Dossier : Climat   
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Etude et Simulation de la Qualité de l’air en Ile-de-France :
l'expérience ESQUIF


Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1 - Rétro-panaches arrivant aux deux points SW et NE de la trajectoire de l’avion lors du vol du MERLIN (METEO-France) du 9 août 1998 au matin (altitude 900 m).

2 - Simulation de la période du 8 au 11 août 1998 par le modèle CHIMERE-continental (IPSL) pour l’ozone (ppb).

 

3 - Panache dÕozone du bassin parisien 17 juillet 1999 aprs-midi.

 

4 - Simulation régionale du champ d’ozone (ppb) le 17 juillet 1999 à 16h.

 


ESQUIF est un projet communautaire poursuivant deux objectifs majeurs : une meilleure connaissance des phénomènes de pollution atmosphérique régionale, avec comme application l’Ile-de-France, et la constitution d’une base de données tridimensionnelle d’observations de la pollution et des paramètres qui y sont liés permettant d’améliorer les modèles numériques de simulation et de prévision de ces phénomènes.

Le projet ESQUIF a été initié par l’IPSL et le LISA. Les principales équipes participant à ces travaux appartiennent aux laboratoires suivants, en France :
Météorologie Dynamique (LMD Palaiseau)
Service d’aéronomie (SA)
Sciences du climat et de l’Environnement (LSCE)
Systèmes Atmosphériques (LISA)
Aérologie (LA)
AIRPARIF
Centre d’aviation Météorologique (CAM, Météo-France)
Centre national de la Recherche en Météorologie (CNRM)
et à l’étranger le Forschung Zentrum, Jülich (Allemagne).
Les principaux soutiens financiers sont assurés par le CNRS, les Universités, le Ministère de l’Environnement, le Conseil régional de l’Ile de France et Météofrance.

La prise de conscience croissante des effets néfastes de la pollution atmosphérique près des grands centres urbains a conduit, depuis plusieurs décennies, les chercheurs à étudier les mécanismes chimiques et dynamiques afin de mieux les comprendre et de permettre ainsi la réduction de cette pollution. Ainsi la pollution par le dioxyde de soufre a pu être réduite, par exemple, d’un facteur cinq depuis les années 1950. Ce type de pollution reste toutefois assez simple à maîtriser, car les sources étaient essentiellement industrielles, localisées et donc plus facilement contrôlables.

Aujourd’hui la pollution, liée à l’ensemble des activités humaines, devient plus diffuse et de plus grande échelle ; elle se manifeste par des épisodes de " pollution photochimique " mais aussi par des concentrations importantes d’aérosols de nature chimique complexe. La pollution autour des agglomérations urbaines ne reste pas le fait de quelques épisodes isolés, mais résulte aussi d’une pollution chronique, caractérisée, par exemple, par des niveaux d’oxydes d’azotes moyens violant souvent les directives européennes de qualité de l’air.

La complexité des phénomènes de pollution régionale est accentuée par la nature non linéaire de la relation entre émissions de polluants primaires d’une part, et concentrations de polluants secondaires d’autre part. Cette complexité a pour conséquence, pour les polluants photo oxydants, qu’une réduction massive des émissions ne puisse, seule, vraisemblablement pas conduire à une réduction significative des concentrations.

Les objectifs d’ESQUIF
ESQUIF a pour but de déterminer, à la fois par l’analyse d’observations et par la simulation numérique, les différents mécanismes physiques conduisant aux épisodes de pollution, afin de mieux prédire les concentrations de polluants en fonction des hypothèses d’émissions et des conditions météorologiques.

Plus précisément, l’accent de la recherche est porté sur

  • l’importance de la part de la pollution photochimique due aux émissions franciliennes locales par rapport à la pollution " importée ", due au transport de masses d’air polluées pour lesquelles les sources sont externes à la région,
  • a contrario l’impact des sources franciliennes sur les régions avoisinantes et l’étendue de cette influence (étude du " panache " parisien),
  • la sensibilité des concentrations de photo oxydants aux émissions de polluants primaires, qui déterminera l’impact d’éventuelles réductions d’émissions,
  • la sensibilité des concentrations de polluants aux conditions météorologiques locales,
  • la composition chimique et l’évolution des aérosols de pollution,
  • l’impact radiatif des aérosols et des nuages sur la pollution photo oxydante
  • l’évaluation des inventaires régionaux d’émission actuels
  • le développement de méthodes de prévision numérique de la pollution photo oxydante.

La méthodologie d’ESQUIF
La méthodologie utilisée consiste à combiner observations et simulations. Les simulations numériques permettent de mieux interpréter les observations in situ, et les observations permettent de mieux comprendre les lacunes des modèles numériques. La synergie de ces deux approches permet une analyse complète des épisodes de pollution étudiés.

