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MODÉLISATION DES CIRCULATIONS ATMOSPHÉRIQUES POUR L ÉTUDE DE LA POLLUTION DES VALLÉES ALPINES Guillaume BRULFERT sous la direction de Jean-Pierre CHOLLET.

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1 MODÉLISATION DES CIRCULATIONS ATMOSPHÉRIQUES POUR L ÉTUDE DE LA POLLUTION DES VALLÉES ALPINES Guillaume BRULFERT sous la direction de Jean-Pierre CHOLLET Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels Université Joseph Fourier, INPG, CNRS

2 Plan Programme POVA Présentation du système de modèles Validation Influence de la chimie à grande échelle Indicateur de production de lozone Etude sur les composés organiques volatils Conclusions et perspectives

3 POVA

4 Vallées très sensibles à la« pollution » Vallées encaissées Inversions de température Faible ventilation Larges émissions en dépit dune faible population Tourisme et zones protégées Mont-Blanc (4807 m) Chamonix (1100 m) Entrée du tunnel Accident dans le tunnel du the Mont Blanc (24 Mars 1999) Avant accident: 2200 PL/jour dans chaque vallée Après accident : 150 PL/jour (trafic local) dans la vallée de Chamonix Vue de la vallée de Chamonix en hiver Accident du 24 mars 1999

5 POllution des Vallées Alpines caractériser la pollution liée au trafic véhiculaire en vallée de Chamonix et de la Maurienne évaluer les parts respectives des différents types démissions dans les vallées développer un outil opérationnel de modélisation de la dispersion de la pollution atmosphérique appliqué au cas des vallées alpines initier des études dimpact de la pollution dans ces deux vallées, avec létablissement de cartes dexposition en fonction des études de scénarios Programme POVA

6 POVA : campagnes de terrain Été / hiver ; avant / après réouverture du tunnel été 2000 hiver hiver été 2003 Dynamique atmosphérique Stations sol, radar UHF, ballon captif, téléphérique et ULM instrumentés Chimie (et physique) des gaz et des particules NO, NO 2, NOy, O 3, SO 2, VOC, CO, NH 3, HNO 3, HCl, acides organiques, (HONO) PM10, conc en nbre, chimie des PM10. Fortes résolutions spatiales et temporelles 7 à 10 sites par vallée Mesures en 3D (ballon captif, téléphériques et ULM instrumentés, Lidars) 4 périodes dune semaine dans chaque vallée

7 Système de modèles

8 Domaine :25 km Fond de vallée : 1000 m Résolution horizontale < 1 km 300 mètres Caractéristiques de la vallée Sommets à 2500 et 4500 m 5 km crête à crête

9 Caractéristiques de la vallée Les vents de pentes et de vallées Épaisseur des vents de pente de 10 à 200 m Résolution verticale minimale de 30m. Coordonnée qui suit le terrain est adaptée.

10 Solveur chimique: TAPOM Émissions Solveur dynamique: ARPS Météorologie Propriétés du terrain Résultats de simulations photochimiques Advanced Regional Prediction System, [Xue 2000]. Pas de grille de 300 ou 1000 mètres. Transport and Air POllution Model, [Clappier,1998;Gong and Cho 1993]. Pas de grille de 300 ou 1000 mètres utilisé pour résoudre la chimie. A partir de données satellites Linventaire:Air de lAin et des Pays de Savoie. Grille de 100 mètres avec végétation, population, trafic, industries... Conditions aux limites pour la chimie: CHIMERE Modèle régional de prédiction de lozone pour les limites du domaine TAPOM [Schmidt, 2001]. MM5 force le domaine dintérêt Système de modèles

11 Validation du modèle

12 Stations sol LongitudeLatitudeAltitude (m) NomType de station Les Houches Résidentielle Auberge de jeunesse Résidentielle Clos de l'Ours Résidentielle Plan de l'Aiguille Altitude Chamonix centre Urbaine Bois du Bouchet Résidentielle ArgentièreRésidentielle Col des Montets Rurale Tunnel O 3, NO, NO 2, VOC, PM 10 Données météo sur lensemble des sites Période dObservation Intensive

