Factors governing the efficiency of convective moistening in the tropical upper troposphere between 15

In der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) beeinflussen Aerosolpartikel im Submikrometerbereich den Strahlungshaushalt der Erde direkt und, was noch wichtiger ist, indirekt, da sie als Kondensationskern für Wolken dienen und somit die Spurengaskonzentrationen durch heterogene chemische Prozesse ändern können. Seit 1997 gibt es regelmäßige in situ Messungen der OT/US Partikel durch das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig, Deutschland. Diese Messungen werden an Bord eines Passagierflugzeugs mit dem weltweit einzigartigen IAGOS-CARIBIC Messcontainer durchgeführt (www.iagos.org/iagos-caribic). In der vorliegenden Arbeit wurden die Partikelanzahlkonzentration und die Partikelgrößenverteilung im Submikrometerbereich der vergangenen Jahre ausgewertet. Dafür wurden die Daten von drei Kondensationspartikelzählern (CPC, Condensation Particle Counter) und einem optischen Partikelgrößenspektrometer (OPSS, Optical Particle Size Spectrometer) verwendet. Zunächst wurde im Labor eine umfangreiche Charakterisierung des IAGOS-CARIBIC OPSS hinsichtlich der Zähleffizienz durchgeführt. Weiterhin wurde eine Kalibrierung mit Polystyrol-Latex im geräterelevanten Bereich von 140 nm bis 1050 nm vorgenommen und daraus mit Hilfe der Mie-Streuung eine Funktion zur Datenauswertung für die OT/US entwickelt. Die statistische Analyse der IAGOS-CARIBIC OPSS und CPC Daten gibt einen guten Überblick über die in der OT/US vorkommenden Partikelanzahlkonzentrationen und stellt sicher, dass ein statistisch fundierter Datensatz für die Analyse zur Verfügung steht. Auf dieser Grundlage wurde zum ersten Mal eine detaillierte Analyse der raumzeitlichen Verteilung der Aitkenmode- und Akkumulationsmode-Partikelanzahlgrößenverteilung in der OT/US vorgenommen. Diese Analyse beinhaltet Weltkarten mit Medianwerten, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen für spezielle Flugrouten und Partikelgrößenverteilungen entlang der Längengrade. Außerdem wurden die Partikelanzahlkonzentrationen zum ersten Mal mit dem globalen Klimamodell ECHAM-HAM verglichen. Dabei ergab sich, dass die Partikelanzahlkonzentration hauptsächlich von großräumigen Strömungsverhältnissen beeinflusst wird, was im Großen und Ganzen gut vom Modell wiedergegeben wird. Für die einzelnen Jahreszeiten wurden mit Hilfe der potentiellen Temperatur und äquivalenten Breitengrade die vertikalen Profile ausgewertet. Für die Analyse in Bezug auf die Aerosol-Mikrophysik und den Transport durch die Tropopause wurden auch die in IAGOS-CARIBIC gemessenen Spurengase, wie z.B. Ozon und Wasserdampf, hinzugezogen. Die Auswertung zeigt ebenfalls deutlich den Einfluss von Wolken in der oberen Troposphäre und verschiedene Austauschprozesse zwischen der Stratosphäre und Troposphäre. Außerdem wurde der Einfluss verschiedener Austauschprozesse auf die Partikelanzahlkonzentration untersucht: die Brewer-Dobson Zirkulation, warm conveyor belts, Isentropentransport und der Transport durch tropische, hochreichende konvektive Bewölkung. In der Vergangenheit wurde diese Analyse nur für atmosphärische Spurengase durchgeführt, und nun zum ersten Mal auch für Aerosolpartikel. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen eine umfangreiche Charakterisierung der Aitken- und Akkumulationsmode-Partikelanzahlkonzentration in der OT/US und den Einfluss von Austauschprozessen der Stratosphäre und Troposphäre auf die Partikel. Die Auswertungen tragen maßgeblich zum Verständnis und zur Vorhersage der Partikelanzahlkonzentration in Klimamodellen und damit schlussendlich zur Berechnung des Strahlungshaushalts der Erde und dessen zeitlicher Veränderung bei. / Submicrometer aerosol particles in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS) influence the Earth's radiation budget directly and, more important, indirectly, by acting as cloud condensation nuclei and by changing trace gas concentrations through heterogeneous chemical processes. Since 1997, regular in situ measurements of UT/LMS particles have been conducted by the Leibniz Institute for Tropospheric Research, Leipzig, Germany, using the world-wide unique IAGOS-CARIBIC observatory (www.iagos.org/iagos-caribic) onboard a passenger aircraft. In this thesis, UT/LMS aerosol particle number concentrations and the submicrometer aerosol particle size distribution as measured by three condensation particle counters (CPCs) and one Optical Particle Size Spectrometer (OPSS) are discussed. Before analyzing the measurement data from the UT/LMS region a throughout characterization of the IAGOS-CARIBIC OPSS with respect to the counting efficiency was carried out in the