modÉlisation des circulations atmosphÉriques pour l Étude de la pollution des vallÉes alpines...
TRANSCRIPT
MODMODÉÉLISATION DES CIRCULATIONS LISATION DES CIRCULATIONS ATMOSPHATMOSPHÉÉRIQUES POUR L’ RIQUES POUR L’ ÉÉTUDE DE LA TUDE DE LA
POLLUTION DES VALLPOLLUTION DES VALLÉÉES ALPINESES 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)
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
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
Programme POVA
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)
4 périodes d’une semaine dans chaque vallée
Système de modèles
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
Caractéristiques de la valléeLes 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.
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
L’inventaire:Air de l’Ain 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 l’ozone pour les limites du domaine TAPOM [Schmidt, 2001].
MM5 force le domaine d’intérêt
Système de modèles
Validation du modèle
Stations sol
Les Houches
Clos de l'OursCham onix centre
Bois du Bouchet
Argentière
Col des Montets
5 km
Vallée de l' A r ve
010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600
Altitude (m )
Longitude Latitude Altitude (m)
Nom Type de station
6.81191 45.89213 1050 Les Houches
Résidentielle
6.85527 45.90933 1080 Auberge de
jeunesse
Résidentielle
6.85998 45.91396 1034 Clos de l'Ours
Résidentielle
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
Résidentielle
6.92943 45.98622 1250 Argentière Résidentielle
6.92289 46.00392 1464 Col des Montets
Rurale
Tunnel
O3, NO, NO2, VOC, PM10 Données météo sur l’ensemble des sites
Période d’Observation Intensive
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
Validation de la dynamique
Profileur de vent – direction à Chamonix
Radar UHF « windprofiler »ARPS - 300 m
Les Houches
Clos de l'OursCham onix centre
Bois du Bouchet
Argentière
Col des Montets
5 km
Vallée de l' A r ve
010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600
Altitude (m )
0D6 L7V4 S5 M8 M9 J10 V11
Même comportement jour après jour
Radar UHF « windprofiler »ARPS - 300 m
J26 V27M24 M25 J28 V29 S30
Même comportement jour après jour
Profileur de vent – direction à Modane
Anomalie le 27
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.
Bilan pour la dynamique
Validation de la chimie
Pollution primaire
Vallée de la Maurienne, l’été
NO2 St Jean
0
20
40
60
80
100
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model St Jean
NO2 Modane
0
20
40
60
80
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0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
Modane model
NO2 Arvan
0
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40
60
80
100
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
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:00
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0
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:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
model Arvan
Urbain dense Urbain
Site de fond
Vallée de Chamonix, l’été
NO2 BOSSONS
0
20
40
60
80
100
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
model BOSSONS
NO2 CLOS DE L'OURS
0
20
40
60
80
100
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model CLOS DE L'OURS
NO2 ARGENTI ERE
0
10
20
30
40
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model ARGENTIERE
Les Houches
Clos de l'OursCham onix centre
Bois du Bouchet
Argentière
Col des Montets
5 km
Vallée de l' A r ve
010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600
Altitude (m )
NO2 COL DES MONTETS
0
5
10
15
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model COL DES MONTETS
Autoroute
Urbain
Résidentiel
Site de fond
Impact de la pollution primaire seulement près des sources.
1
2
3
4
12
3
4
Vallée de Chamonix, l’hiver
NO2 BOSSONS
0
20
40
60
80
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model BOSSONS
NO CHAMONIX CENTRE
0
100
200
300
400
500
600
700
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model CHAMONIX CENTRE
NO COL DES MONTETS
0
5
10
15
20
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model COL DES MONTETS
Autoroute
Urbain
Site de fond
Conditions météo changeantes…
Pollution secondaire
Vallée de la Maurienne, l’été
O3 St Jean
0
20
40
60
80
100
0:00
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0
0:00
12:0
0
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0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
model St Jean
O3 Arvan
0
20
40
60
80
100
0:0
0
12
:00
0:0
0
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0:0
0
12
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0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
model Arvan
O3 Modane
0
20
40
60
80
100
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
12
:00
0:0
0
model Modane
Urbain dense
Urbain
Site de fond Journée : NO2+ hν → NO + O. (R1)
La nuit : NO2+ hν → NO + O
NO + O3 → NO2 + O2 (R2)
Augmentation chimique et/ou dynamique
Vallée de Chamonix, l’été
O3 BOI S DU BOUCHET
0
20
40
60
80
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model BOIS DU BOUCHET
Urbain 03 COL DES MONTETS
0
20
40
60
80
100
0:00
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0
0:00
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0
0:00
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0
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0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
model COL DES MONTETS
2
Site de fond
O3 HOUCHES
0
20
40
60
80
100
0:00
12:0
0
0:00
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0
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0
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0
0:00
model LES HOUCHES
Autoroute
O3 CHAMONI X CENTRE
0
20
40
60
80
100
0:00
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0
0:00
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0
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0:00
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0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
model CHAMONIX CENTRE
Urbain
03 CLOS DE L'OURS
0
20
40
60
80
0:00
12:0
0
0:00
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0
0:00
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0
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0
0:00
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0
0:00
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0
0:00
model CLOS DE L'OURS
Vallée de Chamonix, l’hiver
03 PLAN DE L'AIGUILLE
0
20
40
60
80
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
model PLAN DE L'AIGUILLE
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
REGIONAL INFLUENCE
0
20
40
60
80
0:00
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0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
COL DES MONTET BOIS DU BOUCHET
Influence régionale
Regional influence of O3. Daily max compare with 'Col des Montets'
y = 0.8376x + 9.9723R2 = 0.866
50
55
60
65
70
75
80
50 60 70 80
Daily max of [O3] (ppb)
[O3]
Co
l des
Mo
nte
ts (
pp
b)
Regional influence of O3. Daily max compare with 'Plan de l'aiguille'
y = 0.8577x + 9.7326R2 = 0.7907
50
55
60
65
70
75
80
50 60 70 80
Daily max of [O3] (ppb)
[O3]
Pla
n d
e l'a
igu
ille
(p
pb
)
Corrélation entre le maximum journalier de l’ozone et la concentration des stations de fond à la même heure.
