Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Modélisation de la pollution atmosphérique“

L'évolution de la chimie des sols et des eaux dans trois petits bassins-versants subméditerranéens granitiques recevant d'importants apports atmosphériques de S04 et de poussières sahariennes a été simulée, de 1845 à 2125, en utilisant le modèle MAGIC. Ce modèle biogéochimique global comporte une série de relations d'équilibre entre les phases gazeuse, liquide et solide (adsorption de soufre, solubilité de l'aluminium, échanges cationiques, système C02/carbonates, dissociation des acides organiques) et une comptabilisation des flux d'éléments (entrées atmosphériques, sorties hydrologiques, immobilisation biologique, altération). Les bassins versants diffèrent par l'historique récente de leur utilisation par l'homme : la pelouse pâturée qui les recouvraient en 1845 n'a subsisté que dans un bassin : elle a été remplacée vers 1930 par une pessière dans l'un des bassins, et colonisée, après abandon, par une hêtraie dans l'autre. Les simulations montrent que le bassin couvert de pelouse a peu souffert de l'augmentation de l'acidité des pluies au cours du XXe siècle, et pourrait subir les apports actuels pendant plus de 100 ans sans dommage. Les deux bassins forestiers s'acidifient fortement depuis 1970 par les effets combinés de la pollution et des reboisements. Pour la pessière, seule une réduction d'au moins 60 % des apports soufrés permettrait d'inverser le processus. Le vieillissement naturel de la hêtraie produirait une amélioration même sans réduction des dépôts acides, en diminuant le taux d'assimilation de cations. Les deux facteurs acidifiants agissent donc en synergie, mais dans le cas de la pessière l'augmentation des apports acides due à l'effet filtrant des frondaisons est prépondérant, alors que dans la hêtraie, la forte immobilisation cationique dans la biomasse perenne jolie un plus grand rôle.

L’identification des sources de pollution et de leurs contributions à partir des mesures dans leur environnement a été traitée par deux approches, adaptées à deux problématiques différentes. Dans le premier cas, l’objectif est l’identification des sources en aveugle, par leurs profils (signatures), suivie éventuellement par la détermination de leurs contributions. Il s’agit de sources complexes, dont le profil d’émission est inconnu et comprend plusieurs espèces. C’est à travers les mesures des différentes espèces dans l’environnement, en utilisant des méthodes statistiques de reconnaissance des formes (ACP, PMF, CAH, ACPN, ACI), qu’on cherche à mettre en évidence les profils des sources. L’intérêt général de cette problématique s’inscrit dans le cadre de l’évaluation de l’impact des sources d’aérosols. Dans le deuxième cas, la différenciation entre les sources ne se fait plus par leur profil, car il s’agit d’une seule espèce chimique, et on se propose d’estimer les contributions (en termes d’émission) des sources chroniques et connues. Nous avons développé un couplage original entre le modèle gaussien de Pasquill et les algorithmes génétiques, pour résoudre le problème inverse : déterminer les émissions des sources à partir des mesures d’un réseau de surveillance de la qualité de l’air. L’estimation de ces émissions peut se faire dans un but de surveillance des sources ou bien d’inventaire et analyse des émissions. Nos résultats montrent les différentes configurations liées à l’inversion d’un modèle physique et débouchent sur le développement d’une méthodologie permettant une conception optimale d’un réseau de mesure permettant de remonter aux émissions des sources
The identification of the pollution sources and their contributions using the measures in their environment was treated by two approaches, adapted to two different problems. In the first case, the objective is the identification of the sources as a blind source separation, by their profiles (fingerprints), and the estimation of their contributions. They are complex sources, whose emission profiles are unknown and include several species. It is through the measurements of the various species in the environment, by using statistical methods of pattern recognition (PCA, PMF, HC, KPCA, ICA), that we determined the sources profiles. The general interest of these problems lies within the evaluation of the impact of the aerosols sources. In the second case, the separation among the sources is not done any more by their profile, because there is only one chemical species; in this case, the purpose is to estimate the contributions of the chronic and known sources. We developed an original coupling between the Pasquill gaussian model and the genetic algorithms, to solve the inverse problem: source emission estimation from the measurements of an air quality monitoring network. This estimation can be realized with the aim of sources monitoring or emission inventory. Our results revealed various configurations related to the inversion of a physical model and led to the development of a methodology allowing an optimal network design