laboratory for the OPSS-relevant particle size range of 140 nm to 1040 nm diameter. After calibration with polystyrene latex (PSL) particles a theoretical response function, representative for the UT/LMS, was calculated with Mie theory to ensure a correct data analysis. The statistical analysis of the IAGOS-CARIBIC OPSS and CPC data gives a good overview of existing particle number concentrations in the UT/LMS and ensures a statistically sound data analysis. On this basis a detailed characterization of the spatio-temporal distribution of Aitken and accumulation mode particle number concentrations in the UT/LMS was carried out for the first time. This analysis includes global maps with median values, probability density functions for specific flight routes, and longitudinal distributions of the particle size distribution. Also a first comparison with the global climate model ECHAM-HAM was conducted. The analysis showed that the aerosol distributions are mainly influenced by large-scale circulation patterns which were, in gererel terms, well reflected by the global climate model. Moreover, seasonal vertical cross-sections for particle number concentrations, the potential temperature, and the equivalent latitude were generated. The results are interpreted with respect to aerosol microphysics and cross-tropopause transport using IAGOS-CARIBIC trace gases like ozone and water vapor. The influence of clouds in the troposphere and the different stratosphere-troposphere exchange processes are clearly visible. Furthermore, the influence of the major transport processes into the UT/LMS region on the aerosol particle number concentrations was investigated: the Brewer-Dobson circulation, warm conveyor belts, isentropic transport, and tropical deep convective cloud outflow. In the past this was done only for atmospheric trace gases, but now for the first time for aerosol particles. The findings presented in this study represent a comprehensive characterization of the Aitken and accumulation mode particle number concentration in the UT/LMS and the influence of stratospheric-tropospheric exchange processes on these particles. These findings may help to evaluate and improve predictions of particle number concentrations by climate models and finally the calculation of the Earth's radiation budget and its change over the years.

The upper troposphere-lower stratosphere (UTLS) is a transition region between the troposphere and the stratosphere. During the boreal summer, the UTLS is dominated by large-scale anticyclonic circulations over the Asian and North American monsoon regions, exhibiting complex dynamical and chemical characteristics. Re-cent studies have emphasized the important role of the summer monsoon systemin stratosphere-troposphere exchange of water vapor and chemical species, which strongly influences the atmospheric chemistry and climate system. The transport in the UTLS region occurs in both directions, stratosphere-troposphere transport (STT)and troposphere-stratosphere transport (TST). For example, observational studies indicate localized maxima of tropospheric pollutants and stratospheric water vapor(SWV) in the UTLS, which are controlled by deep convection and large-scale circulation. Meanwhile, stratospheric ozone (O3) can fold into tropospheric air and entrain into the planetary boundary layer (PBL) via deep STT, and thus affect air quality at the surface. In this thesis, we aim at improving the understanding of the transport processes in the UTLS that are linked to monsoon dynamics using observations and modelling tools.<div><br></div><div>First, we investigate the TST transport in association with the Asian summer monsoon. We examine the simulation of SWV in the Community Earth System Model, version 1 with the Whole Atmosphere Community Climate Model as its atmospheric component [CESM1(WACCM)]. CESM1(WACCM) generally tends to simulate a SWV maximum over the central Pacific Ocean instead of over the Asian continent as observed, but this bias is largely improved in the high vertical resolution version. The high vertical resolution model with increased vertical layers in the UTLS is found to have a less stratified UTLS over the central Pacific Ocean compared with the low vertical resolution model. It therefore simulates a steepened potential vorticity gradient over the central Pacific Ocean that better closes the upper-level anticyclone and confines the SWV within the enhanced transport barrier.