Chapitre 1. Présentation générale du site
3. Caractérisation des masses d’air arrivant sur le site
Plusieurs outils ont été développés pour la modélisation et l’analyse des phénomènes de transport atmosphérique. Parmi eux, le modèle HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory), initialement développé par NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) et le Australia’s Bureau of Meteorology, permet de réaliser des calculs de trajectoires de particules ainsi que de dispersion et de dépôt de masses d’air (R.R. Draxler et Hess, 1997). Le modèle utilise les champs de données météorologiques fournis par différents modèles météorologiques, la grille des données d’entrée étant interpolée aux coordonnées
d’HYSPLIT. Pour notre application, nous avons choisi celles issues du modèle GDAS (Global Data Assimilation System) fourni par le NCEP (National Center for Environmental Prediction). Ce modèle, associé à ces paramètres d’entrée, a déjà été utilisé pour d’autres études à Dumont d’Urville et Dôme C (Preunkert et al., 2008; Legrand et al., 2009) et a permis de dresser des conclusions importantes quant au transport de certains composés comme l’ozone ou le diméthyl-sulfure (DMS). Le modèle calcule la trajectoire d’une particule située à une certaine altitude, ceci jusqu’à trois altitudes différentes. L’intérêt de ce modèle réside dans sa facilité d’utilisation : il dispose d’une interface graphique et d’une routine calculant les trajectoires sur un mois entier. Afin d’évaluer ses performances, nous l’avons comparé avec un autre modèle calculant des trajectoires de masses d’air, le modèle FLEXPART (Stohl et al., 2005). Ce modèle, d’utilisation moins simple, présente l’avantage d’intégrer un grand nombre de particules pour calculer la trajectoire de la masse d’air. Pour cette étude, les données météorologiques utilisées pour FLEXPART sont celles provenant de l’European Centre for Medium range Weather Forecast (ECMWF). Les rétro-trajectoires calculées par chacun des deux modèles ont été triées selon le secteur d’origine (marin ou continental purs, voir Figure 1-4) au cours d’une durée donnée avant l’arrivée sur site (24, 48 et 72 heures), puis les pourcentages de provenance de chaque masse d’air ont ensuite été comparés (voir Figure 1-5). Afin de prendre en compte l’ensemble du volume étudié par FLEXPART (0.5 degré de latitude * 1 degré de longitude * 500 m), les trajectoires obtenues par HYSPLIT pour trois altitudes différentes (0m, 250m et 500m au dessus du sol) ont été moyennées. L’exercice a été réalisé pour les mois de l’été 2011 (entre décembre et février) pour lequel des données FLEXPART étaient disponibles (Preunkert et al., soumis). Afin de vérifier le régime caractérisé par les rétro-trajectoires, les valeurs d’ozone troposphérique ont également été reportées, du fait de sa forte sensibilité aux changements de masse d’air (Legrand et al., 2009).
Figure 1-4 - Localisation des secteurs continental et marin définis pour caractériser les masses d’air à partir du modèle HYSPLIT.
Figure 1-5 - Pourcentages de provenance à 24h (a), 48h (b) et 72h (c) des masses d'air arrivant sur DDU en fonction du modèle utilisé pour les calculs (HYSPLIT en traits pleins, FLEXPART en traits pointillés). Le secteur continental est représenté en rouge, le secteur marin en bleu. Lorsque la somme des pourcentages de secteurs continental et marin est inférieure à 100%, les masses d’air ont une contribution d’origine côtière. Les valeurs d’ozone (d), ainsi que la direction du vent locale (e) sont reportées en bas de figure.
Les traits horizontaux rouge, bleu et gris en (e) indiquent les limites inférieures des directions locales des secteurs respectivement marin, côtier et continental.
La Figure 1-5 présente les pourcentages de particules provenant des secteurs continental pur et marin pur (voir Figure 1-6) au cours des 24, 48 et 72h précédant l’arrivée sur DDU, pour des exemples de masses d’air typiques de la période estivale au cours de notre étude. Dans un premier temps, on peut remarquer qu’il existe des différences significatives entre les pourcentages de provenance calculés à partir du modèle HYSPLIT, selon la durée considérée pour la rétro-trajectoire. Pour les rétro-trajectoires calculées par FLEXPART, ces différences sont beaucoup plus faibles. Afin de vérifier l’exactitude de l’origine de la masse d’air définie par les rétro-trajectoires, on peut raisonner à partir des valeurs d’ozone troposphérique, en remarquant que les valeurs élevées d’ozone correspondent à un apport continental, alors que les valeurs faibles correspondent à une advection océanique (Legrand et al., 2009). Plusieurs points ressortent de la comparaison entre les deux modèles. Tout d’abord, les pourcentages de provenance calculés par FLEXPART sont généralement en bon accord avec les valeurs d’ozone, quelle que soit la durée considérée pour la rétro-trajectoire ; ils seront donc pris comme référence pour cette comparaison. En ce qui concerne les secteurs calculés par HYSPLIT, on constate que ceux calculés à partir des rétro-trajectoires à 72h sont ceux qui concordent le mieux avec ceux calculés par FLEXPART, ainsi qu’avec les valeurs d’ozone.
