Evolution of stratospheric ozone in the mid-latitudes in connection with the abundances of halogen compounds - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Evolution of stratospheric ozone in the mid-latitudes in connection with the abundances of halogen compounds

Résumé

This thesis addresses the issue of the long-term evolution of stratospheric ozone in relation to the halogen loading. To that aim, long-term records of satellite and ground-based (GB) ozone profile measurements at six lidar stations, of the Network for the Detection of Stratospheric Change, are examined to find the bias and drift in the measurements. The stratospheric ozone trends are then estimated from the ozone profile and total column measurements using the Equivalent Effective Stratospheric Chlorine time series and two linear trend functions (before and after 1997) called as piecewise linear trends (PWLTs), to account for the change in the trends of ozone depleting substances, at Northern midlatitude stations. The analysis uses GB measurements from lidar, Umkehr, ozonesondes and the Dobson and SAOZ spectrometers, and satellite observations from SBUV(/2), SAGE II, HALOE, UARS MLS, Aura MLS and GOMOS. First of all, a sensitivity analysis is performed to diagnose the effect of using different ozone absorption cross-section data sets (Bass and Paur and Brion-Daumont-Malicet) on the retrieved lidar ozone profiles. The relative ozone differences computed using those two cross-section data are less than ±1% from 10 to 35km at all latitudes, except a −1.5% deviation at 15km in the tropics. Above 35 km, the deviations increase with a maximum of 1.7% in the tropics and a minimum of 1.4% in the high latitudes. The stability of various GB and satellite ozone profile time series is then evaluated by comparing with the ozone lidar data for each station. All ozone profile measurement techniques show their best agreement (±3%) with lidars in the 20-40km altitude range and the estimated drifts are less than ±0.3%yr−1 at all stations. Comparatively large biases and drifts are computed below 20 and above 40 km. A combined time series of the relative differences of SAGE II, HALOE and Aura MLS with respect to the lidar measurements at the six lidar sites is constructed to obtain long-term data sets from 1985 to 2010. The relative drifts derived from these combined data of "27 years are very small, within ±0.2%yr−1. Then, stratospheric ozone trends are estimated at Meteorological Observatory Hohenpeissenberg (MOHp) using Dobson, and at Haute-Provence Observatory (OHP) using Dobson and SAOZ total column measurements and various GB and satellite ozone profiles. For that a multiple regression model is developed using different explanatory variables such as Quasi Biennial Oscillation (QBO), North Atlantic Oscillation (NAO), solar flux, eddy heat flux, aerosols and trend. The PWLTs computed from the ozone column at OHP and MOHp show significant negative (−1.4 ± 0.29DUyr−1) and positive (0.55 ± 0.29DUyr−1) values before and after 1997, respectively, indicating a clear signal of ozone recovery at these latitudes after 1996. Vertical distribution of ozone trends based on PWLT model, estimated using the all instrument average at OHP exhibit about −0.5± 0.1%yr−1 in the 16-22km range and about −0.8 ± 0.2%yr−1 in the 38-45km region before 1997. Significant positive trends (0.2 ± 0.05-0.3 ± 0.1%yr−1) are estimated in the 15-45km altitude region after 1996. These significant ozone profile trends in the respective periods corroborate those derived from the ozone total column and hence, provide signs of ozone recovery in the northern mid-latitudes. The trends based on both PW and EESC regressions are similar and significant before 1997 while they differ slightly after 1996, with the largest value in the PW regression. In addition, the most recent increase in ozone after 1996 is due to the increase in QBO and planetary wave drive. For instance, QBO, NAO and heat flux contribute about 20-26DU to the large total ozone anomaly of 25-30DU in the winter/spring months in 2010. Therefore, this thesis presents some new and interesting results on the mid-latitude stratospheric ozone recovery.
Cette thèse a pour objet l'étude de l'évolution à long terme de l'ozone stratosphérique, en liaison avec la variation de l'abondance des composés halogénés dans la moyenne atmosphère. Dans ce but, les longues séries de mesures sol et satellitaires de la distribution verticale d'ozone obtenues depuis les années 1980 sont évaluées dans six stations du Network for the Detection of Atmospheric Composition Changes (NDACC - réseau international de surveillance de la composition atmosphérique), pour déterminer les biais et dérives éventuelles entre les mesures. Les tendances d'ozone stratosphérique sont ensuite évaluées dans deux stations de moyenne latitude de l'hémisphère nord à l'aide d'un modèle statistique utilisant deux types d'indicateurs pour représenter l'évolution des substances destructrices d'ozone dans la stratosphère: (1) l'Equivalent Effective Stratospheric Chlorine (EESC - paramètre quantifiant l'effet des composés chlorés et bromés