Academic literature on the topic 'Pollution atmosphérique – Chine – Modèles mathématiques'

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 [...]

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.

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

L'intérêt d'une recherche sur la modélisation de scénari de pollution en milieu urbain pose le problème d'une représentation réaliste de la géométrie retenue. Un des paradoxes actuels dans ce domaine est que les Systèmes d'Information Géographiques (SIG) fournissent une description précise de la tapographie d'un site mais que les détails, trop nombreux, ne peuvent être efficacement incorpore��s au sein des modèles. Il faut donc développer des approches simplifiées de la réalité pour exploiter astucieusement ces données. Ce travail s'inscrit dans cette optique. A l'heure actuelle, il subsiste des insuffisances concernant la modélisation des échelles intermédiaires situées entre l'échelle globale de l'agglomération et celle, locale de la rue. Dans ce travail nous considérerons principalement cette échelle (de l'ordre du quartier). Ainsi une zone urbaine peut apparaître comme un groupe d'obstacles. Les objectifs de cette étude sont de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui gouvernent l'écoulement et la dispersion en fonction des différents paramêtres définissant un groupe d'obstacles. En particulier nous considérons l'influence de la tapologie (organisation géométrique), de la porosité (distance de séparation entre les obstacles), de la taille des obstacles et de la taille caractéristique du groupe. Nous avons utilisé pour cette étude trois méthodes. Premièrement, une approche expérimentale réalisée en soufflerie où le champ de vitesse a été mesuré à l'aide d'une technique LDA tridimensionnelle et le champ de concentration à l'aide d'un FID. Deuxièmement une approche numérique effectuée à l'aide d'un code de calcul tridimensionnel existant (MERCURE, développé par EDF). Et un modèle simplifié de l'écoulement et de la dispersion en présence d'obstacles, basé sur le concept d'un écoulement potentiel. Nous analyserons en détail les résultats obtenus par ces différentes approches et expliquerons les mécanismes prépondérants présents dans la dispersion à travers un groupe d'obstacles
Much research has been devoted to modelling mesoscale atmospheric boundary layer flows and flows at the scale of individual streets, but much less attention has been focussed on flow and dispersion at intermediate scales, such as small town or a large suburban area. An important problem in the computational modelling of such flows is the representation of the urban surface layer. At typical scales used in such calculations, it is not feasible to model individual buildings, but neither is it possible to represent the effects of the buildings by a simple change in roughness length. Geographical information Systems now provide us with a highly detailed description of the urban topography, but, paradoxically, these descriptions are too detailed to be used directly. The challenge is therefore to find ways to simplify the data, so that they can be used in pratical calculations of flow and dispersion in urban areas. This is the objective of the research presented here. In order to develop simple parametrisations for the influence of a group of buildings on flow and dispersion in the urban canopy, we need first to identify and underrstand the major processus. In particular, we need to understand how parameters such as the geometrical organisation, the obstacles, the spacing between them, their size and the overall extent of the group interact to influence the flow and the dispersion. We have use three different approaches to investigate this. Firstly, experiments were performed in an atmospheric wind tunnel, for several different configurations of obstacles. Fluid velocities were measured using LDV, and gas concentrations were measured using FID. Secondly, three dimensional calculations have been performed using the atmospheric dispersion code MERCURE initially developed by EDF. Finally a simplified model for flow and dispersion within a group of obstacles was developed based on a potential flow approach. These three methods have been used to investigate and explain some of the fundamental processus involved in flow and dispersion through groups of obstacles

