Dissertations / Theses 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.

Le modèle d'accumulation extensive du développement chinois s'accompagne d'une aggravation préoccupante des dégradations environnementales et des inégalités sociales et spatiales. Quelles sont alors les termes du débat sur la soutenabilité ? Après une étude de la théorie de l'économie de l'environnement, nous montrons que la transition vers un sentier de croissance durable équilibré donne une relation entre le niveau de richesses individuelles et la pollution en forme de cloche : c'est la courbe environnementale de Kuznets (CEK). Nous en testons l'existence par une étude économétrique sur un panel des émissions de SO2 de 29 provinces. La forme en cloche que nous détectons s'avère en définitive être provoquée par une spécificité de la période : la diminution des émissions entre 1995 et 2000 imputable à une politique environnementale trés ferme. Cependant, la pollution repart à la hausse depuis 2000 et la contradiction de l'interface croissance économique/environnement réapparaît. Nous étudions ensuite les mécanismes sous-jacents à la dynamique des émissions de CO2. Nous identifions, grâce à la méthode de décomposition, les secteurs-clé sur lesquels une politique d'anticipation des contraintes futures doit se concentrer. La Chine est, en effet, appelée à devenir un acteur central de la lutte contre le changement climatique. En tout, il semble que pour satisfaire les conditions d'une croissance soutenable, l'économie chinoise ne peut compter sur la réalisation d'un retournement salutaire de la dynamique de ses émissions du type CEK et qu'elle doit donc envisager de maîtriser le rythme de sa croissance économique afin de parvenir à un développement plus sobre en énergie pour que les énergies renouvelables jouent un rôle bénéfique et significatif.

Les propriétés microphysiques des aérosols et des hydrométéores ont des conséquences à l'échelle locale (précipitations, pics de pollution), régionale (inondations, pluies acides), et globale (changements climatiques). Une étude multi-échelle s'impose donc pour comprendre et prédire de façon satisfaisante les phénomènes météorologiques concernant les aérosols et les nuages. Les limitations de temps de calcul et de mémoire rendent actuellement impossible une modélisation détaillée des processus microphysiques. Des schémas microphysiques plus simples doivent donc être développés pour déterminer à partir des processus et des caractéristiques de petite échelle, les propriétés grande échelle des aérosols et nuages. Un schéma quasi-spectral de microphysique chaude BUSCAM ("bulk scavenging model") a été développé pour prédire les concentrations et les rapports de mélange des aérosols, des gouttelettes et des gouttes de pluie. Il considère, explicitement et analytiquement, la nucléation des gouttelettes (Abdul-Razzak et al. , 2000), la condensation et l'évaporation (Chaumerliac et al. , 1987), les processus de rupture et de collision-coalescence des gouttes avec les noyaux de collection de Long (1974) et la paramétrisation de l'autoconversion de Berry et Reinhardt (1974), ainsi que le lessivage des aérosols. Le schéma a été testé dans le cadre de la dynamique simple du modèle parcelle d'air, et comparé avec les résultats de detailed scavenging model DESCAM (Flossmann et al. , 1985). Ensuite, il a été utilisé dans le cadre dynamique du modèle cinématique 2D (Szumowski et al. , 1998) dédié au Hawaiin Rainband Project (1990), puis comparé avec les observations et les résultats de DESCAM. Les résultats montrent que le BUSCAM se comporte de façon satisfaisante. De plus, ce modèle permet pour la première fois de traiter simultanément l'évolution des nuages et le lessivage des aérosols. Il améliore donc la représentation des interactions entre les nuages et la pollution atmosphérique

