3.3 D´ emarche
3.3.4 Conclusion et perspectives
Pour conclure, nous dressons un bilan des ´etudes relatives aux approches de mod´elisation multi-´
echelles et d’assimilation de donn´ees effectu´ees dans ce projet de recherche. De mˆeme, nous indiquons des perspectives et des pistes `a approfondir.
Conclusion de la premi`ere partie
La pollution atmosph´erique est un probl`eme majeur sur le plan environnemental, sanitaire et ´
economique. Le risque sanitaire est notamment plus important dans les milieux urbains car les niveaux de concentration et la densit´e de population sont relativement plus ´elev´es dans ce type d’environnement. Pour am´eliorer la qualit´e de l’air dans les environnements urbains, il est n´ecessaire de r´eduire les ´emissions. Il est ´egalement n´ecessaire de pouvoir ´evaluer les niveaux de concentration pour lutter contre les effets de la pollution de l’air. Actuellement, la mise en œuvre de mod`eles urbains de qualit´e de l’air est le seul moyen d’´evaluer les concentrations de polluants dans les zones urbaines avec une r´esolution spatiale suffisante. Cependant, les incertitudes relatives aux estimations fournies par ce type de mod`eles sont plus importantes que celles associ´ees aux mesures. Aussi, l’objectif de ce projet de recherche est de r´eduire ces incertitudes afin d’am´eliorer l’´evaluation de la qualit´e de l’air `a l’´echelle urbaine. Pour cela, nous ´etudions deux approches : la mod´elisation multi-´echelles et les m´ethodes d’assimilation de donn´ees.
Le mod`ele urbain utilis´e dans le cadre de ce projet de recherche est le mod`ele SIRANE. La prochaine partie d´ecrit ce mod`ele et les r´esultats obtenus avec celui-ci sur les cas d’´etudes de r´ef´erence analys´es dans ce travail de th`ese.
Deuxi`eme partie
Mod`ele SIRANE et simulations de
r´ef´erence
Chapitre 4
Pr´esentation du mod`ele SIRANE
SIRANE est un mod`ele op´erationnel de dispersion atmosph´erique `a l’´echelle urbaine. A cette ´
echelle, il existe actuellement trois grandes familles d’approches pour mod´eliser la dispersion atmo-sph´erique de mani`ere op´erationnelle : les mod`eles de rue-canyon, les mod`eles de r´eseau de rues et les mod`eles de bˆatis r´esolus. Les mod`eles de CFD ne sont pas ´evoqu´es car ils ne constituent pas une solution op´erationnelle, `a cause de leur coˆut important en temps de calcul, sauf sur des domaines tr`es r´eduits (par exemple quelques rues). Les trois approches cit´ees pr´ec´edemment diff`erent dans la complexit´e associ´ee `a la repr´esentation de la g´eom´etrie urbaine et de fait par le coˆut en temps de calcul. Les mod`eles de rue-canyon tels que SBLINE (Namdeo et Colls, 1996), CALINE (Benson, 1992b), CPMB (Yamartino et Wiegand, 1986), OSPM (Hertel et Berkowicz, 1989) et ADMS-Urban (McHugh et al., 1997;Carruthers et al., 2000) sont g´en´eralement des mod`eles de boˆıtes ou des mo-d`eles gaussiens modifi´es qui r´esolvent l’´ecoulement atmosph´erique sans tenir compte explicitement de l’influence des bˆatiments. Ce type de mod`ele prend indirectement en compte les effets du bˆati grˆace `a des relations param´etriques qui simulent le ph´enom`ene de pi´egeage dans les rues-canyons (Hertel et Berkowicz, 1989). En revanche, les mod`eles de bˆatis r´esolus comme QUICURB (R¨ockle, 1990;Brown et al., 2009,2013) et Micro Swift Spray (Moussafir et al., 