L'objectif général de ce travail est de proposer un modèle prédictif de l'exposition individuelle à la pollution photo-chimique (NO2 et O3) permettant d'estimer la quantité de polluants à laquelle un sujet est exposé en fonction d'un nombre limité de variables environnementales, sociales, domestiques et d'exposition agrégées. Dans cette optique, une étude portant sur 600 personnes a été mise en place sur 2 villes de la région Languedoc-Roussillon (300 personnes sur la ville de Montpellier et 300 personnes sur la ville de Nîmes). Préalablement à la phase de modélisation, une étude de la fiabilité de la méthode de l'échantillonnage passif utilisée pour les mesures individuelles a été réalisée. Différents modèles de l'exposition individuelle pour les deux polluants étudiés sont ensuite présentés et discutés. Pour le NO2 les résultats montrent une grande influence de la pollution de l'habitat sur la pollution individuelle. Le tabagisme actif, le temps passé en transport et la saison constituent également des facteurs influençant l'exposition individuelle au NO2. Les résultats obtenus pour l'O3 sont moins stables car les paramètres météorologiques peuvent perturber directement la mesure par échantillonnage passif. Cependant, le modèle met notamment en évidence l'influence de la saison (exposition plus forte en été) et de l'environnement extérieur à l'habitat. Les personnes actives sont moins exposées, les horaires classiques de travail correspondant aux périodes de la journée où les niveaux d'ozone sont les plus élevés.

Pour évaluer l'impact d'une exposition à long terme à une pollution atmosphérique, il est nécessaire de procéder à des simulations sur de longues périodes (plusieurs mois, voire plusieurs années). Dans certains cas comme la pollution photochimique, le temps de calcul est rédhibitoire. Cela pousse soit vers une intensification des calculs grâce à la parallélisation, soit vers la simulation de scénarios représentatifs. Durant cette thèse, nous avons procédé à la parallélisation du code TRANSCHIM. L'efficacité obtenue pour des simulations avec une chimie photo oxydante est satisfaisante, mais le gain de temps reste limité pour des simulations inertes. De plus, dans le cadre du projet CITY DELTA, une méthode de scénarios épisodiques a été développée pour évaluer les concentrations de fond sur la région parisienne. Cette méthode, basée sur le tri statistique de journées météorologiques, a été validée par confrontation aux mesures de capteurs pour la période étudiée (avril à septembre 1999).

