Interprétation des séries temporelles des gaz clés du cycle du carbone

Composition chimique et climat
L’IASB contribue à des initiatives internationales pour le suivi à long terme de la composition atmosphérique. Nous mesurons notamment, à l’Ile de la Réunion, la concentration des gaz qui jouent un rôle dans le cycle du carbone comme le CO2, le CH4 et le CO. Les données collectées montrent les variations de concentration de ces gaz à différentes échelles de temps: quotidiennes, saisonnières ou interannuelles. Pour comprendre les origines de ces variations, l’IASB a utilisé le modèle WRF-GHG afin de simuler le transport et les flux de surface du CO2, du CH4 et du CO à une résolution spatiale de 1 km2.

Observations

Depuis de nombreuses années, l’IASB effectue des mesures de télédétection depuis le sol (FTIR) ainsi que des observations locales (in situ) du dioxyde de carbone (CO2), du méthane (CH4) et du monoxyde de carbone (CO).

Ces mesures font souvent partie de réseaux internationaux tels que:

Les scientifiques de l’IASB sont responsables pour ce type de mesures par exemple à l’Ile de la Réunion, une île française dans le sud-est de l’Océan Indien. Malgré sa localisation très isolée, l’île est affectée par l’advection de panaches de feux de biomasse provenant d’Afrique ou même d’Amérique du Sud. En analysant les séries temporelles de ces mesures, nous voulons mieux comprendre la variabilité observée (des gaz étudiés) aux différentes échelles de temps.

Le modèle WRF-GHG

Pour exploiter ces observations, nous avons récemment implémenté un nouveau modèle numérique appelé WRF-GHG. Celui-ci est une option spécifique du modèle pour la recherche et prévision du temps (Weather Research and Forecasting, WRF) souvent utilisé couplé avec un module de chimie (WRF-Chem).

Dans l’option WRF-GHG (GreenHouse Gases, gaz à effet de serre), le transport atmosphérique régional et les flux de surface de CO2, de CH4 et de CO sont simulés sans considérer leur réaction chimique avec d’autres espèces. Cette hypothèse est valide puisque ces gaz ont une longue durée de vie dans l’atmosphère.

Dans le cadre d’une thèse de doctorat à l’Université de Liège, une jeune chercheuse de l’IASB a implémenté et appris à utiliser ce modèle complexe pour une étude de cas à l’Ile de la Réunion. Plusieurs défis sont à relever : prendre en compte la topographie complexe de l’île pour représenter correctement les vents locaux, et trouver les meilleurs inventaires d’émission à une résolution temporelle et spatiale suffisante, nécessaires au modèle.

Très bientôt, nous utiliserons le modèle pour générer un an de simulation des concentrations des gaz ciblés (CO2, CH4 et CO) aux sites d’observation sur l’Ile de la Réunion. Nous comparerons ces simulations aux mesures disponibles et espérons en tirer plus d’information sur les sources (locales ou distantes) responsables des variations observées.

Dans le futur, les simulations WRF-GHG seront exploitées pour analyser des observations similaires sur le site de Xianghe près de Pékin en Chine.

Série temporelle de concentration de CO2
Exemple de série temporelle de concentration de CO2 à la surface à Saint Denis, capitale de l’Ile de la Réunion. Les points noirs représentent les concentrations mesurées par l’instrument local tandis que la ligne noire continue montre la concentration simulée par WRF-GHG. La concentration totale obtenue par ce modèle est la somme de différents composants provenant de différents flux: anthropogénique (ligne rouge), biogénique (ligne verte) ou océanique (ligne bleue). La ligne violette représente la concentration de fond due à toutes les influences provenant de l’extérieur du domaine régional de simulation.