Modèles de chimie atmosphérique

Parallèlement aux modèles climatiques, le CNRM-GAME a développé le modèle MOCAGE, un modèle de chimie atmosphérique couvant la basse et la haute atmosphère (troposphère et stratosphère).

Appliqué à l’échelle régionale, ce modèle permet en particulier de prévoir la qualité de l’air jusqu’à quatre jours à l’avance.
Appliqué à l’échelle planétaire, il simule notamment l’évolution du "trou d’ozone" stratosphérique de façon très réaliste.

  Sommaire  

 Description

MOCAGE (Modèle de Chimie Atmosphérique de Grande Echelle) est le modèle de Chimie-Transport de Météo-France. Il s’attache à décrire l’évolution de la composition de l’atmosphère, à la fois pour les constituants gazeux et les aérosols, offrant une large gamme d’applications possibles, depuis la prévision de la qualité de l’air quotidienne jusqu’aux études d’impact du changement climatique, en passant par le suivi de nuages de cendres volcaniques.

La configuration de MOCAGE est en effet flexible : il peut être appliqué à l’échelle uniquement globale ou sur des domaines plus restreints à haute résolution. De plus, il est possible d’imbriquer plusieurs domaines successifs de résolution croissante. Ainsi, une configuration couramment utilisée se constitue d’un domaine global à 2degrés de résolution, européen à 0.5 degré et régional à 0.1 degré. Sur la verticale, une coordonnée hybride permet d’épouser le relief près du sol puis de tendre vers des niveaux isobares. Dans la configuration courante, 47 niveaux se répartissent en 7 niveaux dans la couche limite atmosphérique, 20 dans la troposphère et 20 dans la stratosphère, pour un dernier niveau à 5hPa. Une version étendue à 60 niveaux atteint 0.07hPa.

MOCAGE est un modèle de Chimie-Transport. Cela signifie que les variables météorologiques (comme la pression, le vent, la température..) n’y sont pas calculées mais extraites d’un autre modèle, météorologique celui-là, tels ARPEGE, AROME, IFS, pour les prévisions de qualité de l’air ou ARPEGE-Climat pour les simulations climatiques. La fréquence d’alimentation en données météorologiques est actuellement de 1h pour les plus petits domaines, basés sur des analyse AROME.
La plupart des émissions sont également des données d’entrée du modèle, basées sur des inventaires réalisés par d’autres organismes, à différentes échelles spatio-temporelles. Les émissions de certaines espèces sont toutefois décrites de manière dynamique, par exemple il est absolument nécessaire que la quantité de poussières désertiques injectée dans l’atmosphère soit directement reliée au vent.

Muni de ces données d’entrée (météorologie et émissions), le modèle va décrire, pour chacune des espèces, le transport vertical et horizontal à différentes échelles, les transformations physiques, comme le lessivage ou la sédimentation des aérosols ou le dépôt à la surface, ainsi que les transformations chimiques.

Pour la chimie gazeuse, le schéma chimique complet utilisé est baptisé RACMOBUS, constitué du regroupement des schémas troposphériques RACM (Stockwell, 1997) et REPROBUS (Lefèvre, 1994). Il contient 112 espèces et 373 réactions, permettant ainsi de décrire aussi bien la pollution urbaine de basse couche que l’évolution de la couche d’ozone antarctique.

Les aérosols sont décrits selon une représentation en taille, sur 6 classes de taille chacun. Les aérosols primaires décrits sont les poussières désertiques, les sels marins, le carbone-suie, le carbone organique et les pollens de bouleau. L’interaction entre les gaz et les particules primaires, pour former des aérosols secondaires, est aujourd’hui traitée pour les aérosols inorganiques via le module ISORROPIA, permettant notamment de décrire les nitrates et les sulfates. L’introduction des aérosols organiques secondaires est prévue à court terme.

Il existe également une version sans chimie de MOCAGE, baptisée MOCAGE-Accident, qui décrit en quelques minutes l’évolution sur le globe d’un rejet ponctuel de composé dans l’atmosphère. Cette version peut également être utilisée en mode inverse pour déterminer l’origine d’un polluant.

Les versions complète et accidentelle de MOCAGE sont pleinement opérationnelles à Météo-France. Ainsi, MOCAGE-Accident a été abondamment utilisé lors de l’éruption de l’Eyjafjallajokull en 2010, et de l’accident de Fukushima en 2011. MOCAGE est utilisé quotidiennement depuis 2005 pour alimenter Prev’Air, la plate-forme française de prévision de la qualité de l’air (http://www2.prevair.org/) qui propose des prévisions quotidiennes des concentrations de différents polluants. Il participe également à la prévision opérationnelle d’ensemble des modèles de qualité de l’air sur l’Europe de la plate-forme MACC. (http://www.copernicus-atmosphere.eu/)

Les applications dans le domaine de la recherche sont bien sûr très nombreuses. Dans le domaine de la qualité de l’air, MOCAGE a été utilisé de longue date : depuis la campagne ESCOMPTE en 2001 jusque, plus récemment, pour les campagnes TRAQA-CHARMEX (2012-2013). Il a également été partie prenante des différents projets de recherche GEMS puis MACC. A plus grande échelle, les interactions entre la composition chimique de l’atmosphère et la mousson africaine ont été étudiées dans le cadre de la campagne AMMA.

Une autre application est l’étude de l’impact du changement climatique sur la composition chimique de l’atmosphère. A l’échelle globale, MOCAGE est impliqué dans les projets ACCMIP et CCM-I. Le projet européen interdisciplinaire IMPACT2C s’est attaché à décrire les différentes facettes d’un monde où la température serait de 2 degrés supérieure à l’ère pré-industrielle. MOCAGE y a participé en décrivant l’évolution de la qualité de l’air.

MOCAGE possède un système d’assimilation de type variationnel (MOCAGE-Valentina) développé en étroite collaboration avec le CERFACS qui est utilisé pour assimiler des observations satellitaires de composition de l’air, des observations in situ de qualité de l’air, de préparer de futures missions satellitaires via la technique des OSSE.

 Publications

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