l'aérosol de combustion dans une région en grande mutation, l'asie. laboratoire...

L'aérosol de combustion dans une région en

grande mutation, l'Asie.

Laboratoire d’Aérologie / OMP

Université Paul Sabatier Toulouse III

Christelle Michel

Plan de l’exposé

1) L’aérosol de combustion en Asie: introduction

2) Élaboration d’un inventaire d’émission de feux de biomasse: ABBI (Asian Biomass Burning Inventory)

3) Simulation MésoNH-C-ORISAM pendant ACE-Asia

4) Tests de sensibilité

5) Conclusions perspectives

.

.

.

.

.

L’ aérosol carboné : définition Ses composantes :

• primaire : Black Carbon ou carbone suie (BC) et Carbone Organique (OCp)

• secondaire : Carbone Organique (OCsec) Composantes ayant un impact important sur le climat:

Forçage radiatif moyen au sommet de l’atmosphère [IPCC 2001]

Formation des aérosols

espèces condensables : SOA, H2SO4, HNO3, H2O…

transformations

chimiquesPrécurseurs volatils : SO2, NOx, NH3, COV

Trafic routier, émissions industrielles, urbaines, feux

(biofuels, incendies) …

COV biogéniques : Monoterpènes

Emissions par les couverts forestiers de Composés Organiques

Volatils

Transport / Vieillissem

ent

Dépôts (sec et

humide)

Aérosols primaires BC, OC, sels marins, poussières

nucléation

Aérosols

condensation / absorption / adsorption / coagulation

Impacts des aérosols de combustion

Impact radiatif

Rayonnementsolaire

Impact sanitaire

Particules toxiques

Noyaux de condensation pour les

nuages

Asian Brown Cloud au dessus de la Chine (UNEP/NASA):

Couche de pollution de 3 km d’épaisseur qui recouvre l’Asie du Sud-est, la Chine et l’Inde.

Le carbone en Asie?

• Grande diversité d’aérosols: anthropiques et biogéniques.

• Plus de charbon et de biomasse brûlée qu’en Europe ou USA

• Pays en voie de développement industriel: combustion de fuels fossiles

• Pays en grande mutation (croissance démographique + industries)

La campagne ACE-Asia (mars-mai 2001)

Améliorer notre compréhension de l’impact des aérosols atmosphériques sur le système climatique terrestre.

ACE-Asia: Aerosol Characterization Experiment in Asia

Documenté par:

• Réseaux de stations sol

• Mesures aéroportées (avions: C-130, Twin-Otter)

• Télédétection depuis le sol (lidar)

•Mesures bateau (R.H. Brown)

• Mesures satellitales (TERRA, SeaWiFs, AVHRR)

Mon objectif: élaborer un inventaire d’émissions issues des

feux de végétation, inventaire inexistant pour l’étude de la

campagne.

Plan de l’exposé



Méthode des surfaces brûlées

Résultats




.

ABBI: Asian Biomass Burning Inventory

Objectifs:

Construire un inventaire d’émissions de gaz et particules émis par les feux de végétation en Asie durant la campagne ACE-Asia : 1er Mars – 15 Mai 2001

Pourquoi utiliser les données satellites? Observations nombreuses et répétées dans le temps et l’espace

Disponibilité de longues séries: passées et futures

Fréquences des observations

Cohérences spatiales et temporelles de données

Faible coût (comparé aux observations sols)

Pourquoi utiliser la cartographie des zones brûlées au lieu de la détection des évènements de feux (pixels de feux actifs)?

Minimiser l’effet de l’échantillonnage temporel: signature spectrale durable/instantanée

Un premier pas vers une évaluation de la surface végétale effectivement brûlée.

SPOT-VEGETATION imagery

Vue d’hélicoptère

Feux actifs

Fumées

Surfaces brûlées

Forte incertitude liée aux cartes de feux actifs (dérivés de NOAA-AVHRR)

zoom

22/04/01: Landsat TM

26/04/01 : SPOT-Vegetation

20 – 29 April 2001 : nb. fire events (derived from AVHRR)

0 50

La forte activité de feux détectée sur la côte est de l’Inde (carte des feux actifs) n’est pas confirmée par les cartes de surfaces brûlées (même avec les images TM-Landsat hautes résolutions)

Zoom sur l’Inde: comparaison des 2 méthodes d’acquisition

26/03/2001 : SPOT-VGT

06/03/2001 : Landsat TM

Les surfaces brûlées détectées sur les images TM sont également visibles sur les données SPOT-Végétation en dépit de la différence de résolution spatiale.