Forte influence régionale
Vallée de Chamonix, l’été
Ozone sur les sites de la Maurienne
0
20
40
60
80
1000:
00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
12:0
0
0:00
St Jean Sollières Orelle Modane Arvan fond régional
Comparaison entre le niveau régional de l’ozone et les valeurs des sites de la vallée de la Maurienne
Influence régionale Vallée de la Maurienne, l’été
Etude du rapport (1-NOx/Noy) [Berkowitz, 2004]: NOy=NOx+HNO3+PAN
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1-(NOx/NOy)
O3
(pp
b)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1-(NOx/NOy)
O3
(pp
b)
Le 27 Juin avec l’ensemble des sources. Le 27 Juin sans aucune émission (chimie régionale seule)
plus la concentration d’ozone est élevée, plus l’âge de la masse d’air est important
Tend vers 0 pour des panaches jeunes (NOx ≈ NOy) Tend vers 1 pour des panaches âgés (NOx ≈ 0)
la masse d’air est déjà chargée en ozone en arrivant au dessus de la vallée
Age photochimique de la masse d’air
Mise en évidence du panache
conditions de fond
émissions
Soustraction des conditions de fond
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 la Maurienne, l’été
O3 (ppb)
Plan de l’aiguille est constamment soumis aux conditions de la troposphère libre.
Simulation du 7 Juillet 2003
Vallée de Chamonix, l’été
O3 (ppb) O3 (ppb)
Différence entre la simulation du 7 Juillet et la même simulation avec seulement les conditions de fond
Simulation du 17 Janvier 2003 Différence entre la simulation du 17 Janvier et la même simulation avec seulement les conditions de fond
Vallée de Chamonix, l’hiver
O3 (ppb) O3 (ppb)
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:
Indicateur de production de l’ozone
transport
diffusion turbulente
déposition séche
production nette de O3
taux de production
taux de consommation
3Oi
3
g
d
j
3jj
ji
3i
3 Wx
]O[
z
v
x
])O[K(
xx
]O[U
t
]O[
3OOO OLPW333
WO3 est la production globale: + ou -
Site de production si > 0 Site de consommation si < 0
Indicateur de production de l’ozone
Les valeurs importantes ne sont pas systématiquement sur le même site!
ø ø
t),(]O[
d),(W
t),ø(3
hour2/1t
hour2/1t
O3
x
x
x
hV
WO3
O3NO2
ø
1/hppbV/h
ppbV ppbV
Tunnel
Site de destruction:NO +O3 → NO2 + O2
Indicateur de production de l’ozone
Lundi 7 Juillet 2003 7h00
ø [O3]
Valeurs élevées et négatives [O3] faibles
Mise en évidence d’un site important de destruction de l’ozone
Indicateur de production de l’ozone
Les Houches
Clos de l'OursCham onix centre
Bois du Bouchet
Argentière
Col des Montets
5 km
Vallée de l' A r ve
010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600
Altitude (m )
Scenario…Coupure de l’ensemble du trafic de 6h00 à 9h00
Indicateur de production de l’ozone
Augmentation d'O3 (ppb) - Autoroute et tunnel - 07/07/2003
-10
0
10
20
30
40
50
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:0
0
12:0
0
14:0
0
16:0
0
18:0
0
20:0
0
22:0
0
O3
cas
red
uct
ion
de
traf
ic -
O3
cas
de
bas
e
Augmentation d'O3 - entrée du tunnel Augmentation d'O3 - autoroute
Indicateur - 7 Juillet 2003- Autoroute
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
indicateur 7/7/2003 indicateur 7/7/2003 sans trafic entre 06:00-09:00
Réponse immédiate du modèle aux changements d’émissions
ø
1/hppbV/h
Indicateur de production de l’ozoneAugmentation d'O3 (ppb) - Autoroute et tunnel -
07/07/2003
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Augmentation d'O3 - entrée du tunnel Augmentation d'O3 - autoroute
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.
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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)
La réponse des modèles aux COV est peu étudiée.
Mais les COV peuvent être:cancérogène tératogène
Etude des COV à Chamonix, l’hiver
Sources anthropiques Sources biogéniquesSources
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
Résultats de simulations: contribution des principales sources (moyenne hebdomadaire).
Chamonix
chauffage22%
trafic42%
fond régional18%
autres sources18%
Le Clos
chauffage20%
trafic47%
fond régional21%
autres sources12%
Les Houches
chauffage11%
fond régional45%
autres sources31% trafic
13%
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….
Principales sources anthropiques
chauffage13%
solvants35%
trafic52%
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...).
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