jeanflop/post_ocr_correction2 huggingface dataset:
high latitudes by poleward and downward ozone transport with values reaching 15% in the Northern Hemisphere. The meridional residual circulation is stronger in the Northern Hemisphere during winter where the forcing of the mean zonal flow by the planetary waves is more efficient. Therefore, the seasonal evolution of the ozone changes reveals a maximum of 80 DU in winter above the North Pole (Fig. 4). The present results support the primary conclusions of 2D-photochemical stratospheric models [11] also predicting an increase of the column abundance of ozone for a doubling of CO2. However, the great cooling in the southern polar stratosphere would increase the frequency of polar stratospheric cloud formation with possible large influence on the formation rate, area extent and lifetime of the "ozone hole". Incorporation within the model of these heterogeneous processes is needed to evaluate the result of an ozone increase due to the stratospheric cooling and the ozone depletion due to an increased activation of the heterogeneous chlorine chemistry. I. INTRODUCTION. — Since more than a century, human activities have provoked a modification of the composition of the atmosphere by increasing significantly the concentration of certain gas traces. It is mainly about the gas carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrogen dioxide (N2O). The majority of scenarios of economic development lead to an increase of the concentration of these gases during the next century. Numerous studies have been made, notably with radiative-convective models, and more recently with general circulation models of the atmosphere and ocean, to evaluate the climatic impacts that could have the perturbations brought to the radiative balance of the atmosphere by such modifications of its composition [1]. Although the various gas traces do not have the same impact on the radiative balance of the planet, one generally represents their effect in models by a single parameter: the concentration in carbon dioxide. It is an equivalent concentration producing the same radiative forcing as with the ensemble of gases. The most well-known consequence of this increase in CO2 equivalent is a warming of the temperatures of the lower troposphere, which has been popularized under the
(CO2), methane (CH4), and nitrogen dioxide (N2O). The majority of scenarios of economic development lead to an increase of the concentration of these gases during the next century. Numerous studies have been made, notably with radiative-convective models, and more recently with general circulation models of the atmosphere and ocean, to evaluate the climatic impacts that could have the perturbations brought to the radiative balance of the atmosphere by such modifications of its composition [1]. Although the various gas traces do not have the same impact on the radiative balance of the planet, one generally represents their effect in models by a single parameter: the concentration in carbon dioxide. It is an equivalent concentration producing the same radiative forcing as with the ensemble of gases. The most well-known consequence of this increase in CO2 equivalent is a warming of the temperatures of the lower troposphere, which has been popularized under the name of additional greenhouse effect. The stratospheric cooling, which is the corollary of the tropospheric greenhouse effect, and the consequences of this cooling on the photochemistry of ozone have been studied until now only with two-dimensional photochemical models or with three-dimensional simplified models in which the stratospheric dynamics is either represented very roughly by the use of coefficients of horizontal and vertical diffusion, or resolved only at very large scales (models with low resolution). Nous présentons ici l'une des premières simulations de l'effet stratosphérique d'un doublement du gaz carbonique réalisée avec un modèle de circulation générale de l'atmosphère incluant une description à l'échelle d'environ 300 km de la dynamique stratosphérique, ainsi qu'une représentation du transport et de la photochimie de l'ozone. II. DESCRIPTION DES EXPÉRIENCES. Ces expériences ont été réalisées avec un modèle de climat qui est une adaptation du modèle opérationnel de prévision du temps de Météo-France [2]. Ce modèle est capable de simuler de façon réaliste les variations géographiques et saisonnières de la circulation générale de l'atmosphère et des paramètres climatiques en surface [3]. La version retenue pour cette simulation utilise une décomposition en harmoniques sphériques avec une troncature triangulaire au nombre d'onde 42 dans le domaine spectral
