Cette thèse vise à étudier les aérosols de feux de biomasse (BBA) issus des feux extrêmes observés sur la période 2019-2020 en Australie, Californie et Sibérie, en terme de caractéristiques des aérosols (concentration et structure verticale), d'effet radiatif direct et enfin d'impact climatique.
La première partie de ce travail a consisté à la mise en place et à l'évaluation d'une configuration du modèle de climat global ARPEGE-Climat permettant l'étude de ces feux extrêmes. Cette évaluation a été réalisée à l'aide de différents jeux de données d'aérosols de référence (réanalyses, observations au sol et produis satellites). Tout d'abord, nos résultats démontrent la nécessité de contraindre les hauteurs d'injection dans le modèle afin de représenter de manière réaliste les profils verticaux d'extinction observés lors des feux extrêmes, à la fois dans la troposphère et dans la basse stratosphère en raison de la contribution de la pyro-convection. Sans profils d'émission verticaux spécifiques pour ces émissions, les simulations ARPEGE-Climat ne parviennent pas à représenter les profils verticaux d'extinction des aérosols. Pour chaque région étudiée, l'épaisseur optique des aérosols (AOD) modélisée est extrêmement élevée (supérieure à 3 à 550 nm) associé à un important transport longue-distance des BBA émis en Australie et en Californie et caractérisé par de fortes AOD relativement loin des sources. Ces panaches, extrêmement denses, perturbent considérablement le rayonnement solaire incident à la surface et exercent un effet radiatif direct (solaire) important jusqu'à -13, -29 et -17 W/m² en moyenne mensuelle sur l'Australie (Janvier 2020), la Californie (Septembre 2020) et la Sibérie (Août 2019), respectivement. Un effet radiatif direct positif (réchauffement) des BBA est simulé au sommet de l'atmosphère, lorsque ces panaches de fumée denses et fortement absorbants sont advectés au-dessus des régions océaniques nuageuses, caractérisées par un albédo de surface élevé. Cette absorption conduit à une augmentation du taux de chauffage solaire jusqu'à 0.3 K/jour avec des implications possibles sur la température et la dynamique atmosphériques.
La deuxième partie de ce travail a consisté en l'étude de l'impact climatique de ces feux extrêmes. Dans ce but, des ensembles de simulation de 40 membres avec et sans les émissions des feux sur les trois régions ont été réalisés et analysés. Dans les deux régions étudiées ici (Californie et Sibérie), les BBA exercent un important forçage radiatif, ayant des impacts relativement forts sur le climat régional ainsi qu'un effet à plus grande échelle sur la circulation atmosphérique notamment en Amérique du Nord. Les résultats indiquent par exemple des anomalies de la couverture nuageuse allant de -10% à +10% associées à des anomalies de température de la surface d'environ 1.5 à 2 K. Les simulations montrent aussi une augmentation de la température avec l'altitude sur les deux régions particulièrement marquée sur l'Arctique et à l'Est des sources sur la région de la Californie. De plus, ces panaches ont également un impact important sur la circulation et la stabilité de l'atmosphère. Une diminution de la hauteur de la couche limite a été simulée (entre 200 m et 1 km), probablement causée par les changements de température associée à des anomalies négatives de l'intensité du vent à la surface (jusqu'à -1,8 m/s), traduisant une stabilité accrue de l'atmosphère. Tous ces résultats nous incitent à mieux prendre en compte les propriétés des aérosols de feux de biomasse dans les modèles de climat, afin d'améliorer notre compréhension des phénomènes associés. |
This PhD thesis aims at studying biomass burning aerosols (BBA) from extreme fires observed over the 2019-2020 period in Australia, California and Siberia, in terms of aerosol characteristics (concentration and vertical structure), direct radiative effect and finally climate impact.
The first part of this work involved setting up and evaluating a configuration of the ARPEGE-Climat global climate model to study these extreme fires. This evaluation was carried out using different reference aerosol datasets (reanalyses, ground observations and satellite products). Firstly, our results demonstrate the need to constrain injection heights in the model in order to realistically represent the vertical extinction profiles observed during extreme fires, both in the troposphere and in the lower stratosphere due to the contribution of pyro-convection. Without specific vertical emission profiles for these emissions, ARPEGE-Climat simulations fail to represent vertical aerosol extinction profiles. For each region studied, the modelled aerosol optical depth (AOD) is extremely high (greater than 3 at 550 nm), associated with significant long-range transport of the BBA emitted in Australia and California, and characterized by high AOD relatively far from the sources. These extremely dense plumes significantly disrupt incident solar radiation at the surface, exerting a significant direct (solar) radiative effect of up to -13, -29 and -17 W/m² on a monthly average over Australia (January 2020), California (September 2020) and Siberia (August 2019), respectively. A positive direct radiative effect (warming) of BBA is simulated at the top of the atmosphere, when these dense, highly absorbing smoke plumes are advected over cloudy oceanic regions, characterized by high surface albedo. This absorption leads to an increase in the solar heating rate of up to 0.3 K/day, with possible implications for atmospheric temperature and dynamics.
The second part of this work consisted in studying the climatic impact of these extreme fires. For this purpose, simulation ensembles of 40 members with and without fire emissions over the three regions were produced and analyzed. In the two regions studied here (California and Siberia), BBAs exert significant radiative forcing, with relatively strong impacts on regional climate as well as a larger-scale effect on atmospheric circulation, particularly in North America. Results show, for example, cloud cover anomalies ranging from -10% to +10%, associated with surface temperature anomalies of around 1.5 to 2 K. The simulations also show an increase in temperature with altitude over both regions, particularly marked over the Arctic and east of the sources in the California region. These plumes also have a significant impact on atmospheric circulation and stability. A decrease in the height of the boundary layer was simulated (between 200 m and 1 km), probably caused by temperature changes associated with negative anomalies in wind intensity at the surface (up to -1.8 m/s), reflecting increased stability of the atmosphere. All these results encourage us to take better account of the properties of biomass fire aerosols in climate models, in order to improve our understanding of the associated phenomena. |