<br></div><div><br></div><div>We further study the transport pathways connecting the Northern Hemisphere sur-face and the North American (NA) UTLS by diagnosing Boundary Impulse Response idealized tracers implemented at the Northern Hemisphere surface during summer. In ensemble average, air masses enter the NA UTLS region above Central America, and then slowly mix into the higher latitudes. However, fast transport pathways with modal age around two weeks are evident in some tracer ensembles. For these rapid transport pathways, the tracers first reach the UTLS region over the eastern Pacific and the Gulf of Mexico as a result of enhanced deep convection and vertical advection, followed by horizontal transport over the United States by a strengthened UTLS anticyclone circulation.<br></div><div><br></div><div>To the end, we evaluate the downward transport of stratospheric O3via STT using simulation from a state-of-the-art chemistry climate model implemented with an artificial stratospheric ozone tracer (O3S). We find that O3transported from the stratosphere makes a significant contribution to the surface O3variability where back-ground surface O3exceeds 95thpercentile, especially over the western U.S. Maximum covariance analysis is applied to O3anomalies paired with stratospheric O3traceranomalies to identify the stratospheric intrusion and the underlying dynamical mechanism. The first leading mode corresponds to deep stratospheric intrusions in the western and northern tier of the U.S., and intensified north easterlies in the mid-to-lower troposphere along the west coast, which also facilitate the transport to the eastern Pacific Ocean. The second leading mode corresponds to deep intrusions over the Intermountain Regions. Both modes are associated with eastward propagating baroclinic systems, which are amplified near the end of the North Pacific storm tracks, leading to strong descents over the western United States.<br></div>

De nombreux travaux indiquent qu’il est important d’étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l’Amérique du Sud. J’ai effectué une validation de l’outil en complément d’une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d’espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d’un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l’échelle locale des difficultés venant d’une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l’initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l’initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d’une sur-estimation des émissions `a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l’impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle. / Many works show it is important to study the phyical and chemical impacts of tropical deep convection. We used the 3D mesoscale non-hydrostatic model CATT-BRAMS to study the tracers transport in the tropical troposphere above South America. I validated the tool parallel to a study done in CPTEC (Brazil) for the dry season and in the lower troposphere. The results obtained in this work indicate a globaly correct meteorological behaviour. The associated transport show an over estimation of the chemical species transport in mid-troposphere and an under estimation in the upper troposphere.This comes from a to frequent triggering of shallow convection, from the deep convection scheme and from the representation of their interactions. An adaptation of the model for the wet season is necessary. At local scale, difficulties because of a high deep convection scheme sensitivity to the orography are encountered. The CATT-BRAMS model evolve to a model with chemistry, the C-CATT-BRAMS. The first results obtained indicate a strong impact of initialisation and boudary conditions on species NO and O3. Whatever be the initialisation or the boundary conditions, we observe an increase of the mixing ratio along time for these species. This can come from an over estimation of surface emissions in the model, especialy for megacities. It is important to continue the validation of this tool in order to be able to study the physical and chemical impacts of tropical deep convection with this model.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21579号 / 理博第4486号 / 新制||理||1644(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)教授 橋口 浩之, 教授 塩谷 雅人, 教授 秋友 和典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