Cohérence de la méthode d’acquisition

Traitement des données et analyses Données d’entrée:

Images SPOT-Vegetation (S1, journalière, 1 km, réflectance au sol) Carte de végétation de l’université du Maryland (Global Land Cover product)

Filière de traitement: GBA-2000 (Tansey et al., 2002)

Sorties: localisation (lat-long) des pixels classifiés comme brûlés et la date du feux

Problèmes rencontrés• Couverture nuageuse dense• Feux de petites tailles et éparses• Début de la saison de la mousson à la fin de la campagne

• Variété importante des types de végétation et des conditions

(du désert à la forêt dense tropicale humide)

Module d’extractiondes données de la zone à traiter de l’archive global:1 Gb/jour de 6.6 Gb/jour

Module de pré-traitement(masque des nuages, ombres, neige,

saturation SWIR, angles extrêmes, surface non-végétale, composition temporelle)

Module de traitementMasque des zones forestières et

non forestièresAlgorithme: Ershov et al., 2001

Tester plusieurs algorithmes en

particulier sur la zone sud de notre domaine

Analyse par les SIG (Système d’Information Géographique)

Grille de 1°x1°

Bandes latitudinales

Carte administrative

Carte de végétation

Carte des pixels brûlés

SIG

Surfaces brûlées / pays / latitudes

Surfaces brûlées* / pays / végétation

Surfaces brûlées / végétation / 1°x1°

Surfaces brûlées / … / …

* Hypothèse: 1 pixel brûlé = 1 km2

Construction de l’inventaire d’émission ABBI

Le flux d’émission de l’espèce X (Q) est calculé comme suit [Seiler and Crutzen, 1980] :

Q = M x EF(X)

EF(X), facteur d’émission, défini comme le rapport entre la masse de X émise et la masse de végétation sèche consommée durant la combustion (g/kg de matière sèche).

M : biomasse brûlée

M = A x B x x

– Où: A surface brûlée disponible (SPOT-VGT) B densité de biomasse littérature fraction de biomasse au dessus du sol “ coefficient d’efficacité de brûlage “

Adaptation des différents facteurs aux classes de végétation

Bibliographie pour l’homogénéisation des densités de biomasse et efficacité de brûlage [d’après Palacio et al., 2002]

Pour les aérosols carbonés: re-estimation des facteurs d’émissions en fonction des classes de végétation présentes en Asie [d’après Liousse et al., 2004] [Michel et al., 2005]

Pour les gaz: facteurs d’émissions d’Andreae and Merlet [2001]

Vegetation Class Biomass Density (g/m²) Burning efficiency EF(BC) EF(OC) EF(CO)

evergreen needleleaf forest 36700 0.25 0.6 6 107

evergreen broadleaf forest 23350 0.25 0.7 6.4 104

deciduous needleleaf forest 18900 0.25 0.6 6 107

deciduous broadleaf forest 20000 0.25 0.6 6 107

mixed forest 22250 0.25 0.6 6 107

woodland 10000 0.35 0.61 5 86

wooded grassland 3300 0.4 0.62 4 65

closed shrubland 7200 0.5 0.61 5 86

open shrubland 1600 0.85 0.62 4 65

grassland 1250 0.95 0.62 4 65

cropland 5100 0.6 0.725 2.1 92

Résultats de la distribution spatio-temporelle des émissions (Mars-Mai 2001)

Émissions de BC (du 1er au 10 mai 2001)

Distribution journalière pour toutes les espèces gazeuses et les

espèces particulaires BC et OC (du 1er mars au 15 mai 2001):

inventaire ABBI [Michel et al., 2005]

Comparaison ABBI [Michel et al., 2005] – ACESS [Streets et al., 2003]:

distribution temporelle BC

0.0E+00

1.0E+04

2.0E+04

3.0E+04

4.0E+04

5.0E+04

6.0E+04

7.0E+04

8.0E+04

BC

em

issi

on

s (t

on

nes

)

March 1-10 March 11-20 March 21-31 April 1-10 April 11-20 April 21-30 May 1-10

period

ACESS ABBI

BC (ABBI) = 2.5E+5 tonnes (dont 1.39E+5 tonnes pour les pays de la FSU et Kazakhstan)

BC (ACESS) = 1.83E+5 tonnes

Attention !! ACESS ne prend pas en compte les pays de la FSU et le Kazakhstan

Résumé

Comparaison des ABBI-ACESS approche multi-système

feux actif en forêt tropicale dense surface brûlée pour les autres types de végétation facteurs saisonniers pour les densités de biomasse et les efficacités de brûlage

Comparaison 2000-2001: forte variabilité interannuelle

•Variation différente pour la distribution spatio-temporelle des surfaces brûlées, la quantité de biomasse brûlée et les émissions.

dépendant du type de végétation brûlée et des effets compétitifs entre variations des densités de biomasse et facteurs d’émissions.