represented very roughly by the use of coefficients of horizontal and vertical diffusion, or resolved only at very large scales (models with low resolution). Nous présentons ici l'une des premières simulations de l'effet stratosphérique d'un doublement du gaz carbonique réalisée avec un modèle de circulation générale de l'atmosphère incluant une description à l'échelle d'environ 300 km de la dynamique stratosphérique, ainsi qu'une représentation du transport et de la photochimie de l'ozone. II. DESCRIPTION DES EXPÉRIENCES. Ces expériences ont été réalisées avec un modèle de climat qui est une adaptation du modèle opérationnel de prévision du temps de Météo-France [2]. Ce modèle est capable de simuler de façon réaliste les variations géographiques et saisonnières de la circulation générale de l'atmosphère et des paramètres climatiques en surface [3]. La version retenue pour cette simulation utilise une décomposition en harmoniques sphériques avec une troncature triangulaire au nombre d'onde 42 dans le domaine spectral (T42), associée à une grille d'environ 2,8° sur laquelle sont calculés les termes non linéaires de la dynamique et les paramétrisations physiques. Cette version comporte 30 niveaux sur la verticale permettant une représentation détaillée de la circulation stratosphérique. Le modèle s'étend ainsi du sol jusqu'à environ 80 km avec 10 niveaux dans la troposphère (jusqu'à 200 hPa), 15 niveaux dans la stratosphère (entre 165 et 1 hPa) et 5 niveaux dans la mésosphère. Le rapport de mélange en ozone est une variable pronostique du modèle, transportée par la dynamique tridimensionnelle, interagissant dans les transferts radiatifs et pour laquelle les puits et sources photochimiques sont représentés de façon paramétrique [4]. Cette dernière paramétrisation consiste en une linéarisation du taux de production d'ozone en tenant compte du rapport de mélange d'ozone, de la quantité cumulée d'ozone au-dessus du point considéré et de la température. Ce schéma linéaire est introduit au niveau de la résolution de l'équation de continuité pour le rapport de mélange d'ozone, à l'aide de dérivées partielles évaluées d'après des calculs obtenus avec un modèle photochimique complet en fonction de la latitude, de l'altitude et de la saison. Ce schéma a été évalué avec une précision meilleure que 5 par
niveaux dans la troposphère (jusqu'à 200 hPa), 15 niveaux dans la stratosphère (entre 165 et 1 hPa) et 5 niveaux dans la mésosphère. Le rapport de mélange en ozone est une variable pronostique du modèle, transportée par la dynamique tridimensionnelle, interagissant dans les transferts radiatifs et pour laquelle les puits et sources photochimiques sont représentés de façon paramétrique [4]. Cette dernière paramétrisation consiste en une linéarisation du taux de production d'ozone en tenant compte du rapport de mélange d'ozone, de la quantité cumulée d'ozone au-dessus du point considéré et de la température. Ce schéma linéaire est introduit au niveau de la résolution de l'équation de continuité pour le rapport de mélange d'ozone, à l'aide de dérivées partielles évaluées d'après des calculs obtenus avec un modèle photochimique complet en fonction de la latitude, de l'altitude et de la saison. Ce schéma a été évalué avec une précision meilleure que 5 par rapport à un schéma photochimique complet [5]. L'expérience de référence (notée 1 x CO2) est une simulation d'un ensemble de cinq cycles annuels du climat actuel réalisée avec une concentration de 345 ppmv pour le CO2 atmosphérique. Comme conditions aux limites en surface on a utilisé une climatologie mensuelle des températures de surface de l'océan (TSO), calculée sur la décennie 1979-1988 à partir des analyses mensuelles globales des températures observées fournies par le Climate Analysis Center (Washington). L'expérience de doublement du gaz carbonique (notée 2 x CO2) est une simulation de 5 ans réalisée avec une concentration de 690 ppmv pour le CO2. Les TSO ont été spécifiées à partir des résultats d'une simulation effectuée à Hambourg par Cubasch et coll. [6] avec un modèle couplé Océan-Atmosphère pour une évolution de la composition atmosphérique en CO2 suivant le scénario A du Groupe Intergouvernemental sur l'Évolution Climatique (GIEC) (en anglais IPCC) [7]. Les anomalies de TSO simulées à l'aide de ce modèle couplé, prises au moment où la concentration initiale de CO2 équivalent est doublée, ont été ajoutées à la climatologie observée de l'expérience de référence. III. RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION. Les résultats présentés ne concerneront que des champs d'anomalies entre les
