nuages ou les précipitations (effets indirects et semi-directs) reste peu ou mal décrit. Le CNRM a par ailleurs développé un modèle indépendant de chimie-transport, appelé MOCAGE, capable de simuler les évolutions des espèces gazeuses et aérosols.

La première étape de la thèse consiste à évaluer les quantités et les distributions des aérosols atmosphériques à l’aide de simulations réalisées avec le modèle MOCAGE. Ces simulations doivent être validées à l’aide de comparaisons avec d’autres modèles numériques et avec des observations (images satellites, filtres à aérosols, archives glaciaires, etc...). La deuxième étape de la thèse est la réalisation d’un couplage entre MOCAGE et ARPEGE-CLIMAT dans le but d’évaluer l’impact des aérosols sur le système climatique.

2.2. Modélisation des aérosols dans l’atmosphère

Il existe plusieurs versions du code numérique MOCAGE. La version de base qui a été utilisée est une version permettant de modéliser le comportement des aérosols de carbone-suie (Black-Carbon, BC) et des poussières désertiques.

Pour les carbone-suies, le modèle prend en compte des cadastres d’émissions en surface. Le cadastre qui a été utilisé dans un premier temps est celui de l’inventaire d’émission du projet " Global Emissions Inventory Activity " (GEIA), représentatif de l’année 1985. Ce cadastre d’émissions représente les quantités de carbone-suie émises en surface, et précise aussi les caractéristiques des particules émises, c’est à dire leur granulométrie et leur densité. Dans un contexte de validation sur une période plus récente, les émissions du projet " Aerosol Comparisons between Observations and Models " (AeroCom), représentatifs de l’année 2000 ont été intégrées à MOCAGE. Notons que ces cadastres d’émissions sont mensuels.

L’émission en surface des poussières désertiques est représentée par un module d’arrachement des particules, celui-ci dépendant des forçages météorologiques, ainsi que de la rugosité et de l’humidité du sol.

La représentation des aérosols soufrés a aussi été intégrée au code MOCAGE. Les carbone-suies et les poussières désertiques sont des aérosols primaires et ils sont considérés dans le code comme inerte chimiquement. Les aérosols soufrés sont par contre des aérosols secondaires, produits à partir de gaz précurseurs naturels et anthropiques.

Une paramétrisation du cycle du soufre a été intégrée au code MOCAGE, dans l’objectif de représenter le comportement des aérosols sulfatés. Le modèle prend en compte six espèces soufrées : le sulfure de diméthyle (DMS), le dioxide de soufre (SO2), le sulfure d’hydrogène (H2S), l’oxysulfure de diméthyle (DMSO), l’acide méthanesulfonique (MSA) et le sulfate non marin (SO42-). Quatre oxydants interviennent dans ce schéma chimique : l’ion hydroxyde (OH), le peroxyde d’hydrogène (H2O2), l’ion nitrate (NO3-) et l’ozone (O3). On suppose que les espèces intermédiaires non prises en compte ont une durée de vie courte devant celle des espèces considérées. De plus, les espèces soufrées sont pronostiques alors que les oxydants sont prescrits en prenant en compte leur variabilité diurne et mensuelle. Le cycle du soufre fait intervenir des réactions en phase gazeuse ainsi que des réactions en phase aqueuse.

Les réactions en phase gazeuse sont représentées par un schéma chimique dérivé du schéma chimique complet déjà existant dans MOCAGE. Ce nouveau schéma chimique, beaucoup plus léger en terme de temps de calcul, ne prend en compte que les réactions faisant intervenir les espèces soufrées (sept réactions chimiques).

La chimie aqueuse est intégrée dans une autre paramétrisation. Celle-ci est inspirée du modèle de Pham (Pham et al., 19995). Elle décrit la dissolution des espèces soufrées et des oxydants H2O2 et O3, le calcul du pH dont dépendent des constantes chimiques ainsi que deux réactions produisant des sulfates.

Les espèces soufrées émises en surface sont, comme les carbones-suies, issues de cadastres d’émissions (GEIA, et AeroCom) : le DMS est essentiellement d’origine océanique, le SO2 et le H2S sont majoritairement émis par les activités anthropiques, les feux de biomasse et l’activité volcanique.