La plupart des épisodes de pollution atmosphérique intense apparaissent lors des situations des vents faibles. Les modèles de pollution atmosphérique surestiment ou sous-estiment les concentrations dans ces conditions, en fonction des modèles des écarts-types (σi avec i=x,y,z) de dispersion auxquels ils sont associés. Ceci a été mis en évidence dans la première partie de cette thèse où on a évalué l’efficacité de 5 modèles de dispersion associés à 6 modèles des écarts-types, en se servant de 5 bases des données internationales. Dans la deuxième partie, nous avons développé deux modèles écarts-types de dispersion (S_LMEE_Ond et S_LMEE_Taylor) à partir de bases de données expérimentales appropriées. On a montré ainsi que pour les vents faibles, la vitesse instantanée du vent est non-stationnaire et qu’elle est caractérisée par des fluctuations rapides (aléatoires ou turbulentes) et des fluctuations lentes (organisées). Les fluctuations turbulentes favorisent le mélange des particules à l’intérieur du panache et les fluctuations lentes entrainent leur transport horizontal. Les modèles des écarts-types développés dans cette thèse semblent mieux appropriés pour étudier la dispersion des particules par faibles vents. Le modèle S_LMEE_Taylor est fonction du module moyen de la vitesse du vent (V) et des écarts-types des fluctuations organisées (σu et σv). Des modèles ARX multivariables et autorégressifs ont été développés dans un environnement MATLAB pour la prédiction de ces paramètres avec un horizon de 10 mn et 30 min
The most intense air pollution episodes occur in situations of low winds. The air pollution models overestimate or underestimate the levels in these conditions, according to models of standard deviations (σi with i = x, y, z) dispersion which they are associated. This was highlighted in the irst part of this thesis where we evaluated the efficacy of five models of dispersal patterns associated with six standard deviations, using five international databases. In the second part, we have developed two models of dispersal standard deviations (S_LMEE_Ond and S_LMEE_Taylor) from experimental databases appropriate. It has been shown and for light winds, the wind speed is non-stationary and ischaracterized by rapid fluctuations (random or turbulent) and slow fluctuations (organized). Turbulent fluctuations promote mixing of particles within the plume and slow fluctuations leading to their horizontal transport. Models of deviations developed in this thesis seem more appropriate to study the dispersion of particles by low winds. The model is based on the module S_LMEE_Taylor average wind speed (V) and standard deviations of fluctuations organized (σu and σv). ARX models and multivariate autoregressive have been developed in MATLAB to predict these parameters with a 10 min and 30 min

La pollution générée par la circulation automobile au coeur de la ville ainsi que par les activités industrielles à sa périphérie est un problème aigu des grandes cités. Une fois émis dans l'atmosphère, les polluants subissent deux types de contraintes : d'une part ils réagissent chimiquement entre eux donnant naissance à de nouveaux polluants tels que l'ozone, et d'autre part ils sont transportés par les vents. Nous avons choisi de travailler à la fois sur les aspects dynamiques, thermiques et chimiques de la pollution ainsi et ce aux différentes échelles des phénomènes : l'échelle locale autour d'un groupe de bâtiments et la méso-échelle pour la modélisation complète d'une ville. Notre ambition n'est pas de réaliser un modèle complet mais d'avancer pas à pas sur chacun de ces aspects. Nous avons participé au développement d'un code de calcul qui pourra ensuite être complété et utilisé pour des études plus concrètes d'épisodes de pollution. Le premier chapitre est consacré à une description de la couche limite atmosphérique. Les chapitres deux et trois présentent les modèles utilisés et le résultat de simulations numériques. Nous insistons particulièrement sur les modèles de turbulence k-8, RNG et v 2-f, sur les modèles de rayonnement ainsi que les lois de paroi dynamiques et thermiques permettant la prise en compte de la rugosité de surface. Le dernier chapitre est consacré à la chimie de l'atmosphère. Nous avons également développé un solveur général traitant un nombre quelconque d'équations de transport couplées par une cinétique chimique raide ainsi qu'une cinétique simplifiée de l'ozone.

