Laurent MENUTInstitut Pierre Simon Laplace

Laboratoire de Météorologie Dynamique, Palaiseau

Présentation réalisée avec les documents de:Ph.Drobinski, S.Bastin, F.Said, S.Fayet, J.L. Ponche, I.Coll, F.Lasry, H.Wortham, H.Cachier et leurs collaborateurs.

Synthèse des acquis sur les processus physico-chimiques

Plan général

•Rapide apercu de ce qui était “assez connu” avant ESCOMPTE...

•... et donc les principales questions d'intérêt

•Principaux résultats

Campagnes de mesures:quelques exemples pour l'étude de la pollution

atmosphérique

Milieux urbains sans relief particulier, loin de la mer, sources industrielles modérées:

•BERLIOZ, Berlin 1998

•ESQUIF, Paris, 1998-2000

Milieu à fort relief, mais tissu urbain et sources industrielles modérés:

•POVA, Chamonix 2002-2003

Milieu fortement urbanisé, près de la mer, sources industrielles à faible distance de la ville, fort relief:

•ESCOMPTE 2001

Buts d'ESCOMPTE

Mettre au point et valider les modèles de météorologie et chimie-transport régionaux sur des zones complexes et fortement polluées,

– Etablir une base de données de référence en terme de mesures

– Etablir un cadastre d'émissions à jour et à bonne résolution

– Jauger de l'avancement des connaissances en termes de processus

– Jauger de l'avancement de l'intégration de ces processus dans les outils numériques

Météorologie méso-échelle•Les effets de brise sur le mélange turbulent près des côtes

•Les effets de vent de pente lorsque l'écoulement aborde un relief

•Les modifications apportées par le tissu urbain sur son environnement

Météorologie méso-échelle

Cas d'ESCOMPTE:

•Sait-on comment interagissent ces phénomènes?

•Sait-on simuler ces phénomènes?

– Ponctuellement?

– En prévision?

•Sait-on quantifier l'impact de ces phénomènes sur la pollution (facteur aggravant ou non?)

Météorologie urbaine et côtière• Météorologie urbaine: Depuis les années 1970 (Oke,

Grimmond...), la mesure et la modélisation ont montré que:

– La ville modifiait localement les températures (plus fortes) et l'humidité (plus faible)

– La ville stockait plus facilement de la chaleur

– La ville pouvait perturber son environnement (panaches d'anomalies en aval)

• Météorologie côtière:

– Par vent faible, la brise de mer peut se former et créer des cellules et du transport perpendiculairement à la côteZone ESCOMPTE: Mélange des deux à l'échelle

locale

● Des masses d'air déjà chargées en ozone peuvent être advectées sur la zone ESCOMPTE depuis plusieurs centaines de kilomètres: Espagne, Nord de l'Europe.

Implications sur la variabilité dans la troposphère libre.

● Parmi ces polluants transportés, certains peuvent être réintégrés dans la couche limite.

Implications sur des hausses de concentrations non liées aux processus de surface

A l'échelle synoptique

Mistral Sea breeze

Sea breeze/Mistral

120Mistral+breez

e (4)

86Sea breeze

(4)

86Mistral (5)

[O3] (µg m-3) Marseille

Régime de vent

Si l'un des types de vent domine nettement l'autre

=> moins de pollution!

Les interactions de vent d'origines différentes

● Deux vallées susceptibles de transporter des masses d'air polluées dans les terres: Durance et Rhône.

•Faible influence de la vallée du Rhône,•Mais forte influence de la vallée de la Durance (accélération du flux canalisé) [Bastin et al. AR 2005; Kalthoff et

al. AR 2005]

● La brise de mer maintient et renforce les vents de pente ascendants [Bastin and Drobinski BLM 2005; Puygrenier et al. AR 2005]

A l'échelle régionale [1]

Impact du relief sur l'écoulement

10

12km

Mise en place de mesures en continu de l'évolution de la CLA:

Dynamique par radar UHF [Caccia et al. AG 2004; Guénard et al. BLM 2005; Puygrenier et al. AR 2005]

Polluants (gaz et aérosols) par lidar [Zéphoris et al. AR 2005; Ancellet and Ravetta AR 2005]

Vapeur d'eau par GPS: [Bock et al. PCE 2004; Champollion et al. AR 2005; Bastin et al. GRL 2005]

A l'échelle régionale [2]

Mélange vertical et structure de la couche limite

L'intensité du

développement de la

couche mélangé dépend de

la distance à la côte [Puygrenier et al. AR 2005]

A l'échelle régionale [3]

L'épaisseur de la couche limite conditionne l'accumulation ou non de polluants.