La communaute scientifique porte un interet grandissant a l'ozone localise dans la troposphere, en premier lieu parce que sa concentration est en constante augmentation. Ce phenomene n'est pas sans risque sur la biosphere, puisque l'ozone est un puissant oxydant. L'ozone n'est pas emis directement dans l'atmosphere et sa concentration dans la troposphere resulte de l'importance relative des termes de production et de destruction d'ozone. Ce travail a porte sur la caracterisation du depot sec qui est le processus principal de destruction d'ozone (galbally et roy, 1980). Ce processus est fonction de la capacite des mouvements atmospheriques a transporter verticalement l'ozone des couches plus hautes vers la surface. Cet aspect est assure par la turbulence atmospherique. Une fois en contact avec la surface, la vitesse de destruction (resistance) de l'ozone depend des caracteristiques de la surface et du gaz. L'idee est donc de determiner une revue exaustive (modelisation) de la reactivite de chacun des gaz selon le type de surface concernee afin de modeliser le processus du depot sec. Cette modelisation est basee sur la determination du flux vertical de la substance. Pour cela, il existe differentes techniques de mesure et, parmi celles-ci, la methode des correlations apparait comme la plus naturelle et la plus fiable. Cette methode ne fait appel a aucun principe de similitude et, grace a l'analyse spectrale, nous possedons un puissant moyen de controle sur la validite des flux mesures. La methode des correlations repose sur la determination des fluctuations de la concentration et de la vitesse verticale. L'ecoulement dans la couche limite est defini par son caractere turbulent. Le flux vertical sera donc calcul sur tout le domaine en frequence ou se situent les fluctuations generees par la turbulence atmospherique. Nous avons tente de mettre en evidence la similitude spectrale et cospectrale entre les differents scalaires mesures (ozone, temperature, vapeur d'eau) lor s de quatre campagnes de mesure. Cette analyse a mis en evidence une zone localisee aux basses frequences du domaine spectral, ou l'information (densite d'energie) n'est pas attribuable aux echanges avec la surface. L'integration de cette information dans le calcul du flux vertical mesure peut fausser la valeur reelle. L'occurence et l'intensite de ce phenomene ont ete analysees pour les quatres campagnes de mesure. Nous proposons une methode de filtration qui decoule des observations sur la similitude spectrale. La derniere partie detaille les mesures de flux d'ozone effectuees lors de quatre campagnes terrain. Les quatre sites sont caracterises par le type de couverture en surface. Il s'agit d'un sol sans vegetation (saragosse, juillet 1992), d'une vegetation active (betteraves, spc, juin 1993) et peu active (bema, juin 1993), et d'une foret de pin (landes, juin 1992). En premiere approximation, le flux d'ozone au niveau de la surface est dirige soit vers le sol (decomposition thermodynamique de l'ozone), soit vers les stomates des vegetaux (assimilation de l'ozone lors des processus d'echange de la plante avec le milieu exterieur). De recents travaux contestent le role preponderant joue par l'activite stomatale au dessus d'un couvert vegetal et accordent une part importante au flux dirige vers le sol (massman, 1993 ; stocker et al. , 1993 ; van pul et al. , 1994). Les resultats de la campagne spc ont permis d'aboutir a une parametrisation du pourcentage du flux du a l'activite stomatale. Ces resultats montrent que la partition des flux d'ozone est une fonction lineaire du rapport de bowen. En l'absence d'activite vegetale et au dessus d'un sol sec presentant une faible resistance a la destruction d'ozone (saragosse), les flux d'ozone sont controles par la turbulence dynamique et convective. La vitesse de depot d'ozone normalisee par une echelle de vitesse caracteristique de la couche de surface est fonction de l'indice de stabilite (z/l). Une equation de similitude est proposee. Elle permet de retrouver les valeurs experimentales de la vitesse de depot avec une precision satisfaisante

L'etude porte sur le transfert simultane de matiere et d'energie, lors de l'absorption des gaz polluants traces dans une tour a pulverisation. Apres avoir fait ressortir le manque de fiabilite des donnees disponibles relatives aux transferts entre un gaz et un liquide pulverise en goutte et dans une premiere etape, un modele numerique prenant compte des phenomenes a incidences majeures est mise en uvre. Il est base sur un couplage des transferts entre phase continue et dispersee par l'intermediaire d'un modele hybride. Dans une seconde etape, un appareil pilote est utilise afin de conforter les resultats du modele a ceux fournis par l'experience. Les cas retenus sont ceux de l'absorption du co#2 ou du so#2 contenus en traces dans l'air par de l'eau pulverisee a l'aide d'une buse industrielle avec evaporation du solvant. Les resultats fournis par le modele sont en accord avec ceux obtenus experimentalement. Les effets respectifs des divers phenomenes, initialement admis comme preponderants s'averent ceux qu'il faut retenir. L'obtention de correlations aisees d'emploi permet de proposer une procedure de dimensionnement de tours a pulverisation fonctionnant aussi bien a co-courant qu'a contre courant