Plan de l’exposé




Analyse du transport des émissions issues des feux de biomasse

Étude de la distribution des concentrations de particules sur les îles du Japon



.

Journées choisies: du 25 au 28 avril 2001 Peu de pluie et de poussière désertique 27 et 28 avril: rapport BC/OC typique des feux de biomasse

(très fortes concentrations de OC mesurées)

Modélisation

Configuration du modèle MésoNH-C

Résolution horizontale 75 km x 75 km (domaine 10°S – 60°N / 50°E – 180°E) Résolution verticale: 74 niveaux étirés: 50 m au sol à 20022 m Résolution temporelle: 40s Conditions initiales et de forçage : dynamique: ARPEGE

chimique: MOCAGE Schéma chimique ReLACS (37 espèces – 128 réactions)

Cadastre d’émissions gazeux: ABBI + Streets + GEIA

25/04 26/04

27/04 28/04

Journée type avril 2001

Émissions de CO (fuels fossiles et biofuels) [ppp.m.s-1]

Émissions de CO (feux de biomasse) [ppp.m.s-1]

xPékin

Objectifs : étude du transport continental des polluants émis par les feux (notamment pour la 1ère fois, étude du transport des polluants émis au nord de l’Asie, non considérés jusque là)

le transport des feux du Kazakhstan Pékin le transport des feux de Mongolie îles japonaises

Transport intercontinental

documenté

Transport continental

??

Transport des émissions de feux de végétation sur Pékin

A l’initialisation:

Différenciation de l’origine du CO: création de traceurs CO « feux », CO « fuel fossiles » et CO « biofuels » (uniquement émis et déposés, pas de réactions chimiques).

Suivi de l’origine des émissions

Concentration en CO feux à la verticale de Pékin (29 avril à 6

UTC)

3 couches distinctes: C1 (~1000m), C2 (2000m), et C3 (3000m)

Emissions de CO feux le 25/04 (ppp.m.s-

1)

?

DThalweg 2

Thalweg 1Axe du thalweg

Ligne de convergence

Isohypses (courbe de niveau d’une surface isobare) à 700 hPa le 26 avril 2001 à 12 UTC

Analyse du transport des émissions de feux

26 avril 2001 à 12 UTC

Lignes de convergence


Déplacement vertical des particules à Z = 5000 m, dans les 12h précédent le 26 avril 2001, 12 UTC

Mouvement ascendant

Mouvement subsident

Coupe verticale



Concentration en CO feux Coupe verticale de Z0


12 UTC 26/04


12 UTC 26/04 24 UTC

27/04

20 UTC 27/04

12 UTC 28/04

20 UTC 27/04

24 UTC 27/04

12 UTC 28/04


Température potentielle équivalente (θe à 350 hPa)

Ligne de convergence


Déplacement vertical des particules à Z = 5000 m, dans les 12h précédent le 28 avril 2001, 24 UTC

Mouvement ascendant

Mouvement subsident

Coupe verticale



Concentration en CO feux Coupe verticale de Z0


Conclusion sur le transport des émissions de feux

Concentration en CO feux à la verticale de Pékin

C1: masse d’air qui constitue la couche limite de Pékin. C1 a traversé une partie du Liaoning, zone d’émissions de feux.

CO feux = 9 ppb

C2: arrive sur Pékin à 2000m. Bien que prenant sa source en zone de feux, la pollution présente dans C2 s’est diluée au cours de son transport.

CO feux = 6.8 ppb

C3: arrive sur Pékin à 3000m. Provient des zones de feux du Kazakhstan, mais son transport en haute altitude lui a permis de peu se diluer (pas de dépôt et moins de turbulence).

CO feux = 12 ppb

Conclusion sur le transport des émissions de feux

Contribution des émissions de feux de végétation à la pollution de Pékin. (jusqu’à 95% de la totalité du CO transporté à 3000 m d’altitude et 44% du CO total)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

altitude [en m]

con

trib

uti

on

[en

%]

CO(fuel fossile) / CO(transporté) CO(feux) / CO(transporté)

Empreinte des feux du

Kazakhstan

La trajectoire moyenne des masses d’air C2 et C3 semble représentative de transports fréquemment observés et engendrant de forts épisodes de pollution particulaire [Wang et al., 2004].

les particules arrivant sur Pékin sont certainement un mélange aérosol carboné – poussière désertique.