La pollution atmosphérique en milieu urbain a été identifiée comme une cause importante d’impacts sanitaires, y compris de décès prématurés. En particulier, les concentrations ambiantes de polluants gazeux tels que le dioxyde d’azote (NO2) et de particules (PM10 et PM2,5) sont réglementées, ce qui implique que des stratégies de réductions d’émissions doivent être mises en place pour diminuer ces concentrations dans les lieux où la réglementation correspondante n’est pas respectée. Par ailleurs, la pollution atmosphérique peut contribuer à la contamination d’autres milieux, par exemple à travers la contribution des dépôts atmosphériques à la contamination des eaux de ruissellement.Les aspects multifactoriels et multiéchelle de la pollution en ville rendent l’identification des sources difficile. En effet, le milieu urbain est un espace hétérogène caractérisé par des structures architecturales complexes (bâti ancien côtoyant un bâti plus moderne, zones résidentielles, commerciales, industrielles, axes routiers…), des émissions de polluants atmosphériques non uniformes et par conséquent une exposition de la population à la pollution qui est variable dans l’espace et le temps.La modélisation de la pollution atmosphérique urbaine a pour vocation de comprendre l’origine des polluants, leur étendue spatiale et leur niveau de concentrations/dépôt. Certains polluants ont des temps de résidence long et peuvent séjourner plusieurs semaines dans l’atmosphère (PM2,5) et donc être transportés sur de longues distances, d’autres au contraire, sont plus locaux (NOx en proximité du trafic). La répartition spatiale d’un polluant dépendra alors de plusieurs facteurs et notamment des surfaces rencontrées. La qualité de l’air, elle, dépend fortement des conditions météorologiques, du bâti (rue-canyon) et des émissions.L’objectif de cette thèse est de traiter certains de ces aspects en modélisant : (1) la pollution urbaine de fond avec un modèle de chimie-transport (Polyphemus/POLAIR3D), qui permet d’estimer les dépôts de polluants atmosphériques par type de surfaces urbaines (toits, murs et chaussées), (2) la pollution à l’échelle de la rue en intégrant explicitement les effets du bâti de manière tridimensionnelle avec d’une part un modèle multiéchelle de chimie-transport (SinG) et d’autre part un modèle de mécanique des fluides (Code_Saturne) et (3) un processus de micro-échelle qui est la réémission des particules présentes sur la chaussée par le trafic routier avec trois formulations différentes (déterministe, semi-empirique et empirique). L’intérêt de cette thèse est de pouvoir comparer et évaluer l’opérabilité et la performance de plusieurs modèles de qualité de l’air à plusieurs échelles (région, quartier et rue) afin de mieux appréhender la caractérisation de la qualité de l’air en milieu urbain
Urban air pollution has been identified as an important cause of health impacts, including premature deaths. In particular, ambient concentrations of gaseous pollutants such as nitrogen dioxide (NO2) and particulate matter (PM10 and PM2.5) are regulated, which means that emission reduction strategies must be put in place to reduce these concentrations in places where the corresponding regulations are not respected. Besides, air pollution can contribute to the contamination of other media, for example through the contribution of atmospheric deposition to runoff contamination.The multifactorial and multiscale aspects of urban make the pollution sources difficult to identify. Indeed, the urban environment is a heterogeneous space characterized by complex architectural structures (old buildings alongside a more modern building, residential, commercial, industrial zones, roads, etc.), non-uniform atmospheric pollutant emissions and therefore the population exposure to pollution is variable in space and time.The modeling of urban air pollution aims to understand the origin of pollutants, their spatial extent and their concentration/deposition levels. Some pollutants have long residence times and can stay several weeks in the atmosphere (PM2.5) and therefore be transported over long distances, while others are more local (NOx in the vicinity of traffic). The spatial distribution of a pollutant will therefore depend on several factors, and in particular on the surfaces encountered. Air quality depends strongly on weather, buildings (canyon-street) and emissions.The aim of this thesis is to address some of these aspects by modeling: (1) urban background pollution with a transport-chemical model (Polyphemus / POLAIR3D), which makes it possible to estimate atmospheric pollutants by type of urban surfaces (roofs, walls and roadways), (2) street-level pollution by explicitly integrating the effects of the building in a three-dimensional way with a multi-scale model of transport chemistry (SinG) and (3) a microscale process which is the traffic-related resuspension of the particles present on the road surface with three different formulations (deterministic, semi-empirical and empirical).The interest of this thesis is to compare and evaluate the operability and performance of several air quality models at different scales (region, neighborhood and street) in order to better understand the characterization of air quality in an urban environment

