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AccueilNumérosTome XIII n°1Comprendre et prévoir les masses ...De la dynamique à la composition ...

Comprendre et prévoir les masses d'air en mouvement

De la dynamique à la composition atmosphérique

From dynamics to atmospheric composition
Laurent Menut, Arineh Cholakian, Sylvain Mailler et Robert Vautard

Résumés

Cet article présente les recherches faites au LMD sur la composition atmosphérique, c’est à dire la simulation numérique de la météorologie et des polluants atmosphériques. Ces travaux ont permis d’analyser des campagnes de mesures sur la pollution, en France puis en Europe, puis partout dans le monde ainsi que de mettre en place des chaines de prévision de la pollution.

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Texte intégral

Les débuts d’intérêt sur la pollution atmosphérique

1Jusque dans les années 1990, la pollution atmosphérique n’était pas un thème de recherche dominant en France. C’était même considéré comme trop « appliqué » pour être vraiment de la recherche. La plus grande partie de la recherche se faisait en Europe du Nord, à la fois pour les campagnes de mesure, les programmes d’étude sur le long terme et la modélisation. En France, quelques instituts avaient des partenariats pour développer des outils de modélisation : d’un côté la météorologie, de l’autre côté la chimie. Mais ces codes de calcul étaient complexes et difficiles à mettre en œuvre, lourds informatiquement : ils ne pouvaient faire que des études de cas de quelques jours. D’un point de vue mesures, les associations agréées de surveillance de la qualité de l’air (AASQA) réalisaient leur mission première en déployant un réseau de mesures en surface et en établissant des cadastres d’émissions anthropiques.

Loi sur l’air et première modélisation de la pollution au LMD

2En 1996, la loi sur l’air est mise en application et change beaucoup de choses : elle ajoute l’obligation aux AASQA de mettre en œuvre des systèmes de modélisation pour la prévision opérationnelle. Pour leurs prévisions quotidiennes, utilisent alors des méthodes statistiques, qui fonctionnent assez bien, mais ne donnaient pas les éléments de compréhension des pointes qu’on observait ou prévoyait. Pour aller plus loin, Robert Vautard débute le développement d’un nouveau modèle de chimie-transport, CHIMERE. Il collabore avec Matthias Beekmann, du service d’Aéronomie, pour la partie chimie troposphérique. La première version du modèle représente la Région parisienne sous forme de boites départementales et n’a que deux niveaux verticaux : sa structure de calcul est légère et rapide mais il possède déjà toute la chimie gazeuse nécessaire à la modélisation de la pollution photochimique, comme l’ozone estival. À partir de cette structure informatique simple et facile à mettre en œuvre, le modèle va être utilisé dans de nombreux projets de recherche mais aussi être adopté par les AASQA pour réaliser leur premières prévisions opérationnelles (notamment Airparif pour la Région parisienne, l’Aspa pour l’Alsace, Airmaraix et Airfobep à Aix et Marseille). Pourtant, les pointes d’ozone ont une amplitude souvent sous-estimée, un phénomène qui a été pleinement compris grâce à une campagne de terrain, « ESQUIF » : lors des épisodes d’ozone à Paris, les fortes concentrations ont aussi une concentration importée, qui vient de loin. Coordonné par Robert Vautard et Laurent Menut, ce projet, piloté au LMD, a vu se mettre en œuvre à la fois des mesures de surface, aéroportées, ballons, de télédetection (lidars et sodars) et a été l’occasion de faire évoluer le modèle CHIMERE notamment avec un maillage cartésien avec Hauke Schmidt, des émissions plus précises avec Cécile Honoré, un code adjoint et de l’assimilation de données avec Nadège Blond. Restant sur sa philosophie initiale, le modèle a autant été utilisé en prévision pour la campagne (le site internet du LMD appelé Pioneer), qu’ensuite en analyse de cas. Les résultats de cette campagne ont permis de quantifier la part de pollution générée localement et celle due au transport à longue distance. Cela a apporté des informations indispensables sur l’efficacité potentielle des mesures de réduction des émissions régionales en fonction des conditions météorologiques. Les premières quantifications du poids relatif des émissions anthropiques par rapport aux émissions biogéniques sur l’ozone en France ont aussi pu être réalisées à cette occasion. Cela a aussi montré la nécessité d’avoir une modélisation d’échelle continentale.