13 Mesures en altitude ULM O 3, temp, humidity LIDAR O 3, NO 2, aerosols Radar UHF « profileur de vent » vent (vitesse, direction) Ballon sonde O 3, temp, humidité, vent Instrumentation dun téléphérique O 3, temp, humidity

14 Validation de la dynamique

15 Profileur de vent – direction à Chamonix Radar UHF « windprofiler »ARPS m 0 D6L7V4S5M8M9J10V11 Même comportement jour après jour

16 Radar UHF « windprofiler »ARPS m J26 V27M24 M25 J28V29S30 Même comportement jour après jour Profileur de vent – direction à Modane Anomalie le 27

17 Résultats satisfaisants: vent: heures de la balance sont respectées, altitude du synoptique, épaisseur de la couche de mélange température: amplitude et phasage des min et max Même comportement le long du fond de vallée pour la température, la direction et la vitesse du vent. Article en préparation: C. Chemel, J.-P. Chollet, G. Brulfert, and E. Chaxel, Evolution of convective boundary layer in deep valleys for air quality modelling: Part I: Observations. To be submitted to Boundary-Layer Meteorology. Bilan pour la dynamique

18 Validation de la chimie

19 Pollution primaire

20 Vallée de la Maurienne, lété Urbain denseUrbain Site de fond

21 Vallée de Chamonix, lété Autoroute Urbain Résidentiel Site de fond Impact de la pollution primaire seulement près des sources

22 Vallée de Chamonix, lhiver AutorouteUrbain Site de fond Conditions météo changeantes…

23 Pollution secondaire

24 Vallée de la Maurienne, lété Urbain denseUrbain Site de fond Journée : NO 2 + hν NO + O. (R1) La nuit : NO 2 + hν NO + O NO + O 3 NO 2 + O 2 (R2) Augmentation chimique et/ou dynamique

25 Vallée de Chamonix, lété Urbain 2 Site de fond Autoroute Urbain

26 Vallée de Chamonix, lhiver UrbainSite de fond Temps dadaptation nécessaire au modèle: 6h

27 Bilan de la validation chimique Faible dispersion des polluants: forte concentration de la pollution primaire seulement près des sources. Sites urbains : amplitude et phasage des min and max de lozone. Sites de fond: importance du forcage avec CHIMERE. Les concentrations relevées sont faibles. Pas de validation disponible avec les données ULM et LIDAR. Article soumis: G. Brulfert, C. Chemel, E. Chaxel and J.P. Chollet: Modelling photochemistry in alpine valleys. Submitted to Atmospheric Chemistry and Physics.

28 Influence de la chimie à grande échelle

29 Influence régionale Corrélation entre le maximum journalier de lozone et la concentration des stations de fond à la même heure. Forte influence régionale Vallée de Chamonix, lété

30 Comparaison entre le niveau régional de lozone et les valeurs des sites de la vallée de la Maurienne Influence régionaleVallée de la Maurienne, lété

31 Etude du rapport (1-NOx/Noy) [Berkowitz, 2004]: NOy=NOx+HNO 3 +PAN Le 27 Juin avec lensemble des sources. Le 27 Juin sans aucune émission (chimie régionale seule) plus la concentration dozone est élevée, plus lâge de la masse dair est important Tend vers 0 pour des panaches jeunes (NOx NOy) Tend vers 1 pour des panaches âgés (NOx 0) la masse dair est déjà chargée en ozone en arrivant au dessus de la vallée Age photochimique de la masse dair

32 Mise en évidence du panache conditions de fond émissions Soustraction des conditions de fond

33 Simulation du 28 Juin avec lensemble des émissions. Vallée de la Maurienne, lété O 3 (ppb)

34 Simulation du 28 Juin sans aucune émission: seule les conditions de fond sont représentées Vallée de la Maurienne, lété O 3 (ppb)

35 Différence de concentration entre la simulation réaliste et la simulation avec seulement les conditions de fond. Mise en évidence du panache produit dans la vallée Vallée de la Maurienne, lété O 3 (ppb)