Plan de l’exposé




Analyse du transport des émissions issues des feux de biomasse

Étude de la distribution des concentrations de particules sur les îles du Japon



.

Couplage MésoNH-C / ORISAM [Cousin et al., 2005]

interaction chimie gazeuse – chimie particulaire

•« black carbon »•carbone organique

H2O

H2OHNO3

NO3-

Chimie hétérogène des nitrates

[Jacob, 2000]

H2SO4

H+, SO42-, HSO4

-,

H2SO4

Chimie aqueuse des sulfatesÉmission primaire

SOA(g)

SOA(p)

Schéma chimique ReLACs modifié pour la production des SOA. Rendement associé [Moucheron et Milford, 1996]

NH4+

Émission primaire

NH3

Variation en taille dans le modèle sur 4 bins (de 0,039 à 10 µm) avec représentation log-normal répartie dans 2 modes.

Initialisation des concentrations de BC et OCp selon un rapport moyen BC/CO (respectivement OCp/CO) en surface

Émissions de ABBI pour les feux et Inventaire du Laboratoire d’Aérologie pour les fuels fossiles et biofuels.

Module d’aérosol ORISAM [Bessagnet, 2000]: initialisation

BC = 50%

OCp = 50%

0,327 1,700

Mode 1 Mode 2

µmRépartition des émissions

Présentation des 4 îles du Japon

Zone d’étude

Honshu

Concentrations en aérosols sur les 4 îles du Japon

Hachijo

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

Co

nce

ntr

atio

n [

µg

/m3]

26/04/01 27/04/01 28/04/01

Jour

BC_obs BC_simu OC_obs OC_simu

Sado

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Co

nce

ntr

atio

n [

µg

/m3]

26/04/01 27/04/01 28/04/01

Jour


Rishiri

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Co

nce

ntr

atio

n [

µg

/m3]

26/04/01 27/04/01 28/04/01

Jour


Chichi-jima

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

Co

nce

ntr

atio

n [

µg

/m3]

26/04/01 27/04/01 28/04/01

Jour


26 avril à 6UTC

Situation synoptique

27 avril à 6UTC

Mouvement anticyclonique

Branche ascendante

28 avril à 6UTC

Concentrations en aérosols sur les 4 îles du Japon

BC (µg/m3) 26/04/01 12 UTC

OC (µg/m3) 26/04/01 12 UTC

BC (µg/m3) 27/04/01 12 UTC

OC (µg/m3) 27/04/01 12 UTC

BC (µg/m3) 28/04/01 12 UTC

OC (µg/m3) 28/04/01 12 UTC

Concentrations à Rishiri (nord de Honshu)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Co

nce

ntr

atio

n [

µg

/m3]

26/04/01 27/04/01 28/04/01

Jour


Rishiri

Rishiri

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00

Heures

Co

nce

ntr

atio

ns

[µg

/m3]

BC_obs BC_simu points de grille voisins

BC simu

BC obs

Points de grille

voisins au sud-est de

Rishiri

(Résultat identique à Sado)

27 avril 2001

Pour ces 4 îles, surestimations de OC lié uniquement aux concentrations en OCp (comme BC).

Concentrations en SOA très faibles: au maximum, 0.33 µg/m3 formé.

BC surestimé mais expliqué:

• Sado et Rishiri proches de systèmes complexes décalage d’un point de grille permet une restitution correcte.

• Chichi-jima et Hachijo sous influence océanique problème lié aux conditions d’initialisation (concentrations de fond)

sous-estimation des concentrations le 28 avril à Rishiri: problème lié aux conditions aux limites des concentrations en aérosols.

Mais surestimation de OC pour les 4 îles: différents des autres études (vols avions et autres stations) car tendance générale à la sous-estimation.

0.51 0.52 0.80

5.21

1.87 1.71

2.63

16.18

0.88 1.021.35

4.91

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Co

nce

ntr

atio

n [µ

g/m

3 ]

TWO26 TWO27 TWO28

vols avions

BC simu BC obs OC simu OC obs

Résumé

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

OC

sec/O

Cto

t [%

]

Sado Rishiri Chichi-jima Hachijo

îles japonaises

26-avr 27-avr 28-avr

Esquif [Liousse, Michel et al., 2005]:

OCsec/OCtot = 43% et 61%

Plan de l’exposé





Sensibilité aux émissions (MésoNH-C-ORISAM)

Sensibilité aux conditions d’initialisation (ORISAM 0D)


.