À la suite de son important développement économique, la société chinoise s’est transformée et fait face aujourd’hui à une crise environnementale globale. Au quotidien, le ciel des grandes villes chinoises s’est recouvert d’un épais brouillard de gaz et de particules, qui est à l’origine de plus de 1.6 millions de décès prématurés, ce qui fait de la Chine le pays le plus affecté par la pollution atmosphérique, avec son voisin, l’Inde. On retrouve en Chine, de nombreuses sources de pollution atmosphériques liées aux activités humaines[trafic, industrie, agriculture, production d’énergie, construction], mais aussi des sources de polluants d’origine naturelle, avec à l’Ouest, notamment les émissions de poussières minérales depuis les déserts d’Asie. La République Populaire de Chine a commencé à réglementer les activités pouvant dégrader la qualité de l’air. L’efficacité de telles actions est conditionnée par la connaissance fine de la part anthropique de cette pollution et de la relation complexe entre polluants primaires et secondaires. Dans cette thèse nous avons investigué d’une part l’impact des politiques de réduction des polluants primaires sur les concentrations d’ammoniac et plus généralement sur l’aérosol inorganique. D’autre part, la contribution de l’aérosol désertique sur la charge particulaire des grandes agglomérations chinoises. Pour cela, nous avons combiné des outils d’étude de l’atmosphère comme les instruments satellitaires et la modélisation numérique via le modèle de chimie-transport régional CHIMERE, afin d’étudier et de caractériser cette pollution atmosphérique en Chine. Dans un premier temps, nous avons procédé à une évaluation détaillée des simulations effectuées avec une configuration du modèle CHIMERE mise en place pour la Chine. Nous nous sommes appuyés sur les observations satellitaires, mesures de télédétection, et mesures in-situ des concentrations en particules et de leurs précurseurs gazeux [inorganiques]. Les résultats obtenus montrent un fonctionnement satisfaisant du modèle selon les critères donnés dans la littérature. Concernant l’impact des politiques de réductions des émissions – notamment pour les oxydes de soufre et d’azote, les sondages de l’instrument OMI à bord du satellite AURA permettent de constater une diminution rapide des colonnes atmosphériques de dioxyde de soufre et de dioxyde d’azote, comme réponse aux normes mises en place en Chine. À partir de ces observations, il a été possible de dériver des émissions corrigées [par rapport à l’inventaire 2010 disponible] pour les années 2013 et 2015 pour les NOX et le SO2. Cette représentation des tendances d’émissions a ensuite été exploitée pour étudier les impacts sur la Chimie atmosphérique, notamment sur les bilans des particules inorganiques et des gaz associés comme l’ammoniac dont les concentrations semblent augmenter fortement ces dernières années. Il apparait, qu’entre 2011 et 2015, la forte diminution des émissions de SO2 et NO2 a entrainé une diminution de 14% de la production de nitrate, sulfate et ammonium, ainsi qu’une augmentation de presque 50% des niveaux des colonnes d’ammoniac, une valeur corroborée par les observations de l’instrument IASI qui indiquent une augmentation des colonnes d’ammoniac de +65% selon les mêmes conditions. Dans un second temps, l’objectif a été d’évaluer la contribution des sources d’aérosols naturels que sont les déserts sur la charge particulaire des villes chinoises. La modélisation des émissions depuis les régions désertiques asiatiques a d’abord été évaluée à partir d’informations obtenues par télédétection. Puis, nous avons vérifié la capacité du modèle à représenter les concentrations des PM2.5 et PM10 dans les mégapoles chinoises par confrontation à des mesures des réseaux d’observations aux sols. L’étude se concentre principalement sur trois des villes les plus peuplées de PRC aux situations géographiques différentes : Pékin, Chengdu et Shanghai. Il en ressort que [...]
As a result of its significant economic development, Chinese society has transformed itself and today faces a global environmental crisis. In everyday life, China’s big cities are covered with a thick smog of gas and particles, which is responsible for more than 1.6 million premature deaths, making China the most affected country by air pollution, along with its neighbor, India. In China, there are many sources of air pollution linked to human activities [traffic, industry, agriculture, energy production, construction], but also various natural sources of pollutants, in particular emissions of mineral dust from the deserts of Asia, in western China. The People’s Republic of China has begun to regulate activities that may affect air quality. The effectiveness of such actions is conditioned by the detailed knowledge of the anthropogenic contribution to this pollution and the complex relationship between primary and secondary pollutants. In this thesis, we have investigated, on the one hand, the impact of primary pollutant reduction policies on ammonia concentrations and more generally inorganic aerosols, and on the other hand, the contribution of desert aerosol to the particulate matter load in Chinese urban agglomerations. To do so, we combined data sources and tools such as satellite observations and numerical modelling. We use the CHIMERE regional chemistry-transport model to study and characterize air pollution in China. First, we carried out a detailed evaluation of the simulations performed with a configuration of the CHIMERE model set up for China. For this, we relied on satellite observations, remote sensing, and in-situ measurements of particulate concentrations and gaseous [inorganic] precursors. The results obtained show that the model works satisfactorily according to criteria given in the literature. Regarding the impact of emission reduction policies - especially for sulfur and nitrogen oxides, long term measurements with the OMI instrument aboard the AURA satellite show a sharp decrease in the atmospheric sulfur dioxide and nitrogen dioxide columns. From these observations, it was possible to derive corrected emissions [compared to the available 2010 inventory] for the years 2013 and 2015 for NOX and SO2. The derived emission trends were then used to study the impacts on atmospheric composition, particularly on the formation of inorganic particles and associated gases such as ammonia, whose concentrations appeared to strongly increase in recent years. Simulations showed that the sharp decrease in SO2 and NO2 emissions between 2011 and 2015 led to a overall 14% decrease in nitrate, sulphate and ammonium aerosol concentrations, as well as an increase of nearly 50% of ammonia column levels, a value corroborated by the IASI observations that indicate an increase in ammonia columns of +65 ˙% under the same conditions. In a second step, the objective was to evaluate the contribution of desert aerosol to the particulate matter load in several Chinese cities. Dust emission modeling by Asian desert regions was first evaluated using remote sensing observations. Then, we verified the model’s ability to represent PM2.5 and PM10 concentrations in Chinese megacities by comparing measurements of ground based observation networks. The study focuses mainly on three of the most populated PRC cities with different geographic locations, Beijing, Chengdu and Shanghai [...]