36 Plan de laiguille est constamment soumis aux conditions de la troposphère libre. Simulation du 7 Juillet 2003 Vallée de Chamonix, lété O 3 (ppb) Différence entre la simulation du 7 Juillet et la même simulation avec seulement les conditions de fond

37 Simulation du 17 Janvier 2003Différence entre la simulation du 17 Janvier et la même simulation avec seulement les conditions de fond Vallée de Chamonix, lhiver O 3 (ppb)

38 Indicateur de production de lozone

39 Les sites de production de lozone peuvent être différents des sites avec une concentrations de O 3 importante: cest un polluant secondaire soumis au transport et à la déposition. [O 3 ] ne suffit pas pour localiser les sites de production... Indicateur de production de lozone

40 Dans TAPOM, [O 3 ] dépend: Indicateur de production de lozone transport diffusion turbulente déposition séche production nette de O 3 taux de production taux de consommation

41 W O3 est la production globale: + ou - Site de production si > 0Site de consommation si < 0 Indicateur de production de lozone Les valeurs importantes ne sont pas systématiquement sur le même site!

42 hV W O3 O3O3 NO 2 1/h ppbV/h ppbV Tunnel Site de destruction: NO +O 3 NO 2 + O 2 Indicateur de production de lozone

43 Lundi 7 Juillet h00 [O 3 ] Valeurs élevées et négatives [O 3 ] faibles Mise en évidence dun site important de destruction de lozone Indicateur de production de lozone

44 Scenario… Coupure de lensemble du trafic de 6h00 à 9h00 Indicateur de production de lozone Réponse immédiate du modèle aux changements démissions

45 1/h ppbV/h Indicateur de production de lozone Article à soumettre: G. Brulfert, C. Chemel, E. Chaxel and J.P. Chollet: High-resolution numerical simulation of air quality in Chamonix valley: indicators for ozone controlled regime and to localise ozone production sites. In preparation for Atmospheric Environment. W O3

46 Etude des COV à Chamonix, lhiver

47 Peu dobligation de mesures des COV sauf… benzène recommandation de surveillance (directive 2002/3/CE du parlement européen) La réponse des modèles aux COV est peu étudiée. Mais les COV peuvent être: cancérogène tératogène Etude des COV à Chamonix, lhiver

48 Sources anthropiques Sources biogéniques Sources ponctuelles et surfaciques Sources liées au trafic Chaudières commerciales Chaudières résidentielles Solvants domestiques Industries Stations services Héliport PL VL VL ville Utilitaires RN Utilitaires autoroute Forêt Prairie Des simulations sont réalisées en éliminant les sources une à une: trafic chauffage fond régional autre sources Une comparaison est ensuite effectuée sur des espèces du mécanisme représentant 75% de la masse totale des COV. Sources prises en compte par la modélisation

49 Résultats de simulations: contribution des principales sources (moyenne hebdomadaire).

50 Résultats du cadastre: principales sources anthropiques (moyenne hebdomadaire) émettrices de la vallée. En excluant les valeurs de fond, on retrouve le même type de répartition….

51 Conclusions Le système de modèles est au point et validé malgré la complexité du terrain. Les simulations sur la vallée de Chamonix montrent une sensibilité de lozone aux émissions de COV. Les premiers scenarios avec une diminution du trafic montrent une augmentation de lozone et une réduction des composés primaires. En été la chimie de la troposphère libre est prépondérante dans les vallées. Mise en place dun nouvel indicateur pour déterminer les sites de production/consommation de lozone. En hiver, les concentrations de COV sont liées aux émissions du trafic et du chauffage en milieu urbain.

52 Perspectives prometteur mais peu dozone: réutilisation dans les simulations réalisées par léquipe sur lagglomération grenobloise. Études de scénarios dans le cadre du programme: évolution du trafic, arrivée du gaz naturel, construction de la ligne Lyon-Turin… Problème lié aux particules en hiver dans les vallées: Prise en compte comme traceur passif Utilisation dun module spécifique (ISORROPIA? ) Les COV sadaptent bien à la modélisation: mettre laccent sur cette chimie en continuant et développant les collaborations (GRECA...).

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