Tests: sensibilité aux émissions

1ère simulation: ABBI (feux de biomasse): Michel et al., 2005

2ème simulation: ACESS (feux de biomasse): Streets et al., 2003

Impact des émissions de feux de biomasse au sein de MésoNH-C-ORISAM

Tests: sensibilité aux émissions

1ère simulation: ABBI (feux de biomasse): Michel et al., 2005

2ème simulation: ACESS (feux de biomasse): Streets et al., 2003

Impact des émissions de feux de biomasse au sein de MésoNH-C-ORISAM

28/04/2001

12UTC

27/04/2001

12UTC

26/04/2001

12UTC

Concentration OC ABBI [µg/m3]

Concentration OC ACESS [µg/m3]

à 25 m

Tests: sensibilité aux émissionsDifférence entre les concentrations en aérosols carbonés

organiques simulés avec les 2 inventaires:

Différence sur la formation d’aérosol carboné organique secondaire ?

SOA (ABBI) – SOA (ACESS) (µg/m3)

26/04/2001 12UTC

28/04/2001 12UTC

Uniquement lié aux fortes émissions par les feux du nord: problème dans la prise en compte de la formation des aérosols secondaires pour émissions par les feux.

Sensibilité aux conditions d’initialisation (OCsec/OCtot)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

rap

po

rt (

%)

OCsec/OCtot

Test1 Test2 Test3 Test4 Test5 Simu-ref

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50ra

pp

ort

(%

)

OCsec/OCtot

Test1 Test2 Test3 Test4 Test5 simu_ref

Pékin

Gosan

Simu-ref: simulation effectuée avec ORISAM-0D ABBI + Streets et al., [2003] pour les émissions gazeuses et ABBI + Laboratoire d’Aérologie pour les émissions particulaires (sur 24h)

Test1: simu_ref avec [gaz_init] = 0Test2: simu_ref avec émissions gazeuses de Paris (GENEMIS 3km)Test3: simu_ref avec émissions gazeuses de Paris (GENEMIS 3km) + [gaz_init] = 0Test4: simu_ref avec émissions aérosols de Paris (inventaire LA)Test5: simu_ref avec émissions et concentrations initiales en aérosols de Paris

0.E+00

1.E+13

2.E+13

3.E+13

4.E+13

5.E+13

6.E+13

7.E+13

8.E+13

9.E+13

1.E+14

HC5 HC8 OLT OLI TOL ALD XYL

espèces

émis

sio

ns

(mo

lec.

cm-2

.s-1

) P

aris

0.0E+00

2.0E+10

4.0E+10

6.0E+10

8.0E+10

1.0E+11

1.2E+11

1.4E+11

1.6E+11

1.8E+11

2.0E+11

émis

sio

ns

(mo

lec.

cm-2

.s-1

) P

ékin

et G

osa

n

Paris Pékin Gosan

Validité de l’inventaire d’émissions issues des fuels fossiles sur l’Asie??

Plan de l’exposé




4) Tests de sensibilité effectués avec ORISAM-0D


.

Première utilisation du modèle sur un domaine aussi grand et complexe.

temps de calculs « gigantesques » rendant impossible la réalisation de tests de sensibilité.

perspectives:

Amélioration de MésoNH-C

L’utilisation d’autres modèles (ex: couplage RegCM/ORISAM)

Amélioration des conditions aux limites

Prise en compte du lessivage et d’un mode grossier dans ORISAM

Études des mélanges poussières – aérosols carbonés et impact radiatif (version radiative ORISAM-RAD [Mallet et al., 2005])

Conclusions et perspectives


Utilisation d’une approche intégrée tridimensionnelle à l’interface entre émission - modélisation

1ère fois qu’une telle étude est effectuée sur cette zone

Élaboration d’un inventaire dédié à la zone d’étude

L’élaboration de l’inventaire d’émissions ABBI a mis en évidence l’importance de considérer ces émissions pour étudier le transport continental des polluants

(en particulier, impact des feux de l’Asie du nord sur Pékin)

Importance de ces feux sur le transport intercontinental?

Sous-estimation systématique des concentrations en aérosols organiques carbonés

paramètres clefs: concentrations de fond et émissions gazeuses

Toutefois, caractérisation des émissions de feux de biomasse nécessaire, mais pas suffisante.

résultats de la modélisation montrent une insuffisance au niveau de la caractérisation des émissions de fuels fossiles sur l’Asie.

(ré-évaluation des facteurs d’émissions pour les COV)

choix de rendements adaptés aux feux choix d’un schéma chimique adapté aux aérosols


l'aérosol de combustion dans une région en grande mutation, l'asie. laboratoire...

Documents

vgtation et

charbon et

feux pixels

industries page

feux dtecte sur

feux biofuels

chine et linde

zones forestires et