Cette épaisseur va être elle-même dépendre de:

•Par l'intensité de la brise près des côtes

•Par les vents de pente près des reliefs

Interactions brise / pentes [1]

Des observations par sodars, UHF, stations de surface montrent des oscillations de température et vitesse du vent sur la région de Marseille pendant plusieurs jours et nuits. Pourquoi?

•pendant 11 nuits:

|U|=3m/s du E-NE,

période 50 à 90mn

•pendant 8 jours:

|U|=5m/s, du W-SW,

période 120 à 180mn

Interactions brise / pentes [2]Exemple: le 25 Juin 2001

VDO

---- BAR

Vallon d'Ol:Brise de mer + vents de pentes = oscillations (3h)

Barden: Uniquement brise de mer, terrain plat = pas

d'oscillation

-2

-1

0

1

2

3

4

06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00TIME (UTC)

WE

ST

ER

LY W

IND

(m

s-1)

21

22

23

24

25

26

27

TE

MP

ER

AT

UR

E (

°C)

(a)

Interactions brise / pentes [3]Exemple: le 25 Juin 2001

•Les oscillations sont observées sur toute la région de Marseille,

•Anti-corrélations observées entre température et vent zonal

-> Trace de la propagation de la brise de mer dans les terres (i.e

advection d'air maritime plus froid le jour)

Interactions brise / pentes [4]Analyse statistique

Vallon d’Ol: distribution de la direction et force du vent

En jaune: distribution des données sur toute la période ESCOMPTE (i.e été 2001)

En noir: Uniquement quand les oscillations sont observées

Direction principale de la brise de mer et des vents de pente

Mistral

Shallow breeze

Deep breeze

Massif Central

Alps

Brise de mer: cas particulier de Marseille

La forme particulière de la côte induit deux types de brise, à différentes échelles de temps et d'espace: [Bastin and Drobinski QJRMS 2005]

Une brise de mer peu profonde, perpendiculaire au gradient de T (profondeur ~300m)Une brise de mer plus profonde, plus régionale (profondeur ~1500 m)

A Marseille, 2 branches de brise peu profondes convergent et créent des mouvements locaux ascendants [Lemonsu et al. BLM]

A l'échelle locale, les interactions entre les brises, vents de pente et écoulement synoptiques créent des structures et stratifications complexes [Delbarre et al. AR 2005; Puygrenier et al. AR 2005]

Origine de l'ozone troposphérique au dessus de

Marseille

• Mesures lidar ozone comparées à des rétrotrajectoires et du modèle chimie-transport

• Des structures cohérentes de fortes concentrations en ozone viennent d'Espagne (couche limite et/ou stratosphère selon situations)

[Colette et al., ACPD 2006]

L'accumulation des nombreuses hétérogénéités et interactions d'échelles fait de l'étude de cette région l'une des plus complexes en Europe!

C'est aussi un cas TRÈS particulier.

Il apparait impératif de construire des systèmes de modélisation avec:

• Une haute résolution spatiale

• Une forte évolutivité des caractérisitiques de la surface

• Un couplage fort pour gérer les interactions d'échelles

Acquis en dynamique sur la région ESCOMPTE

Questions ouvertes:

•Transport horizontal:•Peut-on quantifier la part réelle de transport à longue distance sur les cas de pollution locaux à la région ESCOMPTE?•Peut-on intégrer la variabilité urbaine dans un système de prévision?

•Transport vertical: •Peut-on quantifier précisément la part de polluants échangés entre la troposphère et la stratosphère?•Peut-on clairement quantifier la représentativité de ce que l'on a estimé sur ESCOMPTE pour quelques cas? L'appliquer à l'ensemble des pointes de pollution? À l'ensemble des situations? (opérationnel?)

Les émissions

Intérêt d'un cadastre:1. Élément de caractérisation de la pollution en tout point du territoire

2. Sectorisation des rejets : aide à la définition des politiques de réduction des rejets (PPA, PDU, PRQA)

3. Donnée d’entrée pour la modélisation déterministe ou semi déterministe

4. Mise en œuvre d’outils géostatistiques

5. Outil d’aide pour l’optimisation du réseau de surveillance

6. Évaluation de l’impact d’une infrastructure et des politiques

d’aménagement du territoire

Ce que l'on savait faire:

- Collecter des données statistiques (INSEE etc.)

- Collecter des données météo de routine (Météo-France etc.)

- Réaliser des enquètes sur les activités commerciales, industrielles

- Agréger le tout en un ensemble cohérent pour alimenter des modèles, mais:

1. Besoin d'affiner la résolution spatiale et temporelle

2. De mettre en place des outils permettant de réactualiser

Méthodologie d’élaboration de l’inventaire

Emissions départementales > communales > résolution kilométrique

Exhaustivité relativeDistinction d’une centaine d’activités (SNAP, NAPFUE)

Les émissions: différenciation des secteurs d'activité par région (puis par mailles)

Répartition des émissions de polluants par secteur d'activité

(Unité urbaine de Marseille- Aix (I NSEE 1999 hors arrondissement d' I stres) , année 1999)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

NOx CO CO2 SO2 COVNM Part. Benz.

