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

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

POVA

Vallées très sensibles à la« pollution » Vallées encaissées Inversions de température Faible ventilation Larges émissions en dépit d’une faible population Tourisme et zones protégées Mont-Blanc (4807 m) Entrée du tunnel Chamonix (1100 m) Vue de la vallée de Chamonix en hiver 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 Accident du 24 mars 1999

Programme POVA 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 d’émissions 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 d’impact de la pollution dans ces deux vallées, avec l’établissement de cartes d’exposition en fonction des études de scénarios

POVA : campagnes de terrain Été / hiver ; avant / après réouverture du tunnel été 2000 hiver 2000-2001 hiver 2002-2003 été 2003 Dynamique atmosphérique Stations sol, radar UHF, ballon captif, téléphérique et ULM instrumentés Chimie (et physique) des gaz et des particules NO, NO2, NOy, O3, SO2, VOC, CO, NH3, HNO3, 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) POVA : campagnes de terrain 4 périodes d’une semaine dans chaque vallée

Système de modèles

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

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.

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

Validation du modèle

Stations sol Période d’Observation Intensive O3, NO, NO2, VOC, PM10 Longitude Latitude Altitude (m) Nom Type de station 6.81191 45.89213 1050 Les Houches Résidentielle 6.85527 45.90933 1080 Auberge de jeunesse 6.85998 45.91396 1034 Clos de l'Ours 6.88547 45.9014 2263 Plan de l'Aiguille Altitude 6.8729 45.92267 1038 Chamonix centre Urbaine 6.87767 45.92956 1042 Bois du Bouchet 6.92943 45.98622 1250 Argentière 6.92289 46.00392 1464 Col des Montets Rurale Tunnel Période d’Observation Intensive O3, NO, NO2, VOC, PM10 Données météo sur l’ensemble des sites

Mesures en altitude ULM O3, temp, humidity LIDAR O3, NO2, aerosols Radar UHF « profileur de vent » vent (vitesse, direction) Ballon sonde O3, temp, humidité, vent Instrumentation d’un téléphérique O3, temp, humidity

Validation de la dynamique

Profileur de vent – direction à Chamonix ARPS - 300 m Radar UHF « windprofiler » Même comportement jour après jour V4 S5 D6 L7 M8 M9 J10 V11

Profileur de vent – direction à Modane ARPS - 300 m Radar UHF « windprofiler » Même comportement jour après jour Anomalie le 27 M24 M25 J26 V27 J28 V29 S30

Bilan pour la dynamique 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, 2004. Evolution of convective boundary layer in deep valleys for air quality modelling: Part I: Observations. To be submitted to Boundary-Layer Meteorology.

Validation de la chimie

Pollution primaire

Vallée de la Maurienne, l’été Urbain dense Urbain Site de fond

Vallée de Chamonix, l’été 2 Urbain 1 Autoroute 4 Site de fond 3 Résidentiel 4 3 Impact de la pollution primaire seulement près des sources. 2 1

Vallée de Chamonix, l’hiver Autoroute Urbain Site de fond Conditions météo changeantes…

Pollution secondaire

Vallée de la Maurienne, l’été Urbain dense Urbain Site de fond Journée : NO2+ hν → NO + O. (R1) Augmentation chimique et/ou dynamique La nuit : NO2+ hν → NO + O NO + O3 → NO2 + O2 (R2)

Vallée de Chamonix, l’été Autoroute Urbain 2 Urbain Site de fond

Vallée de Chamonix, l’hiver Urbain Site de fond Temps d’adaptation nécessaire au modèle: 6h

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 l’ozone. 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.

