2.3 Élaboration de notre méthode d’inversion
3.1.2 Les paramètres d’entrée
3.1.2.1 La géométrie des domaines
À partir d’un unique code, CHIMERE peut fonctionner à deux échelles : (i) à l’échelle continentale, pour un domaine qui couvre l’Europe de l’Ouest avec une résolution de 0.5◦, comme représenté sur la Figure 3.1 par les points indiquant les nœuds du maillage et (ii) à l’échelle régionale pour divers domaines dont la position est indiquée sur la Figure 3.1 par les rectangles, avec généralement des résolutions de 3 à 6 km.
40 42 44 46 48 50 52 54 56 58
Latitude
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Longitude
France Espagne Belgique Italie Royaume-Uni Suisse AllemagneFIG. 3.1 – Cartes des domaines de simulation CHIMERE
En mode prévision, pour garantir la rapidité du calcul, le modèle utilise huit niveaux verticaux, allant de la surface à 750 hPa (à peu près 3000 mètres d’altitude), leur épais- seur dépendant de la météorologie. Les caractéristiques du sol et le relief des différents domaines sont interpolés à partir des données de la NOAA (National Oceanic and Atmos- pheric Administration,www.noaa.gov).
3.1.2.2 La météorologie
CHIMERE est un modèle «off-line» et doit donc être alimenté par des données météo- rologiques précalculées. En mode prévision, pour le domaine continental, les données utilisées sont celles délivrées quotidiennement par le Centre Européen pour les Prévisions
Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT ou ECMWF en anglais) avec une résolution d’un demi degré. Pour les domaines régionaux, ces mêmes données sont interpolées, de manière à fournir des champs météorologiques à la résolution voulue.
3.1.2.3 Les conditions aux limites et les conditions initiales
Les conditions aux limites ne concernent que les espèces chimiques. La version conti- nentale utilise des champs de concentrations climatologiques calculés avec le modèle de chimie-transport global MOZART (Brasseur et al. 1998). L’intérêt de l’approche à deux échelles est de permettre le «nesting» : les résultats des simulations à l’échelle conti- nentale sont utilisées comme conditions aux limites pour les domaines régionaux. Une simulation régionale inclut donc de manière systématique une première simulation conti- nentale sur la même période.
Les conditions initiales ont un impact fort sur les concentrations calculées au début d’une simulation. À l’échelle continentale, une simulation doit prendre en compte le transport des masses d’air par le vent sur plusieurs centaines de kilomètres. Le temps nécessaire pour que les conditions initiales n’aient plus d’influence sur les concentrations simulées est donc de plusieurs jours. À l’échelle régionale, les conditions initiales n’ont pas d’im- pact fort sur les concentrations au-delà d’un cycle diurne. Selon l’échelle, il est donc né- cessaire d’effectuer un ou quelques jours de simulation non exploitables avant la période d’intérêt.
3.1.2.4 Les émissions
En version prévision, il faut fournir au modèle les émissions de seize espèces-modèle sous forme de flux surfaciques exprimés en molécules par centimètre carré par seconde (moléc.cm−2.s−1).
À l’échelle continentale Les émissions anthropiques sont issues de la base de données
annuelles EMEP pour 1998 sous la forme de masses totales annuelles de NOx, SO2, CO et
de composés organiques volatils (COV) non méthaniques (éthane, n-butane, éthène, pro- pène, o-xylène, formaldéhyde, acétaldéhyde et méthyle, éthyle et cétone). Il est nécessaire de transformer ces données brutes en profils temporels de résolution horaire, dépendant du mois, du jour (semaine, jour férié) et de l’heure, pour chacune des espèces-modèle. La ventilation temporelle des émissions s’effectue grâce à des coefficients à appliquer aux masses annuelles pour les moduler selon le mois, le jour de la semaine et l’heure de la jour- née. Ces profils temporels sont construits à partir des informations contenues dans la base de données GENEMIS (GENeration and evaluation of EMISsion data) (Society 1994). La modulation mensuelle prend en compte des variations saisonnières comme celles des émissions dues au chauffage. Les profils horaires prennent en compte trois types de jour correspondant aux jours de la semaine (du lundi au vendredi), au samedi et au dimanche ou jour férié. Les émissions de tous les lundis ont donc un profil temporel identique à celui de tous les mardis.
Une fois les masses annuelles réparties dans le temps, il faut effectuer la spéciation des espèces en espèces-modèles. Après avoir été regroupés en trente-deux classes selon leur
réactivité, les COV non méthaniques sont agrégés en 10 espèces-modèles suivant les re- commandations de Middleton et al. (1990).