Pour compléter les inventaires nationaux des émissions d'oxydes d'azote d'origine agricole, un algorithme de laboratoire a été couplé à un modèle de cultures (CERES) pour simuler les flux de NOx à la surface du sol. Leur intégration à l'échelle du cycle cultural a permis de calculer des facteurs d'émission qui ont été spatialisés dans trois régions afin de donner les flux de NOx à cette échelle. Le modèle SVAT bi-couches SURFATM intégrant ces émissions simule les échanges d'ozone entre la surface et l'atmosphère avec les interactions chimiques NOx-O3. Des tests réalisés sur deux sites d'ESCOMPTE montrent la nécessité de prendre en compte à la fois les émissions de NOx et la chimie des NOx-O3. Dans une perspective d'intégration régionale, le facteur de réduction du couvert permet d'évaluer la part nette des émissions de NOx transmise vers l'atmosphère dans les modèles méso-échelle. La contribution des émissions d'isoprène à la production d'ozone en fonction du degré de maturation d'un panache anthropique a été évaluée en période estivale. La contribution est apparue importante en zone péri-urbaine et rurale. Le couplage d'un algorithme alliant termes de haute et basse fréquence avec le SVAT ISBA-Ags permet de simuler la variation saisonnière des émissions d'isoprène au niveau du couvert. Les émissions estivales apparaissent prépondérantes devant les périodes printanières et automnales. Son couplage avec le modèle MesoNH-Chimie montre une contribution saisonnière de l'isoprène à la production d'ozone maximale en été, suivi du printemps et de l'automne
In order to build a national inventory of nitrogen oxides from agricultural activities, an algorithm deduced from laboratory experiments was coupled with the CERES crop model to simulate NOx flux at the soil level. Simulations on a year basis allow the estimation of emission factors. NOx fluxes were integrated at the regional scale for three administrative regions. A new version of the SURFATM SVAT model integrating NOx emissions and NOx-O3 basic chemistry simulates ozone and NOx surface-atmosphere exchanges. Two contrasted sites from the ESCOMPTE experiment were used to validate this new approach. The canopy reduction factor, that is the actual proportion of NOx emitted above the canopy, was calculated, this net emission being included in a meso-scale model. The contribution of isoprene emissions, the major contributor in the COV global inventory, to ozone production has been evaluated for the ESCOMPTE experiment. This contribution is a function of the anthropogenic plume degree of maturation. The contribution appears to be mostly important in the suburban and rural areas. Coupling an algorithm combining high and low frequency terms with the SVAT ISBA-Ags allows for simulations of isoprene emissions at the canopy scale including a seasonal variation. Summer emissions appear to be preponderant when compared to spring and autumn ones. Coupling with the MesoNH-Chemistry model shows the maximum seasonal contribution of isoprene emissions to ozone production during summer, followed by spring and autumn periods

L'automobile constituant, en milieu urbain, la principale source de pollution atmosphérique, la question se pose de savoir quels sont les effets sur la santé, à court ou à long terme, des polluants liés aux émissions automobiles. Des études épidémiologiques devraient permettre de répondre à cette question à condition de pouvoir disposer d'une évaluation adéquate de l'exposition des individus étudiés à cette pollution atmosphérique d'origine automobile (PAA), exposition présente mais également passée. En France, les chercheurs du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) et de l'Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité (INRETS) ont mis au point l'Indice ExTra d'exposition au trafic routier, indice qui repose sur des modèles physico-mathématiques de dispersion de polluants (OSPM et CALINE3). Cet indice permet de classer précisément les lieux de séjour des individus en fonction des concentrations extérieures de polluants auxquelles ils sont soumis, puis de reconstituer l'exposition cumulée de chaque personne devant ces différents lieux de séjour, avec une pondération par le temps passé dans ces lieux. Il n'est, bien sûr, envisageable d'utiliser un tel indice dans le cadre d'études épidémiologiques, qu'après l'avoir validé. Cette recherche avait deux objectifs : 1) valider l'indice ExTra, 2) l'appliquer dans le cadre de l'étude épidémiologique VESTA (V Epidemiological Studies on Transport and Asthma). La validation de l'indice ExTra a été effectuée sur 100 sites exposés à des niveaux contrastés de PAA, dans quatre villes partenaires de l'étude VESTA : Grenoble, Nice, Paris et Toulouse. Les coefficients de corrélation obtenus entre les valeurs des concentrations mesurées et calculées valent, par ville, respectivement : 0,90 ; 0,95 ; 0,89 et 0,89. Par ailleurs, l'application aux enfants inclus dans VESTA a consisté à estimer, à partir du modèle retenu précédemment, leur exposition à la PAA, présente et cumulée jusqu'à la date de point. Les 403 enfants ont été en moyenne exposés à 70 ± 42 æg. M -3 de NOx équivalent NO2 dont 14 ± 22 æg. M -3 attribuables au trafic de proximité. Outre la validation du modèle pour les concentrations en oxydes d'azote et la description des expositions des enfants de VESTA, les résultats obtenus en menant une analyse discriminante par arbres de classification ont permis d'émettre des recommandations sur la pertinence de l'utilisation de l'indice (plutôt que de la pollution de fond fournie par les réseaux) en fonction de l'histoire résidentielle des individus, notamment en considérant le maximum du trafic et le trafic moyen pondéré au domicile ainsi que le minimum de la distance du domicile à son vis-à-vis et le minimum de la distance au trafic du lieu de garde ou de scolarité. .
Automobile exhaust is a major source of air pollution in urban areas. For studying short and long term health effects of this traffic air pollution (TAP) epidemiologists have to determine precisely exposure to such pollution to avoid misclassification. In France, the ExTra index produced by the French Scientific Center for Building Physics (CSTB) and the French National Institute for Transport and Safety Research (INRETS), estimates ambient concentrations of transport-related pollutants in front of the work and living places of urban dwellers. These estimates, combined with time-activity diaries, enable individual exposure to these pollutants in front of these living places to be assessed. Two pollutant dispersion models are used to calculate the ExTra index : the Danish model OSPM (Operational Street Pollution Model) and the CALINE3 model (California Line Source Dispersion Model). Before being applied to large scale epidemiological studies such as the VESTA study (a French multicentric case-control study on asthma), the ExTra index needs to be validated. This research had two goals : 1) to validate the ExTra index, 2) to apply this index to the VESTA study (V Epidemiological Study on Transport and Asthma). The validation study of the ExTra index was performed in four of the French towns participating in the VESTA study. This validation was based on the comparison of nitrogen oxide concentrations (NOx) obtained by measurement against those obtained from calculations, using the ExTra index and the OSPM model. The model was tested at 100 street canyon sites. Then, we used the ExTra index to assess lifelong nitrogen oxides concentrations the 403 study children were exposed to in front of their living places. This assessment highlighted significant disparities : mean ExTra index values and share attributable to proximity traffic were respectively 70 ± 42 and 14 ± 22 æg. M -3 NOx equivalent NO2 for the 403 children. Beyond the validation of the ExTra index for NOx concentrations and the description of the VESTA children's TAP exposures, the results obtained by a discriminant analysis (with classification trees) gave us guidelines for the use of this index (rather than background pollution levels provided by the networks) according to the different residence and school characteristics of a subject throughout his (her) life. .

