Caractérisation de la pollution dans la troposphère arctique : utilisation des données satellitaires et aéroportées dans le cadre de la campagne API/POLARCAT

Abstract

The Arctic is a region which despite the remoteness and lack of emission sources of pollutants, is one of the most affected by the long-range transport of pollution, which can affect background pollution levels and which influence climate change both regionally and globally. Despite improvements in observing systems and numerical models in recent decades, it remains difficult to reproduce the observed pollution episodes in the Arctic especially in summertime. One possible explanation is the underestimation of modelled ozone (O3) production in forest fires plumes. Carbon monoxide (CO) is often used as a tracer of pollution transport due to its relatively long lifetime of several weeks in the troposphere. It is a reactive gas, mainly produced by the combustion of fossil fuels and vegetation burning. Moreover, since its main sink is reaction with OH radical, CO has an important role in the oxidizing power of the atmosphere it also plays an important role in the assessment of tropospheric ozone. The purpose of my thesis has been to contribute to a better understanding of transport and of the chemical mechanisms of pollutants formation in the Arctic troposphere. A combination of the new CO measurements from the IASI satellite instrument, launched in October 2006 aboard the MetOp-A and aircraft data collected during the POLARCAT campaigns of the International Polar Year (IPY), in spring and summer 2008 were used. IASI CO observations were first validated by comparison with in situ airborne measurements showing its ability to detect the evolution of high CO signatures plume as close to sources regions. The second part of the thesis used assimilation of daily IASI CO measurements (Kalman filter) in the LMDz-INCA global model to improve our understanding about sources of pollution impacting the Arctic troposphere and their transport pathways. The assimilation has improved the modelling of CO pollution episodes in the Arctic free troposphere. Model results were also evaluated using POLARCAT observations and used to examine the sensitivity of Arctic pollutant concentrations (namely the overestimation of O3 distribution and the underestimation of PAN distribution) to emissions from different regions and in particular the boreal forest fire emissions.L'Arctique est une région qui malgré l'absence et l'éloignement de sources d'émission de polluants, est l'une des plus touchées par le transport à longue échelle de la pollution, qui peut affecter les niveaux de fond de pollution et qui influence le changement climatique à l'échelle régionale et mondiale. Malgré l'amélioration des systèmes d'observations et des modèles numériques durant ces dernières décennies, il reste encore difficile de reproduire les épisodes de pollution observés en Arctique notamment en été. Une explication possible est la sous-estimation de la production d'ozone (O3) modélisée dans les panaches des feux de forêt. Le monoxyde de carbone (CO) est utilisé comme un traceur du transport de la pollution du fait de sa longue durée de vie (plusieurs semaines) dans la troposphère. Ce gaz est produit par la combustion des énergies fossiles et des feux de biomasse. De plus, étant régulé par sa réaction avec le radical OH, il joue aussi un rôle important dans le bilan de l'O3 troposphérique. Le but de mes travaux de thèse a donc été de contribuer à une meilleure compréhension du transport et des mécanismes chimiques de formation des polluants secondaires dans la troposphère arctique. Pour cela j'ai utilisé en parallèle les nouvelles mesures de CO de l'instrument satellitaire IASI qui a été lancé en octobre 2006 à bord du satellite MetOp-A et les données récoltées par des avions instrumentés lors des campagnes POLARCAT de l'Année Polaire Internationale (API), au printemps et en été 2008. Les observations CO IASI ont tout d'abord été validées en les comparant avec les mesures aéroportées in situ montrant leurs capacités à observer des panaches de signatures élevées en CO comme près des régions sources. Le deuxième volet de la thèse illustre l'apport de l'assimilation (filtre de Kalman) des mesures quotidiennes de CO IASI dans le modèle global LMDz-INCA dans l'amélioration de notre compréhension sur les émissions et des chemins de transport des polluants influençant sur la troposphère arctique. L'assimilation a ainsi permis d'améliorer la modélisation des épisodes de pollution en CO dans la troposphère libre arctique. Enfin les résultats du modèle ont également été évalués en utilisant les observations POLARCAT et utilisés pour examiner la sensibilité des concentrations de polluants en Arctique (à savoir une surestimation de la distribution de l'O3 et une sous-estimation de celle du PAN) provenant des différentes régions et en particulier des feux de forêt boréale