températures de surface de l'océan (TSO), calculée sur la décennie 1979-1988 à partir des analyses mensuelles globales des températures observées fournies par le Climate Analysis Center (Washington). L'expérience de doublement du gaz carbonique (notée 2 x CO2) est une simulation de 5 ans réalisée avec une concentration de 690 ppmv pour le CO2. Les TSO ont été spécifiées à partir des résultats d'une simulation effectuée à Hambourg par Cubasch et coll. [6] avec un modèle couplé Océan-Atmosphère pour une évolution de la composition atmosphérique en CO2 suivant le scénario A du Groupe Intergouvernemental sur l'Évolution Climatique (GIEC) (en anglais IPCC) [7]. Les anomalies de TSO simulées à l'aide de ce modèle couplé, prises au moment où la concentration initiale de CO2 équivalent est doublée, ont été ajoutées à la climatologie observée de l'expérience de référence. III. RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION. Les résultats présentés ne concerneront que des champs d'anomalies entre les expériences 2 x CO2 et 1 x CO2. Il a été vérifié par ailleurs que la climatologie du modèle dans l'expérience de référence se compare favorablement aux observations à la fois dans la troposphère et dans la stratosphère [8]. La moyenne zonale du changement de température en moyenne annuelle (fig. 1) présente un réchauffement de l'ensemble de la troposphère compris entre 1 et 2,5 K. Ce réchauffement augmente avec l'altitude entre les tropiques jusque vers 300 hPa et avec la latitude près de la surface. Au contraire, dans la stratosphère le modèle simule un fort refroidissement augmentant avec l'altitude pour atteindre -9 K au niveau de la stratopause équatoriale. L'augmentation de la température dans la troposphère est produite principalement par un renforcement de l'effet de serre de la vapeur d'eau ayant pour origine les anomalies positives de température de surface de mer. Aux basses latitudes, le réchauffement en surface conduit à une évaporation de surface accrue et à un développement plus intense de l'activité convective. Il se produit ainsi une libération de chaleur et d'humidité à des niveaux plus élevés dans l'atmosphère expliquant l'amplification du réchauffement avec l'altitude. Par contre, dans la stratosphère où le cycle de l'eau n'opère plus,
1) présente un réchauffement de l'ensemble de la troposphère compris entre 1 et 2,5 K. Ce réchauffement augmente avec l'altitude entre les tropiques jusque vers 300 hPa et avec la latitude près de la surface. Au contraire, dans la stratosphère le modèle simule un fort refroidissement augmentant avec l'altitude pour atteindre -9 K au niveau de la stratopause équatoriale. L'augmentation de la température dans la troposphère est produite principalement par un renforcement de l'effet de serre de la vapeur d'eau ayant pour origine les anomalies positives de température de surface de mer. Aux basses latitudes, le réchauffement en surface conduit à une évaporation de surface accrue et à un développement plus intense de l'activité convective. Il se produit ainsi une libération de chaleur et d'humidité à des niveaux plus élevés dans l'atmosphère expliquant l'amplification du réchauffement avec l'altitude. Par contre, dans la stratosphère où le cycle de l'eau n'opère plus, l'augmentation du dioxyde de carbone produit une émission infrarouge vers l'espace accrue, ces pertes radiatives conduisant au refroidissement simulé. Si les simulations antérieures à l'aide d'autres modèles montraient une structure spatiale de cette anomalie proche de celle obtenue ici [7], leur plus faible résolution verticale dans la stratosphère conduisait à un refroidissement moindre de cette région. L'augmentation de température vers 100 hPa au-dessus du Pôle Nord n'est pas d'origine radiative mais dynamique. En effet, au cours de l'hiver boréal la structure du vortex polaire est fortement altérée par la propagation verticale d'ondes planétaires forcées dans la troposphère. La fréquence et l'intensité des réchauffements soudains est ainsi modifiée dans l'expérience 2 x CO2 par rapport à la référence. Il s'en suit un réchauffement polaire atteignant 12 K pendant la période hivernale. Ces différences d'origine dynamique ont également été simulées dans le modèle stratosphérique du GISS [9]. L'examen de la moyenne zonale de l'anomalie de rapport de mélange en ozone (fig. 2) révèle une augmentation de la quantité d'ozone dans la stratosphère d'environ 0,5 ppmv en corrélation avec la baisse de température produite par le doublement du CO2. Cet effet provient d'une efficacité moindre des cycles catalytiques homogènes de destruction de l'ozone