To understand the contribution of aerosol particles to radiative forcing and heterogeneous chemical processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS), the knowledge of the particle size distribution is mandatory. Unfortunately, measurements in the UT/LMS are costly. Research aircrafts are expensive and thus their application is limited in time and space. Satellite remote sensing measurements provide a good temporal and spatial (horizontal) coverage, but only a limited vertical resolution and currently cannot resolve the particle size distribution. Therefore, within this thesis an optical particle counter (OPC) unit was modified for the application onboard a passenger long-haul aircraft within the CARIBIC project (www.caribic-atmospheric.com). The CARIBIC OPC unit provides regular and cost-efficient particle size distribution measurements of accumulation mode particles in the UT/LMS. In April 2010, the new OPC unit was installed for the first time onboard the Lufthansa Airbus A340 600 (D-AIHE) for the measurement of the volcanic ash cloud from the Eyjafjallajökull eruption (April to May 2010). Since June 2010 the OPC unit measures on usually four intercontinental flights per month the UT/LMS particle size distribution in the particle size range 125 to 1300 nm particle diameter. As the data acquisition stores the scattering raw signal and all housekeeping data as well, during the post flight data analysis the temporal- and size channel resolution can be flexible set. Within this work the data were analyzed with 32 size channels and 300 seconds. As aircraft-borne measurements are always time-consuming, the development of the OPC unit and the analysis routine, as well as its characterization and certification took more than two thirds of the total working time of this thesis. Therefore, the analysis of the data is limited to the first year of regular measurements until May 2011. Nevertheless, this dataset is sufficient to demonstrate the scientific relevance of these measurements. To validate the OPC data, a comparison to particle size distributions measured from board research aircraft was carried out. The analysis of the volcanic ash flights in April and May 2010 showed strongly enhanced particle mass concentrations inside the plumes and agreed in some regions very well to the particle mass concentration predicted by a dispersion model. A further case study shows the occurrence of a surprising large (1000 km) and high concentrated pollution plume over eastern Asia close to Osaka (Japan). Inside the plume the highest particle number- and mass concentrations measured with the OPC unit in the analysis period were observed (except volcanic ash flights). A detailed analysis of the in parallel measured trace gasses as well as meteorological- and LIDAR data showed, the observed plume originate from biomass burning and industrial emissions in eastern China. A third case study gives a first attempt of a mass closure/validation between the particle masses derived by the CARIBIC OPC unit and the CARIBIC impactor particle samples. First statistical analyses to the vertical, meridional, and seasonal variation of the accumulation mode particle size distribution and therefrom derived parameter indicate a stratospheric vertical increasing gradient for the particle number- and mass concentration. In general in the mid-latitude LMS the concentration of accumulation mode particles was found to be on average 120% higher than in the mid-latitude UT. The mid-latitude LMS particle size distribution shows a seasonal variation with on average 120% higher concentrations during spring compared to fall. This results can be explained with general dynamics in the stratosphere (Brewer-Dobson Circulation) and in the tropopause region (stratosphere-troposphere-exchange, STE). An anti-correlation of gaseous mercury to the stratospheric particle surface area concentration (R²=0.97) indicates that most likely stratospheric aerosol particles do act as a sink for gaseous mercury. Finally, two comparisons of the OPC data to data from satellite remote sensing and a global aerosol model underline the OPC potential and the benefits of creating an in situ measured reference dataset. / Um die Rolle von Aerosolpartikeln beim Strahlungsantrieb und der heterogenen chemischen Prozessen in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) verstehen zu können, ist es unabdingbar die Partikelgrößenverteilung zu kennen. Messungen der Partikelgrößenverteilung in dieser Region sind allerdings aufwendig. Der Einsatz von Forschungsflugzeugen ist teuer und deshalb zeitlich und räumlich nur begrenzt. Satellitenmessungen bieten zwar eine gute zeitliche und räumliche (horizontal) Abdeckung, aber nur eine begrenzte vertikale Auflösung. Weiterhin können bisherige Satellitenmessungen die Partikelgrößenverteilung nicht auflösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein optischer Partikelzähler (OPC) Messeinschub für den Einsatz an Bord eines Langstrecken-Passagierflugzeugs aufgebaut (CARIBIC Projekt, www.caribic-atmospheric.com). Mit diesem Messeinschub kann regelmäßig und kosteneffizient die Partikelgrößenverteilung des Akkumulationsmodes in der OT/US gemessen werden. Im April 2010 wurde der neue OPC Einschub erstmals an Bord des Lufthansa Airbus A340-600 (D-AIHE) installiert um die Vulkanasche der Eyjafjallajökull Eruption (April bis Mai 2010) zu messen. Seit Juni 2010 misst der OPC Einschub auf durchschnittlich vier Interkontinentalflügen pro Monat die Partikelgrößenverteilung der OT/US im Größenbereich zwischen 125 und 1300 nm Partikeldurchmesser. Während des Fluges speichert die Datenerfassung alle Rohsignale ab und ermöglicht dadurch eine nutzerspezifische Datenauswertung nach dem Flug (z. B. Anzahl der Größenkanäle oder Zeitauflösung). