Impact de l'UV sur la photochimie

Impact de l’UV sur la photochimie

               Marion Marchand,
      D. Cugnet, S. Bekki, S. Lefebvre,
Chantal Claud, A. Hauchecorne, P. Keckhut, F.
Lefèvre, V. Poulain, P. Lemmenais, J. Hampson
              F. Lott, F. Hourdin

            LATMOS/IPSL, CNRS

              LMD/IPSL, CNRS

         Journée Soleil/Terre - 11/06/2010

Plan de la présentation
1: Introduction:

Rôle du rayonnement UV dans le budget de l’ozone ?

Comment la composition chimique et la structure thermodynamique de la
stratosphère peut être moduler par la variabilité solaire ?

2: Modèle de Chimie Climat (CCM) LMDz-Reprobus (IPSL)

Description et Validation ( Projet CCMVal/SPARC)

3: Etudes de la réponse de la stratosphère au cycle solaire de 11 ans

Description de l’expérience

Réponse de l’ozone, des température et des vents zonaux au forçage solaire

4: Conclusion et Perspectives

10-20%
         5%

Profondeur de pénétration du rayonnement solaire
dans l’atmosphère

                                     O2-Continuum
                                     Herzberg
                 O2-Continuum de
                 Schumann-Runge

                             O3-Hartley-Huggins

           O2-bandes
           Schumann-Runge

La photochimie de l’ozone stratosphérique:

                              Cycle de Chapman

                    fast
                                  1)     O2 + hν → O + O (< 242 nm)
                                  2)     O + O2 + M → O3 + M
             fast
                                  3)     O3 + hν → O + O2 (

O3 production      Distribution colonne O3
à partir de: O2 + hv

     tropical
     maximum

Response solaire de l’ozone
          Distribution méridienne à partir de régressions multiples des données
SBUV      (% de changement de solar min à max)                           SAGE I et II

Réponse en O3: 2 à 4%

                                                                UARS HALOE

LMDz-Reprobus Chemistry-Climate Model

                            LMDz

    3 min
 Dynamics             30 min                   Physics

          15 min
                                                     Reprobus

Large-scale                 Physics of
                                                    Chemistry
 advection                   tracers                   Emissions
                             Convective and          Dry and humid
(Van Leer, 1977)                                       deposition
                            turbulent mixing

                    LMDzT                          LMDz-Reprobus

•   Extended version of the LMDz-4 general circulation model (Lott et al.,
    1999; 2005)
     – Grid point model (2.5° lat - 3.75° lon)
     – hybrid sigma-pressure vertical coordinate
     – 50 levels from surface to 0.07 hPa (65 km)

•   LMDz-4: atmospheric component of the IPSL Earth System model
    (Dufresne et al., 2002; IPCC, 2007)
     – used by a wide community in France
     – Also includes carbon cycle, tropospheric chemistry, etc..
     – Involved in IPCC simulations

•   Physical parameterisations
     – Radiation scheme: ECMWF scheme (Morcrette, 1989)
     – Convection scheme: Emanuel scheme (Emanuel, 1993)
     – Subgrid scale orography: Lott and Miller (1997), Lott (1999).
     – Doppler-spread non orographic gravity waves scheme: Hines (1997) and adapted
       from Manzini (1997)
     – Rayleigh drag sponge layer between 55 km to 65 km (Shepherd et al.,1996)
     – Transport of tracers: Van Leer I scheme (Van Leer, 1977)

•   Reprobus:
     – initially designed as a chemical-transport model (Lefèvre et al.,1998; Ricaud et al.,
       2005; Tripathi et al., 2007)
     – Coupled interactively to LMDz since 2004

•   Gas-phase chemistry:
     – detailed description of Ox, NOx, HOx, ClOx, BrOx et CHOx chemistries.
     – 55 species, 160 gas-phase reactions
     – Includes CH2Br2* as a proxy for bromine VSLS (CH2Br2* = CH2Br2 + CHBr3 + CH2BrCl
       + C2H4Br2 + … = ~ 5 pptv)

•   Heterogeneous chemistry:
     – flexible microphysical scheme: can handle liquid binary (H2O/H2SO4), liquid ternary
       (H2O/H2SO4/HNO3) aerosols, solid NAT, solid ice particles. Different microphysical
       scenarios can be assumed: mixture of solid/liquid particles, varying radius, bimodal
       distribution, varying particle number density, etc...
     – Liquid aerosol composition: Carslaw et al., (1995)
     – 6 heterogeneous reactions (Shi et al. for reactions on liquid aerosols)

•   Photolysis rates:
     – J values calculated at high spectral resolution from the TUV model (Madronich and
       Flocke, 1998) .Stored in a 4-dimensional lookup table

Chemistry-Climate Model Validation
Activity for SPARC (CCMVal)

                          simulations
            REF-B1 (1960-2006) = transient run from 1960
               to the present.
            Goal: reproduce the well-observed period of
               the last 35 years during which ozone
               depletion is well recorded

            REF-B2 (1960-2100) = internally consistent
               simulation from the past into the future.
            Goal: produce best estimates of the future
               ozone-climate change up to 2100 under
               specific assumptions about GHG
               increases (Scenario SRES A1B) and
               decreases in halogen emissions (adjusted
               Scenario A1) in this period.

Seasonal variation of O3 column (DU) zonal mean 1991-1999

                                Observations TOMS

Annual O3 Column 35N-60N

Experimental setup

•   LMDz-Reprobus with full interactive chemistry
     • 50 levels
     • 2.5°x3.75° horizontal resolution
•   Photolysis rates: computed off-line
     • TUV model (S. Madronich), improved version
     • High spectral resolution (up to 0.01 nm)
     • J values stored in 3-dimensional lookup table
•   Solar fluxes: SUSIM/UARS (courtesy L. Floyd- Gérard Thuillier)
     • 2 February 1992     solar maximum
     • 10 october 1996     solar minimum

LMDz-Reprobus solar simulation
            Reponse annuelle O3 (%)

LMDz-Reprobus                         SAGE I II

LMDz-Reprobus solar simulation
     Reponse annuelle Température (K)

LMDz-Reprobus
                Latitudes:15°S-15°N

Latitudes:70°N-90°N
LMDz-Reprobus

                Reponse saisonnière Ozone (%)

                   Reponse saisonnière Température (K)

Conclusions
CCM LMDz-Reprobus / cycle solaire 11 ans
          run min/max solaire

* reponse annuelle: bien expliquée
       => reponse radiative + photochimique (haute
stratosphère tropicale)
       3- 4% pour O3 et 1K pour T

Bon accord avec les observations

* Reponse saisonnière haute latitude HN : révèle
l’importance d’une réponse dynamique (cf presentation
C.Claud)

Discussion - Perspectives

- Analyse de la simulation transient (CCMVal): 1960-2007
      ?Minimum en moyenne stratosphère tropical?

- Analyse de la réponse au cycle solaire de 27 jours

- Test et Analyse à partir du nouveau code radiatif (6
bandes) implémenté dans la nouvelle physique du GCM LMDz

-Couplage ocean/LMDz-Reprobus
     Simulation du présent et du millénaire