Gaz à effet de serre à La Réunion : d'où viennent-ils ?

Dans le cadre des réseaux internationaux de surveillance de l'atmosphère, l’IASB mesure des séries temporelles de concentrations atmosphériques de CO2, CH4 et CO à l'île de la Réunion. Pour comprendre les causes sous-jacentes aux concentrations observées ainsi qu'à leur variabilité, nous les comparons aux concentrations simulées à l'aide du modèle de transport atmosphérique régional WRF-GHG. Il en ressort que les observations près du sol sont dominées par les émissions locales et les processus dynamiques tels que la vitesse et la direction du vent, tandis que les observations dans la colonne sont influencées par des mécanismes à plus grande échelle tels que la combustion de la biomasse en provenance d'Afrique ou d'Amérique du Sud.

Pour atténuer le changement climatique, il est essentiel de surveiller les tendances et la variabilité des gaz à effet de serre et de comprendre leurs sources d'émission et leurs puits.

L‘IASB possède une expertise de longue date dans l'observation des concentrations de ces gaz dans l'atmosphère. Nos observations de télédétection au sol fournissent la quantité totale de gaz dans la colonne allant de la surface de la Terre au sommet de l'atmosphère. En revanche, les observations in situ mesurent les concentrations atmosphériques locales à proximité de l'instrument.

Ces données font partie de réseaux de surveillance internationaux tels que:

L'une des stations où l‘IASB effectue de telles mesures est située sur l'île de la Réunion, dans le sud-est de l'océan Indien. Pour mieux comprendre les séries temporelles observées, nous les avons simulées à l'aide d'un modèle de transport atmosphérique: WRF-GHG.

Modèle atmosphérique

WRF-GHG est une option spécifique du modèle dynamique largement utilisé "Weather Research and Forecasting" couplé à la chimie (WRF-Chem). WRF-GHG simule la propagation du CO2, du CH4 et du CO dans l'atmosphère, ainsi que leurs sources d'émission et leurs puits à la surface de la Terre.

Dans cette option de WRF-Chem, les concentrations sont simulées sans réactions chimiques avec d'autres gaz, ce qui est une hypothèse valable puisque le CO2, le CH4 et le CO ont une longue durée de vie dans l'atmosphère.

La sortie du modèle consiste en des champs de concentration en 3D (surface et altitude), toutes les heures. Nous avons simulé près de 2 ans d'observations de ces gaz sur l'île de la Réunion et avons trouvé un bon accord entre les séries temporelles simulées et observées.

Resultats

Flux locaux et à la dynamique atmosphérique

Les simulations confirment que les observations in situ et dans la colonne fournissent des informations complémentaires sur les processus d’influence. La variabilité des mesures de surface est principalement due aux flux locaux et à la dynamique atmosphérique. Les flux locaux sont ceux qui sont produits à proximité de l'instrument.

Dans la capitale, il s'agit principalement de sources humaines (combustion de combustibles fossiles), alors qu'au sommet du Maïdo, il s'agit plutôt de sources naturelles biogéniques (photosynthèse et respiration de la végétation).

Sensible à l'échelle supérieure

De plus, les dynamiques atmosphériques telles que la vitesse et la direction du vent ont un impact important sur les concentrations locales. Les vents forts mélangent rapidement les gaz dans l'atmosphère, mais les brises faibles peuvent permettre l'accumulation de concentrations près de leurs sources.

Les observations dans la colonne sont plus sensibles à l'échelle supérieure: elles sont affectées par des sources beaucoup plus éloignées de l'instrument, qui sont ensuite réparties sur une large zone par les vents des grands systèmes météorologiques. Ainsi, l'effet de la combustion de la biomasse sur le continent africain ou même sud-américain peut être détecté jusqu'à l'île de la Réunion.

Les deux types d'observations sont nécessaires pour mieux comprendre le cycle du carbone. De plus, le modèle WRF-GHG s'est avéré être un outil très utile pour atteindre cet objectif.

Une étude similaire est actuellement en cours sur le site de Xianghe, près de Pékin en Chine. A l'avenir, ce modèle sera également utilisé pour vérifier les émissions de CO2, CH4 et CO en Belgique.

 

Réference

Callewaert, S., Brioude, J., Langerock, B., Duflot, V., Fonteyn, D., Müller, J.-F., Metzger, J.-M., Hermans, C., Kumps, N., Ramonet, M., Lopez, M., Mahieu, E., & De Mazière, M. (2022). Analysis of CO2, CH4, and CO surface and column concentrations observed at Réunion Island by assessing WRF-Chem simulations. Atmospheric Chemistry and Physics, 22(11), 7763–7792. https://doi.org/10.5194/acp-22-7763-2022

Séries temporelles concentrations CO2 en surface et dans la colonne sur l'île de la Réunion
Exemple de séries temporelles de (a) concentrations de CO2 en surface et (c) dans la colonne sur l'île de la Réunion, ainsi que les contributions simulées des différentes composantes (b, d). Les lignes/points noirs en (a) et (c) sont les concentrations mesurées par les instruments locaux (in situ et colonne, respectivement), tandis que les lignes/points bleus sont les concentrations totales de CO2 simulées par WRF-GHG. Les figures (b) et (d) montrent la contribution des différents composants qui constituent les concentrations totales simulées. Elles montrent la contribution des différentes sources: anthropogénique (ligne rouge), biogénique (ligne verte), combustion de la biomasse (marron), ainsi que le puit d’absorption par les océans (ligne bleue).
Carte concentration moyenne de CO dans la colonne l'île de la Réunion graphique avec valeurs
Exemple de sortie du modèle WRF GHG sur l'île de la Réunion. La carte du haut montre la concentration moyenne de CO dans la colonne (en ppb, parties par milliard). Les valeurs simulées et observées sur le site de la Réunion sont représentées dans le graphique ci-dessous (ligne rouge et points noirs respectivement).