L’originalité d’ESQUIF consiste à effectuer des observations durant des périodes d’observations intensives (POI) de quelques jours, mais étalées sur 2 ans (de l’été 1998 à l’été 2000), afin d’optimiser le choix de ces périodes et pour que celles-ci constituent des situations météorologiques suffisamment variées pour représenter l’ensemble de celles conduisant aux épisodes de pollution en Ile-de-France. Douze POI ont été effectuées durant ESQUIF, dont 10 périodes estivales et 2 périodes hivernales.

Les observations tridimensionnelles ont reposé à la fois sur les réseaux d’observations existant au sol (stations météorologiques de METEO-France et stations de surveillance de la qualité de l’air d’AIRPARIF), sur des mesures in situ aéroportées au moyen de cinq avions instrumentés, des radiosondages, et sur des mesures de télédétection (LIDAR essentiellement). Lors des POI, ces moyens de mesures sont déployés simultanément afin de donner une image la plus complète possible des champs météorologiques et des champs de polluants dans la région.

Côté numérique, une hiérarchie de modèles est mise en œuvre afin de simuler les POI pour différentes échelles spatiales : à l’échelle régionale, les modèles détaillés SIMPAR (AIRPARIF), AZUR (LISA), destinés à l’analyse fine d’épisodes et la simulation de scénarios de réduction d’émissions, sont utilisés. Le modèle régional simplifié CHIMERE (IPSL), destiné à la prévision des pics de pollution, est aussi mis en œuvre. A plus grande échelle, le modèle d’analyse MESO-NH et les modèles de prévision CHIMERE-continental (IPSL) et MOCAGE (METEO-France) sont utilisés afin de simuler le transport à longue distance de polluants, et de fournir des conditions aux limites adéquates aux modèles régionaux. Ces modèles, eulériens, sont complétés par des modèles lagrangiens d’analyse des trajectoires des masses d’air.

L’ensemble des données d’ESQUIF est disposé sur un site web (http://climserv.lmd.polytechnique.fr/esquif) d’accès temporairement restreint, qui deviendra public lorsque la qualité des données aura été vérifiée de façon exhaustive. Un certain nombre de textes, d’illustrations figurent également sur ce site.

Quelques premiers résultats
La plupart des résultats sont actuellement en cours de validation et ne peuvent pas être diffusés. Nous présentons néanmoins un premier résultat obtenu après analyse des données de la deuxième POI ayant eu lieu du 7 au 11 août 1998. Ce résultat concerne la pollution photo oxydante lors d’un épisode ayant donné lieu à des concentrations très élevées d’ozone (record en Ile-de-France battu le 11 août 1998). La campagne de mesures aéroportées s’est déroulée en fait entre le 7 et le 9 août, période de fortes températures (autour de 35°C en Ile-de-France).

Importance relative des émission locales/régionales?
L’étude de cette POI a montré que la pollution photo oxydante en Ile-de-France est due à la superposition d’une pollution transportée depuis des régions éloignées (dans ce cas l’Europe du Nord) et des émissions locales. La figure 1 (voir pages couleurs) montre la trajectoire d’un des vols effectués assez loin autour de l’Ile-de-France par l’avion MERLIN de METEO-France, le 9 août 1998 au matin, vers 900 m d’altitude, et les valeurs des concentrations en ozone relevées (en ppb) au cours de ce vol. Pour référence, l’information au public est donnée lorsque la concentration dépasse 90 ppb. La masse d’air se déplace globalement du Sud vers le Nord, très lentement. Dans l’après-midi, l’Ile-de-France sera donc soumise à la masse d’air correspondant à la branche sud de la trajectoire de l’avion, avec des concentrations déjà élevées le matin (vers 80 ppb).

Afin de comprendre l’origine des masses d’air rencontrées au long de la trajectoire de l’avion, nous avons superposé sur la figure deux rétro-panaches, calculés à partir des champs de vent du modèle ARPEGE de METEO-France. Ces rétro-panaches donnent l’origine des particules d’air arrivant aux deux points sud-ouest et nord-est de la trajectoire de l’avion. Les points colorés marquent la position de 50 particules d’air toutes les 24 heures (jusqu’à 7 jours avant l’arrivée) précédant cette arrivée.

Pour le point nord-est, nous voyons que la masse d’air a traversé le nord de la France, le Bénélux, sur environ 1-2 jours, et auparavant provient de la Manche et de l’Atlantique. Les concentrations d’ozone à l’arrivée atteignent environ 60 ppb, une valeur modérée. En revanche, l’air arrivant au point sud-ouest de la trajectoire de l’avion a séjourné sur des zones continentales pendant plus de 5 jours, en traversant des zones de fortes émissions. Les concentrations d’ozone à l’arrivée dépassent les 80 ppb.