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Daten mit 32 Größenkanälen und 300 Sekunden analysiert. Da fluggetragene Messungen immer sehr aufwendig sind, beanspruchte die Entwicklung des OPC Einschubs und des Analysealgorithmus, sowie die Charakterisierung und Zertifizierung mehr als zwei Drittel der Gesamtarbeitszeit dieser Arbeit. Daher ist die Analyse der Messdaten auf das erste Jahr der regulären Messungen bis Mai 2011 beschränkt. Dennoch ist dieser Datensatz geeignet um die wissenschaftliche Relevanz dieser Messungen zu demonstrieren. Um die OPC-Daten zu validieren, wurde ein Vergleich mit bisherigen OPC Messungen von Bord Forschungsflugzeugen durchgeführt. Die Analyse der Vulkanascheflüge im April und Mai 2010 zeigte in der Abluftfahne stark erhöhte Partikelmassekonzentrationen, welche in einigen Vergleichsregionen sehr gut mit der Vorhersage eines Disperionsmodells übereinstimmten. Eine weitere Fallstudie zeigt das Auftreten einer überraschend großen (1000 km) und hoch konzentrierten Abluftfahne über Ostasien nahe Osaka (Japan). In der Abluftfahne wurde die im Analysezeitraum höchste mit dem CARIBIC OPC gemessene Partikelanzahl- und Massenkonzentration beobachtet (ausgenommen Vulkanascheflüge). Eine detaillierte Analyse der parallel gemessenen Spurengase, sowie meteorologischer Daten und LIDAR Profile zeigte, dass die beobachtete Abluftfahne eine Mischung aus Biomasseverbrennungs- und Industrieabgasen aus Ost-China war. Eine dritte Fallstudie stellt einen ersten Versuch einer Massenschließung/Validierung zwischen der aus den CARIBIC OPC-Daten abgeleiteten Partikelmasse und der Partikelmasse aus CARIBIC Impaktorproben dar. Erste statistische Analysen zur vertikalen, meridionalen und saisonalen Variabilität der Partikelgrößenverteilung im Akkumulationsmode und daraus abgeleiteten Parametern zeigen einen vertikal ansteigenden Gradienten für die Partikelanzahl- und Massenkonzentration. Generell war in der US der mittleren Breiten die Konzentration von Akkumulationsmode Partikeln im Mittel um 120% höher als in der OT der mittleren Breiten. Weiterhin wurde in der US der mittleren Breiten eine jahreszeitliche Schwankung gefunden. Im Frühling war die mit dem OPC gemessene Partikelkonzentrationen im Mittel um 120% höher als im Herbst. Diese Befunde lassen sich mit der atmosphärischen Dynamik in der Stratosphäre (Brewer-Dobson Zirkulation) und in der Tropopausenregion (Stratosphäre-Troposphäre-Austauschprozesse) erklären. Eine gefundene negative Korrelation von gasförmigen Quecksilber mit der stratosphärischen Partikeloberflächenkonzentration (R²=0.97) ist ein starker Indikator dafür, dass in der US Aerosolpartikel eine Senke für gasförmiges Quecksilber darstellen. Zum Abschluss unterstreichen zwei Vergleiche der OPC-Daten mit Satellitenmessungen und Ergebnissen eines globalen Aerosolmodels das Potential und den Nutzen der CARIBIC OPC Daten als in-situ gemessenen Referenzdatensatz.

Title: Convective storms and lower stratospheric moisture Author: Jindřich Šťástka Department: Department of Atmospheric Physics Supervisor: RNDr. Martin Setvák, CSc., Czech Hydrometeorological Institute Abstract: The primary focus of this thesis is to diagnose contributions to upper tropo- spheric and lower stratospheric (UTLS) water vapor from convective storms. The first parts of this work introduces two approaches used for a detection of lower stratospheric water vapor above convective storm tops - brightness temperature difference (BTD) technique and EOS MLS measurements. The BTD technique is based on brightness temperature difference between the water vapor absorp- tion and infrared window bands, assuming a thermal inversion above the cloud top level. The most frequently offered explanation of positive BTD values above convective storms is presence of warmer water vapor in the lower stratosphere. Furthermore, so called BTD anomalies were described and it was proposed an algorithm for objective detection of such BTD anomalies. Characteristics of pa- rameters describing BTD, BTD anomaly, infrared window brightness temperature were investigated during storms evolution on dataset of 320 storms from the area of Europe. The analysis of these characteristics proved highly probable conection between positive...

