High resolution modelling of long-range pollution transport
Modélisation à haute résolution du transport de polluants à longue distance
Résumé
Air pollution can be transported between continents by large-scale atmospheric dynamics, where it can impact climate and regional air quality far from emission regions. During transport, concentrations in polluted plumes are affected by mixing with the background. Impacts of longrange pollution on climate and air quality are usually quantified using global Eulerian models, that tend to overestimate mixing due to their low resolution. This induces errors in the simulated export of pollutants, and in the reaction rates due to the non-linearity of atmospheric chemistry. This thesis aims to better understand and quantify mixing of pollutant plumes in the free troposphere during long-range transport, and its representation in numerical models. It focuses on the Arctic, which is a region vulnerable to climate change, and where greenhouse gases and aerosol distributions are strongly influenced by transport of pollution from mid-latitudes. The work focuses on three case studies of transport into the Arctic troposphere during the POLARCAT campaign, in summer 2008. Results include estimates of the intensity of mixing in the Arctic troposphere, which was found to be lower than in mid-latitudes. The results also show that a Lagrangian modelling approach is able to reproduce the variability in observed concentrations in aged plumes, to simulate the transport of small-scale structures, and to evaluate the variability of ozone evolution in pollutant plumes due to differences in mixing scenarios. The model results are also used to assess pollutant transport simulated by global models in the Arctic, and to define the resolution neeeded for more accurate simulations. Overall, the results highlight the necessity to combine Lagrangian and Eulerian approaches to improve the representation of long-range pollution transport in numerical models.
La pollution de l'air peut être transportée sur des distances de plusieurs milliers de kilomètres par la dynamique de grande échelle. Elle affecte ainsi le climat et la qualité de l'air loin des régions sources. Durant leur transport, les panaches de pollution voient leur composition altérée par le mélange avec l'air environnant. Les modèles globaux eulériens utilisés pour calculer les bilans d'export de polluants ne représentent pas bien le transport des panaches du fait de leur faible résolution, ce qui induit des erreurs dans le calcul de ces bilans et dans les vitesses de réaction du fait de la non-linéarité de la photochimie atmosphérique. Cette thèse a pour but de contribuer à améliorer la compréhension et la quantification du mélange subi par les panaches de pollution dans la troposphère libre lors du transport à longue distance, et sa représentation dans les modèles numériques. Elle se focalise sur l'Arctique, une région vulnérable au changement climatique, où la distribution des gaz à effet de serre et des aérosols est fortement influencée par le transport de polluants depuis les moyennes latitudes. Les travaux effectués s'organisent autour de trois études de cas de transport dans la troposphère arctique, dans le cadre de la campagne aéroportée POLARCAT durant l'été 2008. Les résultats obtenus permettent d'estimer que l'intensité du mélange dans cette région est plus faible qu'aux moyennes latitudes. Ils montrent également qu'une approche lagrangienne permet de reproduire la variabilité des concentrations dans les panaches âgés, de simuler le transport des structures de petite échelle, et d'évaluer la variabilité de l'évolution des concentrations en ozone dans les panaches induite par les différents scénarios de mélange. Les résultats de ces modèles lagrangiens permettent aussi de jauger les performances des modèles globaux eulériens en terme de transport des polluants en Arctique, et de définir la résolution spatiale nécessaire pour représenter ce transport de façon satisfaisante. Les trois études présentées concordent sur l'importance de combiner les approches lagrangienne et eulérienne pour simuler le transport à longue distance dans les modèles numériques.