Agriculture/ sylviculture/ nature

Production/ distribution d'énergie

I ndustrie/ déchets

Résidentiel/ tertiaire

Transports non routiers

Transports routiers

840tonnes

7 600tonnes

23 900tonnes

18 600tonnes

7 400ktonnes

88 000tonnes

22 900tonnes

© ESCOMPTE 2003 - traitement AIRMARAIX, avril 2003.

Les émissions: différenciation des secteurs d'activité par espèces chimiques émises

Objectif:établir une méthodologie pour l'estimation des incertitudes par grandes catégories de sources et par types de composé chimique, et d'appliquer cette méthodologie pour le calcul des incertitudes pour des inventaires à méso-échelle.

Cette méthodologie est appliquée à l'inventaire ESCOMPTE 1999 afin d'estimer les incertitudes au niveau SNAP 1, prioritairement pour les polluants suivants : - le dioxyde de soufre (SO2)- les oxydes d'azotes (NOx)- le méthane (CH4), - les composés organiques volatiles non méthanique (COVNM)- le monoxyde de carbone (CO) - le dioxyde de carbone (CO2)

Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

• Estimation de la propagation d'incertitude:

– Flux d'émissions

– facteurs d'émissions et secteurs d'activités

• Combinaison des incertitudes:• par catégorie de source,• incertitudes totales dans l'inventaireNotamment par méthode Monte-Carlo

Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

9% -9% 29007 9% 29001 CO2

32% -25% 443 29% 442,7 CO

11% -11% 128 11% 128,1 SO2

38% -25% 85,3 32% 85,4 NOx

26% -20% 75,6 23% 75,5 COVNM

73% -44% 13,5 60% 13,5 CH4

Borne supérieure

(%)

Borne inférieure

(%)

Emission moyenne (kTonne)

Pourcentag

es d'incertitud

es (+/-)

Emission moyenne

(kTonnes )

Méthode Monte-CarloEquation de propagation

des erreurs

Composé

Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

Méthodologie pour l'estimation des incertitudes[Ponche et al., 2005]

-> Analyse de sensibilité pour les NOx

Les émissions

Ce que ESCOMPTE a apporté:- un cadastre mis à jour sur une région très polluée- un cadastre à plus haute résolution par rapport aux autres grandes villes Européennes- une méthodologie de réactualisation- des calculs d'incertitudes sur les émissions

Ce que ESCOMPTE a permis d'apprendre:- Un cadastre est très complexe à réaliser et il faut mettre en place des contrôles stricts des résultats, pas à pas- Un cadastre est difficile à évaluer et il faut utiliser des modèles le plus tôt possible pour éviter des erreurs bloquant l'ensemble

Une étape de validation (hors modèle de chimie-transport):comparaisons émissions et chimie

Validation d'éléments du cadastre d'émissions par mesures de réactivité chimiques (projet S.Francois, A.Monod, H.Wortham):

•Près des sources: hypothèse d'avoir des concentrations ~ émissions

(mesures dans des tunnels, en centre ville de Marseille etc.)

•Choix de réaliser le travail en rapport de concentrations pour

s'affranchir des taux de dilution

•Choix de composés non mesurés directement pendant la campagne

mais d'importance (radical OH)

•Choix de composés réagissant photochimiquement lentement

(acétylène)

-> Bon accord général entre émissions et sources pour la plupart des

COVs

Etude de la météorologie urbaine: Résultats du projet CLU

[Mestayer et al, 2005]

•Occasion unique d'un déploiement important d'instrumentation dédiée aux flux urbains,

•Occasion unique de contraintes fines et à haute résolution spatiale et temporelle pour les schémas urbains de modèles (modèle TEB)

Résultats:•Une caractérisation de la variabilité des champs d'humidité et de température:

•Assez homogènes, sec et frais par mistral•Assez hétérogènes, plus humide et chaud par brise de mer

•La caractérisation d'une brise urbaine entre Marseille et sa banlieue

Une méthodologie expérimentale a été développée

• étude des aérosols en masse et en nombre• distribution granulométrique• étude en continu de propriétés basiques sur plusieurs sites représentatifs

Les aérosols

-> L'écoulement atmosphérique gouverne les niveaux de pollution, y compris pour les particules,

Les cas marqués de mistral ou de brise limitent la stagnation et donc les concentrations fortes

Les concentrations d’aérosols en masse

• Faible gradient des zones sources vers les sites ruraux

• Prédominance de la fraction « fine »,

Marseille Martigues Réaltor Dupail

PM-10(<10µm) 35 31 25 22

% fines 57% 56% 55% 56%(< 2µm)