Ainsi, en conditions continentales comme par exemple le 4 janvier, l’écart entre les deux modèles diminue en augmentant la durée allouée à la rétrotrajectoire : il est de 70% en moyenne pour les rétrotrajectoires à 24 heures, 35% pour celles à 48 heures et seulement 20%
pour celles à 72 heures. Ce constat se vérifie également en situation marine, comme par exemple le 30 décembre : les écarts sont respectivement de 30, 25 et 10% pour des durées de rétro-trajectoires de 24, 48 et 72 heures. D’autre part, on remarque que le modèle HYSPLIT a tendance à surestimer l’importance du secteur marin, en particulier pour les rétro-trajectoires à 24h. Pour les journées du 5, 6 et 7 janvier 2011, le pourcentage de provenance du secteur marin est fortement surestimé par HYSPLIT (jusqu’à 50% en moyenne à 72h), au vu d’une part des valeurs d’ozone relativement hautes et caractéristiques d’un apport continental et d’autre part des pourcentages calculés par FLEXPART (seulement 15% en moyenne).
Cependant l’alternance entre advection marine et apport continental reste visible en raisonnant en relatif sur ces trois journées. Cet écart entre les deux modèles peut s’expliquer par deux facteurs : les deux modèles n’utilisent pas les mêmes données météorologiques en entrée
modèles (Pagano, 2010) a montré que les trajectoires calculées par HYSPLIT sont généralement décalées de 10 à 20° vers la droite par rapport à celles calculées par FLEXPART. Ceci pourrait conduire à surestimer les pourcentages des secteurs côtiers et marins calculés à partir d’HYSPLIT, en décalant les masses d’air continentales en limite de secteur vers le secteur côtier ou marin. Néanmoins, sur l’ensemble des 39 journées pour lesquelles la comparaison a été menée, seules les trois journées du 5 au 7 janvier 2010 présentent des écarts importants (15% pour le secteur continental et 50% pour le secteur marin) entre les deux modèles. Ceci ne représente que 7% des cas étudiés ; le reste de la période comparée (non présentée intégralement ici) démontrant un bon accord entre les deux modèles. Il faut également noter que le bon accord entre le codage des masses d’air réalisé à partir d’HYSPLIT et les valeurs d’ozone a été vérifié qualitativement sur l’ensemble de l’année 2009, confirmant les résultats présentés par (Legrand et al., 2009). Pour des raisons de facilité d’utilisation, le modèle HYSPLIT a donc été retenu pour caractériser les masses d’air arrivant sur le site. Les rétro-trajectoires utilisées dans ce travail ont été calculées à l’aide d’HYSPLIT en considérant 3 altitudes d’arrivée sur site (0, 250 et 500 mètres) et une durée de 10 jours et en utilisant les données d’entrée GDAS. La Figure 1-6 présente quatre types de rétro-trajectoires classiques arrivant à Dumont d’Urville, soit en provenance du plateau Antarctique (cas (a) et (b), soit en provenance de latitudes plus faibles (cas (d)), soit arrivant de façon tangentielle en longeant la côte (cas (c)). Notons que l’écoulement continental constitue le régime typique de nuit à Dumont d’Urville, et que le cas (a) représente le cas extrême de cet écoulement, avec un vent catabatique particulièrement violent arrivant à DDU selon une direction de vent locale d’environ 180°- 200°. Notons également que le secteur marin correspond au passage de dépressions au large de Dumont d’Urville, ces dépressions ne parvenant que très rarement jusqu’à l’intérieur du continent.
Un dernier point à évaluer concerne l’utilisation des données météorologiques fournies par la station Météo-France située à DDU pour caractériser la masse d’air arrivant sur site. Les valeurs de direction du vent (notée WD, en degré) sont reportées en bas de la Figure 1-5. Dans un régime d’écoulement continental typique, la direction du vent enregistrée par la station est généralement située dans un secteur compris entre 100° et 130°, correspondant à la déviation à gauche de la masse d’air continentale, arrivant sur le site en longeant le glacier (voir Figure 1-6b). Seules les fortes advections continentales provoquées par un régime catabatique violent arrivent directement sur le site selon une direction locale située autour de 180°S. Enfin, les
phénomènes de brise de mer / écoulement anabatique sont également fortement marqués, avec des directions entre 270° et 330° ; les advections marines en lien avec le passage d’une perturbation à proximité de DDU sont plus difficilement visibles à partir de la direction locale du vent (secteur entre 90° et 120°, voir Figure 1-6d), et peuvent être repérées par des vitesses de vent élevées (non représentées ici). En conclusion, des masses d’air d’origines différentes peuvent être advectées à Dumont d’Urville avec des directions de vent locales similaires.
L’après-midi du 4 janvier 2011 constitue un exemple typique de ces situations. La direction du vent relevée par la station Météo-France est donc plus difficilement exploitable pour caractériser la masse d’air arrivant à Dumont d’Urville ; elle caractérise la météorologie locale (ce qui permet de repérer des phénomènes locaux comme l’écoulement anabatique/brise de mer, ou les advections de masses d’air contaminées par la base) mais ne donne donc que peu d’information sur l’origine de la masse d’air plusieurs jours avant l’arrivée sur site. D’autre part, un effet local est remarqué sur les directions de vent au sol : les masses d’air advectées sur le site, quelles que soient leur origine, arrivent généralement de façon tangentielle en longeant le glacier voire légèrement par le nord de DDU. Ainsi des masses d’air d’origine continentale peuvent arriver par l’est ou le nord-est de la station.
Figure 1-6 - Rétrotrajectoires de masses d'air typiques arrivant sur Dumont d'Urville pour quatre journées de juillet 2009 : catabatique pur (a), écoulement continental (b), masse d'air côtière (c) et advection marine (d).