Chimie et aérosols dans ARPEGE-Climat

 Modélisation des aérosols dans ARPEGE-Climat

Les aérosols peuvent être représentés dans ARPEGE-Climat de deux manières possibles :

- par des climatologies mensuelles et interannuelles :
Ce paramètre correspond à l’intégration sur une colonne atmosphérique de l’extinction du rayonnement par les aérosols. Les différentes climatologies sont fournies pour les principaux types d’aérosols : poussières désertiques, sels marins, sulfates, matière organique et carbone-suie. Cette méthode est utilisée dans le modèle couplé CNRM-CM6-1 (Voldoire et al. 2019) participant au programme CMIP6.

- par le schéma d’aérosols interactifs TACTIC :
Cette deuxième méthode consiste à utiliser un schéma interactif d’aérosols, adapté du schéma d’aérosols GEMS/MACC (Morcrette et al., 2009), qui permet de simuler les différents types d’aérosols et de prendre en compte leurs effets directs et semi-directs. Les aérosols naturels comme les poussières désertiques ou les sels marins sont émis de façon dynamique, ils sont donc générés en fonction de la vitesse du vent et de différentes caractéristiques du sol comme l’humidité. Les émissions des aérosols anthropiques (carbone-suie, matière organique, précurseurs de sulfates, nitrates et ammonium) sont quant à elles fournies par des inventaires d’émissions globaux .
Ce schéma utilise différentes classes de taille pour représenter le spectre dimensionnel des particules. Les poussières désertiques sont divisées en 3 bins (0.01-1.0 / 1.0-2.5 / 2.5-20.0 μm) tout comme les sels marins (0.03-0.5 / 0.5-5.0 / 5.0-20.0 μm). Le carbone-suie et la matière organique sont tous les deux séparés en deux bins (hydrophile et hydrophobe), un bin est utilisé pour les sulphates et un autre pour ses précurseurs. Les nitrates sont quand à eux divisés en deux bins et un dernier bin est utilisé pour l’ammonium. Ces différents aérosols sont transportés, et soumis au lessivage et au dépôt sec. Ce type de schéma permet d’avoir les concentrations de chaque type d’aérosol à chaque pas de temps de la simulation, en cohérence avec la physique du modèle. Ce schéma interactif est utilisé dans le modèle de système Terre CNRM-ESM2-1 (Séférian et al. 2019) participant au programme CMIP6.

Dans les deux cas, les aérosols interagissent avec le rayonnement solaire et infrarouge, en fonction de leurs propriétés optiques. Le premier effet indirect (modification de l’albedo du nuage, effet Twomey) est également pris en compte.

 Modélisation de la chimie atmosphérique dans ARPEGE-Climat

Dans sa version standard utilisée dans le modèle couplé CNRM-CM6-1, ARPEGE-Climat intègre une représentation linéaire de l’ozone stratosphérique. Cependant, une représentation plus détaillée de la chimie de la stratosphère et de la haute troposphère est également intégrée au code du modèle, et est utilisée pour les simulations climatiques réalisées avec le modèle CNRM-ESM2-1.

- Le schéma d’ozone linéaire dans ARPEGE-Climat :
Le schéma d’ozone linéaire dans ARPEGE-Climat est une version linéarisée de la composante ozone du schéma chimique REPROBUS-C_v2 (voir ci-dessous). Ce schéma linéaire décrit la production nette d’ozone comme une fonction linéaire du rapport de mélange de l’ozone, de la température et de la colonne totale d’ozone au-dessus de chaque point de grille. Dans la version précédente d’ARPEGE-Climat (utilisée dans CNRM-CM5.1), une quatrième variable était utilisée, à savoir le contenu équivalent en chlore dans la stratosphère, afin de représenter la chimie hétérogène de l’ozone. Cependant, ce terme s’est révélé être problématique dans les simulations CNRM-CM5.1 et a engendré un traitement inexact de la chimie hétérogène de l’ozone. C’est pourquoi maintenant seules les trois variables citées précédemment ont été conservées dans le schéma linéaire.

