Climatologies et tendances observées

Climatologies et tendances observées

Dans le cadre de l’infrastructure de recherche IAGOS (In-service aircraft for a global ob- serving system ; http://www.iagos.org), l’ozone (O3) et le monoxyde de carbone (CO) font l’objet de mesures de routine – respectivement depuis 1994 et 2002 – le long des douze premiers kilomètres d’altitude. IAGOS offre donc une base de données in situ, à hautes réso- lutions spatiale et temporelle, particulièrement dense autour de la tropopause. Il s’agit d’une région critique où l’ozone se comporte comme un puissant gaz à effet de serre.Grâce à plusieurs compagnies aériennes, partenaires du programme au cours des 24 der- nières années (Air France, Lufthansa, Austrian Airlines, Sabena, Iberia, Cathay Pacific, China Airlines, Hawaiian Airlines), les données couvrent un grand intervalle de longitudes dans les moyennes latitudes de l’hémisphère Nord. Elles s’étendent de la côte ouest de l’Amérique du Nord (125 ◦W) à la côte de l’Asie orientale (135 ◦E) et, plus récemment, au nord du Pacifique. De même, différentes régions tropicales sont fréquemment échantillonnées, telles que la côte est de l’Amérique du Sud, l’Afrique centrale et australe, l’Asie du Sud-Est et le Continent maritime occidental.

L’étude menée en collaboration entre le LA et le CNRM rend disponible un nouvel ensemblede climatologies pour l’ozone et pour le CO. Celles-ci caractérisent notamment deux couches distinctes : la haute troposphère et la (très) basse stratosphère. Aux moyennes latitudes de l’hé-misphère Nord, cycles saisonniers et tendances ont pu être calculés au-dessus de huit régions fréquemment échantillonnées : l’ouest de l’Amérique du Nord, l’est des Etats-Unis, le nord de l’Atlantique, l’ouest de l’Europe, l’ouest du Bassin Méditerranéen, le Moyen-Orient (partie nord-ouest), la Sibérie centrale et le nord-est de l’Asie. Ils révèlent des caractéristiques de grand intérêt pour des utilisations telles que la validation des modèles numériques globaux. Il s’agit de la première analyse basée sur vingt années de données aéroportées, conciliant précision et longue durée.

Les cycles saisonniers montrent généralement un maximum d’ozone en été et un maximum de CO au printemps dans la haute troposphère. Ces résultats affichent donc un contraste avec la basse stratosphère, où l’on observe un maximum printanier systématique en ozone et une quasi- absence de cycle saisonnier en CO. Par ailleurs, cette étude met en évidence des variabilités régionales dans la haute troposphère, à savoir :En été, les deux régions en bordure méditerranéenne (l’ouest du bassin Méditerranéen et le Moyen-Orient) voient leur haute troposphère particulièrement impactée par des intrusions stratosphériques subsidentes, et leur basse stratosphère par des intrusions troposphériques de- puis les tropiques. En l’occurrence, dans la basse stratosphère du Moyen-Orient, l’impact du transport de polluants depuis l’Asie du Sud a pu être souligné.

Climatology and long-term evolution of ozone and carbon monoxide in the upper troposphere–lower stratosphere (UTLS) at northern midlatitudes, as seen by IAGOS from 1995 to 2013

In situ measurements in the upper troposphere–lower stratosphere (UTLS) have been perfor-med in the framework of the European research infrastructure IAGOS (In-service Aircraft for a Global Observing System) for ozone since 1994 and for carbon monoxide (CO) since 2002. The flight tracks cover a wide range of longitudes in the northern extratropics, extending from the North American western coast (125◦ W) to the eastern Asian coast (135◦ E) and more recently over the northern Pacific Ocean. Several tropical regions are also sampled frequently, such as the Brazilian coast, central and southern Africa, southeastern Asia, and the western half of the Ma- ritime Continent. As a result, a new set of climatologies for O3 (August 1994–December 2013) and CO (December 2001–December 2013) in the upper troposphere (UT), tropopause layer, and lower stratosphere (LS) are made available, including gridded horizontal distributions on a semi-global scale and seasonal cycles over eight well-sampled regions of interest in the northern extratropics. The seasonal cycles generally show a summertime maximum in O3 and a spring- time maximum in CO in the UT, in contrast to the systematic springtime maximum in O3 andthe quasi-absence of a seasonal cycle of CO in the LS. This study highlights some regional va- riabilities in the UT, notably (i) a west–east difference of O3 in boreal summer with up to 15 ppb more O3 over central Russia compared with northeast America, (ii) a systematic west–east gra- dient of CO from 60 to 140◦ E, especially noticeable in spring and summer with about 5 ppb by 10 degrees longitude, (iii) a broad spring/summer maximum of CO over northeast Asia, and (iv) a spring maximum of O3 over western North America. Thanks to almost 20 years of O3ficant. The estimated slopes range from −1.37 to −0.59 ppb yr−1, with a nearly homogeneous decrease in the lowest values of the monthly distribution (5th percentile) contrasting with the high interregional variability in the decrease in the highest values (95th percentile).

Ozone plays an important role in the thermal structure of the stratosphere and in the oxi- dizing capacity of the troposphere as a major source of hydroxyl radicals (OH). Tropospheric ozone is also a strong greenhouse gas (IPCC, 2013, AR5). In contrast with carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), the scientific understanding concerning its radiative forcing is still at a medium level. Nevertheless, its impact on surface temperature has been shown to reach its maximum when changes in O3 mixing ratios occur in the upper troposphere–lower stratosphere (UTLS) region (e.g. Riese et al., 2012). Carbon monoxide (CO) is a precursor for CO2 and tro- pospheric O3. It is also a major sink for OH radicals in an unpolluted atmosphere (Logan et al., 1981 ; Lelieveld et al., 2016), thus increasing the lifetime of CH4, such that CO emissions are considered “virtually certain” to cause positive radiative forcing (IPCC, 2013, AR5). Because of its ∼ 2-month lifetime (Edwards et al., 2004), it can be used as a tracer of combustion pro- cesses, mainly anthropogenic emissions and biomass burning (Granier et al., 2011), although it is also a product of the oxidation of CH4 and isoprene (C6H8). Identifying the contributionsfrom different factors to O3 concentrations in the UTLS is more difficult than for CO. First, the O3 mixing ratio is influenced by transport from both the stratosphere (e.g. Hsu and Prather, 2009 ; Stevenson et al., 2013) and the troposphere (e.g. Barret et al., 2016 ; Zhang et al., 2016). Second, tropospheric O3 is produced from a wide variety of precursors (non-methane volatile organic compounds, CO, HO2) emitted from numerous surface sources, both natural and anthro- pogenic. Third, nitrogen oxides (NOx) implicated in the production of O3 are not only emitted at the surface by combustion processes but are also produced in the free troposphere by light- ning. In parallel, nitrogen oxides can be released by the decomposition of reservoir species such as peroxyacetyl nitrate (PAN), a long-lived species that can be transported at intercontinental scales in the free troposphere (e.g. Hudman et al., 2004).

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