L'objectif général de la thèse est de caractériser la distribution géographique, les cycles saisonniers et l'évolution récente de l'ozone et du monoxyde de carbone dans la haute troposphère - basse stratosphère (UT - LS) au-dessus de huit régions d'intérêt, aux moyennes latitudes de l'hémisphère Nord. Pour cela, nous avons analysé les observations aéroportées IAGOS. Nous avons montré une tendance positive de l'ozone dans l'UT sur 1994 - 2013, et une tendance négative du monoxyde de carbone liée à la décroissance des émissions en surface. Nous avons comparé les mesures à la simulation de composition chimique sur le climat récent issue du modèle MOCAGE dans l'exercice d'intercomparaison CCMI. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle méthode permettant de projeter les mesures IAGOS sur le maillage du modèle et de traiter ainsi 20 ans d'observations. Cette méthode s'est révélée pertinente pour évaluer la simulation et pourrait être étendue à d'autres simulations et d'autres modèles. / The overall objective of the thesis is to characterize the geographical distribution, seasonal cycles and recent trends of ozone and carbon monoxide in the upper troposphere- lower stratosphere (UT-LS) over eight regions of interest, in the northern mid-latitudes. For this purpose, we first analyzed the IAGOS airborne observations. We have shown a positive trend in ozone in the UT over 1994-2013, and a negative trend in carbon monoxide, the latter being linked to the decrease in surface emissions. We then compared the observations to the recent climate chemical composition simulation performed by the MOCAGE model in the CCMI intercomparison exercise. To do this, we have developed a new method to project IAGOS measurements onto the model grid, allowing us to process long observation periods. This method has proven to be relevant for evaluating the simulation and could be extended to other simulations and models.

Le changement climatique est relié à l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère et de sa capacité oxydante, impliquant le système COV-NOy-HOx-O3. La troposphère tropicale, de l’Afrique de l’Ouest en particulier, joue un rôle critique sur la composition atmosphérique globale pour trois raisons majeures : (1) l’existence d’importantes sources de précurseurs d’espèces photooxydantes, (2) une photochimie active, (3) une activité convective intense en période de mousson. Pour évaluer son rôle, il est nécessaire de bien caractériser ces différents processus et leur interaction. Cette question est au coeur du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dans lequel s’inscrit cette thèse. Ce travail a pour objectif de caractériser et d’évaluer l’impact de la convection nuageuse profonde sur la chimie photooxydante de la troposphère libre en Afrique de l’Ouest, en particulier pour les composés organiques volatils (COV), qui sont d’importants précurseurs d’ozone. Ce travail s’appuie sur les données physico-chimiques recueillies sur les deux avions de recherche français au cours de la campagne d’observation intensive de l’été 2006 de AMMA. Afin de compléter le dispositif instrumental embarqué, une nouvelle instrumentation de mesure indirecte des COV a été d’abord développée. Puis, l’utilisation de traceurs physico-chimiques et la mise en place d’outils diagnostiques appliqués aux COV (profils verticaux de concentrations, rapport de concentration de COV ad hoc, horloge photochimique, réactivité totale vis-à-vis de OH) ont montré que la convection profonde assure un transport vertical rapide et efficace des espèces gazeuses réactives émises près de la surface vers la haute troposphère. Enfin, un modèle photochimique de boîte 0D a permis de renseigner l’évolution de la composition chimique des masses d’air post-convectives. Les simulations montrent que les espèces transportées par la convection participent activement à la chimie et conduisent à une production nette et significative d’ozone dans la haute troposphère. La sensibilité de la production d’ozone aux précurseurs gazeux (COV et NOx) a été également évaluée. / Recent climatic change is tightly linked to the evolution of the chemical composition of the atmosphere and its oxidizing capacity through VOC-NOy-HOx-O3 system. The tropical troposphere, in particular of West Africa, plays a major role in the global atmospheric composition for three major reasons: (1) the existence of important ozone precursor sources, (2) an active photochemistry, (3) an intense convective activity during the monsoon period. To evaluate its role, it is necessary to characterize these processes and their interactions. This is one of the main objectives of the AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analyzes) international program. The present work goes through the frame of AMMA. Its main objective is to characterize and evaluate deep convection impact on the upper troposphere chemistry of West Africa, in particular for volatile organic compounds (VOC). This work is based on the data collected on the two French research aircrafts during the special observation period of AMMA in summer 2006. In order to enhance the instrumental device deployed onboard, a new offline instrumentation for non-methane hydrocarbons (NMHC) measurement was developed. Then, various physical and chemical tracers and several diagnostic tools applied to VOC data (vertical profiles, concentration ratios, photochemical clock, OH reactivity) showed that deep convection provides a fast and effective vertical transfer of reactive species emitted near the surface to the upper troposphere. At last, a photochemical box model 0D was used to simulate the chemical evolution of the composition of postconvective air masses. Simulations showed that reactive species transported by deep convection participate actively to the upper troposphere chemistry and lead to a significant and net ozone production. Ozone production sensitivity to VOC and NOx was also evaluated in the model.