- Le schéma chimique REPROBUS-C_v2 :
Un schéma chimique complet est intégré au modèle ARPEGE-Climat sous le nom de REPROBUS-C_v2, couvrant la stratosphère et la troposphère au-dessus de 560 hPa. Il est utilié dans toutes les simulations CMIP6 réalisées avec le modèle de système Terre CNRM-ESM2-1. Ce schéma a d’abord été implémenté dans la version précédente du modèle de climat du CNRM (Michou et al. 2011), version qui a contribué au programme CCMI (Chemistry Climate Model Initiative, Morgenstern et al. 2011). C’est un schéma "en ligne", où les routines de chimie font partie de la physique atmosphérique du modèle climatique, et sont ainsi appelées à chaque pas de temps du modèle. Le schéma ne représente toutefois pas la chimie de la basse troposphère liée à l’ozone et aux autres espèces d’hydrocarbonées. REPROBUS-C_v2 contient 168 réactions chimiques, dont 39 sont des réactions de photolyse et 9 représentent la chimie hétérogène. L’évolution chimique est calculée au-dessus de 560 hPa, en dessous, les concentrations de plusieurs espèces (i.e., N2O, CH4 , CO, CO2 , CFC11, CFC12, CFC113, CCl4, CH3CCl3, CH3Cl, HCFC22, CH3Br, H1211, H1301) sont rappelées vers des moyennes annuelles globales fournies par les données CMIP6. Pour les espèces restantes, les concentrations en-dessous de 560 hPa sont rappelées vers la valeur à 560 hPa. En cohérence avec ce rappel, les émissions explicites en surface, le dépôt sec, le lessivage et le transport paramétrisé (diffusion et convection) ne sont pas représentés. Les concentrations 3D de plusieurs espèces gazeuses interagissent avec le rayonnement à chaque appel au rayonnement (toutes les heures), à la fois pour la partie ondes longues / longwave du spectre (H2O, CO2, O3, CH4, N2O, CFC11, et CFC12) et pour la partie ondes courtes / shortwave (O3, H2O, and CO2). Utiliser le schéma REPROBUS-C_v2 dans une simulation ARPEGE-Climat ajoute environ 50% de temps de calcul.

 Publications

M. Michou, P. Nabat, D. Saint-Martin, J. Bock, B. Decharme, M. Mallet, R. Roehrig, R. Séférian, S. Sénési and A. Voldoire Present-day and historical aerosol and ozone characteristics in CNRM CMIP6 simulations, JAMES, in press, DOI:10.1029/2019MS001816.

Séférian, R., Nabat, P., Michou, M., Saint-Martin, D., Voldoire, A., Colin, J., Decharme, B., Delire, C., Berthet, S., Chevallier, M., Sénési, S., Franchisteguy, L., Vial, J., Mallet, M., Joetzjer, E., Geoffroy, O., Guérémy, J.-F., Moine, M-P., Msadek, R., Ribes, A., Rocher, M., Roehrig, R., Salas-y-Mélia, D., Sanchez, E., Terray, L., Valcke, S., Waldman, R., Aumont, O., Bopp, L., Deshayes, J., Éthé, C. and Madec, G. (2019) Evaluation of CNRM Earth-System model CNRM-ESM2-1 : role of Earth system processes in present-day and future climate, JAMES, 11, 4182-4227, DOI:10.1029/2019MS001791.

Watson, L., Michou, M., Nabat, P. and Saint-Martin, D. (2018), Assessment of climate sensitivity to the representation of aerosols in the CNRM coupled ocean-atmosphere model, Climate Dynamics, 51, 2877-2895, DOI:10.1007/s00382-017-4054-6.

Michou, M., Nabat, P., and Saint-Martin, D. (2015), Development and basic evaluation of a prognostic aerosol scheme (v1) in the CNRM Climate Model CNRM-CM6, Geosci. Model Dev., 8, 501-531, DOI:10.5194/gmd-8-501-2015.

Michou, M., Saint-Martin, D., Teyssèdre, H., Alias, A., Karcher, F., Olivié, D., Voldoire, A., Josse, B., Peuch, V.-H., Clark, H., Lee, J. N., and Chéroux, F. (2011), A new version of the CNRM Chemistry-Climate Model, CNRM-CCM : description and improvements from the CCMVal-2 simulations, Geosci. Model Dev., 4, 873–900, DOI:10.5194/gmd-4-873-2011.

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