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Les modèles mis en oeuvre dans PREV'AIR

• Modélisation Déterministe Tridimensionnelle
• Résolution Numérique
• Processus Physico-Chimiques
• Données d'Entrée
• Références

Les prévisions à trois jours d’échéance et les cartographies de la qualité de l’air diffusées quotidiennement sur le serveur PREV’AIR sont le résultat de simulations numériques effectuées à l’aide de modèles eulériens déterministes tridimensionnels (dits "de chimie-transport"). Ces outils, pour des périodes de temps allant de quelques jours à plusieurs mois, de calculer l’évolution de la pollution photo-oxydante et particulaire dans les basses couches de l’atmosphère, à différentes échelles spatiales.

Les modèles utilisés dans le système PREV’AIR sont développés par les partenaires du projet :

• L’Institut Pierre-Simon Laplace du Centre National de Recherche Scientifique (IPSL / CNRS) et l’INERIS pour le modèle CHIMERE ,
• Le Centre National de Recherches Météorologiques de Météo France (CNRM / Météo France) pour le modèle MOCAGE

Modélisation Déterministe Tridimensionnelle

Un domaine tridimensionnel englobe les basses couches de l’atmosphère au dessus de la région d’intérêt. Au sein de ce domaine tridimensionnel, et pour la période choisie, l’évolution des concentrations de polluants - pilotée par les conditions météorologiques et les émissions de polluants dans l’atmosphère - est calculée de manière déterministe, i.e. en reliant les variations temporelles de celles-ci aux phénomènes de transport ainsi qu’aux processus physico-chimiques de production et perte des composés chimiques ; aux concentrations des composés chimiques aux limites du domaine ; aux concentrations des composés chimiques au début de la période de temps considérée (" concentrations initiales ").

Résolution Numérique

Un système d’équations aux dérivées partielles (EDP) traduit en termes mathématiques - " modélise " - cet ensemble complexe de phénomènes.

Le système d’EDP qui décrit le transport et la physico-chimie de la pollution atmosphérique est ensuite résolu numériquement sur des machines de calcul, à l’aide d’un schéma numérique adapté au type d’EDP à traiter.

Dans une approche eulérienne tridimensionnelle, les EDP sont projetées dans chacune des trois directions spatiales.

La résolution numérique des équations projetées implique la discrétisation spatiale du domaine tridimensionnel considéré : celui-ci est décrit par un maillage horizontal et vertical, dont la résolution spatiale dépend :

• de la taille du domaine,
• des propriétés -notamment de la durée de vie - des polluants,
• des ressources informatiques (performances des machines de calculs, en terme de rapidité d’exécution mais aussi en terme de stockage des résultats),
• des données d’entrée (en particulier des cadastres d’émissions).

Les concentrations calculées par les modèles dans chaque maille de la grille modèle sont des concentrations moyennes, qui seraient observées si un mélange parfait existait dans chaque maille, ce qui n’est pas le cas en général.

De la même manière, la résolution numérique des EDP implique la discrétisation temporelle de la période à laquelle on s’intéresse. L’évolution des concentrations de polluants est calculée avec une résolution temporelle (définie par un pas de temps) qui dépend du maillage spatial, de la durée de la période considérée, et bien sûr, des propriétés des polluants, des ressources informatiques et des données d’entrée.

Processus Physico-Chimiques

Dans les modèles déterministes de chimie transport mis en œuvre dans le cadre du système PREV’AIR, l’évolution au cours du temps des concentrations de polluants est calculée en reliant la variation en temps des concentrations de polluants sur le domaine à des processus physico-chimiques, qui augmentent (processus de production) ou diminuent (processus de perte) la concentration d’une espèce chimique dans l’atmosphère.

