Direct and Semi-direct effects of aerosols in West Africa during the dry season
Effets direct et semi-direct des aérosols en Afrique de l'ouest pendant la saison sèche
Résumé
This work investigates direct and semi-direct aerosol radiative forcing and the associated climatic impacts over the West African region during the dry-season. The regional climate model version 3 (RegCM3) is used in combination with in-situ observations from the AMMA-SOP0/DABEX field campaigns and remote sensing observations from sunphotometry (AERONET/PHOTON) and satellite platforms (PARASOL, MODIS, OMI and MISR). RegCM3 is specifically configured to represent West African aerosols and is evaluated for the 2006 dry season. In this setup, RegCM3 is found to represent aerosol loadings accurately enough for climatic applications, with the model simulating consistent aerosol single scattering albedo variations. In December and January, when smoke aerosols dominate the background aerosol loading, the aerosol single scattering albedo over the Sahel ranges from 0.81to 0.83 (at 440 nm). During the months of March and April, when dust aerosol are mainly observed, the simulated aerosol single scattering albedo ranges between 0.90 and 0.92 (at 440 nm). The direct aerosol radiative forcing (visible + infrared) estimated at top of the atmosphere is essentially negative over the whole domain, with values ranging from -5 W/m² to -4.0 W/m². Over the Sahara, the direct aerosol radiative forcing at top of the atmosphere (TOA) is close to zero (-0.15 W/m²). The large difference between the TOA and surface direct radiative forcing indicates strong radiative absorption in the atmosphere (+11.47 and +24.40 W/m² over the Sahara and Sahel, respectively). Due to their relatively low single scattering albedo, smoke aerosols are the dominant contributors to atmospheric heating. At the regional scale, this results in a daily average atmospheric heating rates ranging between +0.2 and +0.6 K/day within the main smoke layers (approximately 2 and 5 km above the ground surface). Two longer simulations covering the 2001-2006 period are also conducted in order to investigate the effects of this radiative forcing on the regional climate during the dry season. A simulation including dust aerosols (DUSTexp) and a simulation including both dust and smoke aerosols (BBDUSTexp) are performed in order to take into account the dynamical feedbacks associated with direct and semi-direct aerosol radiative forcing. The strong aerosol radiative forcing at surface decreases available radiation, which leads to significant perturbations of the surface energy balance. Over the Sahara, sensible heat flux anomalies are similar in the two experiments (-5.52 W/m² and -6.65 W/m², in the DUSTexp and BBDUSTexp, respectively). Over the Sahel, the decrease is more significant in BBDUSTexp simulation (-16.59 W/m² compared to -5.37 W/m² in DUSTexp). Changes in latent heat fluxes are more complex and depend simultaneously on aerosols emission locations and the aerosol species present. As a result, the precipitation changes due to aerosol radiative effects are very different within the two experiments. In the DUSTexp, precipitation is decreased over most of the domain with a maximum decrease over the central part of the continent. For the BBDUSTexp, smoke aerosols tend to enhance precipitation over this sub-region. This increase seems to be related to a local increase of convective activity above 500 hPa, resulting from an elevated heat pump mechanism.
Ces travaux de thèse présentent l'étude du forçage radiatif direct et semi-direct ainsi que les impacts climatiques associés, qu'exercent les particules d'aérosols désertiques et de feux de biomasse sur le climat régional ouest Africain pendant la saison sèche. Dans ce cadre, le modèle de climat régional RegCM3 a été utilisé en lien avec les observations in-situ des campagnes DABEX/AMMA-SOP0, les mesures photométriques (AERONET/PHOTONS) et satellitaires (PARASOL, MODIS, OMI et MISR). Le modèle RegCM3 configuré spécifiquement pour représenter les aérosols d'Afrique de l'ouest a été évalué au cours d'une simulation de la saison sèche 2006. Dans cette configuration, le modèle s'est montré capable d'estimer raisonnablement les quantités d'aérosols pour des applications climatiques et les variations d'albédo de simple diffusion. Pendant les mois de décembre et janvier, l'albédo de simple diffusion simulé au-dessus du Sahel se situe entre 0.81 et 0.83 (à 440 nm) quand les aérosols de feux de biomasse dominent le mélange atmosphérique. Pendant les mois de mars et avril, pour lesquels les aérosols désertiques dominent, l'albédo de simple diffusion simulé se situe entre 0.90 et 0.92 (à 440 nm). Le forçage radiatif direct au sommet de l'atmosphère (visible + infrarouge) est majoritairement négatif sur l'ensemble du domaine et compris entre -5.0 W/m² et -4.0 W/m². Sur le Sahara, le forçage radiatif direct TOA est proche de zéro (-0.15 W/m²). La grande divergence entre le forçage radiatif direct au sommet de l'atmosphère et en surface indique que l'absorption est importante au sein de l'atmosphère (forçage radiatif direct atmosphérique de +11.47 et +24.40 W/m² au-dessus du Sahara et du Sahel, respectivement). Du fait de leur albédo de simple diffusion relativement bas, les aérosols de feux de biomasse contribuent principalement à ce réchauffement atmosphérique. Ceci se traduit à l'échelle régionale par un taux d'échauffement radiatif atmosphérique (dans le visible) compris entre +0.2 et +0.6 K/jour en moyenne journalière dans la couche d'aérosol de feux de biomasse localisée entre 2 et 5 km. Deux simulations à plus longue échéance sur la période 2001-2006 ont été menées pour étudier les conséquences de ce forçage radiatif sur le climat régional pendant la saison sèche. Une simulation DUST (aérosols désertiques) et BBDUST (aérosols désertiques + aérosols de feux) sont réalisées en prenant en compte les rétroactions liées au forçage radiatif direct. L'important forçage radiatif en surface réduit l'énergie radiative disponible au sol. Ceci conduit à des perturbations significatives du bilan énergétique en surface. Au-dessus du Sahara, les réductions de flux de chaleur sensible sont proches dans les expériences DUST et BBDUST (respectivement -5.52 W/m² et -6.65 W/m²). Au niveau du Sahel en revanche, l'inclusion des aérosols de feux de biomasse diminue plus fortement le flux de chaleur sensible (-16.59 W/m² dans l'expérience BBDUST et -5.37 W/m² dans l'expérience DUST). La réponse du flux de chaleur latente est plus complexe et dépend à la fois de la localisation des sources d'aérosols et des espèces considérées. Ainsi, la réponse des champs de précipitations simulés due aux effets radiatifs direct et semi-direct des aérosols diffère fortement entre les deux expériences. Dans l'expérience DUST, les précipitations sont réduites sur la majorité du domaine avec une diminution maximum au centre du continent. Dans l'expérience BBDUST, les aérosols de feux de biomasse augmentent les précipitations pour cette sous-région. L'augmentation des précipitations semble reliée à une augmentation locale de l'activité convective au-dessus de 500 hPa sous l'effet d'un mécanisme de pompe thermique.