un refroidissement moindre de cette région. L'augmentation de température vers 100 hPa au-dessus du Pôle Nord n'est pas d'origine radiative mais dynamique. En effet, au cours de l'hiver boréal la structure du vortex polaire est fortement altérée par la propagation verticale d'ondes planétaires forcées dans la troposphère. La fréquence et l'intensité des réchauffements soudains est ainsi modifiée dans l'expérience 2 x CO2 par rapport à la référence. Il s'en suit un réchauffement polaire atteignant 12 K pendant la période hivernale. Ces différences d'origine dynamique ont également été simulées dans le modèle stratosphérique du GISS [9]. L'examen de la moyenne zonale de l'anomalie de rapport de mélange en ozone (fig. 2) révèle une augmentation de la quantité d'ozone dans la stratosphère d'environ 0,5 ppmv en corrélation avec la baisse de température produite par le doublement du CO2. Cet effet provient d'une efficacité moindre des cycles catalytiques homogènes de destruction de l'ozone aux basses températures. Le cycle de destruction de l'ozone le plus sensible à la température est le cycle de Chapman, qui est notamment contrôlé par la réaction suivante dont l'efficacité décroît lorsque la température baisse : O+03 —> 2 O2 avec la vitesse suivante K = 8 x 10"12 exp [ -2060/T ], où T est la température. Cette réaction est effective dans la gamme d'altitude proche de la moyenne stratosphère vers 40 km, et explique donc l'augmentation d'ozone calculée par le modèle entre 10 et 1 hPa aux latitudes moyennes et équatoriales. De fortes augmentations sont également produites au-dessus des Pôles où l'ozone est transporté par les mouvements méridiens descendants de la circulation générale. Ces mouvements étant plus intenses au Pôle Nord du fait de l'augmentation de la fréquence des réchauffements soudains, la croissance de l'ozone est dissymétrique, au moins deux fois plus élevée dans l'Hémisphère Nord (HN) que dans l'Hémisphère Sud (HS) en dessous du niveau 20 hPa au-delà de 60° de latitude. L'augmentation de la concentration d'ozone dans la haute stratosphère produit, du fait d'un allongement de la longueur optique, une décroissance du flux ultra-violet atteignant les bas niveaux et par voie de conséquence une baisse de
[ -2060/T ], où T est la température. Cette réaction est effective dans la gamme d'altitude proche de la moyenne stratosphère vers 40 km, et explique donc l'augmentation d'ozone calculée par le modèle entre 10 et 1 hPa aux latitudes moyennes et équatoriales. De fortes augmentations sont également produites au-dessus des Pôles où l'ozone est transporté par les mouvements méridiens descendants de la circulation générale. Ces mouvements étant plus intenses au Pôle Nord du fait de l'augmentation de la fréquence des réchauffements soudains, la croissance de l'ozone est dissymétrique, au moins deux fois plus élevée dans l'Hémisphère Nord (HN) que dans l'Hémisphère Sud (HS) en dessous du niveau 20 hPa au-delà de 60° de latitude. L'augmentation de la concentration d'ozone dans la haute stratosphère produit, du fait d'un allongement de la longueur optique, une décroissance du flux ultra-violet atteignant les bas niveaux et par voie de conséquence une baisse de la production d'ozone par photodissociation de l'oxygène moléculaire. Il s'ensuit la formation d'une zone de diminution d'ozone à la ceinture équatoriale en dessous du niveau 20 hPa. Cette réduction est renforcée par une élévation du niveau de la tropopause dans les régions tropicales. La distribution géographique de l'anomalie du contenu en ozone intégré sur la verticale (fig. 3) montre une augmentation maximale aux hautes latitudes avec des valeurs atteignant 15 dans l'HN. Au contraire, l'augmentation d'ozone est plus faible dans les régions équatoriales (environ 2 %). Les variations de la colonne d'ozone totale étant le reflet de celles du contenu en ozone de la basse stratosphère, l'augmentation aux hautes latitudes de l'HN est environ deux fois plus forte que celle de l'HS. L'examen du cycle annuel de l'ozone en moyenne zonale (fig. 4) révèle le caractère saisonnier de l'augmentation aux hautes latitudes de l'HN. Au cours de l'hiver, les anomalies atteignent des valeurs supérieures à 80 DU dans ces régions. Cette dissymétrie résulte d'un renforcement de la circulation méridienne résiduelle conduisant à un transport plus efficace de l'ozone stratosphérique vers les pôles. Cette pseudo-circulation est induite par le forçage des ondes planétaires d'origine troposphérique sur le courant zonal dont la
