Regional modeling of short-lived atmospheric pollutants (aerosols, ozone) in the Arctic
Modélisation régionale des polluants à courte durée de vie (aérosols, ozone) en Arctique
Résumé
The Arctic is increasingly open to human activity due to rapid warming, associated with
decreased sea ice extent. This warming is due, in part, to the effect of short-lived atmospheric
pollutants (aerosols, ozone). Emissions from oil and gas extraction and marine traffic
should increase in the future, and their impacts might become significant compared to the
now predominant source due to pollution transport from the mid-latitudes. In this thesis,
regional simulations of the Arctic troposphere are performed with the WRF-Chem model,
combined with new emission estimates for oil and gas extraction and shipping in the Arctic.
The model is used to analyze two case studies from recent airborne measurement datasets:
POLARCAT-France in 2008, ACCESS in 2012. First, I investigate an aerosol transport
event from Europe to the Arctic in spring 2008, in order to improve our understanding of
this major source of Arctic pollution. Second, I determine the air quality and radiative
impacts of shipping emissions in Northern Norway in summer 2012, where most current
Arctic shipping occurs. I use these results to validate modeled pollution, and to improve
WRF-Chem for Arctic studies. The updated model is used to investigate the current (2012)
and future (2050) impacts of Arctic shipping and Arctic gas flaring in terms of air quality
and radiative effects. Results show that Arctic flaring emissions are and should remain a
major source of local black carbon aerosols, causing warming, and that Arctic shipping is
already a strong source of aerosols and ozone during summer. In 2050, diversion shipping
through the Arctic Ocean could become one of the main sources of local surface aerosol and
ozone pollution.
La région arctique s’ouvre peu à peu aux activités humaines, en raison du réchauffement
climatique et de la fonte des glaces, dûs en partie à l’effet de polluants à courte durée de
vie (aérosols, ozone). Dans le futur, les émissions de ces polluants liées à la navigation et
à l’extraction de ressources en Arctique pourraient augmenter, et devenir prépondérantes
comparées à la source historique liée au transport de pollution depuis les moyennes latitudes.
Dans cette thèse, j’effectue des simulations régionales de la troposphère arctique avec le
modèleWRF-Chem, combiné à de nouveaux inventaires des émissions de pollution locales en
Arctique (navigation et torches pétrolières). Deux cas d’étude issus de campagnes de mesure
par avion sont analysés. Premièrement, j’étudie un évènement de transport d’aérosols depuis
l’Europe au printemps 2008, afin d’améliorer les connaissances sur cette source majeure de
pollution Arctique. Deuxièmement, je détermine l’impact des émissions de la navigation en
Norvège en été 2012, où la navigation Arctique est actuellement la plus intense. J’utilise
ces cas d’étude pour valider la pollution modélisée et améliorer WRF-Chem en Arctique.
J’effectue avec ce modèle amélioré des simulations des impacts actuels (2012) et futurs
(2050) de la navigation et des torches pétrolières en Arctique sur la qualité de l’air et le
bilan radiatif. Les résultats indiquent que les torches sont et devraient rester une source
majeure d’aérosols de carbone suie réchauffants en Arctique. La navigation est une source
de pollution importante en été ; et en 2050, la navigation de diversion à travers l’Arctique
pourrait devenir une source majeure de pollution locale.