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Soutenance de thèse

Alexis Squarcioni

CEREA

Modélisation numérique multi-échelle de la qualité de l’air pour le milieu urbain

Date 04/10/2024 13:30
Diplôme École nationale des ponts et chaussées
Lieu Amphithéâtre Caquot 2, bâtiment Coriolis, École nationale des ponts et chaussées

Résumé

La pollution atmosphérique représente un risque environnemental et sanitaire majeur, notamment en milieu urbain, où de nombreuses personnes vivent à proximité de sources de pollution telles que le trafic routier. La distribution spatiale du trafic et la morphologie spécifique des rues influencent fortement les niveaux de concentration locaux, avec des configurations où les polluants tels que les particules et le dioxyde d’azote (NO2) peuvent s’accumuler en raison d’une dispersion limitée. Le temps de résidence atmosphérique de ces polluants rend également significative la contribution des sources plus éloignées. La concentration locale étant influencée à la fois par la pollution de fond et les sources locales, une modélisation à ces différentes échelles est nécessaire afin de comprendre au mieux les échanges complexes de pollution en milieu urbain. Les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse intègrent une modélisation météorologique avec le modèle WRF, l’estimation des concentrations régionales à l’aide du modèle de chimie-transport eulérien 3D CHIMERE, l’évaluation des concentrations locales par le biais du modèle de réseau de rue MUNICH, et enfin, la représentation de la formation des composés secondaires avec le module chimique SSH-aerosol couplé au schéma gazeux MELCHIOR2.

La mise en place de données précises d’occupation des sols s’est avérée cruciale dans les simulations météorologiques effectuées en milieu urbain. La distinction de plusieurs types de tissus urbains et une représentation affinée de la densité urbaine dans le domaine régional étudié permet une modulation appropriée des flux de chaleur anthropique. Une augmentation du flux de chaleur anthropique par un facteur 3 entraîne en moyenne une diminution de 19% des concentrations d’oxydes d’azote (NOx) dans les rues.

Deux méthodes capables d’estimer les concentrations à l’échelle locale ont été comparées : MUNICH et la méthode sous-maille intégrée à CHIMERE. Cette méthode consiste en une approche statistique capable de désagréger les émissions provenant de divers secteurs, notamment le trafic routier. Pour ce faire, des simulations ont été menées sur la période de février à mars 2014. Les polluants étudiés incluent les NOx, le NO2 et les particules fines. Les concentrations générées par la méthode statistique ne sont pas suffisamment précises sur les zones présentant une forte hétérogénéité urbaine. On note un biais de concentrations entre les deux approches pouvant atteindre 58% dans ces zones. MUNICH intègre mieux les hétérogénéités d’émissions et de morphologie dans ces contextes particuliers. La morphologie de la rue, information que connaît MUNICH contrairement à la méthode sous-maille, se révèle être un facteur moins influent que les émissions.

Afin d’approfondir la compréhension des échanges de flux de pollution entre les niveaux local et régional et d’affiner leur représentation, CHIMERE a été couplé de manière dynamique avec MUNICH. Par rapport au chaînage séquentiel mis en oeuvre précédemment, cela permet d’intégrer une influence du modèle local sur les concentrations de fond. Ce couplage prévient également la double présence des émissions qui sont utilisées à la fois dans le modèle régional et dans le modèle local, dans le cas séquentiel. Sur une période de simulation d’un mois (février 2014), les estimations du système couplé multi-échelle par rapport à celles du chaînage séquentiel montrent des performances très similaires à l’échelle régionale avec une très légère diminution des concentrations des NOx, NO2 et PM2,5. À l’échelle locale, le couplage améliore légèrement les performances des estimations de NO2, d’après les mesures disponibles. Tandis que les concentrations moyennes des NOx sont équivalentes à l’échelle de la ville avec les deux méthodes, on note une augmentation d’environ 5% des concentrations de NO, de 4% des concentrations de PM2,5, ainsi qu’une diminution d’environ 8,5% de NO2 dans le cas du couplage.

Informations supplémentaires

Lieu
École nationale des ponts et chaussées
Bâtiment Coriolis
Amphithéâtre Caquot 2
6 et 8, avenue Blaise-Pascal  – Cité Descartes – Champs-sur-Marne
77455 Marne-la-Vallée

Visio
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Pot en salle P102 dans le bâtiment principal de l’école.

Composition du jury

  • Marianne Hatzopoulou (University of Toronto) • Rapporteure
  • Lionel Soulhac (INSA Lyon) • Rapporteur
  • Clemens Mensink (VITO) • Examinateur
  • Karine Sartelet (CEREA) • Examinatrice
  • Yelva Roustan (CEREA) • Directeur de thèse
  • Myrto Valari (LMD) • Co-encadrante de thèse
  • Florian Couvidat (INERIS) • Invité
  • Fabrice Dugay (Airparif) • Invité
  • Gilles Foret (LISA) • Invité