Laurent MENUT Institut Pierre Simon Laplace Laboratoire de Météorologie Dynamique, Palaiseau Présentation réalisée avec les documents de: Ph.Drobinski,

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1 Laurent MENUT Institut 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

2 Plan général Rapide apercu de ce qui était assez connu avant ESCOMPTE...... et donc les principales questions d'intérêt Principaux résultats

3 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

4 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

5 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

6 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?)

7 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 côte Zone ESCOMPTE: Mélange des deux à l'échelle locale

8 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

9 MistralSea breeze Sea breeze/Mistral 120 Mistral+breeze (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

10 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

11 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]

12 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

13 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

14 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

15 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)

16 Interactions brise / pentes [4] Analyse statistique Vallon dOl: 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

17 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]

18 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]

19 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

20 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?)

21 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 dentrée pour la modélisation déterministe ou semi déterministe 4. Mise en œuvre doutils géostatistiques 5. Outil daide pour loptimisation du réseau de surveillance 6. Évaluation de limpact dune infrastructure et des politiques daménagement 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

22 Méthodologie délaboration de linventaire Emissions départementales > communales > résolution kilométrique Exhaustivité relative Distinction dune centaine dactivités (SNAP, NAPFUE)

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

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

25 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 (SO 2 ) - les oxydes d'azotes (NO x ) - le méthane (CH 4 ), - les composés organiques volatiles non méthanique (COVNM) - le monoxyde de carbone (CO) - le dioxyde de carbone (CO 2 ) Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

26 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'inventaire Notamment par méthode Monte-Carlo Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

27 9% -9% 29007 9% 29001 CO 2 32% -25% 443 29% 442,7 CO 11% -11% 128 11% 128,1 SO 2 38% -25% 85,3 32% 85,4 NO x 26% -20% 75,6 23% 75,5 COVNM 73% -44% 13,5 60% 13,5 CH 4 Borne supérieure (%) Borne inférieure (%) Emission moyenne (kTonne) Pourcentages d'incertitudes (+/-) Emission moyenne (kTonnes ) Méthode Monte-Carlo Equation de propagation des erreurs Composé Les émissions: Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005]

28 Méthodologie pour l'estimation des incertitudes [Ponche et al., 2005] -> Analyse de sensibilité pour les NOx

29 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

30 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

31 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

32 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

33 Les concentrations daérosols en masse Faible gradient des zones sources vers les sites ruraux Prédominance de la fraction « fine », MarseilleMartiguesRéaltorDupail PM-10 (<10µm)35312522 % fines57%56%55%56% (< 2µm)

34 Importance de la fraction fine de laérosol - Représente 55% de la masse totale - Importance Régionale - Importance encore plus grande en période de POI (formation photochimique) - Emissions primaires (trafic) - Formation secondaire daérosols à partir dun pool de VOC anthropiques ou biogéniques (car beaucoup de NOx), HNO 3,SO 2 Origine des fines particules Cette formation secondaire dorganiques et inorganiques commence dès la zone source (plus de OC et sulfate que dans les modèles)

35 Fines particules: couverture régionale Période de mistralPériode chaude (brise)

36 Marseille : brise de mer et concentrations PM-10

37 - Par création de nouvelles particules: NUCLEATION en période de Mistral le matin plus que laprès-midi en site périurbain plus quen site urbain en site industriel Conditions: précurseurs gazeux niveaux de particules assez bas (« puits condensationnel ») - Par CONDENSATION sur des particules préexistantes les températures élevées la défavorisent lhumidité la favorise Favorise la formation de particules hétérogènes (aérosol interne) Aérosols secondaires

38 Épaisseur optique en aérosol: 0.35 dans le panache de Berre à 10:00 UTC à 550nm Test de modélisation des propriétés radiatives de laérosol pour la journée du 24 Juin 2001 (épaisseur optique)

39 Les aérosols: principaux résultats [1] [Cachier et al., 2005] Concentration élevées dans la zone détude dESCOMPTE, Futures normes européeennes à lhorizon 2010 largement dépassées, Pics de pollution particulaires = très fines particules car: Fort ensoleillement, «marmite» despèces 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

40 Les aérosols: principaux résultats [2] [Cachier et al., 2005] Certains résultats trouvés pour ESCOMPTE semblent être dune valeur universelle pour la plupart des sites urbains Européens: - Importance de la fraction fine, de laérosol secondaire organique et inorganique, de la composante carbonée - Rapidité de la formation secondaire - Rapidité de la formation de laérosol interne. Augmentation du caractère hygroscopique des particules.

41 La modélisation de chimie-transport [Lasry et al., 2005], [Coll et al., 2005] Vitesses de production dozone (en ppb/h) Σ k OH [COV]/ k OH [ NOx] Les vitesses de P O3 maximales sont toujours observées Au nord sous le vent des zones émettrices Pour des rapports COV/NOx compris entre 4 et 20 (faible variabilité)

42 Simulation dune photochimie locale intense Production dozone rapide: pointes de 40 à 50 ppbv/h Panache actif jusquà 15:00 TU, mélange des émissions antérieur à 13:00 TU Hétérogénéité du panache dozone 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 nest pas réglementé en émission dans les directives européennes de qualité de lair ! ) Analyse des situations propices à de fortes productions d'ozone [Lasry et al., 2005], [Coll et al., 2005]

43 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

44 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)