Aerosols and transport processes in the tropical upper troposphere and stratosphere from measurements of the space-borne lidar CALIPSO - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2010

Aerosols and transport processes in the tropical upper troposphere and stratosphere from measurements of the space-borne lidar CALIPSO

Les aérosols et le transport dans la haute troposphère et la stratosphère tropicale à partir des mesures du lidar spatial CALIPSO

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Abstract

This work deals with a study of stratospheric aerosols and transport processes responsible for their time evolution from the first two years observations of the CALIOP lidar carried on the French-US CALIPSO satellite launched in May 2006. After adaptation of the retrieval algorithms to the faint Mie scattering signal and calibration correction required by the presence of aerosols at altitude levels of standard calibration, it is shown that zonal mean scattering ratios of 2% precision could be obtained. After applying those corrections as well as a cloud mask based on the depolarization of the lidar signal, the time evolution of the aerosols between 15-40 km altitude from July 2006 to September 2008, leads to the following conclusions: i) a significant contribution, often ignored, of volcanic eruptions of medium 3-4 explosivity index resulting in plumes injected at around 19-20 km altitude, then slowly lifted by the Brewer-Dobson circulation until 25 km within one year; and ii) the decoupling between, the mid- and lower stratosphere separated by a region of small or zero vertical velocity at around 20 km. In agreement with generally accepted ideas, the tropical midstratosphere displays a slow upwelling at an average of 300 m/month within the "tropical pipe", and meridional exchange intensity modulated by the quasi-biennial oscillation. In contrast and in contradiction with the currently accepted scheme of slow ascent by radiative heating of air above the top altitude of convective outflow around 14 km, the region below 20 km is found to be the location of frequent injections of clean air, likely washed-out from the troposphere, and particularly intense at equatorial latitudes during austral summer. Since the TTL, the Tropical Tropopause Layer, is defined as the region of the stratosphere under influence of the troposphere, those observations suggest a top of this layer at around 20 km. A consequence of the mixing with injected clean air is the fast cleansing of volcanic aerosols occasionally present in the TTL. Finally, another unexpected feature reported by the lidar is the presence of additional seasonal aerosols between 15-18 km, above West Africa and South Asia during their respective monsoon season, which could be small mineral dust lifted by convection from neighbouring desert areas.
Ce travail de thèse porte sur la description des aérosols stratosphériques et des mécanismes de transport responsables de leur évolution dans le temps à partir des deux premières années d'observations du lidar CALIOP embarqué sur le satellite franco-américain CALIPSO, lancé en mai 2006. Après adaptation des algorithmes de restitution aux faibles signaux de diffusion Mie des aérosols stratosphériques et correction de l'étalonnage rendue nécessaire par la présence d'aérosols dans la gamme d'altitude de l'étalonnage des produits standards, il est montré qu'il est possible d'obtenir des profils moyens zonaux de rapport de diffusion avec une précision de 2%. Après application de ces corrections ainsi que d'un masque de nuages reposant sur la dépolarisation du signal lidar, l'évolution observée des aérosols entre 15 et 40 km d'altitude de juillet 2006 à septembre 2008, conduit aux conclusions suivantes : a) l'approvisionnement souvent ignoré et fréquent de la stratosphère en aérosols par des éruptions volcaniques relativement mineures, d'indice d'explosivité de 3 à 4, se traduisant par des panaches autour de 19-20 km d'altitude, soulevés lentement par la suite par la circulation de Brewer-Dobson pour parvenir un an plus tard à 25 km ; b) le découplage entre la moyenne et la basse stratosphère séparées par une région de vitesse verticale faible ou nulle vers 20 km. En accord avec les idées prévalant sur le sujet, la moyenne stratosphère tropicale apparaît comme le siège d'un soulèvement lent à une vitesse de l'ordre de 300 m/mois, confiné dans le " tropical pipe ", suivi à plus haute altitude d'un échange méridional d'intensité modulée par l'oscillation quasi-biennale. Par contre et en contradiction avec le schéma aujourd'hui accepté de soulèvement lent produit par l'échauffement radiatif de l'air depuis le niveau du sommet des enclumes convectives vers 14 km, la région en dessous de 20 km apparaît être le siège de violentes injections d'air propre, depuis la troposphère et vraisemblablement lessivé dans les nuages, particulièrement intenses à l'équateur durant la saison convective la plus active de l'été austral. Dans la mesure où la TTL, Tropical Transition Layer, est définie comme la région de la stratosphère soumise à l'influence de la troposphère, ces observations suggèrent que son sommet se situe vers 20 km. Une conséquence du mélange avec l'air propre troposphérique est le nettoyage rapide dans cette tranche d'altitude des aérosols volcaniques qui peuvent s'y trouver. Enfin une autre observation inattendue est celle de la présence chaque année de couches aérosols entre 15 et 18 km limitées à l'Afrique de l'Ouest et à l'Asie du Sud durant leur saison respective de mousson, dont il est suggéré qu'il puisse s'agir de fines poussières minérales d'origine désertique.
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Dates and versions

tel-00669120 , version 1 (11-02-2012)

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  • HAL Id : tel-00669120 , version 1

Cite

Jean-Paul Vernier. Les aérosols et le transport dans la haute troposphère et la stratosphère tropicale à partir des mesures du lidar spatial CALIPSO. Physique Atmosphérique et Océanique [physics.ao-ph]. Université de Versailles-Saint Quentin en Yvelines, 2010. Français. ⟨NNT : 2010VERS0006⟩. ⟨tel-00669120⟩
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