Les travaux presentes dans cette these se situent dans le domaine de l'identification de modeles flous. L'objectif vise est de developper une methodologie pour l'identification de modeles flous afin d'obtenir une representation simple et comprehensible du comportement d'un systeme reel. Cette methodologie est basee sur l'analyse de donnees d'entree et de sortie qui sont parfois incompletes, incertaines ou imprecises. La premiere etape de ce travail est la modelisation du systeme. Le manque de connaissances exactes sur le systeme et l'absence de theorie physique le decrivant font qu'il est difficile d'en construire un modele mathematique. De plus, le modele recherche doit etre comprehensible meme par une personne non experte dans le domaine de la logique floue, tout en permettant de representer le plus fidelement possible le comportement du systeme. En fonction de ces contraintes et parmi les moyens envisages pour modeliser de tels systemes, nous avons propose une methode basee sur la logique floue. La methodologie retenue et que nous avons amelioree se base sur le groupement par soustraction pour effectuer l'identification du modele flou. Ces ameliorations, principalement orientees dans le cadre de prevision de series chronologiques, ont ete obtenues en ajoutant une etape d'optimisation a l'algorithme du regroupement par soustraction et en ameliorant l'algorithme lui-meme. Afin de juger de l'acuite des modeles obtenus, nous avons defini des fonctions de cout sur ces modeles qui permettent d'etudier leurs performances et d'en selectionner les meilleurs. Cette methode a ete appliquee, a la prevision de la pollution atmospherique et a ete egalement mise en uvre dans divers probleme de classification. Les resultats obtenus permettent d'envisager que cette methode puisse s'appliquer a d'autres domaines.

L'ozone est un constituant minoritaire de l'atmosphere qui protege la vie sur terre en absorbant le rayonnement ultra-violet. Pour connaitre l'etat actuel de la couche d'ozone, des mesures satellitaires ont ete analysees sur la decennie 1979-1988. Il y apparait clairement une reduction de la couche d'ozone, notamment aux latitudes polaires suite aux episodes de trou d'ozone antarctique. Nous avons egalement pu etablir une climatologie de l'ozone total pour la confronter aux resultats de modeles. Des modeles de circulation generale, incluant une parametrisation de la photochimie de l'ozone, ont reproduit son evolution pour la decennie 1979-1988 de maniere realiste avec la climatologie precedente. Tant a partir des mesures que des modeles, nous avons evalue l'impact sur l'ozone des oscillations basse frequence de l'atmosphere moyenne equatoriale. Nous avons mis en evidence sur le vent zonal modelise un signal coherent avec l'oscillation quasi-biennale et l'importance des ondes de gravite d'origine orographique ou convective sur l'oscillation semi-annuelle de la stratopause. A partir d'une simulation tridimensionnelle de 10 ans, nous avons calcule la circulation diabatique que nous avons utilise pour forcer un modele bidimensionnel photochimique. Les distributions des constituants chimiques simulees par ce modele sont coherentes avec les observations disponibles. De plus, les resultats presentent une forte variabilite tant inter-hemispheriques qu'inter-annuelle. Avec ce modele de photochimie, nous avons alors evalue l'impact qu'aurait sur l'atmosphere une flotte d'avions supersoniques. Toutes les simulations effectuees confirment que ces avions entraineraient une augmentation de l'ozone tropospherique par les cycles de production lies au methane et au monoxyde de carbone. Au contraire, l'ozone serait detruit dans la stratosphere en oxydant le monoxyde d'azote rejete par les avions. Cette reduction est moins importante lorsque les reactions de chimie heterogene sur les particules d'aerosol sont prises en compte: les oxydes d'azote rejetes sont alors convertis en grande partie sous forme d'acide nitrique, chimiquement inerte vis a vis de l'ozone. Malgre les nombreuses incertitudes, une telle flotte perturberait toute l'atmosphere, avec un maximum probable aux moyennes latitudes de l'hemisphere nord

