Changements d'échelles en modélisation de la qualité de l'air et estimation des incertitudes associées

par Irène Bourdin-Korsakissok (Korsakissok)

Thèse de doctorat en Sciences et techniques de l'environnement

Sous la direction de Bruno Sportisse et de Vivien Mallet.

Le président du jury était Richard Perkins.

Le jury était composé de Bruno Sportisse, Vivien Mallet, Richard Perkins, Robert Rosset, Serge Guillas, Olivier Isnard, Philippe Lameloise, Laurence Rouïl.

Les rapporteurs étaient Richard Perkins, Robert Rosset.


  • Résumé

    L’évolution des polluants dans l’atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l’ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l’air. Les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l’air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles , deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu’une approche statistique de réduction d’échelle. (1) Couplage de modèles : l’une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu’il s’agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d’un panache émis par une cheminée très inférieure à l’échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l’échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L’impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs à l’échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l’échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l’incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l’influence de la résolution du maillage eulérien. (2) Réduction d’échelle statistique : une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d’échelle. Il s’agit de corriger l’erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l’échelle de représentativité d’une station de mesure est souvent inférieure à l’échelle traitée par le modèle (échelle d’une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s’agit d’utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d’améliorer les prévisions aux stations. L’utilisation d’un ensemble de modèles permet de prendre en compte l’incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu’une technique nouvelle appelée « composantes principales ajustées ». Les résultats sont présentés pour l’ozone à l’échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain)

  • Titre traduit

    Multiple scales in air quality modeling, and estimation of associated uncertainties


  • Résumé

    The evolution of atmospheric pollutants depends on various processes which occur at multiple characteristic scales, such as emissions, meteorology, turbulence, chemical transformation and deposition. Representing all the time and spatial scales in an air quality model is, therefore, very difficult. Chemical-transport Eulerian models, which are generally used, have a typical resolution much coarser than the finest scales.. Thus, many processes are not well described by these models, which results in subgrid-scale variability. This thesis proposes a review of subgrid-scale processes and associated uncertainty, as well as two multiscale methods aimed at reducing this uncertainty : (1) coupling an Eulerian model with a local-scale Gaussian model, and (2)using statistical downscaling methods. (1) Model coupling : one aof the main subgrid-scale processes is emissions, especially point emissions (industry) and traffic. In particular, the characteristic spatial scale of a plume emitted by a chimmey is much smaller than the typical Eulerian grid resolution. The coupling method, called plume-in-grid model, uses a Gaussian puff model to better represent point emissions at local scale, coupled to an Eulerain model. The impact of this subgrid-scale treatment of emissions is evaluated at continental scale for passive tracers (ETEX-I et Tchernobyl), as well as for photochemistry at regional scale (Paris region). Several issues are addressed, especially the uncertainty due to local-scale parameterizations and the influence of the Eulerian grid resolution. (2) Statistical downscaling : this method aims at compensating the representativity error made by the model when forecasting concentrations at particular measurement stations. The representativity scale of these stations is, indeed, typically smaller than the Eulerian cell size, and concentrations at stations depend on many subgrid-scale phenomena (micrometeorology, topography…). Thus, using statistical relationships between the larg-scale variable (model output) and local-scale variable (concentrations observed at stations) allows to significantly reduce the forecast error. In addition, using ensemble simulations allows to better take into account the model error due to physical parameterizations. With this ensemble, several downscaling methods are implemented : simple and multiple linear regression, with or without preprocessing. The preprocessing methods include a classical principal component analysis, as well as another method called “principal fitted component”. Results are presented at European scale, for ozone peaks, and analyzed for several types of stations (rural, urban or periurban)


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