Les aérosols dans les projets StratoClim et Cissa

B. Legras, S. Stubenrauch, P. Sellitto, M. Boichu, V. Noël, H. Herbin (LOA), S. Kinne (MPI)

Conseil Scientifique Aérosols, LMD, 14 mars 2013

Stratospheric and upper tropospheric processes for better climate predictions

– StratoClim –

A funded EU project, 28 partners, ~12 millions € project2014-2018

Goal : Improve knowledge of upper tropospheric and stratospheric processes and assess their rôle in climate change. Accent on sulfur and aerosols.Concept :- Tropical aircraft campaign- Tropical measurement station- Satellite and data analys & development of new products- Process and regional modelling- Global modelling- Sioco-economic impacts

NH summer:Asian monsoon (AM) NH winter:

Western Pacific (WP) warm pool

Palau

StratoClimPlanned field activities

Key regions that determine the stratospheric composition:

ASIAN TROPOPAUSE AEROSOL LAYER

Aircraft campaign with M55 Geophysica:

• Full coverage of TTL and lowest stratosphere (up to ~19km altitude)

Summer 2015 in the area of the Asian Monsoon•• New instruments include:

• SO2/H2SO4 CIMS instrument (sensitive to background conc.)• a dual channel cavity-enhanced instrument for COS• aerosol mass spectrometers (single particle and bulk)

• Measurements will include:H2O, O3, COS, SO2, H2SO4, CO, CO2, HCN, long-lived tracers, nitrogen oxides, active halogen species, particle size distribution, particle chemical composition

StratoClim : Field activities (1)

Les projets

Dans le cadre de StratoClim

● Détection et mesure des aérosols sulfatés à partir des sondeurs

● Modélisation de la formation et du transport des aérosols sulfatés

Dans le cadre de CISSA et du projet ANR jeune chercheur de M. Boichu et P. Sellitto

● Climatologie des aérosols combinant AERONET, Calipso + transport

● Etude de la source volcanique de précurseurs d'aérosols sulfatés

GEWEX Aerosol Panel: A critical review of the efficacy of commonly used aerosol optical depth retrieval

Sundar Christopher, Richard Ferrare, Paul Ginoux, Stefan Kinne, Jeffrey Reid, Paul Stackhouse, Charles Ichoku; report in progress; presented by S. Kinne at GEWEX Data & Assessment Panel in 2013

constraining modeling: by temporal & spatial AOD patterns, AOD altitude (Calipso, IASI, MISR)contraining modeling by non-AOD info:

non-sphericicity (lidar, Calipso), fire radiative power (3.7um, MODIS),OMI/TOMS aerosol index, composition by spectral var. data (IASI)

important: retrieval documentation, L2->L3 strategy, error prognosisAERONET backbone source for verification

MAC: MPI-Aerosol–Climatology(Kinne et al. JAMES 2013) presented by S. Kinne at GEWEX Data & Assessment Panel

AeroCom: international initiative to improve aerosol representation in global modeling - with obs.12th workshop in 2013 (Hamburg)

GEWEX: The representation of aerosol properties may lead to diversity in current radiative flux products

One needs monthly maps of aerosol optical properties: aerosol optical depth at 550 nm (amount)single scattering albedo at 550 nm (absorption)asymmetry-factor at 550 nm (size)

… as function of wavelength, altitude, time (seasonal / inter-annual)

to address aerosol direct & indirect radiative effects

satellite passive remote sensing:only column AOD … and often too inaccurate

dependence on assumptions for aerosol absorption, background identificationsatellite active (lidar) remote sensing:

vertical resolved AOD (day + night) dust type ID by depolarization / limited surf. impact

AERONET (600 sites + maritime) :AOD at high accuracy from solar attenuationabsorption and size via sky-radiances data

MAC V1: combination of AERONET & modelling

MPI-Aerosol–Climatology (2)

- local sample statistics is artificially enlarged for better visibility- larger spheres reflect sites with better regional representivity

AERONET MACseasonal AOD at 550 nm

Quantification of Ice Nuclei concentrations requires:vertical distribution, size distribution, aerosol composition, hygroscopy …

V1 (1°x1°): implemented in ECHAM6, will be used in GEWEX integrated products

Planned Improvements (0.5°x0.5°) :more observational weight for vertical distrib.: CALIPSO (total & nonspherical extinction)better fine mode size (& scattering) properties: better prescriptions for fine re (via Ang)

fine mode size/AOD as function of 3D rel. humiditybetter coarse mode distribution / variability, better IN estimates

Développement de méthodes innovantes de télédétection d'aérosols sulfatés → WP3 de StratoClim

WP3: Satellites - Understand the global flux of sulphur into the stratosphere, Identify the main pathways, and understand the transformation into aerosols :

● Analyse des données Envisat MIPAS SO2 [Hoepfner et al., AMT, 2013] and COS data

(Tache 3.1, organisée par le Karlsruhe Institute of Technology)● Développement de nouveaux produits d'aérosols stratosphériques et ses précurseurs

de capteurs IR à haute résolution (IASI et TANSO-FTS) (Tache 3.2, organisée par le CNRS – LMD et LOA)

Ces nouvelles mesures + donnés de campagnes d'avion + mesures depuis le sol + modélisation → WP4 de StratoClim - informations sur la composition chimique de la UTLS et sur processus liés

WP4: Process studies - Determine the chemical composition and spectrum of age in the TTL by Lagrangian and Eulerian studies quantifying chemical processes along upward transport pathways in the tropics (SO

2, aerosols, cirrus processes, etc), benefiting from satellite data of

WP3

Contexte – StratoClim

10.0mm=1000cm-1 8.5mm=1176.5 cm-1

Minimum de im(m) → Maximum de l'absorption

Même tendance de im(m) pour H

2SO

4/H

2O avec

divers compositions (% de H

2SO

4 dans la solution) et

des différences du spectre mesuré par IASI dans une panache volcanique âgée par rapport à une référence de background.

