Mod lisation des circulations atmosph riques pour l tude de la pollution des vall es alpines
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MOD É LISATION DES CIRCULATIONS ATMOSPH É RIQUES POUR L’ É TUDE DE LA POLLUTION DES VALL É ES ALPINES. Guillaume BRULFERT sous la direction de Jean-Pierre CHOLLET Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels Université Joseph Fourier, INPG, CNRS. Plan. Programme POVA

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Guillaume BRULFERT sous la direction de Jean-Pierre CHOLLET

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Presentation Transcript


Mod lisation des circulations atmosph riques pour l tude de la pollution des vall es alpines

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

POVA


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

  • 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


Syst me de mod les

Système de modèles


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Système de modèles

Météorologie

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

Modèle régional de prédiction de l’ozone pour les limites du domaine TAPOM [Schmidt, 2001].

Propriétés du terrain

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 mod le

Validation du modèle


Stations sol

Stations sol

Tunnel

Période d’Observation Intensive

O3, NO, NO2, VOC, PM10

Données météo sur l’ensemble des sites


Mesures en altitude

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 téléphériqueO3, temp, humidity


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Validation de la dynamique


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Profileur de vent – direction à Chamonix

ARPS - 300 m

Radar UHF « windprofiler »

Même comportement jour après jour

0

V4

S5

D6

L7

M8

M9

J10

V11


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Profileur de vent – direction à Modane

ARPS - 300 m

Radar UHF « windprofiler »

Même comportement jour après jour

Anomalie le 27

M24

V27

M25

J26

J28

V29

S30


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Validation de la chimie


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Pollution primaire


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de la Maurienne, l’été

Urbain dense

Urbain

Site de fond


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de Chamonix, l’été

2

Urbain

1

Autoroute

Site de fond

4

3

Résidentiel

4

3

Impact de la pollution primaire seulement près des sources.

2

1


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de Chamonix, l’hiver

Autoroute

Urbain

Site de fond

Conditions météo changeantes…


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Pollution secondaire


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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)


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de Chamonix, l’été

Autoroute

Urbain

2

Urbain

Site de fond


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de Chamonix, l’hiver

Urbain

Site de fond

Temps d’adaptation nécessaire au modèle: 6h


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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 grande chelle

Influence de la chimie à grande échelle


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Mise en évidence du panache

émissions

conditions de fond

Soustraction des conditions de fond


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de la Maurienne, l’été

O3 (ppb)

Simulation du 28 Juin avec l’ensemble des émissions.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Vallée de la Maurienne, l’été

O3 (ppb)

Simulation du 28 Juin sans aucune émission: seule les conditions de fond sont représentées


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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...


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Indicateur de production de l’ozone

O3

NO2

ppbV

ppbV

hV

WO3

ppbV/h

 1/h

Tunnel

Site de destruction:

NO +O3 → NO2 + O2


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Indicateur de production de l’ozone

WO3

1/h

ppbV/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 chamonix l hiver

Etude des COV à Chamonix, l’hiver


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

Résultats de simulations:

contribution des principales sources (moyenne hebdomadaire).


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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….


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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.


Guillaume brulfert sous la direction de jean pierre chollet

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...).


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