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Évaluation et application de MERRAero, une réanalyse des aérosols atmosphériques développée par la NASA


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Résumé:

La Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Application (MERRA) est une réanalyse développée par le Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) aux États-Unis qui intègre des données observées et des données modélisées pour reproduire une base de données complète dans le temps et l’espace de plusieurs variables atmosphériques (température, vitesse et direction du vent, humidité, pressions, etc.) depuis 1979. Afin de reproduire une analyse intégrée du système terrestre, le GMAO effectue d’autres réanalyses en parallèle : une réanalyse des océans (MERRAOcean), une réanalyse de la surface solide de la Terre (MERRALand) et une réanalyse de la composition de l’atmosphère (MERRAero), cette dernière constituant le sujet central de cette thèse. La 1ère version de MERRAero intègre des données de la profondeur optique des aérosols (AOD) mesurée par MODIS-Terra et MODIS-Aqua, en orbite autour de la Terre depuis 2000 et 2002 respectivement, et les données d’un modèle de chimie atmosphérique qui simule la concentration de cinq espèces dominantes d’aérosols, soit les particules de sulfate, de carbone organique, de carbone noir, de poussière et de sel de mer. La réanalyse reproduit donc la concentration de ces cinq espèces d’aérosols partout sur la Terre, avec une résolution de 0,5º de latitude, 0,625º de longitude et 72 niveaux en altitude, à une fréquence horaire, en plus de leur contribution individuelle à l’AOD totale. Une reconstruction peut ensuite être appliquée pour obtenir la concentration totale des matières particulaires, un contaminant couramment pris en compte pour évaluer la qualité de l’air. MERRAero constitue une avancée importante dans l’étude de la composition atmosphérique à l’échelle globale. Elle met à la disposition de la communauté scientifique un outil novateur qui lui permet d’étudier une vaste gamme de problèmes liées à la pollution atmosphérique qu’aucun réseau de surveillance ne peut accomplir, particulièrement dans les régions dépourvues de toute surveillance fiable. MERRAero doit cependant traverser un processus d’évaluation rigoureux avant d’être jugée apte à accomplir ses fonctions. Certaines de ses capacités ont déjà été évaluées à certains endroits, notamment sa simulation de l’AOD au-dessus de certaines régions du monde et sa simulation de la concentration des oxydes de soufre aux États-Unis. L’objectif de cette thèse est de poursuivre les travaux d’évaluation avec une emphase sur la concentration des différentes espèces d’aérosols simulées à la surface par MERRAero dans plusieurs régions du monde. Une fois que l’évaluation ait été jugée favorable, MERRAero a ensuite été appliquée à une étude sur la pollution urbaine de l’air à l’échelle globale. La concentration de plusieurs espèces d’aérosols simulée par MERRAero à la surface depuis 2003 a été comparée à des données d’observations provenant de différents réseaux de surveillance autour du monde : le Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) aux États-Unis, le European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) en Europe, celui du Ministère de la protection environnementale en Israël et celui de l’Administration de la protection environnementale à Taïwan. Plusieurs indicateurs statistiques ont été calculés, et des analyses spatiales et temporelles ont été effectuées pour évaluer l’exactitude de MERRAero, identifier ses lacunes importantes et formuler des recommandations pour améliorer ses versions subséquentes. L’évaluation aux É.-U. et en Europe en milieu rural a démontré que MERRAero reproduit bien la concentration des particules de sulfate et de carbone d’origine anthropique. La concentration des particules de carbone d’origine naturelle, provenant notamment des feux de forêt, a cependant été largement surestimée, causant ainsi un biais important en été. MERRAero a surestimé aussi la concentration des particules de sable de sources lointaines, telles que le Sahara et les déserts en l’Asie de l’Est qui affectent légèrement la composition des aérosols aux É.-U. L’évaluation a reproduit des résultats favorables en milieu urbain malgré la résolution de MERRAero qui ne capture pas toutes les sources d’aérosols, causant ainsi des fluctuations saisonnières non conformes aux observations. L’évaluation a reproduit des résultats très favorables en Israël. Sa proximité au Sahara et aux déserts du Moyen-Orient suggère que MERRAero simule très bien la concentration des particules de sable d’origine locale. À Taïwan, MERRAero a reproduit la concentration des aérosols généralement bien à l’exception des mois d’hiver, lorsque Taïwan est le plus affecté par l’advection de pollution d’origine chinoise. Malgré les lacunes identifiées, dans l’ensemble, l’évaluation a reproduit des résultats jugés suffisamment favorables pour que MERRAero soit appliquée dans une multitude de problématiques, notamment à l’étude de la pollution urbaine de l’air à l’échelle globale. Cette analyse a démontré l’impact que les politiques environnementales et la récession économique des dernières années ont eu sur la pollution atmosphérique des villes d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Asie de l’Est. Même l’air des villes chinoises, lesquelles sont aux prises avec de sérieux problèmes de pollution depuis plusieurs années, s’est amélioré grâce à une initiative du gouvernement à réduire les émissions de contaminants atmosphériques. Les villes de l’Inde et du Bangladesh sont les seules à avoir vu leur situation se détériorer, due à une forte urbanisation et industrialisation. La qualité de l’air des villes d’Amérique du Sud et d’Afrique subsaharienne s’est aussi améliorée par un ralentissement des activités de déforestation au cours des dix dernières années, particulièrement dans la forêt amazonienne.

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Version 2.3