L'importance des relations entre météorologie et pollution atmosphérique justifie l'intérêt porté à l'analyse des situations météorologiques associées aux périodes de fortes concentrations de polluants. La contradiction entre des rejets nombreux et des conditions topoclimatiques plutôt favorables à la dispersion et donc, à la qualité de l'air, fait de l'agglomération lilloise un cas " idéal " pour l'étude de ces relations. Paradoxalement, cette situation lui confère aussi une place non prioritaire en France, pour des programmes de recherches dans ce domaine. Les processus qui déterminent les variations des immissions y sont peu étudiés et mal connus. Notre objectif est d'améliorer nos connaissances des situations météorologiques associées aux périodes de fortes concentrations en vue d'apporter une contribution pour une gestion optimisée de la qualité de l'air. Des périodes de fortes concentrations de polluants, indépendantes des seuils et des normes légales définies à l'échelle nationale, mais au contraire, prenant en considération les caractéristiques régionales, sont identifiées. Les situations météorologiques associées à ces périodes sont étudiées de l'échelle synoptique à des échelles plus fines, afin de mettre en évidence les processus qui conditionnent les variations de concentrations des polluants. Cette analyse confirme l'influence prépondérante des conditions anticycloniques persistantes sur l'accumulation des polluants primaires et sur la formation de polluants photochimiques. Cette analyse met également l'accent sur l'utilisation des données conventionnelles dans l'étude de ces processus météorologiques. Elle montre la richesse des séries à des pas de temps fins pour l'étude des covariations temporelles des paramètres météorologiques et des concentrations. Mais cela précise aussi l'insuffisante densité des réseaux conventionnels pour la spatialisation des phénomènes à des échelles compatibles à celles des espaces urbanisés. Cette analyse présente aussi les limites atteintes dans l'utilisation des données conventionnelles, en particulier dans l'étude du rôle de la structure verticale de l'atmosphère sur les conditions de dispersion et de dilution des polluants. Une simulation par le modèle Méso-NH de Météo-France est réalisée pour un épisode de fortes concentrations d'ozone (du 7 au 9 août 1998), afin de compléter les mesures existantes. La sensibilité des concentrations d'ozone aux variations de l'épaisseur de la couche de mélange est étudiée à haute résolution pendant la journée du 8 août 1998. Cette analyse montre les apports potentiels de la modélisation numérique dans la spatialisation des phénomènes, et les perspectives ainsi permises dans de nombreux domaines, dont celui de la qualité de l'air. Les contraintes liées à la mise en œuvre de ce type d'outils sont aussi exposées.

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

La pollution atmosphérique à l'échelle régionale est le bilan des interactions entre des processus très différents: les émissions , la chimie, le transport, le mélange et le dépôt des espèces gazeuses. La prévision de la qualité de l'air nécessite donc l'utilisation de modèles, qui prennent en compte les émissions par le biais de cadastres. Les concentrations de polluants simulées dépendent fortement des émissions utilisées. Or, les cadastres utilisés pour les représenter comportent de grandes incertitudes. Comme il est difficile actuellement d'affiner leurs méthodes de construction, il reste la possibilité d'ajouter de l'information aux cadastres existant. L'optimisation des émissions utilise l'information contenue dans les mesures pour obtenir le cadastre qui minimise la différence entre les concentrations simulées et mesurées.

Une méthode d'inversion des émissions anthropiques à l'échelle régionale, utilisant les mesures de routine et basée sur le modèle CHIMERE et son adjoint, a été élaborée et validée. Une technique de krigeage permet d'utiliser de façon optimale les informations disponibles dans l'espace des concentrations. L'enchaînement de cycles krigeage-optimisation améliore la qualité des résultats. Une technique d'agrégation spatiale dynamique est utilisée pour réduire la dimension du problème.

Les émissions de NOx du cadastre élaboré par AIRPARIF pour l'Ile-de-France ont été inversées pendant les étés 1998 et 1999, les épisodes de la campagne ESQUIF étant étudiés en détail. L'optimisation corrige des écarts importants entre concentrations mesurées et simulées. Cependant, d'une façon générale, le niveau de fiabilité des résultats diminue avec la densité du réseau de mesure. Les résultats présentant le plus haut niveau de confiance concernent donc les flux d'émission les plus intenses d'Ile-de-France. Les corrections apportées à la masse moyenne émise dans l'ensemble du domaine et aux profils temporels correspondant sont en accord avec l'estimation de l'incertitude sur le cadastre pour les NOx (15%) obtenue lors de la campagne ESQUIF.