Mieux comprendre les changements dans la circulation atmosphérique de Brewer-Dobson

Dans la stratosphère, la circulation de Brewer-Dobson (CBD) consiste en un mouvement ascendant au niveau des tropiques, suivi par une migration des masses d’air vers les pôles et une subsidence à haute latitude. La CBD détermine la distribution des traceurs chimiques dans la stratosphère, notamment celle de l’ozone et de la vapeur d’eau. Tout changement dans les caractéristiques de la CBD provoque des changements dans la distribution des traceurs atmosphériques mais détecter ces changements constitue un défi pour les chercheurs. Nous avons évalué les changements dans la CBD au cours de la dernière décennie à partir de mesures satellitaires et de mesures au sol, en utilisant des simulations numériques pour le protoxyde d’azote (N2O), un traceur à longue durée de vie.

N2O comme traceur pour les études du transport atmosphérique

Nous avons choisi le peroxyde d’azote (N2O) pour évaluer les changements dans la CBD parce que sa concentration augmente linéairement dans la troposphère et qu’il est transporté dans la stratosphère où son temps de vie est d’environ 120 ans. Cela en fait un excellent traceur pour les études du transport atmosphérique: toute déviation par rapport à cette augmentation linéaire peut être attribuée à un changement dans le transport.

Nous étudions les tendances décennales (2005-2018) de N2O mesurées par les spectromètres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) et par l’expérience spatiale ACE-FTS (Atmospheric Chemistry Experiment Fourier-Transform Spectrometer). Nous comparons ces mesures avec des simulations produites par le modèle du système belge d’assimilation BASCOE (Belgian Assimilation System for Chemical ObsErvations) alimenté par quatre réanalyses de la dynamique, ainsi qu’avec des simulations du modèle climatique WACCM (Whole Atmosphere Community-Climate Model).

Tendances du N2O au niveau des stations de mesure au sol

Les stations de mesures FTIR considérées ici sont situées à Lauder (Nouvelle Zélande, 45°S) et au Jungfraujoch (Suisse, 46°N). Nous calculons des tendances moyennes de N2O entre 12 et 40 km d’altitude pour tenir compte de la basse résolution des instruments.

Pour les mesures FTIR et celles de ACE-FTS, les tendances de N2O sont plus élevées à Lauder qu’au Jungfraujoch, indiquant une asymétrie entre les deux hémisphères terrestres dans les tendances de N2O. Le modèle BASCOE alimenté par les réanalyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme (ECMWF) reproduit avec succès cette asymétrie, alors que les simulations du modèle WACCM n’indiquent pas de différences significatives entre les hémisphères.

Tendances globales de N2O

Les mesures prises par ACE-FTS à l’échelle globale confirment l’asymétrie hémisphérique des tendances de N2O dans la basse et moyenne stratosphère: une tendance à la hausse dans l’hémisphère sud, et à la baisse dans l’hémisphère nord. Les simulations de BASCOE reproduisent ces tendances de manière cohérente, en particulier lors de l’utilisation des réanalyses de l’ECMWF. Les tests de sensibilité appliqués au modèle BASCOE confirment le rôle prépondérant des changements liés au transport dans le développement de telles asymétries. Les simulations du modèle WACCM présentent une asymétrie de moindre amplitude, bien que la nouvelle version de WACCM réussisse mieux que la version précédente à décrire la situation dans l’hémisphère sud.

La présente étude révèle que:

  • Le N2O est un traceur très utile pour l’étude des changements dans la CBD.
  • La basse résolution verticale des mesures FTIR de N2O est une limitation pour analyser les tendances de N2O dans la stratosphère.
  • Les mesures satellite et les simulations de BASCOE montrent une asymétrie entre les deux hémisphères dans les tendances de N2O, que l’on peut attribuer à des changements dans le transport des masses d’air.
  • Les améliorations observées d’une version du modèle WACCM à l’autre montrent clairement que les simulations produites avec la prochaine génération de modèles peuvent potentiellement atteindre une qualité proche de celle des réanalyses.

 

Référence:

 

Minganti D., Chabrillat S., Errera Q., Prignon M., Kinnison D. E., Garcia, R. R., et al. (2022). Evaluation of the N2O rate of change to understand the stratospheric Brewer-Dobson circulation in a Chemistry-Climate Model. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036390, https://doi.org/10.1029/2021JD036390

Graphique colonne stratosphérique N2O
Ce graphique montre le probabilité d’avoir une hausse de la colonne stratosphérique de N2O (intégrée entre 12 et 40 km d’altitude) au niveau des stations de mesure de Lauder (gauche) et du Jungfraujoch (droite). Le code de couleur est indiqué dans le graphique.
Section en latitude et suivant les niveaux de pression des tendances de N2O
Ce graphique montre une section en latitude et suivant les niveaux de pression des tendances de N2O (en pptv/an) pour la période 2005-2018. La quantité de N2O obtenue à l’endroit et au moment des observations est obtenue par interpolation des résultats fournis par les modèles. Les croix noires indiquent les points de grille du modèle où la probabilité d’avoir une hausse/une baisse du N2O est inférieure à 95%.