Dans un modele de pollution atmospherique a echelle regionale, la dispersion des gaz emis par des cheminees d'usines n'est pas bien prise en compte. Pour repondre a ce probleme, une approche est la modelisation specifique d'un panache de gaz emis par une source ponctuelle et son couplage au modele regional. Dans cette these, nous analysons les approximations effectuees lors de l'emploi de cette technique. Nous abordons le probleme de l'utilisation des modeles lagrangiens de panache dans un ecoulement a echelle regionale heterogene en espace. En effet les modeles de panache sont definis dans un ecoulement turbulent homogene en espace. Dans le cadre du projet azur (edf, ifp, lisa), une methode numerique a ete mise au point pour coupler un modele de dispersion et de surelevation de panache a un modele regional eulerien de pollution atmospherique. L'analyse mathematique des approximations a ete effectuee dans les cas de panaches chimiquement inertes (systeme lineaire). Elle permet de mettre en avant des precautions d'emploi des modeles de panache, par exemple certaines approximations posent des problemes si le domaine d'etude est une region ayant un relief accidente. Pour un modele de panache reactif, nous remarquons que le couplage avec le modele regional n'est pas clairement defini. Cependant, une partie de l'analyse du cas inerte est aussi valable pour le cas de certains modeles reactifs, comme le modele a couronnes. En effet la dispersion du panache dans un modele a couronnes est modelisee comme si celui-ci etait inerte, donc avec les memes approximations.