Importance de la fraction fine de l’aérosol

- Représente 55% de la masse totale- Importance Régionale- Importance encore plus grande en période de POI (formation photochimique)

- Emissions primaires (trafic)- Formation secondaire d’aérosols à partir d’un pool de VOC anthropiques ou biogéniques (car beaucoup de NOx), HNO3,SO2

Origine des fines particules

Cette formation secondaire d’organiques et inorganiques commence dès la zone source (plus de OC et sulfate que dans les modèles)

Fines particules: couverture régionale

Fine particles

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10/06/01 15/06/01 20/06/01 25/06/01 30/06/01 05/07/01

con

cen

trat

ion

s (µ

g/m

3)

RéaltorDupail

Période de mistral Période chaude (brise)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

30/06/0100:00

30/06/0104:48

30/06/0109:36

30/06/0114:24

30/06/0119:12

01/07/0100:00

date (local time)

[PM

10]

(µg

/m3

)

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

win

d d

ierc

tion

(de

gre

e)

PM10 Wind dir

Marseille : brise de mer et concentrations PM-10

- Par création de nouvelles particules: NUCLEATION

● en période de Mistral● le matin plus que l’après-midi● en site périurbain plus qu’en site urbain● en site industrielConditions: précurseurs gazeux niveaux de particules assez bas (« puits condensationnel »)

- Par CONDENSATION sur des particules préexistantes● les températures élevées la défavorisent ● l’humidité la favoriseFavorise la formation de particules hétérogènes (aérosol interne)

Aérosols secondaires

Épaisseur optique en aérosol:0.35 dans le panache de Berre à 10:00 UTC à 550nm

Test de modélisation des propriétés radiatives de l’aérosol pour la journée du 24 Juin 2001 (épaisseur optique)

Les aérosols: principaux résultats [1][Cachier et al., 2005]

• Concentration élevées dans la zone d’étude d’ESCOMPTE,

• Futures normes européeennes à l’horizon 2010 largement dépassées,

• Pics de pollution particulaires = très fines particules car:

•Fort ensoleillement,

•«marmite» d’espèces gazeuses et particulaires réactives. Dans cette marmite, certains gaz proviennent de la végétation mais sans la contribution du trafic et des usines, ils ne pourraient se transformer.

•Fines particules: transport en altitude, export vers stations distantes

Les aérosols: principaux résultats [2][Cachier et al., 2005]

Certains résultats trouvés pour ESCOMPTE semblent être d’une valeur universelle pour la plupart des sites urbains Européens:

- Importance de la fraction fine, de l’aérosol secondaire organique et inorganique, de la composante carbonée

- Rapidité de la formation secondaire

- Rapidité de la formation de l’aérosol interne. Augmentation du caractère hygroscopique des particules.

La modélisation de chimie-transport[Lasry et al., 2005], [Coll et al., 2005]

Vitesses de production d’ozone (en ppb/h) Σ kOH [COV]/ kOH [NOx]

Les vitesses de PO3 maximales sont toujours observées ● Au nord sous le vent des zones émettrices● Pour des rapports COV/NOx compris entre 4 et 20 (faible variabilité)

● Simulation d’une photochimie locale intense● Production d’ozone rapide: pointes de 40 à 50 ppbv/h● Panache actif jusqu’à 15:00 TU, mélange des émissions antérieur à

13:00 TU

● Hétérogénéité du panache d’ozone● Participation des émissions biogéniques/anthropiques● Complémentarité du contrôle des émissions par secteur

● Rôle aggravant des re-circulations de polluants sur stations côtières● Emissions industrielles nocturnes● Mise en évidence du rôle régional prédominant du CO (mais le CO

n’est pas réglementé en émission dans les directives européennes de qualité de l’air ! )

Analyse des situations propices à de fortes productions d'ozone

[Lasry et al., 2005], [Coll et al., 2005]

Sensibilité des résultats à certains paramètres du modèle:La hauteur de la couche limite,

[Menut et al., 2005]

Impact direct de

la résolution

horizontale du

modèle

météorologique

employé sur les

concentrations

[O3] de surface

Conclusion

La synthèse des acquis sur ces différents processus se

retrouve:

•Meilleure connaissance de la météorologie, des émissions et

du système couplé physico-chimique (cf. V.H.Peuch)

•Meilleure connaissance des flux d'émissions, de leur

incertitude et de leur impact (scénarios cf. I.Coll)

•Synthèse avec plate-forme AIRES, avec les scores de

prévision quotidienne (cf. S.Fayet)

•Pour d'autres projets en cours ou futurs comme City-Delta,

Euro-Delta, GEMS, PROMOTE, utilisant les outils de

modélisation intégrant l'ensemble des connaissances acquises

(cf. L.Rouil)