Plusieurs simulations tests on été lancées sur la période couvrant l’automne 2004 et l’année 2005, avec l’inventaire d’émissions GEIA dans un premier temps et l’inventaire d’émissions AEROCOM dans un deuxième temps. Ces premiers tests ont permis de vérifier à quel contenu atmosphérique en aérosol conduit l’équilibre entre les différentes sources (chimie, émissions) et puits (lessivage, dépôt sec, sédimentation des particules). Les distributions spatiale des aérosols obtenues lors de ces expériences de modélisation ont aussi mis en évidence les atouts et les défauts du modèle.

2.3. Interactions entre les aérosols et le climat

La seconde étape de ma thèse consiste à étudier les interactions entre les aérosols et le système climatique. Pour cela, un couplage va être réalisé entre le code MOCAGE et le modèle de circulation atmosphérique du CNRM, ARPEGE-CLIMAT. La création de cet outil consiste à faire évoluer les deux codes simultanément : ARPEGE fournit les champs météorologiques à MOCAGE : l’humidité, la température, les vitesses de vent et la pression atmosphérique. A partir de ces données, le code MOCAGE actualise les distributions d’aérosols, celles-ci sont envoyées à ARPEGE-CLIMAT, qui les utilise pour calculer les forçages radiatifs de chaque type d’aérosol, et intégrer ensuite des forçages dans le cadre de simulations climatiques.

Cet outil devra bien sûr être validé : les simulations seront confrontées à des observations et à d’autres modèles. Des exercices de simulations réalisées sur la période 1950-2000 permettront d’étudier en détail les rétroactions des aérosols sur le climat.

MA FORMATION : 

2003-2004 : Master de Recherche, (2ème année), option "Océan, Atmosphère, Hydrologie" (Université J. Fourier de Grenoble, 38).

2003 : Diplômé de l’École Nationale Supérieure d’Hydraulique et de Mécanique de Grenoble (groupe INPG) option "Hydraulique et Environnement"

2000 : Cycle Préparatoire Polytechnique de l’INPG

MON EXPERIENCE : 

Depuis janvier 2006 : Doctorant au CNRM (Météo-France) : Etude des rétroactions des aérosols sur le système climatique

2005 : CDD à HYDRETUDES (agence de Gap, 05), bureau d’études en hydraulique

Hydraulique de rivière et réseaux d’eau (études & maitrîse d’oeuvre)

2004 : Projet de recherche avec l’IRD (Institut de Recherche pour le Développement), en partenariat avec l’institut de météorologie et d’hydrologie de Quito (Équateur)

Etude de la relation glacier-climat, mesure et modélisation du bilan d’énergie à la surface d’un glacier tropical.

Mise en place de stations météorologiques et hydrologiques.

2003 : Stage avec l’IRD et le LGGE (Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l’Environnement)

Etude du bilan d’énergie et des flux turbulents à la surface d’un glacier tropical.

2002 : Stage à GÉOLITHE (38)

Caractérisation des risques d’avalanches, étude des moyens de protection associés

M. Menegoz, D. Salas y Melia, M. Legrand, H.Teyssedre, M. Michou, V-H. Peuch, M. Martet, B. Josse, and I.Dombrowski-Etchevers, Equilibrium of sinks and sources of sulphate over Europe : comparison between a six-year simulation and EMEP observations, Atmos. Chem. Phys., 9, 4381-4415, 2009

M. Menegoz, M et al., "A six-year simulation of sulphate aerosol over Europe : analysis and comparison with EMEP observations" (poster),IGAC Conference, Annecy, 2008.

M. Menegoz, I. Etchevers, M. Martet,M. Michou, V-H. Peuch, D. Salas Melia, H. Teyssèdre, 2007, "A three-dimensionnal study of sulphates, black-carbon and dust aerosols" (poster) A-train Lille 2007 Symposium : Bringing together a-train observations and modelling to understand aerosol and clouds.

Menegoz, Favier, Wagnon, Chazarin,"Study of the surface boundary layer on Antizana glacier (Ecuador, 0.25° S, 78.09 W, 4890 m asl) and estimation of turbulent fluxes" (poster) ,deuxième symposium sur les bilans de masse des glaciers andins, Huaraz, Perou, du 6 au 9 Juillet 2004.

Favier, Wagnon, Menegoz, Chazarin, Sicart, "Bulk Method Accuracy for Turbulent Heat Flux Computations over Antizana Glacier 15, Ecuador ", soumis en Août 2005.

Menegoz, M., 2004 : Etude de la couche limite atmosphérique sur le glacier de l’Antizana (Equateur) et estimation des flux turbulents, Rapport de stage de Master, 50 pages.