2004;Tinarelli et al., 2007) r´esolvent de mani`ere d´etaill´ee l’´ecoulement atmosph´erique dans la canop´ee urbaine `a l’aide de mo-d`eles pronostiques (Gowardhan et al., 2011) et diagnostiques (Duchenne et al., 2011). La dispersion atmosph´erique est ensuite d´etermin´ee avec une approche lagrangienne (Moussafir et al., 2004) ou eul´erienne (Gowardhan et al., 2011). L’approche de r´eseau de rues (Soulhac, 2000 ; Hamlyn et al., 2007;Soulhac et al., 2011) introduite initialement par Soulhac (2000)peut ˆetre consid´er´ee comme un compromis entre les deux approches pr´ec´edentes. Cette approche est bas´ee sur une repr´ esen-tation simplifi´ee de la g´eom´etrie urbaine et sur une param´etrisation des principaux ph´enom`enes d’´ecoulement dans les zones urbaines. A notre connaissance, SIRANE (Soulhac et al., 2011, 2012) est le seul mod`ele op´erationnel actuellement utilis´e dans les ´etudes de la qualit´e de l’air qui soit bas´e sur l’approche de r´eseau de rues. Ce mod`ele est notamment utilis´e par plusieurs AASQA afin d’´evaluer la qualit´e de l’air dans les environnements urbains.
Ce chapitre a pour but de d´ecrire plus en d´etail le mod`ele SIRANE. Dans un premier temps, nous exposons le principe g´en´eral du mod`ele (section 4.1). Ensuite, nous d´ecrivons la param´etrisation
38 CHAPITRE 4. PR ´ESENTATION DU MOD `ELE SIRANE
adopt´ee par le mod`ele SIRANE pour mod´eliser les ph´enom`enes de dispersion atmosph´erique `a l’´echelle urbaine (sections 4.2, 4.3 et 4.4). Enfin, nous pr´esentons les donn´ees d’entr´ee du mod`ele (section 4.5).
4.1 Principe g´en´eral du mod`ele SIRANE
L’´ecoulement dans la canop´ee urbaine est g´en´er´e par l’´ecoulement de couche limite atmosph´ e-rique qui se d´eveloppe au-dessus de la canop´ee urbaine (Britter et Hanna, 2003 ;Vardoulakis et al., 2003 ;Dobre et al., 2005 ;Soulhac et al., 2008 ;Garbero et al., 2010 ;Soulhac et Salizzoni, 2010). L’´ecoulement dans la canop´ee est notamment caract´eris´e par des r´egions de recirculation qui pi`egent les polluants et par du confinement entre les bˆatiments qui limite leur dispersion (DePaul et Sheih, 1985;Oke, 1988;Dabberdt et Hoydysh, 1991;Oke, 2002;Britter et Hanna, 2003;Belcher, 2005; Dobre et al., 2005 ;Soulhac et al., 2008 ; Soulhac et Salizzoni, 2010 ;Salizzoni et al., 2011 ; Soul-hac et al., 2011, 2013). Pour mod´eliser la dispersion atmosph´erique `a l’´echelle urbaine, le mod`ele SIRANE divise le domaine d’´etude en deux sous-domaines : la canop´ee urbaine et l’atmosph`ere ext´erieure. L’interface fictive entre ces deux sous-domaines se situe approximativement au niveau des toits (figure 4.1b).
Dans l’atmosph`ere ext´erieure, la dispersion atmosph´erique est d´etermin´ee `a l’aide de mod`eles gaussiens en supposant que l’´ecoulement est un ´ecoulement de couche limite sur une surface rugueuse (figure 4.1c). La sous-couche de rugosit´e juste au-dessus de la canop´ee urbaine (Rotach, 1995) est n´eglig´ee. Dans la canop´ee urbaine, la dispersion atmosph´erique est estim´ee avec un mod`ele de
Figure 4.1 – Repr´esentation de la g´eom´etrie urbaine r´eelle (a,b) et mod´elis´ee (c). Les zones jaunes sont associ´ees aux rues-canyons mod´elis´ees dans la canop´ee urbaine alors que les zones grises ne le sont pas. La ligne bleue repr´esente l’interface fictive canop´ee urbaine-atmosph`ere ext´erieure.