Afin d'évaluer les conséquences de la pollution atmosphérique sur la santé et l'environnement, les pouvoirs publics ont souvent besoin d'outils de modélisation fine, permettant d'appréhender l'impact d'un aménagement local, de prévoir les niveaux de concentration et d'informer la population. Le problème, posé par la simulation de la dispersion des polluants à l'échelle locale, est de parvenir à étudier beaucoup de scénarios en prenant en compte un très grand nombre de bâtiments complexes. Pour cela, il est souvent indispensable de développer des approches simplifiées, dans lesquelles seuls les phénomènes physiques prépondérants sont représentés. Dans cet esprit, la modélisation de la canopée urbaine s'appuie généralement sur la notion élémentaire de rue-canyon. Si ce sujet a fait l'objet de nombreuses études dans le passé, plusieurs interrogations subsistent encore concernant les phénomènes mis en jeu à l'intérieur d'une rue et les interactions entre plusieurs rues. Les objectifs de cette étude sont de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent l'écoulement et la dispersion dans une rue et d'en proposer une représentation simplifiée à travers des modélisations opérationnelles. Pour cela, nous avons utilisé des techniques de modélisation numérique et expérimentale. L'approche numérique a été basée sur le code de calcul MERCURE (RANS, du type k-є), adapté à la simulation tridimensionnelle des écoulements atmosphériques. L'approche expérimentale a été mise en œuvre dans la soufflerie atmosphérique de l'École Centrale de Lyon. Les techniques de mesures utilisées (LDA, FID) ont permis de décrire avec précision les champs de vitesse et de concentration à l'échelle d'une rue. Afin d'évaluer l'influence de la géométrie de la rue (rapport d'aspect, dissymétrie) sur la dispersion par vent perpendiculaire, nous avons développé un modèle, basé sur une résolution analytique de l'équation d'advection-diffusion dans un écoulement potentiel. Les comparaisons avec les simulations numériques et expérimentales fournissent des résultats encourageants. Pour décrire le cas d'un vent d'orientation quelconque, nous proposons une décomposition de l'écoulement par rapport aux composantes longitudinales et transversales. Cette décomposition s'avère réaliste dans le cas d'une rue infinie, mais elle est mise en défaut pour une rue de longueur finie. Nous avons ensuite étudié et paramétré les échanges de matière au niveau des intersections en fonction de la géométrie des rues et de la direction du vent. Les résultats indiquent une interaction importante entre l'écoulement dans la rue et dans l'intersection. Enfin, nous avons proposé un modèle permettant d'étendre l'approche rue-canyon à la simulation d'un réseau de rues inter-connectées, afin de pouvoir étudier la dispersion des polluants à l'échelle d'un quartier. Une première application du modèle de dispersion dans un réseau de rues a été réalisée pour étudier la pollution dans un quartier de la ville de Lyon. Les comparaisons effectuées avec des mesures de terrain permettent de confirmer le bon comportement du modèle et illustrent les différentes potentialités de cette approche
There are many practical situations in which it is necessary to evaluate the impact of urban air pollution on health and the environment. Often, this demands rather fine scale modelling of air flow and dispersion, at the scale of the street or the quartier. In such cases it is usually necessary to include the influence of a large number of irregularly-shaped buildings. This requires the development and application of simplified, practical models, which are based on the main underlying physical phenomena. One approach which is commonly used to estimate pollutant concentrations in an isolated street is the street canyon model. Although flow and dispersion in an isolated street have been the subject of many investigations in the past, and several practical models have been proposed for idealised configurations, many questions remain unanswered. The aims of this investigation are therefore to improve our understanding of the fundamental processes which govern flow and dispersion in a single street or a group of streets, and to develop simple, operational models for these situations. The research has been carried out using numerical and experimental techniques. Numerical simulations have been carried out using the three-dimensional atmospheric boundary layer code MERCURE (a RANS model with a k-є closure) and the experiments were performed in the atmospheric wind tunnel at the Ecole Centrale de Lyon. Fluid velocities and gas concentrations were measured using LDA and FID. Initially, we studied the influence of street geometry (aspect ratio, asymmetry) on flow and dispersion within the street, when the wind blows perpendicular to the street. We have developed a model for pollutant concentrations, based on a solution of the advection-diffusion equation in a potential flow. Next we studied the influence of the direction of the wind relative to the axis of the street, and we show that the problem can be decomposed into flow parallel and perpendicular to the street. In the third part of the study we investigated the influence of street geometry and wind direction on flow and dispersion at street intersections; we show that the flow within the streets plays an important role in determining the exchange of material within the intersection. Based on these results, we then develop a model which extends the street canyon concept to a network of connected streets. This makes it possible to study the atmospheric dispersion of pollutants at the scale of the quartier. All the models developed during this work have been compared with the results from numerical simulations and experiments, and the agreement is generally good. As a final test of the models, we have used them to simulate dispersion in part of the 6th arrondissement of Lyon; the calculated concentrations show surprisingly good agreement with concentrations measured by an atmospheric pollution monitor located there