La pollution de l'air est un sujet de préoccupation majeur au XXIème siècle affectant la santé ainsi et notre environnement Deux types de pollution attirent plus particulièrement l'attention des physicochimistes à l'heure actuelle. Il s'agit de la pollution a 1'ozone dite photochumque et particulaire (PM10, PM2.5 et PM1). Au cours du travail de thèse les systèmes de modélisation MM5-CHIMERE et MM5-FLEXPART ont été installés et optimisés au PC2A pour l'étude de l'ozone et des PM10 sur la région NPDC. MM5 et CHIMERE sont des modèles Eulériens, météorologique pour le premier et de chimie-transport pour le second. FLEXPART est un modèle Lagrangien de dispersion de particules. La performance du système MM5 CHIMERE est évaluée pour différentes topographies et situations météorologiques. Dans un premier temps, les résultats obtenus par modélisation en mode diagnostique sont confrontés aux mesures réalisées par le réseau de surveillance de la qualité de l'air Atmo-NPDC sur la période caniculaire de Juin-Juillet 2006. Puis, les performances dynamiques et chimiques des modèles sont évaluées au niveau de la zone industrielle de Dunkerque sur deux périodes en avril et mai 2006. Pour de ces périodes, les données ont été collectées lors d'une campagne de mesure réalisée sur la région de Dunkerque par le Laboratoire de Physicochimie Atmosphérique (LPCA) de l'Université du Littoral Côte d'Opale (ULCO) Enfin, le système MM5-FLEXPART est utilisé afin de déterminer l'origme d'un évènement intense de pollution particulaire observé en mars 2007 sur la région NPDC. L'intluence d'un cadastre d'émissions régionale, la résolution des mailles et des données météorologiques ont aussi été testées
Air pollution is a topical subject affecting both human health and the environment. Nowadays, two kind of pollution have been intensely studied, namely, the ozone and the particulate (PMIO, PM2.5 and PM1) pollution. During the thesis, the MM5-CHIMERE and the MM5-FLEXPART systems have been set up and optimised at the PC2A laboratory in order to study ozone and PM 10 pollution events. The performance of the MM5-CHIIMERE system has been evaluated for different topography and meteorological situations. Firstly, the modelled data are compared against observed data from the Atmo-NPDC air pollution monitoring network over the June-Ju!y 2006 heat wave period. Then, the dynamical and chemical performance of the models is assessed over the Dunkerque area for two periods in April and May 2006. For those two periods, measured data were collected during a field campaign achieved by the Laboratoire de Physicochimie Atmosphérique (LPCA) of the University du Littoral Côte d'Opale (ULCO). Finally, the MM5-FLEXPART system was used to determine the origin of an intense PM10 event over the NPDC region. The influence of anthropogenic primary emission, grid and meteorological data resolution has also becn tested