À ces émissions anthropiques, sont ajoutées des émissions biogéniques d’isoprène, de terpènes et de NO, calculées à partir des données météorologiques et des caractéristiques du terrain (Guenther 1997).
À l’échelle régionale Les émissions employées pour l’Île-de-France dans le cadre de
cette étude ont été élaborées par AIRPARIF pour la campagne ESQUIF sur la base du mois de Juillet 1998 à l’aide des modules «émissions» de SIMPAR (Systéme Informatique de Modélisation de la Pollution Atmosphérique à l’échelle Régionale). Ce qui suit résume les explications détaillées fournies par Vautard et al. (2003) et dans le rapport ESQUIF (2001).
Le cadastre élaboré indique les émissions de monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, dioxyde de soufre, oxydes d’azote, COV non méthaniques et méthane pour trois types de jours correspondant aux jours de semaine, au samedi et au dimanche (ou jour férié) à une résolution spatiale de 3 km (sur le domaine de 150 km × 150 km représentant l’Île-de-France) avec un pas horaire d’une heure.
Les masses totales annuelles sont calculées en prenant en compte les onze secteurs d’ac- tivité définis par la nomenclature SNAP (Selected Nomenclature for sources of Air Pollu- tion) dont les intitulés sont les suivants :
1 - combustion dans les industries de l’énergie et de la transformation de l’énergie 2 - combustion hors industrie
3 - combustion dans l’industrie manufacturière 4 - procédés de fabrication
5 - extraction et distribution de combustibles fossiles 6 - utilisation de solvants et autres produits
7 - transport routier
8 - autres sources mobiles et machineries 9 - traitement et élimination des déchets 10 - agriculture et sylviculture et aquaculture 11 - autres sources et puits
En pratique, les sources sont divisées en trois catégories pour chacune desquelles un mode de calcul adpaté est appliqué :
(i) les grandes sources ponctuelles telles que cheminées industrielles, centrales ther- miques, incinérateurs, soit en tout deux cent trois en Île-de-France. Les émissions sont calculées à partir des données collectées par la DRIRE (Direction Régionale de l’Industrie, de la Recherche et de l’Environnement) d’Île-de-France en 1998. Les profils temporels permettant de passer des masses totales annuelles à la résolution horaire sont tirés du programme GENEMIS (comme à l’échelle continentale) et des déclarations des industries.
(ii) les sources linéiques (grands axes routiers, autoroutes). Elles sont calculées en com- binant quatre types d’information :
– les données sur le réseau routier et le trafic, fournies par la DREIF (Direction Ré- gionale de l’Équipement en Île-de-France) et qui concernent les types de voies (voies urbaines, routes et autoroutes), leur débit, la vitesse du trafic, le pourcen- tage de véhicules roulant «à froid» pour les trente cinq mille brins du réseau. – la composition du trafic c’est-à-dire les pourcentages de chaque catégorie de véhi-
cules (véhicules particuliers, deux roues, véhicules utilitaires légers, poids lourds, bus et cars) circulant sur les trois types de voies selon l’heure de la journée. – les facteurs d’émissions pour ces véhicules, obtenus d’après la méthode COPERT
III (Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport) (Ntzia- christos et al. 2000)
– la température extérieure, qui influence les émissions à froid et les pertes par évaporation.
Les profils temporels diurnes sont calculés par le modèle de trafic mais une modu- lation, obtenue à partir des mesures d’une station «trafic» du réseau AIRPARIF, est appliquée pour différencier les trois types de jours.
(iii) les sources surfaciques c’est-à-dire celles qui ne font pas partie des deux premières catégories comme le chauffage domestique, le trafic diffus, les petites sources in- dustrielles. Les données du CITEPA (Centre Interprofessionnel Technique d’Études de la Pollution Atmophérique) pour 1994, fournies pour des arrondissements ou départements, sont combinées à l’occupation des sols indiquée par l’IFEN (Insti- tut Français de l’ENvironnement) afin d’obtenir la résolution spatiale voulue. Les profils temporels proviennent également de GENEMIS.
La spéciation des COV en espèces-modèle est effectuée pour chaque secteur SNAP d’après des études diverses (Theloke et al. 2000; Theloke et al. 2001; Schmitz et al. 2000; Rudd et Marlowe 1998; Hassel et al. 2000). Les oxydes d’azote sont répartis en 10% de dioxyde d’azote et 90% de monoxyde d’azote.
Dans le cadastre obtenu, le trafic routier est la principale source de NOx, avec 53% des
émissions totales. Les solvants et le trafic sont les principales sources de COV (36 et 35% respectivement).