To understand the contribution of aerosol particles to radiative forcing and heterogeneous chemical processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS), the knowledge of the particle size distribution is mandatory. Unfortunately, measurements in the UT/LMS are costly. Research aircrafts are expensive and thus their application is limited in time and space. Satellite remote sensing measurements provide a good temporal and spatial (horizontal) coverage, but only a limited vertical resolution and currently cannot resolve the particle size distribution. Therefore, within this thesis an optical particle counter (OPC) unit was modified for the application onboard a passenger long-haul aircraft within the CARIBIC project (www.caribic-atmospheric.com). The CARIBIC OPC unit provides regular and cost-efficient particle size distribution measurements of accumulation mode particles in the UT/LMS. In April 2010, the new OPC unit was installed for the first time onboard the Lufthansa Airbus A340 600 (D-AIHE) for the measurement of the volcanic ash cloud from the Eyjafjallajökull eruption (April to May 2010). Since June 2010 the OPC unit measures on usually four intercontinental flights per month the UT/LMS particle size distribution in the particle size range 125 to 1300 nm particle diameter. As the data acquisition stores the scattering raw signal and all housekeeping data as well, during the post flight data analysis the temporal- and size channel resolution can be flexible set. Within this work the data were analyzed with 32 size channels and 300 seconds. As aircraft-borne measurements are always time-consuming, the development of the OPC unit and the analysis routine, as well as its characterization and certification took more than two thirds of the total working time of this thesis. Therefore, the analysis of the data is limited to the first year of regular measurements until May 2011. Nevertheless, this dataset is sufficient to demonstrate the scientific relevance of these measurements. To validate the OPC data, a comparison to particle size distributions measured from board research aircraft was carried out. The analysis of the volcanic ash flights in April and May 2010 showed strongly enhanced particle mass concentrations inside the plumes and agreed in some regions very well to the particle mass concentration predicted by a dispersion model. A further case study shows the occurrence of a surprising large (1000 km) and high concentrated pollution plume over eastern Asia close to Osaka (Japan). Inside the plume the highest particle number- and mass concentrations measured with the OPC unit in the analysis period were observed (except volcanic ash flights). A detailed analysis of the in parallel measured trace gasses as well as meteorological- and LIDAR data showed, the observed plume originate from biomass burning and industrial emissions in eastern China. A third case study gives a first attempt of a mass closure/validation between the particle masses derived by the CARIBIC OPC unit and the CARIBIC impactor particle samples. First statistical analyses to the vertical, meridional, and seasonal variation of the accumulation mode particle size distribution and therefrom derived parameter indicate a stratospheric vertical increasing gradient for the particle number- and mass concentration. In general in the mid-latitude LMS the concentration of accumulation mode particles was found to be on average 120% higher than in the mid-latitude UT. The mid-latitude LMS particle size distribution shows a seasonal variation with on average 120% higher concentrations during spring compared to fall. This results can be explained with general dynamics in the stratosphere (Brewer-Dobson Circulation) and in the tropopause region (stratosphere-troposphere-exchange, STE). An anti-correlation of gaseous mercury to the stratospheric particle surface area concentration (R²=0.97) indicates that most likely stratospheric aerosol particles do act as a sink for gaseous mercury. Finally, two comparisons of the OPC data to data from satellite remote sensing and a global aerosol model underline the OPC potential and the benefits of creating an in situ measured reference dataset. / Um die Rolle von Aerosolpartikeln beim Strahlungsantrieb und der heterogenen chemischen Prozessen in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) verstehen