Variabilities of atmospheric CO2 in Austral regions: comparison between simulations and measurements
Description
Strong impetus exists to improve the network of stations monitoring atmospheric CO2, because of the need to better understand regional sources and sinks of CO2. 1 helped optimize the Austral network (south of 30 deg. S) by (1) installing a new monitoring station at Kerguelen, and (2) assisting in intercalibration campaigns whose objective is to achieve a global network of CO2 measurements precise to 0.1 ppmv. From this network of CO2 measurements the objective of my thesis was to derive the related net fluxes of CO2 that vary both in space and time. For 1990, 1 linked atmospheric CO2 concentrations and net fluxes with the aid of a 3-D atmospheric transport model driven by meteorological analyses of ECMWF. Furthermore linkage requires a prior estimation of CO2 net fluxes. Net fluxes from the terrestrial biosphere are derived from remote sensing measurements of its reflectance; and for the ocean I employed recent apCO2 measurements in subtropical and sub-antarctic areas. For such analysis, one must take into account three kinds of variability: spatial gradients of CO2, seasonal cycles, and short term variations (synoptic scale). Atmospheric CO2 gradients between stations over the Indian Ocean reveal low values near 30 deg. S, and can be explained by the oceanic sink simulated by the model at this latitudes. On the contrary the ocean flux predicted from an extrapolation based on the correlation of ΔpCO2 with surface temperature in this region, cannot explain the lower atmospheric CO2 concentrations observed at Cape Grim relative to that at Amsterdam Island (-0.5 ppmv in 1990). Hence further ΔpCO2 measurements are needed in the Eastern Indian Ocean to confirm a potentially enhanced ocean sink there. Although the distinct seasonal cycle of atmospheric CO2 observed at Amsterdam Island is partially explained by oceanic fluxes, this contribution plays quite a minor role. Terrestrial biosphere appears to be the main contributor to the seasonal cycles observed south of 30 deg. S. The good agreement between measurements and model derived values (within 0.3 ppmv) indicates the necessity to properly select air masses in the simulations, as it is done in the monitoring stations. For such selection here, 1 used back trajectories calculated with the model. On the other hand the in-depth study of seasonal cycles demonstrates the great influence of interhemispheric transport on the CO2 variations in the middle and high southern latitudes. To help constrain the model at synoptic scale, 1 also used another tracer, 222Rn, having a short half-life (3.8 d), and a continental source. Radon-222 simulations demonstrate that the transport model is able to reproduce synoptic events, both near the surface and in troposphere. For further interpretation of measurements and simulations, it will be necessary in the future to focus not only on the simulation of vertical transport, but also on the precision of measurements, and the simulation of Radon source. Applied to the CO2, this study demonstrates for the first time the ability of a model to simulate short term variations of CO2. At Amsterdam and Kerguelen islands, synoptic variations are mostly induced by CO2 exchange at the sea surface. Hence synoptic variations are sensitive to air-sea gas exchange rate; which remains poorly constrained. The amplitude of the synoptic variations are best matched when the exchange coefficient is calibrated on the mean value given by oceanic measurements of 14CO2, which is about 70% higher than estimates made with other trace gases. (author)
Abstract (French)
Le principal objectif du developpement du reseau de mesure du CO2 atmospherique, est de permettre une meilleure connaissance des sources et puits de CO2, a une echelle regionale. Dans cette etude j'ai pris part a l'optimisation du reseau austral (sud de 30 deg. S), (1) en installant une station de mesure aux Kerguelen, et (2) en developpant les intercalibrations destinees a etablir un reseau mondial calibre a 0.1 ppmv pres. L'objectif de ce travail est de determiner les informations qu'un tel reseau de mesure peut nous apporter sur la distribution spatio-temporelle des flux nets de CO2 dans les regions australes. Pour relier les concentrations de CO2 atmospherique et les flux nets, durant l'annee 1990, j'utilise un modele de transport 3-D base sur les