Les débuts de la prévision opérationnelle en France

3À partir de 1999, le LMD a fortement contribué à d’autres projets de recherche sur la pollution atmosphérique, comme, par exemple, le projet ESCOMPTE dans la région de Marseille sur la pollution photo-oxydante. En 2003, la prévision de la pollution en France a connu une nouvelle structuration : le projet PREVAIR. Coordonné par l’INERIS avec Laurence Rouil et associant le CNRS (via le LMD) et Météo-France, une plate-forme de prévision quotidienne a été mise en place. Cela a été l’occasion pour le travail de recherche réalisé au LMD de prendre une autre dimension : le modèle CHIMERE doit savoir prévoir des pics de pollution quand ils ont lieu mais aussi ne pas faire de fausse alerte inutile. L’outil devient décisionnel et officiel. Il doit rester rapide d’exécution mais a un devoir de fiabilité et une obligation de résultat. En parallèle de cette utilisation opérationnelle dans PREVAIR, la recherche continue et la thématique des aérosols (plus couramment appelées « particules ») dans la pollution est de plus en plus importante. En 2004, Bertrand Bessagnet apporte à CHIMERE les développements qu’il a pu faire sur les aérosols au Laboratoire d’aérologie. Cet ajout ouvre de nouvelles portes et le LMD collabore d’autant plus à différents projets Européens où la pollution est vue comme un ensemble complexe incluant gaz et particules.

Figure 1 : L’équipe « Variabilité climatique et pollution atmosphérique » sur le toit de l’ENS-Ulm en 1998

Figure 1 : L’équipe « Variabilité climatique et pollution atmosphérique » sur le toit de l’ENS-Ulm en 1998

De gauche à droite : Fabio d’Andréa, Gilbert Brunet (visiteur de Montréal), Jean Roux, Guy Plaut (visiteur de Nice), Robert Vautard, Michael Ghil, Cécile Honoré et Laurent Menut.

4À partir de ce moment, les modélisations réalisées sont de plus en plus précises et contiennent de plus en plus de processus différents : forcément, elles sont de plus en plus coûteuses en temps de calcul. La balance penche de plus en plus vers la recherche, mais la prévision est pénalisée. Il faut rétablir l’équilibre connaissances/performances : en 2006, Jean-Louis Monge restructure le modèle et le parallélise. Ce sera un grand pas en avant pour la distribution du modèle et son utilisation dans de plus en plus de projets de recherche : sa simplicité d’emploi et son utilisation possible sur des machines HPC feront que le travail du LMD va essaimer dans de nombreux autres laboratoires et instituts de recherche, y compris des structures opérationnelles à l’étranger. En 2007, le modèle sera labellisé « outil national » par l’INSU.

La modélisation au service de nombreux projets de recherche sur la pollution

5Vers la fin des années 2000, l’étude de la pollution atmosphérique se diversifie. Le LMD prend part à de nombreux projets, chacun avec des thématiques qui peuvent être très différentes. D’une part, l’opérationnel s’étend à l’échelle Européenne avec les projets GEMS en 2005 puis MACC en 2009, précurseurs de la plateforme actuelle COPERNICUS à l’ECMWF, dont CHIMERE est l’un des modèles de prévision. D’autre part, les projets au LMD vont vers les deux grandes thématiques que l’on peut attendre de la pollution atmosphérique : l’impact sur le changement climatique avec des projets comme Salutair avec Augustin Colette et l’impact sur la santé avec les études de Myrto Valari. Les échelles spatiales d’étude changent aussi : on passe d’études de régions à des études à plus grande échelle comme la version hémisphérique de Sylvain Mailler ou des études plus urbaines. La pollution n’est plus simplement un problème de couche limite : pour comprendre comment est transportée la pollution à longue distance, il faut étudier les panaches de polluants sur l’ensemble de la troposphère : En plus des mesures in situ utilisées jusque-là, on associera aux résultats de simulations les données satellite de IASI pour l’étude des panaches de feux avec Solène Turquety et les données satellite CALIPSO pour l’étude des aérosols minéraux avec Hélène Chepfer. Des polluants s’ajoutent comme l’étude des pollens dans le cadre du projet Atopica avec Dmitry Khvorostyanov et la chimie s’affine avec des mécanismes de plus en plus précis et complexe avec le travail de Guillaume Siour sur les mécanismes chimiques, celui d’Arineh Cholakian sur les composés organiques volatils. Des évènements extrêmes sont étudiés quasiment en direct comme l’éruption du volcan Islandais en 2010.