4.1. PRINCIPE G ´EN ´ERAL DU MOD `ELE SIRANE 39
a) G´eom´etrie r´eelle b) Volumes des rues
u u
c) Rues-canyons d) R´eseau de rues
Figure 4.2 – Repr´esentation de la g´eom´etrie urbaine dans le mod`ele SIRANE : g´eom´etrie r´eelle (a), volumes des rues (b), rues-canyons (c) et r´eseau de rues (d)
r´eseau de rues. Avec ce mod`ele, la g´eom´etrie urbaine est simplifi´ee et est d´ecrite par une s´erie de rues (ou tron¸cons de rue), repr´esent´ees par des segments, connect´ees les unes aux autres par des intersections, repr´esent´ees par des nœuds (figure 4.2). Chaque segment repr´esente le volume d’une rue qui est mod´elis´e comme une boˆıte parall´el´epip´edique de largeur W , de hauteur H et de longueur L. Cette repr´esentation suppose que la hauteur des bˆatiments de chaque cˆot´e est similaire. Dans chaque rue, la concentration est suppos´ee homog`ene. Celle-ci est estim´ee en r´ealisant un bilan de masse qui prend en compte des ph´enom`enes de transport de polluants mod´elis´es `a l’aide de relations param´etriques.
Le mod`ele de r´eseau de rues est appliqu´e uniquement pour les rues-canyons. Les rues-canyons sont des rues relativement ´etroites bord´ees de chaque cˆot´e par des bˆatiments (Nicholson, 1975). Cette g´eom´etrie de rue est notamment la plus d´efavorable `a la dispersion des polluants ´emis `a l’int´erieur de la rue car elle favorise le ph´enom`ene de recirculation (Oke, 1988 ;Soulhac, 2000).Oke (1988) indique qu’il existe trois r´egimes d’´ecoulement dans une rue-canyon sym´etrique (bˆatiments avec une hauteur relativement similaire de chaque cˆot´e) : isolated roughness ; wake interference ; et skimming flow (figure 4.3). Le r´egime d’´ecoulement d´epend notamment du rapport d’aspect W/H. Dans le cas de l’´ecoulement isolated roughness (5 < W/H), l’´eloignement entre les bˆatiments est suffisant pour que la zone de recirculation en aval du premier bˆatiment n’interagisse pas avec
40 CHAPITRE 4. PR ´ESENTATION DU MOD `ELE SIRANE
Figure 4.3 – R´egimes d’´ecoulement dans une rue-canyon bidimensionnelle : (a) isolated roughness, (b) wake interference, (c) skimming flow (d’apr`esOke (1988)).