en ozone intégré sur la verticale (fig. 3) montre une augmentation maximale aux hautes latitudes avec des valeurs atteignant 15 dans l'HN. Au contraire, l'augmentation d'ozone est plus faible dans les régions équatoriales (environ 2 %). Les variations de la colonne d'ozone totale étant le reflet de celles du contenu en ozone de la basse stratosphère, l'augmentation aux hautes latitudes de l'HN est environ deux fois plus forte que celle de l'HS. L'examen du cycle annuel de l'ozone en moyenne zonale (fig. 4) révèle le caractère saisonnier de l'augmentation aux hautes latitudes de l'HN. Au cours de l'hiver, les anomalies atteignent des valeurs supérieures à 80 DU dans ces régions. Cette dissymétrie résulte d'un renforcement de la circulation méridienne résiduelle conduisant à un transport plus efficace de l'ozone stratosphérique vers les pôles. Cette pseudo-circulation est induite par le forçage des ondes planétaires d'origine troposphérique sur le courant zonal dont la propagation verticale n'est possible qu'au cours de l'hiver de l'HN. Ces résultats sont en bon accord avec l'étude [11] où une augmentation comprise entre 1 et 4 de la colonne d'ozone a été trouvée pour un doublement du CO2 avec un modèle bidimensionnel de photochimie stratosphérique. L'augmentation du gaz carbonique devrait donc aboutir à un accroissement significatif de l'ozone stratosphérique devant masquer tout ou partie de la décroissance actuelle de l'ozone due aux rejets dans l'atmosphère des chlorofluorocarbures (CFCs) [12]. Cependant, dans la basse stratosphère l'activation du chlore détruisant l'ozone se produit à la surface des nuages stratosphériques qui sont très fréquents dans les vortex polaires, notamment dans l'HS. La fréquence de ces processus de chimie hétérogène devrait être augmentée avec la diminution de la température dans la basse stratosphère qui suivrait l'augmentation du CO2, C'est ce que semble confirmer une étude numérique récente [13]. Les résultats que nous avons obtenus avec ce modèle montrent cependant que ce mécanisme devrait agir plus efficacement dans l'HS que dans l'HN, car dans ce dernier hémisphère la simulation produit un réchauffement net de plusieurs degrés. Les résultats du modèle suggèrent donc qu'une partie de la décroissance de l'ozone due aux rejets des CFCs
devrait donc aboutir à un accroissement significatif de l'ozone stratosphérique devant masquer tout ou partie de la décroissance actuelle de l'ozone due aux rejets dans l'atmosphère des chlorofluorocarbures (CFCs) [12]. Cependant, dans la basse stratosphère l'activation du chlore détruisant l'ozone se produit à la surface des nuages stratosphériques qui sont très fréquents dans les vortex polaires, notamment dans l'HS. La fréquence de ces processus de chimie hétérogène devrait être augmentée avec la diminution de la température dans la basse stratosphère qui suivrait l'augmentation du CO2, C'est ce que semble confirmer une étude numérique récente [13]. Les résultats que nous avons obtenus avec ce modèle montrent cependant que ce mécanisme devrait agir plus efficacement dans l'HS que dans l'HN, car dans ce dernier hémisphère la simulation produit un réchauffement net de plusieurs degrés. Les résultats du modèle suggèrent donc qu'une partie de la décroissance de l'ozone due aux rejets des CFCs sera contre-balancée par l'augmentation de l'ozone due à l'augmentation du CO2 dans l'HN, alors que dans l'HS où la destruction est déjà très sévère avec la formation du "trou d'ozone" au printemps [4], cette contre-réaction sera moins effective, voire inexistante. Il se peut même que l'accroissement du CO2 conduise à un refroidissement permettant la formation de nuages polaires plus tôt en saison et à de plus basses latitudes, conduisant ainsi à une plus large extension et à une durée de vie accrue du "trou d'ozone" de l'HS. Cet effet ne devrait être effectif qu'entre les années 2030 et 2060. Durant cette période, le CO2 devrait dépasser les 450 ppmv [7]. Seuil au-delà duquel la température stratosphérique aura diminué de façon notable. Dans le même temps la quantité totale de chlore, en décroissance par suite de l'application du protocole de Montréal, devrait se maintenir au-dessus de 2 ppbv [12], seuil où l'on a vu l'apparition du "trou d'ozone". IV. CONCLUSIONS. — Les modifications stratosphériques résultant d'un doublement du gaz carbonique ont été examinées avec le modèle de circulation générale de MétéoFrance. En imposant des anomalies de température de surface de mer à la limite inférieure, il a été possible de simuler