Les conclusions tirées de cette étude de cas semblent assez systématiques. Il s’avère que la région parisienne est fréquemment soumise, lors d’épisodes anticycloniques, à des vents de nord-est permettant à la masse d’air de collecter des émissions de précurseurs d’ozone sur les zones continentales, donnant lieu à une pollution de fond importante. Cette pollution se superpose à celle créée par l’agglomération, mais peut en représenter l’essentiel. Le 9 août, les concentrations d’ozone observées dans l’agglomération parisienne atteignent environ 90-100 ppb, donc des valeurs assez proches de celles observées en amont de l’Ile-de-France. Ceci démontre que, dans des cas comme celui-là, des réductions seules d’émissions en Ile-de-France ne pourraient pas fortement diminuer la pollution photo oxydante dans la zone de l’agglomération.

Simulation de l’épisode Août 1998
La formation de l’épisode de grande échelle d’août 1998 est bien illustrée par la figure 2 qui montre la simulation de la période du 8 août 1998 au 11 août 1998 par le modèle continental CHIMERE (IPSL) développé au cours du projet ESQUIF. En début de période, les régions autour des zones d’émissions sont touchées par des concentrations élevées d’ozone. Le 11 août, jour où les records sont battus en Ile-de-France, une vaste "bulle" de pollution s’est formée due à l’agglomération des panaches des grandes villes. Les observations d’ozone en surface correspondent assez bien à cette simulation. Le modèle sous-estime néanmoins les concentrations dans le sud de la France.

Rôle des émissions naturelles
Une autre question concerne le rôle des émissions naturelles. Lors des différentes POI d’ESQUIF, nous avons remarqué que les concentrations d’ozone et de précurseurs (hydrocarbures, oxydes d’azote) étaient systématiquement élevées lors d’épisodes très chauds (30 degrés ou plus), même si la masse d’air n’a traversé que des régions d’émissions anthropiques modérées ou faibles. Il semble donc, et cela reste à confirmer par la modélisation, que les émissions naturelles jouent un rôle important par forte chaleur. Les premiers tests de sensibilité avec les modèles CHIMERE et MESO-NH vont dans ce sens. L’amplification des concentrations d’ozone par les émissions naturelles pour la période de la POI2 serait, selon les hypothèses (ces émissions sont très incertaines), de 10 à 30 ppb d’ozone. Il est à noter que les hydrocarbures naturels ne peuvent pas contribuer à la pollution photo oxydante en l’absence d’oxydes d’azote, généralement émis par les processus de combustion, de source anthropique. Ceux-ci peuvent également être émis en quantité importante (l’incertitude est encore très grande) par les sols lors d’épisodes très chauds dans les régions fortement agricoles (cycles des espèces azotées liées aux engrais). Ainsi, la séparation biogénique/anthropique (d’origine urbaine) pour la responsabilité de la formation d’épisodes photo oxydants de grande échelle est subtile.

Panache d’ozone
A l’échelle régionale, une étude détaillée du panache de pollution de la région parisienne est en cours. Son extension et sa composition sont à l’étude, sur plusieurs cas. L’étude de l’amplitude et la composition de ce panache permettra non seulement d’évaluer les inventaires d’émissions anthropiques actuelles, mais aussi de déterminer quels sont les polluants primaires les plus sensibles pour la formation de ce panache. La figure 3 montre, par exemple, les mesures d’ozone effectuées sur l’Ile-de-France par le LISA sur l’avion ARAT (INSU/IGN), le 17 juillet 1999, lors de la formation d’un panache d’ozone intense.

La figure 4 montre la simulation correspondante effectuée au moyen du modèle CHIMERE sur l’Ile-de France, et aussi les mesures d’ozone effectuées à bord de l’avion DIMONA (METAIR/JULICH). On notera le bon accord en moyenne entre résultats des simulations et mesures. La comparaison systématique des mesures et des simulations issues des différents modèles sur toutes les POI et sur l’ensemble des polluants mesurés permettra de déterminer quelles sont les principales faiblesses de ces modèles et de proposer des solutions pour y remédier, afin de mieux prévoir les épisodes de pollution

Conclusion
Bien d’autres résultats sont à attendre du projet ESQUIF, notamment en ce qui concerne les aérosols, leur composition et leur effet sur le rayonnement. La campagne intensive ayant eu lieu lors de l’été 2000, ces résultats sont à attendre plutôt au cours de l’année 2001.

Enfin, la masse de données acquises permettra de confronter les modèles numériques de simulation à la réalité, et les différences permettront d’évaluer leurs déficiences majeures. Les modèles utilisés pour ESQUIF font l’objet d’une inter-comparaison sur les différentes POI.


Contact :
Robert Vautard, coordinateur
Laurent Menut
LMD Polytechnique
(CNRS, ENS, Univ. Paris 6, Polytechnique)
91128 Palaiseau cedex
vautard@lmd.polytechnique.fr
menut@lmd.polytechnique.fr



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