Influence de la chimie à grande échelle

Vallée de Chamonix, l’été Influence régionale Vallée de Chamonix, l’été Corrélation entre le maximum journalier de l’ozone et la concentration des stations de fond à la même heure. Forte influence régionale

Influence régionale Vallée de la Maurienne, l’été Comparaison entre le niveau régional de l’ozone et les valeurs des sites de la vallée de la Maurienne

Age photochimique de la masse d’air Etude du rapport (1-NOx/Noy) [Berkowitz, 2004]: NOy=NOx+HNO3+PAN Tend vers 0 pour des panaches jeunes (NOx ≈ NOy) Tend vers 1 pour des panaches âgés (NOx ≈ 0) Le 27 Juin sans aucune émission (chimie régionale seule) Le 27 Juin avec l’ensemble des sources. la masse d’air est déjà chargée en ozone en arrivant au dessus de la vallée plus la concentration d’ozone est élevée, plus l’âge de la masse d’air est important

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

Vallée de la Maurienne, l’été O3 (ppb) Simulation du 28 Juin avec l’ensemble des émissions.

Vallée de la Maurienne, l’été O3 (ppb) Simulation du 28 Juin sans aucune émission: seule les conditions de fond sont représentées

Vallée de la Maurienne, l’été O3 (ppb) 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 Chamonix, l’été O3 (ppb) O3 (ppb) Simulation du 7 Juillet 2003 Différence entre la simulation du 7 Juillet et la même simulation avec seulement les conditions de fond Plan de l’aiguille est constamment soumis aux conditions de la troposphère libre.

Vallée de Chamonix, l’hiver O3 (ppb) O3 (ppb) Simulation du 17 Janvier 2003 Différence entre la simulation du 17 Janvier et la même simulation avec seulement les conditions de fond

Indicateur de production de l’ozone

Indicateur de production de l’ozone Les sites de production de l’ozone peuvent être différents des sites avec une concentrations de O3 importante: c’est un polluant secondaire soumis au transport et à la déposition. [O3] ne suffit pas pour localiser les sites de production...

Indicateur de production de l’ozone Dans TAPOM, [O3] dépend: déposition séche transport diffusion turbulente production nette de O3 taux de production taux de consommation

Les valeurs importantes ne sont pas systématiquement sur le même site! Indicateur de production de l’ozone Les valeurs importantes ne sont pas systématiquement sur le même site! WO3 est la production globale: + ou - Site de production si > 0 Site de consommation si < 0

Indicateur de production de l’ozone NO2 ppbV ppbV hV WO3 ppbV/h  1/h Tunnel Site de destruction: NO +O3 → NO2 + O2

Indicateur de production de l’ozone Lundi 7 Juillet 2003 7h00 [O3] [O3] faibles Valeurs élevées et négatives Mise en évidence d’un site important de destruction de l’ozone

Réponse immédiate du modèle aux changements d’émissions Indicateur de production de l’ozone Scenario… Coupure de l’ensemble du trafic de 6h00 à 9h00 Réponse immédiate du modèle aux changements d’émissions

Indicateur de production de l’ozone WO3 ppbV/h 1/h 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.

Etude des COV à Chamonix, l’hiver

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

Sources prises en compte par la modélisation Sources anthropiques Sources biogéniques Sources ponctuelles et surfaciques Sources liées au trafic Chaudières commerciales PL Forêt Chaudières résidentielles VL Prairie Solvants domestiques VL ville Industries Utilitaires RN Stations services Utilitaires autoroute Héliport Sources prises en compte par la modélisation 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.

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

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….

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 l’ozone aux émissions de COV. Les premiers scenarios avec une diminution du trafic montrent une augmentation de l’ozone et une réduction des composés primaires. En été la chimie de la troposphère libre est prépondérante dans les vallées. Mise en place d’un nouvel indicateur pour déterminer les sites de production/consommation de l’ozone. En hiver, les concentrations de COV sont liées aux émissions du trafic et du chauffage en milieu urbain.

Perspectives prometteur mais peu d’ozone: réutilisation dans les simulations réalisées par l’équipe sur l’agglomération 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 d’un module spécifique (ISORROPIA? ) Les COV s’adaptent bien à la modélisation: mettre l’accent sur cette chimie en continuant et développant les collaborations (GRECA...).