Vers des systèmes intégrés multi-compartiments géophysiques et avec les interactions aérosols et nuages

6Après des années passées à étudier la pollution comme uniquement une conséquence d’émissions et météorologie particulière, la recherche au LMD s’est dirigée dès les années 2010 vers les interactions avec d’autres compartiments géophysiques. Problème bien connu pour les études climatiques et à l’échelle globale, sur de longues échelles de temps, les interactions entre nuages, aérosols, rayonnement et surface étaient jusqu’alors non considérées à petite échelle et sur des régions urbanisées. Régis Briant et Paolo Tuccella ont développé la version couplée du modèle météorologique WRF avec CHIMERE. Alessandro Anav a couplé le modèle de végétation ORCHIDEE avec CHIMERE pour quantifier les rétroactions entre végétation et pollution à l’ozone. Ces outils ont permis d’étudier plus finement la pollution sur d’autres régions comme en Afrique de l’Ouest avec le projet DACCIWA et Adrien Deroubaix ou au Chili avec Rémy Lapère. Aujourd’hui les projets de recherche sur la pollution concernent toutes les régions du globe et la modélisation réalisée au LMD concerne tous les types d’émissions de polluants, de nombreuses espèces chimiques et pour des études pouvant aller de l’évènement de quelques heures, quelques mois ou des tendances à long terme sur des décennies. La complexification des processus étudiés nous ramène aujourd’hui au problème de 2006 : l’outil doit être optimisé pour faire face à l’augmentation de précision demandée pour les projets actuels. Cela va se faire dans les années à venir avec le couplage avec le nouveau modèle du LMD DYNAMICO, avec Romain Pennel et Thomas Dubos. On devrait à l’avenir pouvoir faire des études de la pollution sur de grands domaines, comme un hémisphère tout en ayant un zoom efficace sur des villes cibles.

Un outil en développement continuel et au service des projets de recherche

7La structuration de la recherche sur la pollution atmosphérique au LMD va donc se faire à la fois sur des questions scientifiques et sur le développement du modèle CHIMERE. Le modèle verra ses évolutions se faire au fur et à mesure des besoins liés à ces questions scientifiques mais aussi à sa distribution aux utilisateurs. Cela fait l’originalité du LMD sur cette question de modélisation de la pollution : les chercheurs construisent eux-mêmes leur outil et ne sont pas qu’utilisateurs. Cette structuration se fera aussi en gardant l’équilibre entre complexité des processus étudiés pour l’analyse et utilisation rapide et robuste en prévision.

Le modèle de chimie-transport CHIMERE

1. Qu’est-ce que le modèle CHIMERE ?

CHIMERE est un modèle déterministe de chimie-transport. À partir de champs météorologiques et de données d’émissions (anthropiques, biogéniques, feux, minéraux), l’évolution spatio-temporelle de concentrations chimiques est calculée pour des dizaines d’espèces en phase gazeuse et particulaire. CHIMERE inclut la plus grande partie des processus physico-chimiques connus et est régulièrement enrichi de nouveaux processus ou d’une représentation améliorée de ceux déjà calculés. Le modèle est utilisé à la fois pour réaliser des analyses ou des prévisions. Il est utilisé dans des laboratoires de recherche, des instituts gérant de la prévision opérationnelle et des sociétés privées. Le modèle est développé depuis 1997 et a été labellisé en 2007. Il peut réaliser des simulations à dimension urbaine (1 km de résolution) jusqu’à hémisphériques (quelques dizaines de km) sur n’importe quelle partie du globe.

2. Pour quelle utilisation ?

Dès le début de son développement, le code a été dédié à une double utilisation : l’analyse et à la prévision. CHIMERE est tout d’abord un outil de recherche pour comprendre les processus physico-chimiques : les émissions de gaz et particules, le mélange des polluants et des études d’interactions avec le développement des rétroactions entre végétation, météorologie et chimie atmosphérique. C’est aussi un outil pour des études d’impact et de risques : impact sur la santé, impact du changement climatique sur les concentrations de polluants, risques industriels et aide à la décision des politiques futures de réduction des émissions anthropiques. Enfin, c’est un outil adapté à la prévision opérationnelle et ses contraintes (mise en œuvre aisée et rapidité de calcul) en conservant la qualité des résultats lors des simulations. Les applications actuelles couvrent des échelles de l’urbain (notamment la prévision régionale AIRPARIF pour la Région parisienne et les prévisions similaires des AASQA pour les autres régions), au national (PREV’AIR, http://www2.prevair.org) et à l’Europe (CAMS, https://atmosphere.copernicus.eu/​).

