English

In recent years there has been an increased drive to understand local sources of air pollution in the Arctic. The Fairbanks area in interior Alaska (United States) is representative of an Arctic area subject to severe wintertime pollution episodes, when extremely cold temperatures drive high emission demands. Moreover, limited solar radiation, strong surface radiative cooling and orographic features promote stable meteorological conditions in the wintertime atmospheric boundary layer (ABL) that trap air pollutants. This thesis uses the Lagrangian FLEXPART-WRF model, including detailed surface and elevated power plant emissions, to investigate the dispersion of local air pollutants in the Fairbanks area. Ground-based and vertical profile observations from the ALPACA-2022 field campaign are used for model validation. The results reveal the importance of accounting for boundary layer stability to improve the simulation of power plant plumes aloft. A cold-temperature dependence for NO_x (NO + NO₂) emissions from diesel vehicles is required to reduce large negative biases in simulated surface NO_x concentrations. Positive model biases in surface SO₂ are markedly driven by the modelled vertical mixing of space heating emissions. Power plant contributions to surface pollution range between 0.3-2.7 ppb SO₂ and 0.6 to 6.4 ppb NO_x on average at breathing level (0-10 m), mainly from power plants with short stacks (< 30 m). These results emphasize the need for improved local emission inventories in cold winter environments and improved simulation of Arctic wintertime boundary layer meteorology, especially since local Arctic emissions are expected to increase in line with future Arctic development and warming.

Français

Depuis quelques années, les sources locales de pollution de l’air dans l’Arctique sont de plus en plus étudiées. La région de Fairbanks, en l’Alaska (États-Unis), est représentative d’une zone arctique sujette à des épisodes intenses de pollution hivernale, lorsque des températures extrêmement basses entraînent de fortes d’émissions. De plus, le rayonnement solaire limité, le refroidissement radiatif important de la surface et les caractéristiques orographiques favorisent des conditions météorologiques stables dans la couche limite atmosphérique (ABL) en hiver, qui piègent les polluants atmosphériques. Cette thèse utilise le modèle lagrangien FLEXPART-WRF, y compris les émissions détaillées des centrales électriques en surface et en altitude, pour étudier la dispersion des polluants atmosphériques locaux dans la région de Fairbanks. Les observations au sol et les profils verticaux de la campagne de terrain ALPACA-2022 sont utilisés pour la validation du modèle. Les résultats révèlent l’importance de la prise en compte de la stabilité de la couche limite pour améliorer la simulation des panaches de centrales électriques en altitude. Une prise en compte de la température froide pour les émissions de NO_x (NO + NO₂) des véhicules diesel est nécessaire pour réduire les biais négatifs importants dans les concentrations simulées de NO_x en surface. Les biais positifs du modèle en ce qui concerne le SO₂ de surface sont nettement induits par le mélange vertical modélisé des émissions de chauffage des locaux. Les contributions des centrales électriques à la pollution de surface représentent entre 0,3 et 2,7 ppb de SO₂ et entre 0,6 et 6,4 ppb de NO_x en moyenne au niveau de la respiration (0-10 m), principalement à partir de centrales électriques équipées de cheminées courtes (< 30 m). Ces résultats soulignent la nécessité d’améliorer les inventaires d’émissions locales dans les environnements arctiques ainsi que la simulation de la météorologie de la couche limite hivernale arctique, d’autant plus que les émissions locales devraient augmenter avec le développement futur de la région et avec son réchauffement.

Lieu
Salle de conférence UFR – Tour 46-56, 2^e étage.

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/99220970409?pwd=btjDssabhpR833aBqXCnqYHS2t3lJx.1

• Rapporteure : Sabine Eckhardt
• Rapporteur : Wahid Mellouki
• Examinateur : Laurens Ganzeveld
• Examinatrice : Solène Turquety
• Directrice : Kathy S. Law
• Co-directeur : Steve R. Arnold