stratosphériques sur l'ozone) et (2) deux fonctions linéaires avec changement de pente en 1997. L'étude de tendance est effectuée pour les mesures du contenu intégré d'ozone dans les deux stations et les mesures de distribution verticale à l'Observatoire de Haute-Provence. L'étude utilise les mesures sol d'ozone obtenues par lidar (profil d'ozone), spectromètre Dobson (contenu intégré et profil d'ozone par la méthode Umkehr), ozonosondage (profil d'ozone) et spectromètre UV-Visible SAOZ (contenu intégré). Les observations satellitaires utilisées proviennent des instruments SBUV(/2), SAGE II, HALOE, UARS MLS, Aura MLS et GOMOS. Tout d'abord une étude de la sensibilité des mesures lidar aux sections efficaces d'ozone utilisées dans l'algorithme de restitution est effectuée. La différence relative d'ozone obtenue à partir des mesures restituées à l'aide de différents jeux de données de section efficace reconnues par les instances internationales, est inférieure à ±1% entre 10 et 35 km à toutes les latitudes (à l'exception de -1.5 % à 15 km aux tropiques). Au-dessus de 35 km, l'écart s'accroit, avec un maximum à 45 km de 1.7 % aux tropiques et un minimum de 1.4 % aux hautes latitudes. La stabilité des différentes séries de mesures satellitaires et sol de la distribution verticale d'ozone est ensuite évaluée à partir de la comparaison avec les mesures lidar dans les six stations NDACC considérées au cours de la thèse. Le meilleur accord (±3%) entre les mesures issues des différentes techniques et les mesures lidar est obtenu entre 20 et 40 km. Dans ce domaine d'altitude, la dérive entre les différentes mesures est inférieure à ±0.3%yr−1. Des dérives et des biais comparativement plus importants sont calculés en dessous de 20 km et au-dessus de 40 km. Par ailleurs, la stabilité à plus long terme des mesures d'ozone est étudiée à partir de séries temporelles combinant les différences relatives entre les mesures lidar et les mesures SAGE II et HALOE d'une part avec les différences relatives entre les mesures lidar et les les mesures Aura MLS d'autre part. Les dérives estimées à partir de ces séries composites couvrant 27 années de mesure sont très faibles, de l'ordre de ±0.2%yr−1. Enfin les tendances évolutives du contenu intégré d'ozone sont évaluées à l'Observatoire Météorologique de Hohenpeissenberg (MOHp - Allemagne) à partir des mesures du spectromètre Dobson et à l'Observatoire de Haute-Provence (OHP - France) à partir des mesures des spectromètres Dobson et SAOZ. A l'OHP, les tendances de la distribution verticale d'ozone sont calculées à partir des mesures obtenues par différentes techniques de mesures, sol et satellitaires. Pour ce faire, un modèle de régression multilinéaire est développé, fondé sur l'utilisation de différentes variables telles que l'oscillation quasi-biennale (QBO), l'oscillation Nord-Atlantique (NAO), le flux solaire, le flux de chaleur turbulent, l'épaisseur optique des aérosols stratosphériques et les tendances à long terme. L'estimation des tendances calculées à partir des mesures de contenu intégré d'ozone dans les deux stations fournit des valeurs significatives, de l'ordre de −1.4±0.29 DUyr−1) et 0.55±0.29 DUyr−1 respectivement avant et après 1997. Les valeurs positives de la tendance après 1997, significatives pour un intervalle de confiance de 95 %, montrent clairement un début de rétablissement de l'ozone stratosphérique à ces latitudes. Concernant la distribution verticale d'ozone, les tendances calculées à partir de la moyenne des différentes séries de données à l'OHP montrent des valeurs maximales en valeur absolue de l'ordre de −0.5±0.1 %yr−1 entre 16 et 22 km et de −0.8±0.2 %yr−1 entre 38 et 45 km avant 1997. Des tendances positives significatives (0.2±0.05-0.3±0.1 %yr−1) sont évaluées entre 15 et 45 km après 1996. Ces tendances significatives du profil vertical d'ozone avant et après 1997 corroborent les résultats obtenus à partir du contenu intégré d'ozone et confirment le début de rétablissement de l'ozone stratosphérique. Par ailleurs, dans les deux cas (contenu intégré d'ozone et distribution verticale), les tendances post-1997 restituées par le modèle utilisant les fonctions linéaires sont plus élevées que celles issues du modèle utilisant l'EESC, indiquant ainsi que d'autres paramètres contribuent à l'augmentation du contenu en ozone. Enfin, il a été constaté que les contenus intégrés élevés d'ozone observés ces dernières années étaient liés à l'influence de la QBO et des processus dynamiques. Ainsi la QBO, la NAO et le flux de chaleur turbulent expliquent environ 80 % de l'importante anomalie positive de 25 - 30 DU mesurée entre février et avril 2010.
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Dates et versions

tel-00733555 , version 1 (18-09-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00733555 , version 1

Citer

Prijitha Gopalapillai. Evolution of stratospheric ozone in the mid-latitudes in connection with the abundances of halogen compounds. Atmospheric and Oceanic Physics [physics.ao-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00733555⟩
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