La télédétection des aérosols sulfatés par observations TIR

[Clarisse et al., ACP, 2013]

[Grainger et al., GRL, 2013]

Indice de refraction complexe m très variable dans l'IR en fonction de la composition chimique et de la longueur d'onde

La télédétection des aérosols sulfatés par observations TIR

Les spectres de radiance TIR sont sensibles à la composition des aérosol présents dans la masse d'air observée

La signature spectrale d'autres typologies d'aérosols peut être très différente (voir pour la cendre volcanique)

On peut identifier la signature spectrale des aérosols sulfatés, si présents

Développement de méthodes innovantes de télédétection d'aérosols sulfatés → WP3 de StratoClim

WP3: Satellites - Understand the global flux of sulphur into the stratosphere, Identify the main pathways, and understand the transformation into aerosols :

● Analyse des données Envisat MIPAS SO2 [Hoepfner et al., AMT, 2013] and COS data

(Tache 3.1, organisée par le Karlsruhe Institute of Technology)● Développement de nouveaux produits d'aérosols stratosphériques et ses précurseurs

de capteurs IR à haute résolution (IASI et TANSO-FTS) (Tache 3.2, organisée par le CNRS – LMD et LOA)

Ces nouvelles mesures + donnés de campagnes d'avion + mesures depuis le sol + la modélisation → WP4 de StratoClim - informations sur la composition chimique de la UTLS sur des processus liés

WP4: Process studies - Determine the chemical composition and spectrum of age in the TTL by Lagrangian and Eulerian studies quantifying chemical processes along upward transport pathways in the tropics (SO

2, aerosols, cirrus processes, etc), benefiting from satellite data of

WP3

Contexte – StratoClim

Développement de nouveaux produits d'aérosols stratosphériques et ses précurseurs de capteurs IR à haute résolution (IASI et TANSO-FTS)

i Aérosols sulfatés dans la UTLS: détectionii Aérosols sulfatés dans la UTLS: quantification - AOD et masse totaleiii Aérosols sulfatés dans la UTLS: estimation de la composition chimique –

rapport de mélange H2SO4/H2Oiv Précurseurs des aérosols sulfatés: détection, quantification et estimation de la hauteur du pic de l'SO2v Aérosols sulfatés dans la UTLS: estimation de la distribution en taille –

rayon efficacevi Précurseurs des aérosols sulfatés: détection et quantification d'autres

espèces, si faisable (COS, H2S, H2SO4 gazeux)

StratoClim : plan pour la tache 3.2 du WP3

2014-2016

On est dans une période de quiescence volcanique : absence de grosse éruptions après le Mt Pinatubo (1991)

On observe une augmentation, e.g., de l'AOD stratosphérique du 4-10%/year, dans la période 2000-2010

Causes possibles :● augmentation des émissions de l'SO

2 en Asie (Chine, Inde) → plutôt ATAL

● éruptions modérés qui ont en tout cas injecté de l'SO2 dans la stratosphère

Effet climatique : un forçage de -0.1 W/m2 a été estimé pour cette augmentation → comparable au forçage climatique du CO

2 sur la même période !

Série temporelle de la rétrodiffusion LIDAR pour les aérosols stratosphériques à Mauna Loa [Hofmann et al., GRL, 2009]

Pinatubo

NevadoDel Ruiz

Background

BG variable

Série temporelle de l'AOD stratosphérique par divers capteurs satellitaires [Vernier et al., GRL, 2011]

Volcanisme et aérosols stratosphériques

Études régionales de la source volcanique de précurseurs d'aérosols sulfatés → WP4.2 de CISSA

WP4: Compilation and analysis of regional data● Meilleure quantification de la source de SO

2 volcanique et étude de la conversion en

aérosols sulfatés – études de cas pour l'Eyjafjallajokull (2010) et l'Etna (2008-2013) (WP4.2, organisé par le CNRS – LMD) → rôle dans la formation de cirrus

Outils et méthodes proposés :● Inversion des émissions volcaniques

de SO2 par images satellitaires,

obs.s de surface et modélisation CTM (travail de Marie Boichu)

● Modélisation physique/chimique d'aérosols sulfatés

● Nouveaux produits satellitaires d'aérosols sulfatés ← StratoClim

Contexte – CISSA

Études régionales de la source volcanique de précurseurs d'aérosols sulfatés → WP4.2 de CISSA

Premier exemple d'étude des émissions de l'Etna

Sellitto et al., ''The effects of Mt Etna eruption of 25-28 October 2013 on the atmosphericchemistry and aerosols in the Mediterranean'', EGU GA 2014

Étude de l'impact de l'activité de l'Etna sur la composition en aérosol du Centre-Sud méditerranéen 

Vers CISSA : une première étude

Mesure des flux de SO

2

INGV-Catania

Simulations de dispersion - FLEXPART

LMD-ENS

Observations satellitaires

LMD-ENS, LOA, INGV-Rome

Info sur l'activité de l'Etna

Lab. de Géologie-ENS

Observations @Lampedusa

Station ENEA de Lampedusa

Source Evolution Impact