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Campagne ParisFog 2006-2007

Le projet ParisFog sur la période 2006-2009 a permis de réaliser une campagne de mesure d’une saison complète pour documenter les processus pilotant le brouillard en région parisienne. Il a permis également d’étudier les processus radiatifs, microphysiques et dynamiques pilotant le brouillard, à partir des observations et de simulations numériques (Méso-NH, Mercure-Saturne) dans le cadre de 2 thèses et 3 postdocs. L’acquisition de données pendant une saison entière (campagne de mesures ParisFog 2006-2007) permet de fournir une première ébauche de la climatologie du brouillard sur le plateau de Saclay: 150 heures de brouillard et 500 heures de brume sont observées pendant l’hiver 2006-2007, distribuées sur respectivement 37 et 109 jours [Haeffelin et al., 2010 ; Bergot et al., 2008]. La campagne de mesures ParisFog nous a ainsi permis (1) de documenter finement certains des processus pilotant le cycle de vie des brumes et brouillards, (2) d’acquérir une expérience robuste sur le matériel novateurs par rapport aux mesures routinières (notamment sur la microphysique) et enfin (3) d’identifier par retour d’expériences les lacunes du dispositif (déjà conséquent) mis en place pour cette campagne. L’analyse des mesures a permis d’évaluer l’implication des aérosols d’origine urbaine et du processus de condensation de l’eau dans l’extinction atmosphérique du rayonnement visible [Elias et al., 2009]. Cet article s’est focalisé sur l’impact des aérosols sur la visibilité horizontale pour différents types d’atmosphère : polluée/propre, sèche/humide, présence ou absence d’eau liquide (claire/brouillard). On a alors caractérisé optiquement les propriétés des aérosols en termes d’extinction pour montrer finalement que la contribution des aérosols du mode accumulation est significative pour tous les régimes : 100% pour la brume, 50% pour le ciel clair et 20±10% pour le brouillard. Enfin, les particules très fines (Ø<0.1µm) et fines (Ø<1µm) réduisent la transmission atmosphérique de l’ordre de 50% en atmosphère claire. La thèse de J. Rangognio (CNRM) a quant à elle quantifié le rôle des aérosols sur la formation du brouillard à partir des observations réalisées pendant ParisFog2006 et de simulations numériques. On s’est en particulier focalisé sur 3 aspects : (1) la sensibilité à la distribution en taille des aérosols, (2) la sensibilité à la composition chimique des aérosols, (3) la sensibilité au taux de refroidissement qui pilote la sursaturation. Les caractéristiques du brouillard quant à son heure de formation, son contenu en eau liquide et son développement verticale ont été analysées pour différentes natures d’aérosols. La thèse de X. Zhang (CEREA) a analysé l’impact de paramétrisations physiques utilisées dans le code de mécanique des fluides Mercure_Saturne sur les différentes phases du cycle de vie de brouillards radiatifs. En particulier, on s’est attaché à quantifier le poids des paramétrisations de turbulence (modèle k-epsilon, modèle de Louis), de sédimentation et de nucléation. On a noté en particulier un déficit important d’énergie cinétique turbulente donc de mélange pour des conditions de forte stabilité dans les simulations (facteur >10 entre observations et simulations). Les travaux de Boyouk et al. (2010) montre l’importance / la différence de la concentration en particules (PM25, épaisseur optique) dans les phases précédant la formation des brumes et brouillards. Ceci s’explique en partie par la relation entre le nombre de particules (aérosols en mode accumulation) et la visibilité (r² de 0.75) pendant la phase précédant le brouillard. Enfin, les travaux de Dupont et al. (2009) ont permis de quantifier l’impact des processus dynamiques dans la transition stratus-brouillard sur un cas d’étude pendant la campagne ParisFog2006. L’utilisation des données Radar, lidar et mesures in-situ de surface permet de mettre en évidence l’importance de la dynamique nuageuse lors de la persistance et dissipation du brouillard. La sédimentation des gouttelettes d’eau nuageuses à une vitesse verticale de ~0.2m/s permet l’apparition du brouillard alors qu’une vitesse de précipitation plus forte de ~0.8m/s engendre la dislocation rapide du brouillard. Le rayonnement solaire matinal est un facteur accélérateur alors que le refroidissement infrarouge de surface semble favoriser l’extension verticale de la couche de brouillard. D’un point de vue purement instrumental, la campagne de mesure 2006-2007 nous a montré que le radar Doppler 95GHz RASTA est capable de restituer la taille des gouttelettes qui engendre la sédimentation des particules : processus clé pour « vider » le brouillard de son contenu en eau et ainsi contribuer à sa dissipation. Cet instrument est donc performant pour des altitudes basses en permettant une mesure précise du sommet de la couche de brouillard [Dupont et al., 2010]. Par rapport à la campagne précédente, la nouvelle campagne de 2010-2011 met en œuvre de nouveaux instruments renforçant très significativement le volet microphysique aérosols/brouillard et le volet dynamique en air clair et en atmosphère nuageux. Ces deux aspects se révèlent être centraux dans les processus pilotant les phases de formation et dissipation des brouillards. La caractérisation chimique des brouillards va nous permettre d’améliorer nos connaissances liées aux processus physico-chimiques qui ont lieu dans les nuages. Les nuages, qui occupent en moyenne environ 15 % du volume de la basse troposphère avec une occurrence spatiale et temporelle très variable, jouent un rôle crucial dans la chimie de la troposphère et peuvent ainsi avoir in fine un impact notable sur les aérosols. D’une part, les aérosols solubles ou partiellement solubles peuvent rejoindre la phase aqueuse du nuage et y être impliqués dans des processus réactionnels très différents de ceux susceptibles de se produire en phase gazeuse, ce qui conduira à la formation d’un aérosol modifié après dissipation du nuage. D’autre part, les nuages affectent la capacité oxydante de l'atmosphère en modifiant, par piégeage d’oxydants solubles et/ou création de nouveaux oxydants, les concentrations d’oxydants importants, tels les radicaux hydroxyles (OH), péroxyle (HO2) ou nitrate (NO3), ce qui aura un impact sur la composition chimique des aérosols. Or, il est important d’être capable de décrire et de prévoir précisément la composition chimique des aérosols car celle-ci détermine leurs propriétés physiques, c’est-à-dire leur impact sur la santé et le climat qui sont des questions sociétales majeures. Pour ce faire, une bonne compréhension des effets des nuages sur les processus chimiques à l’œuvre en leur sein et sur les bilans de masse en oxydants est donc nécessaire. L’étude proposée ici est très complémentaire de celle actuellement menée sur la campagne internationale HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia 2010) et qui implique notamment IRCE (C. George). La campagne de mesures ParisFog2010 apportera des informations plus spécifiques liées à la proximité des émissions parisiennes, et permettra un meilleur couplage entre propriétés microphysiques et chimiques.