zu können, ist es unabdingbar die Partikelgrößenverteilung zu kennen. Messungen der Partikelgrößenverteilung in dieser Region sind allerdings aufwendig. Der Einsatz von Forschungsflugzeugen ist teuer und deshalb zeitlich und räumlich nur begrenzt. Satellitenmessungen bieten zwar eine gute zeitliche und räumliche (horizontal) Abdeckung, aber nur eine begrenzte vertikale Auflösung. Weiterhin können bisherige Satellitenmessungen die Partikelgrößenverteilung nicht auflösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein optischer Partikelzähler (OPC) Messeinschub für den Einsatz an Bord eines Langstrecken-Passagierflugzeugs aufgebaut (CARIBIC Projekt, www.caribic-atmospheric.com). Mit diesem Messeinschub kann regelmäßig und kosteneffizient die Partikelgrößenverteilung des Akkumulationsmodes in der OT/US gemessen werden. Im April 2010 wurde der neue OPC Einschub erstmals an Bord des Lufthansa Airbus A340-600 (D-AIHE) installiert um die Vulkanasche der Eyjafjallajökull Eruption (April bis Mai 2010) zu messen. Seit Juni 2010 misst der OPC Einschub auf durchschnittlich vier Interkontinentalflügen pro Monat die Partikelgrößenverteilung der OT/US im Größenbereich zwischen 125 und 1300 nm Partikeldurchmesser. Während des Fluges speichert die Datenerfassung alle Rohsignale ab und ermöglicht dadurch eine nutzerspezifische Datenauswertung nach dem Flug (z. B. Anzahl der Größenkanäle oder Zeitauflösung). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Daten mit 32 Größenkanälen und 300 Sekunden analysiert. Da fluggetragene Messungen immer sehr aufwendig sind, beanspruchte die Entwicklung des OPC Einschubs und des Analysealgorithmus, sowie die Charakterisierung und Zertifizierung mehr als zwei Drittel der Gesamtarbeitszeit dieser Arbeit. Daher ist die Analyse der Messdaten auf das erste Jahr der regulären Messungen bis Mai 2011 beschränkt. Dennoch ist dieser Datensatz geeignet um die wissenschaftliche Relevanz dieser Messungen zu demonstrieren. Um die OPC-Daten zu validieren, wurde ein Vergleich mit bisherigen OPC Messungen von Bord Forschungsflugzeugen durchgeführt. Die Analyse der Vulkanascheflüge im April und Mai 2010 zeigte in der Abluftfahne stark erhöhte Partikelmassekonzentrationen, welche in einigen Vergleichsregionen sehr gut mit der Vorhersage eines Disperionsmodells übereinstimmten. Eine weitere Fallstudie zeigt das Auftreten einer überraschend großen (1000 km) und hoch konzentrierten Abluftfahne über Ostasien nahe Osaka (Japan). In der Abluftfahne wurde die im Analysezeitraum höchste mit dem CARIBIC OPC gemessene Partikelanzahl- und Massenkonzentration beobachtet (ausgenommen Vulkanascheflüge). Eine detaillierte Analyse der parallel gemessenen Spurengase, sowie meteorologischer Daten und LIDAR Profile zeigte, dass die beobachtete Abluftfahne eine Mischung aus Biomasseverbrennungs- und Industrieabgasen aus Ost-China war. Eine dritte Fallstudie stellt einen ersten Versuch einer Massenschließung/Validierung zwischen der aus den CARIBIC OPC-Daten abgeleiteten Partikelmasse und der Partikelmasse aus CARIBIC Impaktorproben dar. Erste statistische Analysen zur vertikalen, meridionalen und saisonalen Variabilität der Partikelgrößenverteilung im Akkumulationsmode und daraus abgeleiteten Parametern zeigen einen vertikal ansteigenden Gradienten für die Partikelanzahl- und Massenkonzentration. Generell war in der US der mittleren Breiten die Konzentration von Akkumulationsmode Partikeln im Mittel um 120% höher als in der OT der mittleren Breiten. Weiterhin wurde in der US der mittleren Breiten eine jahreszeitliche Schwankung gefunden. Im Frühling war die mit dem OPC gemessene Partikelkonzentrationen im Mittel um 120% höher als im Herbst. Diese Befunde lassen sich mit der atmosphärischen Dynamik in der Stratosphäre (Brewer-Dobson Zirkulation) und in der Tropopausenregion (Stratosphäre-Troposphäre-Austauschprozesse) erklären. Eine gefundene negative Korrelation von gasförmigen Quecksilber mit der stratosphärischen Partikeloberflächenkonzentration (R²=0.97) ist ein starker Indikator dafür, dass in der US Aerosolpartikel eine Senke für gasförmiges Quecksilber darstellen. Zum Abschluss unterstreichen zwei Vergleiche der OPC-Daten mit Satellitenmessungen und Ergebnissen eines globalen Aerosolmodels das Potential und den Nutzen der CARIBIC OPC Daten als in-situ gemessenen Referenzdatensatz.