Cette etude est une contribution a la modelisation du phenomene de dispersion de polluants dans la couche limite atmospherique urbaine. La premiere partie est consacree a la presentation de la couche limite atmospherique et des problemes de pollution urbaine. La simulation numerique est abordee dans la deuxieme partie. Une demarche progressive a ete adoptee afin de mettre en evidence certains parametres caracteristiques. L'importance du maillage et des conditions limites a ete etudiee sur des cas d'ecoulements autour de geometries simples. Cela a permis de montrer que, pour limiter la diffusion numerique et les erreurs de calcul, un raffinement du maillage suivant la direction verticale est plus efficace que suivant la direction longitudinale. Le modele de turbulence aux contraintes de reynolds a ete teste dans ces memes configurations d'ecoulements. L'influence de la taille des obstacles et de leur nombre sur la structure dynamique des ecoulements a ete consideree, en particulier sur les longueurs de recirculation qui correspondent a d'eventuelles zones d'accumulation de polluants. Lors de l'etude 3d d'un rejet de polluant et de sa dispersion autour d'un obstacle cubique, une modification du terme de diffusion turbulente dans l'equation du transport de la concentration a ete introduite afin de tenter d'ameliorer la diffusion verticale et transversale. Enfin, une etude en transitoire a permis de prendre en compte les phenomenes instationnaires dans le cas d'un ecoulement autour d'un cylindre de section carree. Pour des angles d'incidence superieurs a 20, le vortex shedding a ete correctement reproduit. Pour des angles plus petits, une perturbation a ete introduite afin de tenter de diminuer l'influence de la diffusion numerique. D'apres la comparaison des champs de concentration obtenus par des simulations stationnaires et instationnaires pour cette configuration d'ecoulement, la prediction correcte des regions a risque lors d'un evenement de pollution necessite la prise en compte des phenomenes instationnaires

L'analyse des données fonctionnelles constitue une branche de la statistique dont le développement s'est fortement intensifié ces dernières années. Dans cette thèse, on s'intéresse à des problèmes de régression fonctionnelle pour lesquels il s'agit d'expliquer les variations d'une variable d'intérêt réelle à partir d'une variable explicative fonctionnelle, c'est-à-dire à valeur dans un espace de dimension éventuellement infinie. On considère plus précisément des modèles de régression linéaire. Deux types d'estimation sont proposés: l'estimation de quantiles conditionnels et l'estimation de la moyenne conditionnelle (cette dernière étant considérée dans le cas où la variable explicative est non bruitée, puis lorsque celle-ci est soumise à des erreurs de mesure). Dans chaque cas, des estimateurs basés sur les fonctions splines sont proposés, solutions de problèmes de minimisation pénalisés, la pénalisation intervenant pour contourner le problème lié au fait que la variable explicative est à valeurs dans un espace de dimension infinie. Finalement, on s'intéresse aux aspects pratique de cette étude, au moyen de simulations, puis sur un jeu de données réelles concernant la prévision de pics de pollution à l'ozone à Toulouse.

Ce travail est une contribution aux méthodes de modélisation de la qualité de l'air. Notre nouveau modèle multi-échelle "MAPOM" (Multiscale Air Pollution Model) simule la dispersion de polluants atmosphériques à méso-échelle. Pour augmenter la précision du modèle, une nouvelle technique d'emboîtement de maillages avec interaction aux interfaces a été implémentée et testée. Les propriétés de conservation de la masse, de positivité et de monotonie du schéma sont assurées. MAPOM a été validé sur des cas tests théoriques avant d'être appliqué sur la région Marseille - Etang de Berre (domaine ESCOMPTE). Le modèle et son algorithme d'emboîtement interactif de maillages ont démontré leur efficacité à traiter des problèmes difficiles de qualité de l'air, à mésoéchelle et sur des terrains complexes. L'optimisation de la mémoire et la structure modulaire de ce nouveau modèle permettent une gestion souple, rapide et automatique des grilles emboîtées et des processus physiques et chimiques
This work aims to be a contribution to the numerical techniques used in air quality modelling. Our new multiscale model "MAPOM" (Multiscale Air Pollution Model) simulates mesoscale atmospheric pollutant dispersion. To increase the model accuracy, a new mesh embedding method, allowing grid interactions at the interface, has been implemented and tested. Mass conservation, positivity, and monotonicity are ensured. MAPOM was validated on theoretical test cases. It was then applied over the area of Marseille - Etang de Berre (ESCOMPTE domain). The model and its interactive mesh embedding algorithm were proved to be efficient in handling difficult problems of air quality at mesoscale over complex terrain. The optimization of the memory, and the modular structure of this new model enable a flexible, fast and automatic management of the nested grids, and of the physical and chemical processes