celle en amont du bˆatiment suivant. Dans ce cas, l’´ecoulement atmosph´erique p´en`etre dans la rue et ´evacue les polluants. Dans le cas de l’´ecoulement wake interference (1.5 < W/H < 5), les bˆatiments sont suffisamment proches pour que la zone de recirculation en aval du premier bˆatiment interagisse avec celle en amont du second bˆatiment. Dans ce r´egime, l’´ecoulement p´en`etre encore l´eg`erement dans la rue. Dans le cas du r´egime skimming flow (W/H < 1.5), la distance entre les deux bˆatiments est encore plus faible et une seule zone de recirculation est pr´esente. Dans cette derni`ere configuration, l’´ecoulement atmosph´erique ext´erieur est peu influenc´e par la pr´esence de la cavit´e et ne p´en`etre quasiment pas dans la rue. D’autres ´etudes montrent que deux zones de recirculation contre-rotatives sont pr´esentes lorsque la rue est tr`es ´etroite (2/3 ≤ W/H) ou lorsque la rue n’est pas sym´etrique, c’est-`a-dire lorsque la rue est bord´ee par des bˆatiments avec une hauteur diff´erente de chaque cˆot´e (Hoydysh et Dabberdt, 1988 ; Pavageau, 1996 ; Rafailidis, 1997 ; Hassan et Crowther, 1998 ; Soulhac, 2000 ; Britter et Hanna, 2003). Le mod`ele SIRANE consid`ere que l’´ecoulement ext´erieur ne p´en`etre (quasiment) pas dans la canop´ee urbaine puisqu’il est mod´elis´e comme un ´ecoulement de couche limite sur une surface rugueuse correspondant `a l’interface canop´ee urbaine-atmosph`ere ext´erieure. Ce type d’´ecoulement correspond globalement aux r´egimes d’´ecoulement wake interference et skimming flow. Aussi, SIRANE consid`ere qu’une rue est une rue-canyon si W/H ≤ 3 (3 correspond globalement `a la valeur interm´ediaire de la gamme caract´eristique des rapports d’aspect relatifs au r´egime wake interference). Dans le cas contraire, le mod`ele consid`ere que c’est une rue-ouverte. Dans ce cas, le mod`ele suppose qu’elle fait partie de l’atmosph`ere ext´erieure et la dispersion dans la rue est mod´elis´ee en consid´erant un ´ecoulement de couche limite sur une surface rugueuse. Cette d´emarche est ´egalement appliqu´ee pour les rues bord´ees de bˆatiments d’un seul cˆot´e, pour les places, les parcs et les cours int´erieures qui sont consid´er´ees comme des terrains ouverts (figure 4.1). Le mod`ele de r´eseau de rues est adapt´e pour les zones avec une forte densit´e de bˆatiments telles que les centres-villes. Ce mod`ele est moins bien adapt´e dans les zones p´eriurbaines o`u la pr´esence de rues-canyons est relativement faible. De mˆeme, la repr´esentation du volume d’une rue sous la forme d’un parall´el´epip`ede, adopt´ee dans le
4.2. ECOULEMENT ET DISPERSION DANS LA CANOP ´EE URBAINE 41
mod`ele de r´eseau de rues, est une autre approximation de la r´ealit´e. N´eanmoins, on peut noter que Soulhac et al. (2012)comparent les estimations du mod`ele SIRANE `a des mesures de concentration et indiquent que les r´esultats sont relativement satisfaisants.
SIRANE est un mod`ele quasi-statique qui adopte un pas de temps horaire. Cela signifie qu’il consid`ere que les conditions m´et´eorologiques et les ´emissions sont stationnaires `a chaque pas de temps. Cela est notamment dˆu au fait que pour un temps de l’ordre de l’heure, correspondant au temps caract´eristique des ph´enom`enes dans la couche limite atmosph´erique, les variations m´et´ eorolo-giques peuvent ˆetre consid´er´ees comme suffisamment lentes pour ˆetre suppos´ees constantes (Van der Hoven, 1957 ;Soulhac, 2000). Ce pas de temps est ´egalement assez court pour prendre en compte la variabilit´e temporelle des conditions m´et´eorologiques et des ´emissions au cours de la journ´ee. De mˆeme, pour une vitesse de vent de l’ordre de 2 − 3 m.s−1, les polluants parcourent une distance d’environ 10 km en une heure. Aussi, ce pas temps horaire est consid´er´e comme suffisamment long pour ´evaluer un ´etat stationnaire de la dispersion atmosph´erique `a l’´echelle urbaine.
Les donn´ees d’entr´ee du mod`ele SIRANE sont la g´eom´etrie urbaine, la m´et´eorologie, les ´emissions et la concentration de fond. Hormis la g´eom´etrie urbaine, ces donn´ees doivent ˆetre fournies `a chaque pas de temps. Ces donn´ees d’entr´ee sont d´ecrites plus en d´etail dans la section 4.5.