3. Que calcule-t-il exactement ?

Les thématiques abordées avec le modèle sont nombreuses et concernent tout sujet relatif à une concentration de polluant dans l’atmosphère. À l’origine, le modèle était surtout utilisé pour la pollution photo-oxydante estivale (les pics d’ozone). C’est toujours un sujet d’étude ainsi qu’un axe prioritaire pour la prévision. Le modèle a ensuite évolué avec les aérosols anthropiques. De par la législation Européenne, les PM 2.5 et PM 10 sont à la fois un sujet de recherche et un axe prioritaire pour la prévision. Notamment en hiver et au printemps, avec de forts pics liés au chauffage urbain et à l’agriculture. Un autre sujet étudié est les aérosols minéraux, depuis leurs émissions jusqu’au dépôt, incluant leur minéralogie ou composition chimique. Sont étudiés aussi les feux de végétation et leur impact sur les concentrations ainsi que leur impact radiatif. Les cendres volcaniques et différents pollens sont également simulés, avec leurs caractéristiques spécifiques d’émissions et de transport.
Piloté par le LMD, CHIMERE est un modèle de la collaboration entre les laboratoires de l’Institut Pierre-Simon Laplace et au-delà. Il nait grâce au mélange d’expertises chimiques et météorologiques dans deux des laboratoires (LMD et Service d’Aéronomie), et son développement se poursuit tant en outil opérationnel qu’en outil de recherche, il s’enrichit des expertises multiples du LISA, du LSCE, du LA et de l’INERIS.

Figure 2 : Visite ministérielle après l’éruption du volcan Eyjafjallajökull

Figure 2 : Visite ministérielle après l’éruption du volcan Eyjafjallajökull

Visite des ministres V. Pécresse et C. Jouano après l’éruption du volcan islandais en avril 2010 à Palaiseau. Explications sur la modélisation avec CHIMERE du panache du volcan et des mesures lidars du Sirta.

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Bibliographie

Cholakian A., Bessagnet B., Menut, L. Pennel, R., Mailler, S. Anthropogenic : Emission Scenarios over Europe with the WRF-CHIMERE-v2020 Models : Impact of Duration and Intensity of Reductions on Surface Concentrations during the Winter of 2015. Atmosphere 2023, 14, 224. https://doi.org/10.3390/atmos14020224.

Mailler S., Pennel,R., Menut L., and Lachatre, M. : Using an antidiffusive transport scheme in the vertical direction : a promising novelty for chemistry-transport models, Geosci. Model Dev.

Menut L., Siour G., Bessagnet B., Cholakian A., Pennel R. and Mailler S. : Impact of wildfires on mineral dust emissions in Europe, Journal of Geophysical Research Atmospheres, 127, e2022JD037395. https://doi.org/10.1029/2022JD037395.

Menut L, Bessagnet B., Briant R., Cholakian A., Couvidat F., Mailler S., Pennel R., Siour G., Tuccella P., Turquety S., and Valari M. : The CHIMERE v2020r1 online chemistry-transport model, Geoscientific Model Development, 14, 6781-6811, 2021.

Valari M., Chatignoux and Menut L., 2011 : Using a chemistry transport model to account for the spatial variability of exposure-concentrations in epidemiologic air pollution studies, Journal of the Air & Waste Management Association, 61, 164-179.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : L’équipe « Variabilité climatique et pollution atmosphérique » sur le toit de l’ENS-Ulm en 1998
Légende De gauche à droite : Fabio d’Andréa, Gilbert Brunet (visiteur de Montréal), Jean Roux, Guy Plaut (visiteur de Nice), Robert Vautard, Michael Ghil, Cécile Honoré et Laurent Menut.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11287/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 282k
Titre Figure 2 : Visite ministérielle après l’éruption du volcan Eyjafjallajökull
Légende Visite des ministres V. Pécresse et C. Jouano après l’éruption du volcan islandais en avril 2010 à Palaiseau. Explications sur la modélisation avec CHIMERE du panache du volcan et des mesures lidars du Sirta.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11287/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 227k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Laurent Menut, Arineh Cholakian, Sylvain Mailler et Robert Vautard, « De la dynamique à la composition atmosphérique »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 12 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/11287 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dgx

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Auteurs

Laurent Menut

Laboratoire de Météorologie Dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, Ecole polytechnique-IP Paris, Sorbonne Université)
Laurent Menut est chercheur au LMD à Polytechnique dans l’équipe Intro. Il travaille sur des projets sur la composition atmosphérique et l’étude de la pollution à l’échelle régionale. Les dernières régions étudiées sont l’Europe, l’Afrique et l’Amérique du Sud. Il est co-développeurs du modèle CHIMERE.

Arineh Cholakian

Laboratoire de Météorologie Dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, Ecole polytechnique-IP Paris, Sorbonne Université)

Sylvain Mailler

Laboratoire de Météorologie Dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, Ecole polytechnique-IP Paris, Sorbonne Université) - Ecole des Ponts

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Robert Vautard

Robert Vautard est chercheur au LSCE, précédemment au LMD ou il a initié le développement de ce modèle.

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