Étude de l’effet des sulfates sur les cristaux de glace et la vapeur d’eau durant l’hiver polaire à l’aide de données

satellitaires.

Projet de doctorat de Patrick Grenier

Sous la direction de Jean-Pierre Blanchet

Figure 1 : Délimitations géographiques des secteurs d’étude. L’effet des sulfates sur la vapeur d’eau (via l’effet sur les cristaux de glace) est étudié pour l’Arctique seulement.

Problématique et contexte de recherche :Les effets indirects des aérosols représentent une source majeure d’incertitude dans notre compréhension des climats passés et futurs. Durant l’hiver arctique, les sulfates représentent une grande fraction de la masse des aérosols. Mélangés à d’autres composés, ils contribuent à former de bons noyaux de condensation ainsi qu’à partiellement inhiber le gel des gouttelettes. Il est nécessaire d’évaluer l’impact de l’effet d’inhibition du gel sur le cycle hydrologique.

Hypothèses :(1) En inhibant partiellement le gel des gouttelettes, les sulfates favorisent la formation de cristaux de plus grande taille au sommet des nuages durant l’hiver polaire.

(2) La formation de cristaux de plus grande taille dans les systèmes nuageux fortement affectés par l’effet d’inhibition du gel va de pair avec une humidité relative plus faible.

Objectif :Vérifier, à l’aide des données satellitaires de CloudSat (radar), CALIPSO (lidar) et AIRS (spectromètre), les hypothèses (1) et (2).

Méthodologie :Afin de vérifier l’hypothèse (1), les données de CloudSat et de CALIPSO sont superposées, ce qui permet une classification heuristique des nuages de glace en fonction de la présence ou non de cristaux de grande taille, ainsi que le calcul d’un indice d’aérosols anthropogéniques (pollution). Les liens entre les divers types de nuages et l’indice de pollution peuvent alors être étudiés. Les données utilisées incluent : la rétrodiffusion atténuée du faisceau lidar à 532 nm (voir Figure 2) et à 1064 nm, la dépolarisation à 532 nm, la réflectivité du radar (voir Figure 2) , le champ d’inversion pour le contenu en eau solide (produit CloudSat) ainsi que la température (ECMWF ; interpolée le long des parcours satellitaires).

La méthodologie pour vérifier l’hypothèse (2) n’est pas encore précisée.

Résumé du projet

Bases de données

Figure 2 : Scène de nuages et d’aérosols au-dessus de l’Arctique. Elle s’étend sur environ 5000 km, de la mer de Beaufort à la Péninsule de Taïmyr.

a) Champ de rétrodiffusion atténuée telle que mesurée par CALIPSO (CAL-LID-L1-Prov-V1-11.2007-01-19T21-36-47ZN), après interpolation sur la grille CloudSat.

b) Rayon effectif des cristaux de glace tel qu’obtenu par un algorithme d’inversion CloudSat (2007019202553-03881-CS-2B-CWC-RO-GRANULE-P-R04-E02).

c) Classification des nuages telle qu’obtenue par notre algorithme. Les données dans le premier kilomètre sont invalides (limitation résultant du trop long train d’onde du signal radar). Nous nous intéressons plus particulièrement aux TIC-2B (en rouge).

d) Indice de pollution. L’indice varie numériquement entre 0 (peu de pollution) et 1, avec la plage [0.4, 0.6[ pour l’indice affiché ici comme modéré (en jaune).

Les satellites survolent chaque région polaire 14 ou 15 fois par jour. Au total, 386 scènes sont étudiées pour janvier 2007, et 379 pour juillet 2007, correspondant à 1 417 289 et 1 673 900 profils respectivement (résolution CloudSat). Pour CALIPSO, il faut multiplier les nombres de profils par 3.26 environ, dû à son échantilonnage plus serré.

Résultats

Résultats relatifs ou connexes à l’hypothèse (1)

En étudiant les données satellitaires de CloudSat et CALIPSO pour le mois de janvier 2007 (hiver arctique) et juillet 2007 (hiver antarctique), nous avons pu démontrer que :

1a) Les secteurs présentant les plus forts indices de pollution dans la troposphère sont aussi ceux pour lesquels les nuages ont le plus tendance à former des cristaux de forte taille (précipitants) à leur sommet (nuages dits de type TIC-2B). Ce lien n’est pas nécessairement causal, mais il est cohérent avec l’hypothèse (1). Les secteurs qui se distinguent en ce sens sont tous situés dans l’Arctique (entre 66.5 et 82oN) : Russie Orientale, Mer de Beaufort et Archipel Canadien (voir Figure 1).

1b) Pour les TIC-2B, il existe une corrélation positive entre le rayon effectif des cristaux de glace au sommet nuageux et l’indice de pollution juste au-dessus. Cela est le cas pour 10 des 11 secteurs étudiés, mais les coefficients de corrélation linéaire (CCL) calculés sont relativement faibles (entre 10 et 15 %). Les résultats sont interprétés comme des valeurs minimales des CCL que nous obtiendrions entre le rayon effectif des cristaux et l’indice de pollution à l’intérieur des nuages (la méthodologie employée ne permet pas de connaître l’indice des aérosols intersticiels).

La méthodologie ainsi que les résultats relatifs à l’hypothèse (1) sont détaillés et discutés dans l’article suivant (accepté avec corrections mineures – en révision) :

Grenier P., Blanchet J.-P. and Muñoz-Alpizar R. (200x) Study of polar thin ice clouds and aerosols seen by CloudSat and CALIPSO during mid-winter 2007. J. Geophys. Res. (manuscript #2008JD010927, waiting for revision).