Les cadastres d’émissions ont un rôle fondamental dans le contrôle de la pollution atmosphérique, à la fois directement, pour le recensement des émissions et comme données d’entrée pour les modèles de pollution atmosphérique. Le travail de cette thèse a eu pour principal objectif l’optimisation de cadastres existants, notamment celui du programme ESCOMPTE « Expériences sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution atmosphérique et de Transport d'Emissions ». Pour ce cadastre, deux problématiques distinctes ont été développées : l’une visant à évaluer au mieux l’incertitude portant sur les émissions et l’autre à insérer un nouveau composé d’intérêt : le Black Carbon (BC). Dans le cadre de la première problématique portant sur les incertitudes, une étude supplémentaire a été effectuée sur le cadastre de la région Nord-Pas-de-Calais. La méthode de calcul des incertitudes a ainsi pu être testée sur un autre cadastre. Ces incertitudes sur les émissions ont permis d'évaluer leur influence sur la modélisation de la qualité de l’air (modèle CHIMERE). La seconde partie du travail de recherche a été entreprise afin de compléter les cadastres d’émissions de particules carbonées existants, pour le secteur des transports routiers, en introduisant une classe de composés supplémentaires : le BC. Le BC est la matière carbonée des particules atmosphériques absorbant la lumière. Il provient essentiellement de la combustion incomplète de combustibles ou composés carbonés. Il peut être considéré comme un composé primordial pour l’atmosphère du fait de son impact sur le climat et pour la santé du fait de sa réactivité chimique
Emissions inventories have a fundamental role in controlling air pollution, both directly by identifying emissions, and as input data for air pollution models. The main objective of this PhD study is to optimize existing emissions inventories, including one from the program ESCOMPTE « Experiments on Site to Constrain Models of Atmospheric Pollution and Transport of Emissions ». For that emissions inventory, two separate issues were developed: one designed to better assess the emissions uncertainties and the second to insert a new compound of interest in this inventory: Black Carbon (BC). Within the first issue, an additional study was conducted on the Nord-Pas-de-Calais emissions inventory to test the methodology of uncertainties calculation. The emissions uncertainties calculated were used to assess their influence on air quality modeling (model CHIMERE). The second part of the research study was dedicated to complement the existing inventory of carbon particulate emissions from road traffic sector by introducing an additional class of compounds: the BC. The BC is the raw carbonaceous atmospheric particles absorbing light. Its main source is the incomplete combustion of carbonaceous fuels and compounds. It can be regarded as a key atmospheric compound given its impact on climate and on health because of its chemical reactivity

À partir des enquêtes, le trafic n’est pas une donnée, mais il est plutôt construit à partir d’hypothèses portant sur les relations entre des origines et des destinations. En vue de reconstruire un trafic routier plus proche de la mesure, et sur un ensemble de tronçons routiers plus important, il apparait alors intéressant de partir de données de comptages issues de capteurs urbains. Notre postulat de départ part de ce constat. L’insertion de ces données d’observations du trafic routier fournit l’opportunité d’expérimenter les potentiels d’exploitations des capteurs pour estimer les niveaux de Pollution Atmosphérique Automobile (PAA) à l’échelle intraurbaine. Cependant, il est alors nécessaire de modifier la nature de la mesure en vue d’extraire une information sur la circulation routière, ce qui a été envisagé ici à travers la construction d’un modèle de simulation multi-agents. D’une manière plus générale, en partant de la donnée, c’est une démarche de construction de la connaissance sur les émissions de PAA qui est abordée tout au long de ce travail. La mise en œuvre de la démarche de modélisation SCAUP (Simulation multi-agents à partir de Capteurs Urbains pour la Pollution atmosphérique automobile) a été réalisée en trois temps : 1. En se focalisant sur les dispositifs de quantification du trafic routier à travers les capteurs urbains ; 2. En proposant une démarche de modélisation et de simulation de ces données pour le trafic routier ; 3. En se rattachant aux référentiels nationaux utilisés par les AASQA pour le calcul des émissions de PAA. L’ensemble se lie et s’intègre au sein d’une matrice technique qui constitue la colonne vertébrale de ce manuscrit à travers trois dispositifs interdépendants : la quantification, la modélisation et l’évaluation. Ce travail s’inscrit dans une démarche expérimentale de simulation du trafic routier pour le calcul des émissions de PAA. Parrainé par l’AASQA locale ATMOSF’AIR BOURGOGNE, il s’inscrit aussi dans une optique de recherche appliquée en appui de ces organismes en charge de la surveillance de la qualité de l’air. À l’heure où le big data entre dans de nouveaux questionnements quant aux capacités des chercheurs à en extraire une connaissance, nous proposons une démarche géographique en vue de replacer la donnée au centre d’une démarche de simulation originale du trafic routier (data-driven)
Based on surveys, traffic is constructed from assumptions about the relationship between origins and destinations. In order to rebuild a road traffic wich would be closer to observation and on a wider set of road sections, it appears interesting to use counting data from urban sensors : this is our starting point of view. The insertion of these in-situ dataset in the road traffic measurement provides the opportunity to experience the potential of sensors to estimate Traffic Air Pollution (TAP) levels at the intraurban scale. However, this requires to change the nature of these estimation, here through the construction of a model of multi-agents simulation, in order to extract more information on the road traffic. More generally, this work can be seen as a a knowledge building approach on TAP emisssions which is discussed throughout this work. The implementation of the SCAUP (multi-agent simulation from Urban sensors for traffic air pollution) approach was developped in three stages: 1. Focusing on the quantification of road traffic devices through urban sensors; 2. Proposing a modeling approach for road traffic data simulation ; 3. Using as a reference the national framework used by AASQA to calculate RTA emissions. All is integrated within a technical matrix that forms the spine of the manuscript through three interrelated systems: quantification, modeling and evaluation. This work is part of an experimental approach dedicated to the calculation of TAP emissions based on traffic simulations. Sponsored by the ATMOSF’AIR BOURGOGNE local AASQA, this work could also be used in an operational mode for these organizations in charge of the air quality monitoring. At a time when the big data enters into new questions about the ability of researchers to extract knowledge, we propose a geographical approach that enables to replace the data in the center of an original road traffic simulation approach (data- driven)

