Modeling the impact of air pollution deposition on the alpine snow lifecycle

Les Alpes européennes font partie des régions les plus touchées par le changement climatique.Les Alpes françaises reçoivent chaque année un flux régulier de poussières sahariennes, et les événements de poussières s'avèrent être l'un des types d'épisodes les plus fréquents générant des concentrations d'aérosols élevées. La nature épisodique des événements de poussière saharienne et la variabilité spatiale de la poussière déposée sur les pentes enneigées peuvent provoquer des fluctuations interannuelles et une hétérogénéité de la fonte des neiges en raison de l'obscurcissement de la neige induit par la poussière. Cette thèse vise à mieux comprendre les événements extrêmes de poussière, en se concentrant sur les processus de dépôt sur la neige sur les Alpes. Afin d'évaluer cet objectif, 3 questions principales sont abordées :Quels sont les schémas de circulation synoptique qui déterminent quand la poussière est transportée du Sahara vers les Alpes pendant la saison de neige alpine ?Dans quelle mesure ces différents régimes météorologiques contrôlent-ils où et quand la poussière se dépose sur la neige alpine ?La modélisation à haute résolution, incluant les interactions aérosol-nuage, améliore-t-elle la représentation du dépôt de poussière sur la neige ?Dans un premier temps, l'identification des événements extrêmes de poussière sur les Alpes a été réalisée en utilisant 17 années (2003-2020) de données de réanalyse CAMS. Ensuite, la caractérisation des circulations synoptiques contrôlant la distribution temporelle et spatiale des événements extrêmes de poussière identifiés a été effectuée à l'aide des données de réanalyse ERA-5. Les modèles atmosphériques dérivés ont été utilisés pour l'analyse de leur lien avec les flux de dépôts humides et secs. L'occurrence ainsi que les flux de dépôts humides et secs montrent une variabilité interannuelle pour tous les différents régimes météorologiques. De plus, nos résultats montrent que différentes parties des Alpes françaises sont touchées par les dépôts de poussière lors des épisodes extrêmes. Cette étude donne une base pour une analyse climatologique des caractéristiques spatiales et temporelles des épisodes extrêmes de poussière sur les Alpes françaises.Deuxièmement, le modèle météorologique-chimique-aérosol entièrement en ligne WRF-Chem a été utilisé pour simuler un événement de poussière extrême au col du Lautaret dans les Alpes françaises fin mars/début avril 2018. Le modèle WRF-Chem a été utilisé avec trois domaines imbriqués comprenant la région primaire d'émission de poussière en Afrique (27~km), un deuxième domaine (9~km) qui inclut l'Europe, et un troisième domaine à haute résolution (3~km) sur les Alpes. L'objectif de cette configuration est de décrire les processus à différentes échelles, y compris le transport à longue distance de la poussière, ainsi que la météorologie à haute résolution sur le terrain alpin complexe des Alpes, car ils ont un impact sur le dépôt d'aérosols.Les simulations du modèle sont comparées aux observations {em{in situ}} au Col du Lautaret, à la télédétection par satellite (GPM, MODIS/Aqua, CALIPSO/CALIOP VFM mask) et aux données de réanalyse (CAMS, ERA-5). Nous concluons la prédiction de la météorologie de montagne (par exemple, les précipitations) est meilleure avec une résolution accrue du modèle. Cette amélioration de la météorologie a un impact significatif sur la prévision des dépôts de poussières sèches et humides sur le manteau neigeux alpin. Nous montrons également que pendant cet événement, le dépôt sec est un processus d'élimination clé dans la partie ouest des Alpes françaises à basse altitude, tandis que le dépôt humide domine sur le terrain montagneux complexe de plus haute altitude. Cette étude fournit une base pour comprendre les processus et les incertitudes de la modélisation des événements de dépôt de poussière sur les montagnes à différentes résolutions.The European Alps are among the regions most affected by climate change. Saharan dust constitutes one of the key aerosol types that significantly impact the meteorological hazards, climate, and ecosystemswith both environmental and economic consequences.The French Alps receive a regular flux of Saharan dust every year, and dust events are shown to be one of the most frequent types of episodes with high aerosol concentrations. The episodic nature of Saharan dust events and the spatial variability of deposited dust to snow-covered slopes can cause inter-annual fluctuations and heterogeneity of snowmelt due to dust-induced snow darkening. Moreover, the change of snow albedo can shift the onset of the snowmelt earlier in the spring as well as cause shortening of snow season. This thesis aims at a better understanding of extreme dust events, focusing on deposition processes, over the French Alps during the snow season. In order to assess this aim 3 main questions are addressed:What are the synoptic circulation patterns that determine when dust is transported from the Sahara to the Alps during the alpine snow season?How much do these different weather regimes control where and when dust is deposited to alpine snow?Does high resolution modeling, including aerosol-cloud interactions, improve the representation of dust deposition to snow?First, the identification of extreme dust events over the Alps using 17 years (2003-2020) of CAMS reanalysis data was accomplished. Then the characterisation of the synoptic circulations controlling the temporal and spatial distribution of the identified dust extreme events was conducted using ERA-5 reanalysis data. The derived atmospheric patterns were used for the analysis of their connection with wet and dry deposition fluxes. The occurrence as well as the wet and dry deposition fluxes show an interannual variability for all the different weather regimes. Moreover, our results show that different parts of the French Alps are impacted the most by dust deposition during the extreme outbreaks. The impacted regions on the French Alps depend on the corresponding weather regime, the associated airflow direction, and the topographic features along the airflow pathway over the French Alps. This study gives a basis for a climatological analysis of the spatial and temporal characteristics of extreme dust episodes over the French Alps.Second, the fully online meteorological-chemical-aerosol model WRF-Chem is used to simulate an extreme dust event at the Lautaret pass in the French Alps in late March/early April 2018. The WRF-Chem model is used with three nested domains including the primary dust emissions region in Africa (27~km), a second domain (9~km) that includes Europe, and a third high resolution domain (3~km) over the Alps. The goal of using this setup is to describe the processes at different scales, including long range transport of dust, as well as high resolution meteorology over the complex alpine terrain within the Alps, as they impact aerosol deposition.The model simulations are compared with {em{in situ}} observations at Col du Lautaret, satellite remote sensing (GPM, MODIS/Aqua, CALIPSO/CALIOP VFM mask) and reanalysis data (CAMS, ERA-5). We conclude that predicted mountain meteorology (e.g. precipitation) is better with increased model resolution. This improved meteorology has significant impacts on predicted dry and wet dust deposition to the alpine snowpack. We also show that during this event dry deposition is a key removal process at the western part of the French Alps at low altitudes, while wet deposition dominates over the complex higher altitude mountain terrain. This study provides a basis for understanding the processes and uncertainties on modeling dust deposition events over mountains at different resolutions