Les processus physico-chimiques habituellement: pris en compte dans les modèles de chimie-transport sont les suivants: La dispersion horizontale des espèces chimiques par la composante horizontale du vent. Ce processus est important pour une espèce comme l’ozone qui peut être transportée sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres. La dispersion verticale des espèces chimiques par la composante verticale du vent et par la convection verticale, qui se produit en particulier sous l’effet du chauffage du sol par le soleil: peu importante pendant la nuit, la convection verticale se développe au cours de la matinée, formant une couche de mélange, qui "s’écroule" en fin de journée. Le dépôt sec sur le sol des espèces chimiques. L’importance de ce processus de dépôt dépend de l’espèce chimique considérée, du type de sol et des conditions atmosphériques. C’est un processus de perte des espèces chimiques, qui peut être prépondérant à grande échelle pour une espèce comme l’ozone. Les réactions chimiques. Les espèces chimiques présentes dans l’atmosphère interagissent chimiquement. Un cas particulier de réactions chimiques sont les réactions de photolyse activées par l’énergie solaire. Ainsi, la chimie de l’ozone fait intervenir des précurseurs que sont les oxydes d’azote (NOx) et les Composés Organiques Volatils (COVs). Cependant ces derniers regroupent plusieurs milliers d’espèces que l’on ne peut prendre en compte de manière exhaustive lors de la mise en oeuvre opérationnelle d’un modèle de qualité de l’air. Aussi des hypothèses simplificatrices sont faites, visant à réduire le nombre d’espèces et de réactions chimiques considérées, et à optimiser les temps de calcul.
Pour les particules, d'autres processus physico-chimiques sont à l'oeuvre: nucléation, condensation, aggrégation... On parle plus généralement de microphysique et chimie des aérosols . Dans l’atmosphère, les réactions d’oxydation tendent à former des produits à faible tension de vapeur saturante (donc fortement condensables). Ces espèces oxydées peuvent former par nucléation de nouvelles particules, ou bien se condenser directement sur les particules existantes. Les particules s’agglomèrent entre elles pour former de nouvelles particules (processus de coagulation). En outre, les particules se comportent comme de véritables catalyseurs de réactions chimiques impliquant certaines espèces gazeuses (NO2, N2O5, HO2). Au sein des nuages une chimie aqueuse complexe est à l’origine de la formation de sulfates particulaires. Les particules sont déposées par gravité, par diffusion brownienne et aussi très efficacement lessivées par les précipitations.

Données d’Entrée

Afin d’estimer les flux de production ou de perte en polluants, liés aux processus physico-chimiques, un certain nombre de données d’entrée doit être fournis aux modèles de chimie transport, en particulier des données météorologiques et d’émission de polluants. Ces données d’entrée sont obtenues auprès de nombreux organismes.

• Les modèles de chimie-transport ne produisent pas leurs propres données météorologiques, nécessaires à l’évaluation des flux liés aux processus de dispersion, mélange, dépôt, aux réactions chimiques, etc… Par conséquent, il est nécessaire de leur fournir en entrée des données météorologiques, sur le domaine de modélisation et la période que l’on souhaite simuler. Dans le cadre de PREV'AIR, les modèles mis en oeuvre utilisent des données issues de modèles météorologiques.
• Le domaine sur lequel sont calculées les concentrations de polluants par les modèles n’est pas isolé de l’espace qui l’entoure: des espèces chimiques sont transportées depuis l’"extérieur" vers le domaine de modélisation. Les concentrations de polluants aux limites du domaine de modélisation sont donc spécifiées sous la forme de données d’entrée des modèles.
• Les émissions de précurseurs, COVs et NOx, doivent être fournies en entrée aux modèles. Ces émissions sont le fait de sources ponctuelles, linéaires, surfaciques, d’origine anthropique ou naturelle. La donnée des émissions consiste en la donnée des quantités émises dans chaque maille du domaine, à chaque instant, et de la composition chimique des émissions.
• Le processus de dépôt sec pour une espèce chimique donnée dépend du type de sol. Egalement, les émissions de COVs par les végétaux dépendent du type de couvert végétal. Ces inventaires (type de sol, essences végétales, ...) sont pris en compte par le modèle sur le domaine considéré.
• Enfin, les concentrations initiales doivent être spécifiées en entrée des modèles.

Références

AEAT/ENV/R/0545 report, Speciation of UK emissions of NMVOC, N.R. Passant, February 2002

Derognat, C., 2002, Pollution photo-oxydante à l’échelle urbaine et interaction avec l’échelle régionale, thèse de doctorat, Université Paris 6

Hauglustaine, D.A., Brasseur, G.P., Walters, S., Rasch, P.J., Muller, J.-F., Emmons, L.K. and Carroll, M.A., 1998, MOZART : A global chemical transport model for ozone and related chemical tracers, 2. Model results and evaluation, Journal of Geophysical Research, 103, 28291-28336

Horowitz, L.W., Walters, S., Mauzerall, D.L., Emmons, L.K., Rasch, P.J., Granier, C., Tie, X., Lamarque, J.-F., Schultz, M.G. and G.P. Brasseur, 2003, A global simulation of tropospheric ozone and related tracers: Description and evaluation of MOZART, version 2, J. Geophys. Res., in press

Lattuati, M., 1997, Impact des émissions européennes sur le bilan de l’ozone troposphérique à l’interface de l’Europe et de l’Atlantique Nord: apport de la modélisation lagrangienne et des mesures en altitude, thèse de doctorat, Université Paris 6

Simpson, D., Winiwarter, W., Borjesson, G., Cinderby, S., Ferreiro, A., Guenther, A., Hewitt, C.N., Janson, R., Khalil, M.A.K., Owen, S., Pierce, T.E., Puxbaum, H., Shearer, M., Steinbrecher, S., Svennson, B.H., Tarrason, L., and M.G. Oquist, 1999, Inventorying emissions from nature in Europe, J. Geophys. Res., 104 (D7) 8113-8152