Les particules atmosphériques ont des impacts économiques, sanitaires et environnementaux importants à l'échelle mondiale. La réduction de leurs émissions afin d’améliorer la qualité de l'air ambiant exige une connaissance approfondie de leurs sources, qui peut être apportée par l'étude de leur composition chimique. La présente thèse vise à identifier les principales sources et origines géographiques des PM10 sur 5 sites d'échantillonnage (3 urbains, 1 trafic et 1 distant) représentatifs du Nord de la France, fréquemment soumis à des dépassements des valeurs réglementaires. La méthodologie a consisté en : (i) une caractérisation chimique complète des PM10 sur les 5 sites ; (ii) l’identification et la quantification des sources primaires et des processus secondaires pour chaque site par factorisation par matrice positive (PMF) ; (iii) l’estimation des champs de concentration (CF) des sources lointaines identifiées par PMF par combinaison avec les rétrotrajectoires de masses d’air, afin de localiser les zones d’émissions.La matière organique et le nitrate d'ammonium prédominent, avec quelques différences selon le type de site. De fortes contributions en aérosols secondaires (riches en nitrate, sulfate et oxalate) ont été observées, ainsi qu’un impact significatif du trafic et de la combustion de biomasse. Les zones d’émission identifiées pour les particules naturelles sels marins frais et vieillis (principalement de l'océan Atlantique) et biogéniques marins (principalement de la mer du Nord), et les contributions continentales anthropiques de particules secondaires riches en nitrate et sulfate, valident l’approche utilisée
Airborne particles have significant economical, health and environmental impacts at a global scale. Mitigating their emissions to improve ambient air quality demands a deep knowledge on their sources, which can be determined by investigating their chemical composition. The present thesis aims at identifying major PM10 sources and geographical origins at 5 sampling sites (3 urban background, 1 traffic and 1 remote) representative of Northern France, which is frequently submitted to exceedances of limit values as defined by European Directives. The first step of this study included a comprehensive chemical characterization of PM10 filter samples collected every third day at the 5 sites. Organic matter and ammonium nitrate were confirmed as the main PM10 species in the investigated area with some differences according to the site type. Positive Matrix Factorization (PMF) was used to identify and quantify the contributions of primary sources as well as secondary processes impacting each sampling site. Large contributions of secondary aerosols (mainly grouped as nitrate-, sulfate- and oxalate-rich aerosols) were obtained at all sites, as well as significant traffic and biomass burning. The use of specific tracers like MSA and polyols also proved to be useful to identify marine and continental biogenic aerosols, respectively. Statistical trajectory-based model was applied to PMF outputs to calculate Concentration Field maps and locate emission sources of marine particles, namely fresh and aged sea salts (primarily from the Atlantic Ocean) and marine biogenic aerosols (mainly from the North Sea), as well as continental contributions of nitrate-and sulfate-rich secondary particles

Aujourd'hui, l'évaluation des conséquences environnementales et sanitaires d'événements majeurs liés aux rejets dans l'atmosphère de substances radiologiques ou chimiques est, de plus en plus, basée sur la mise en œuvre d'outils de modélisation. La capacité de ces outils à appréhender de manière toujours plus fine l'ampleur spatiale et temporelle de ce type d'événements contribue à leur positionnement croissant en appui aux situations d'urgence. Cependant, l'accident de Fukushima a souligné qu'en dépit de cette tendance, l'apport des outils n'est pas encore optimal au regard de l'environnement décisionnel de l'organisation de sécurité civile en charge, notamment, des décisions de protection des populations. Cette recherche s'attèle donc, sur la base d'interviews et d'observations d'exercices de crise, à clarifier la place des outils de modélisation en situation d'urgence. L'étude suggère qu'à ce jour, la gestion de ces situations prend place dans un processus de co-construction de sens entre acteurs d'expertise NRBC-E et décideurs, favorisant l'atteinte de consensus en matière de prise de décision. L'étude met également en lumière l'importance que joue le COD, de par sa structure même, comme lieu d'échange entre acteurs aux expertises et expériences complémentaires, dans la perception et la gestion des changements de contexte. Ainsi, nous suggérons qu'en se positionnant au niveau de l'évaluation de la situation, les outils de modélisation fournissent une information qui respecte les pratiques actuelles dans l'aide à la décision en situation d'urgence et le respect des rôles et expertises de chaque acteur. Dans cette optique, les modèles de dispersion et d'impact sont donc susceptibles de s'intégrer au développement plus global d'outils d'aide à la gestion des crises auprès de l'organisation de sécurité civile, principalement comme soutien à la construction d'une représentation collective et dynamique de la situation entre expert et décideur
Environmental and health impact assessment of accidental or intentional releases of potentially hazardous materials in the atmosphere is increasingly supported by the development of modeling tools. Their potential to assess the spatial and temporal extent and severity of toxic plumes contributes to their growing development as CBRN-E emergency support tools. However, the Fukushima nuclear accident underlined that their support is not yet optimal regarding civil security organizations in charge of population protection. This research therefore tends to clarify the role of these modelling tools in emergency management. For this purpose, interviews and observations of crisis exercises have been conducted. This study suggests that nowadays, CBRN-E emergency management takes place in a sensemaking co-constructing process between CBRN-E experts and emergency managers contributing to the achievement of consensus in the decision making process. This study also highlights the key role played by the crisis center, regarding its proper organizational structure as a sharing place between actors with complementary expertise and experience, in the perception and response to changing circumstances. Thus, this study suggests that by providing situation assessment results, modeling tools meet the current practices both in terms of emergency support tools used for civilian protection organization and in respect of each actors' contributions. In this perspective, these modelling tools are likely to end up being part of the development of crisis management support tools for building a collective representation of the CBRN-E situation between expertise and decision

La pollution générée par la circulation automobile au cœur de la ville est un problème aigu dans les grandes cités. Partant du cadre général du lien entre économie et environnement, on s’intéresse plus particulièrement à la notion d’externalités et aux différentes méthodes d’évaluation de ces externalités. Ensuite, on particularise le propos au cas concret des nuisances du transport routier urbain en se focalisant sur les émissions de gaz polluants. On présente alors les diverses méthodes d’évaluations économiques de ces externalités du transport. On montre alors, à travers une expérience au centre ville de Tunis, comment les modèles statistiques d’affectation du trafic peuvent être utilisés pour calculer ces émissions, principalement celles qui concernent les gaz polluants. Ces modèles d’affectation du trafic permettent également de calculer la congestion du réseau. Le propos est alors élargi pour établir le lien complexe existant entre congestion d’une part, et environnement et cadre de vie d’autre part. Enfin, on termine le propos en donnant quelques perspectives sur les alternatives aux carburants fossiles pour la propulsion des moteurs de voitures particulières en indiquant, pour chaque solution, ses conséquences sur l’environnement, principalement en matière d’émission de polluants atmosphériques
Pollution generated by urban traffic is a serious problem of our cities. Started from the general link between economy and environment, we are more particularly interested by externalities and by the various methods to evaluate these externalities. Then, we particularize the comment in the concrete case of the nuisances of the urban road transport by focusing on emissions of pollution gases. We present then the methods of economic evaluations of these externalities of the transport. We show then, by an experience in the city of Tunis, how the models for the static traffic assignement can be used to calculate these gases emissions. These models also allow to calculate the congestion of the network. The idea is widened to establish the complex link between congestion on the one hand, and environment and living environment on the other hand. Finally, we end the comment by giving some perspectives on the alternatives in fossil fuels for the propulsion of the engines of the cars by indicating, for every solution, its consequences on the environment, mainly in emission of atmospheric pollutants