De nombreux processus participent à l’évolution de la composition atmosphérique à l’échelle d’une région. Une méthode pour prendre en compte l’ensemble de ces processus est de développer des outils intégrés de modélisation numérique. Ce chapitre présente tout d’abord les principes de base de la modélisation utilisée en pollution atmosphérique, en commençant par la modélisation de la météorologie.

Ce chapitre présente ce que l’on définit comme une pollution atmosphérique, puis les principaux polluants, gaz et aérosols, ainsi que le milieu où l’on va chercher à les modéliser : la couche limite et la troposphère. Le but est de présenter les grandes lignes des processus physico-chimiques afin de mieux comprendre par la suite ce qui est modélisable ou non.

Ce chapitre aborde les impacts de la pollution atmosphérique sur les deux grands thèmes justifiant de son étude : le climat et la santé. Les modèles régionaux peuvent-ils apporter une quantification de l’impact de la pollution sur le climat? Du climat sur la pollution? Sur la santé? Quels impacts sont actuellement bien modélisés, quel autres restent à quantifier et quels développements de modèles sont nécessaires?

Ce chapitre présente la modélisation des dépôts secs et humides dans un des puits pour les espèces chimiques modélisées. Ces deux processus sont particulièrement importants à représenter mais font l’objet de moins d’études de modélisation que les émissions ou le transport, par exemple. Les différents schémas existants sont présentés et discutés.

Les observations sont un point essentiel de l’analyse de tout processus physico-chimique. Elles représentent la seule réalité, la modélisation n’étant qu’une interprétation de cette réalité. Dans ce chapitre, nous décrivons les différents types de mesures météorologiques et chimiques d’intérêt pour comprendre un épisode de pollution atmosphérique. Sont discutées la faisabilité des mesures, leur précision, leur représentativité.

Les modèles de chimie-transport cherchent à représenter l'évolution spatio-temporelle de dizaines d'espèces chimiques, gaz et aérosols. Les modèles régionaux doivent prendre en compte la météorologie, les émissions comme les forçages, puis les processus liés à chaque espèce comme le transport, le mélange, le dépôt, la chimie. L'ensemble doit être intégré en prenant en compte le temps de vie des espèces chimiques.

Ce chapitre décrit toutes les émissions de polluants atmosphériques. Elles sont très variables en temps et en espace, en fonction de leur origine. Les émissions sont quasiment impossibles à mesurer : on mesure une concentration dans l’air, qui a déjà subi de la chimie, du transport, du dépôt. Il faut donc les estimer à partir d’autres informations.

Ce chapitre décrit les techniques numériques d’assimilation de données et de modélisation inverse. Ces techniques sont employées pour améliorer le résultat ou les forçages d’un modèle en hybridant le modèle avec des mesures. Puis, la prévision est présentée, utilisant de plus en plus souvent les techniques d’assimilation et d'ensemble.

Ce chapitre présente les différentes approches pour jauger du réalisme d’une simulation par rapport à ce que l’on cherchait à représenter. Cela inclut le calcul de scores statistiques et les représentativités différentes entre mesures et observations. Sont présentées ensuite les différentes méthodes pour évaluer la variabilité du modèle notamment avec des simulations de scénarios et des simulations d’ensemble.