observations meteorologiques analyses au CEPMMT. Ce travail necessite egalement de definir un scenario global de flux nets de CO2 pour l'annee 1990. Celui-ci est base en particulier sur les mesures satellitaires de reflectance du couvert vegetal, et sur les recentes mesures de ΔpCO2 dans les oceans subtropicaux et subantarctiques. Dans une telle etude, on peut s'interesser a trois types de variabilites: les gradients spatiaux de CO2; les cycles saisonniers; et les variations a court terme (echelle synoptique). L'etude des gradients de CO2 entre les stations situees dans l'Ocean Indien revele la presence de faibles concentrations de CO2 vers 30 deg. S, qui s'expliquent par le puits oceanique simule par le modele a ces latitudes. Par contre la distribution des flux oceaniques deduite d'une extrapolation, basee sur la correlation entre ΔpCO2 et la temperature de surface dans cette region, ne permet pas d'expliquer les concentrations plus faibles observees a Cape Grim par rapport a l'ile d'Amsterdam (-0.5 ppmv en 1990). Des mesures de ΔpCO2 dans le secteur Est de l'Ocean Indien apparaissent necessaires pour confirmer la presence d'un puits oceanique potentiellement plus intense dans cette zone. Bien que la contribution oceanique permette d'expliquer en partie le caractere particulier du cycle saisonnier sur l'ile d'Amsterdam, cette contribution joue un role relativement mineur. La principale cause des cycles saisonniers observes au sud de 30 deg. S est liee au cycle annuel de la biosphere continentale. Grace a la qualite des simulations des cycles annuels, reproduits a 0.3 ppmv pres ou mieux, cette etude met en evidence la necessite de simuler les selections des masses d'air qui sont realisees dans les stations de mesure. Pour cela j'utilise les retrotrajectoires calculees a partir du modele. En outre l'etude detaillee des variations de CO2 a l'echelle annuelle demontre l'importance du transport inter-hemispherique dans les series de mesures realisees aux moyennes et hautes latitudes de l'Hemisphere Sud. Pour valider le modele de transport a l'echelle synoptique, j'ai egalement utilise le 222Rn, traceur a courte duree de vie (3.8 j) emis par les continents. Les simulations de 222Rn demontrent les capacites du modele de transport a reproduire des situations synoptiques, tant en surface que dans la troposphere. Pour affiner les comparaisons entre mesures et simulations, il ressort qu'il est desormais necessaire de se focaliser non seulement sur la simulation du transport vertical, mais aussi sur la qualite des mesures, et sur la source du 222Rn. Appliquee au CO2 l'etude des variations synoptiques demontrent pour la premiere fois la capacite d'un modele de transport a reproduire des variations synoptiques de CO2. A Amsterdam et Kerguelen, la variabilite a court terme est principalement induite par les echanges de CO2 a l'interface air/mer. Ces variations sont donc tres sensibles aux echanges a l'interface air/mer, qui restent mal connus. L'amplitude des variations synoptiques est mieux simulee si on utilise les coefficients d'echange calibres sur la valeur moyenne deduite des mesures oceaniques du 14CO2, qui est environ 70% plus forte que celle deduite d'autres traceurs. (auteur)Files
51091962.pdf
Files
(35.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:1b2f34c063fd4fdf54d9ee8c4405e3ea
|
35.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Variabilite du CO2 atmospherique en regions australes: comparaison modele / mesures
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 295 p.
- Report number
- FRCEA-TH--12068
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51091962
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ABUNDANCE; ADVECTION; BIOSPHERE; CARBON 14 COMPOUNDS; CARBON CYCLE; CARBON DIOXIDE; CARBON SINKS; CARBON SOURCES; COMPUTERIZED SIMULATION; CONVECTION; GENERAL CIRCULATION MODELS; INDIAN OCEAN; RADON 222; SEASONAL VARIATIONS; TROPOSPHERE; VALIDATION
- Descriptors DEC
- ALPHA DECAY RADIOISOTOPES; CARBON COMPOUNDS; CARBON OXIDES; CHALCOGENIDES; DAYS LIVING RADIOISOTOPES; EARTH ATMOSPHERE; ENERGY TRANSFER; EVEN-EVEN NUCLEI; HEAT TRANSFER; HEAVY NUCLEI; ISOTOPES; LABELLED COMPOUNDS; MASS TRANSFER; MATHEMATICAL MODELS; NUCLEI; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; RADIOISOTOPES; RADON ISOTOPES; SEAS; SIMULATION; SINKS; SURFACE WATERS; TESTING; VARIATIONS
Optional Information
- Notes
- [190 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses