Exploitation d'un nouveau type de mesure atmosphérique du CO2 pour l'analyse des facteurs contrôlant les émissions urbaines.

par Jinghui Lian

Projet de thèse en Météorologie, océanographie, physique de l'environnement

Sous la direction de François-Marie Bréon et de Philippe Ciais.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ecole doctorale des sciences de l'environnement d'Ile-de-France (Paris) , en partenariat avec LSCE - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (laboratoire) , SATINV (equipe de recherche) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 10-02-2017 .


  • Résumé

    L'urbanisation est un phénomène mondial, particulièrement rapide en Chine et en Asie où l'on estime que le pourcentage de population urbaine va augmenter de 50 à 75% dans les vingt prochaines années. Les grandes agglomérations concentrent la croissance économique avec en général un PIB par habitant plus élevé que la moyenne du pays. Les villes pourraient jouer un rôle très important dans la lutte contre le réchauffement climatique en réduisant leurs émissions de gaz à effet de serre, en particulier les émissions de CO2 (Erickson and Tempest, 2014). Leur consommation en énergie pour le secteur résidentiel et celui des transports (ainsi que le secteur industriel associé aux zones urbaines dans beaucoup de pays émergents) est élevé et cause près de la moitié des émissions anthropiques de CO2. Les politiques municipales (transport, logements, urbanisme) permettent d'avoir une influence importante sur ces émissions. Des outils de suivi régulier des émissions pour identifier les solutions les plus économiques et pour vérifier l'efficacité des politiques mises en place sont cependant nécessaires. En effet, la quantification des émissions de CO2 dans les zones urbaines et des déterminants socio-économiques de leur évolution restent incertaine, faute de mesure précise. Dans ce contexte, le LSCE et un certain nombre de laboratoires américains et Européens mettent en place de nouveaux réseaux de suivi des concentrations atmosphériques de CO2 dans les zones urbaines. L'assimilation de ces données de concentrations dans des modèles de transport atmosphérique permet, à l'aide d'une approche d'inversion statistique, de réaliser une estimation des émissions. L'inversion atmosphérique des flux de CO2 est une spécialité du LSCE, reconnue au niveau international, depuis plus d'une dizaine d'année. Le LSCE a publié les premiers résultats d'inversion à l'échelle de la ville (pour l'agglomération Parisienne, Bréon et al. 2015) et maintient aujourd'hui un réseau de 5 stations de mesures du CO2 en continu autour de Paris. Elle collabore avec l'université de Pékin pour la mise en place d'un système similaire à Shenzhen (ville de 15 millions d'habitants du sud de la Chine). La stratégie actuelle consiste à faire des mesures du CO2 atmosphérique en des points fixes en bordure de l'agglomération qui concentre les émissions pour contraindre l'estimation des bilans des émissions à une échelle agrégée. Des mesures au sein de la zone urbaine sont nécessaires pour une évaluation de la distribution spatiale et pour une spéciation par secteur d'activité des émissions. Pour tirer parti de ces mesures en zone urbaines, le défi scientifique est d'améliorer la modélisation du transport atmosphérique dans cet environnement particulier, du fait de la structure de la surface, des émissions intenses et variables spatialement, et de l'apport de chaleur associée à la dissipation d'énergie. La société Harris Corporation, avec laquelle nous avons entrepris une collaboration depuis 2015, a développé un système innovant de mesure intégrée du CO2 sur des distances horizontales (cordes) allant de 1 à 5km. Il s'agit d'un réseau de lasers et de réflecteurs (GreenLite+, Dobler et al. 2015) permettant d'estimer la concentration moyenne de CO2 le long chaque corde entre lasers et réflecteurs. La combinaison des mesures de CO2 sur les cordes qui s'entrecroisent permet de cartographier les concentrations en 2D. L'installation du système GreenLite+ à Paris à la veille de la COP-21, apporte depuis Novembre 2015 une mesure des concentrations de CO2 sur un maillage serré et toutes les 10 minutes sur une zone de 4km x 6km couvrant le quartier Nord-Ouest de Paris intra-muros. Ce type de mesure va révolutionner le suivi atmosphérique des émissions de CO2 urbaines, en complétant les observations en points fixes des réseaux existants (comme le réseau ICOS). Le LSCE a installé en parallèle du système GreenLite+ un point fixe de mesure sur le toit de la cité des sciences, afin de permettre une comparaison aux mesures laser. Le premier objectif de cette thèse est de développer des méthodes innovantes d'exploitation des mesures de CO2 en zone urbaine pour établir une nouvelle cartographie des émissions de CO2 de l'agglomération Parisienne. Dans ce cadre, l'étudiant(e) analysera les mesures intégrées du système GreenLite+ de la société Harris qui pourrait être beaucoup moins sensibles que les systèmes de mesures traditionnelles en point fixe aux variations locales de CO2. Il développera également des techniques de filtrage des signaux à grande échelle des données urbaines en point fixe pour permettre leur exploitation simultanée avec celles du système de mesure par laser. Ces analyses s'appuieront sur un travail approfondi de modélisation de la météorologie urbaine à l'aide du modèle tridimensionnel WRF qui sera utilisé pour forcer le modèle CHIMERE de transport du CO2. Enfin, le candidat explorera la capacité à utiliser les informations des mesures à très fine échelle du système laser à l'aide d'un autre modèle de transport à très haute résolution (quelques centaines de mètres). Ce savoir faire, une fois acquis sur Paris, sera valorisé pour le traitement des mesures de CO2 mises en place dans la ville de Shenzhen par nos partenaires de l'Université de Pékin. Le candidat sera donc amené à collaborer avec la société privée Harris et avec l'université de Pékin à Shenzhen. Le second objectif de la thèse sera de relier la nouvelle cartographie des émissions de CO2 en agglomération urbaine au « métabolisme urbain », en analysant les variations des émissions déduites des mesures laser avec des données socio-économiques sur le secteur des transports et les variables climatiques qui contrôlent les émissions résidentielles en hiver (du fait du chauffage). La thèse proposée permettra ainsi d'établir de nouveaux ponts entre le domaine du suivi atmosphérique des émissions de CO2 (mesure, modélisation de la météorologie urbaine, modélisation du transport de CO2, et techniques d'assimilation de données), de la production de polluants co-émis avec le CO2 et d'ilot de chaleur urbains afin de mieux comprendre l'écologie urbaine de l'agglomération Parisienne, et de valoriser ces connaissances pour d'autres grandes agglomérations, en particulier la ville de Shenzhen en Chine.

  • Titre traduit

    Exploitation of a new type of CO2 atmospheric measurement for the analysis of the drivers controlling the urban emissions.


  • Résumé

    Urbanization is a global phenomenon, particularly fast in China and in Asia where it is estimated that the percentage of urban population will increase from 50 to 75 % in the next twenty years. In general, large cities concentrate economic growth with higher GDP per capita than the national averages. Cities could play a critical role in the fight against global warming by reducing their emissions of greenhouse gases, especially their CO2 emissions (Erickson and Tempest, 2014). Their energy consumption in the residential sector and for transportation (as well as in the industrial sector associated with urban areas in many emerging countries) is high and is responsible for almost half of the global anthropogenic CO2 emissions. Municipal policies (transport, housing, urban planning) allow having a significant influence on these emissions. However, we need tools for the regular monitoring of the emissions, to identify the most economical solutions and to verify the effectiveness of the implemented policies. Indeed, the quantification of CO2 emissions in urban areas and of their socio-economic drivers remains uncertain due to the lack of accurate measurement. In this context, the LSCE and a number of American and European laboratories set up new networks for monitoring atmospheric CO2 concentrations in urban areas. The assimilation of these concentration data in atmospheric transport models allows, using a statistical inversion approach, to estimate the emissions. The atmospheric inversion of CO2 fluxes is a specialty of LSCE, which has been recognized internationally for more than ten years. LSCE published the first results of city scale atmospheric inversions (for the Paris urban area, Bréon et al. 2015) and presently maintains a network of 5 CO2 continuous monitoring stations around Paris. LSCE collaborates with the University of Peking for the set-up of a similar system in Shenzhen (a city with more than 15 million inhabitants in the South of China). The current strategy consists conducting CO2 atmospheric measurements at fixed points at the edge of the metropolitan area, which concentrates the emissions, to constrain the estimate of the emission budgets at an aggregated scale. Measurements in the core of the urban area are needed to evaluate the spatial distribution and for the speciation of the emissions by activity sector. To take advantage of these measurements in the core of the urban areas, the scientific challenge is to improve the atmospheric transport modeling in this particular environment, because of the surface structure, of the intense and spatially variable emissions, and of the heat flux associated with the energy dissipation. The company Harris Corporation, with which we have a collaboration since 2015, has developed an innovative system for the integrated CO2 measurement over horizontal distances (chords) of 1 to 5 km. It consists in a network of reflectors and lasers (GreenLite+, Dobler et al. 2015), allowing estimating the average CO2 concentration along each chord between the lasers and the reflectors. Combining CO2 measurements from the chords which cross each other allows mapping the 2D concentrations. The installation of the GreenLite+ system in Paris, on the eve of COP-21, brings, since November 2015, measurements of CO2 concentrations on a tight mesh and every 10 minutes on an area of 4km x 6km in the North West area of Paris “intra-muros”. This type of measurement will revolutionize the atmospheric monitoring of the CO2 urban emissions, by complementing the observations at fixed points of existing networks (like the ICOS network). The LSCE has installed an in situ monitoring instrument on the roof of the cité des Sciences, in parallel to the GreenLite+ system, to compare their different measurements. The first objective of this PhD thesis is to develop innovative methods to exploit CO2 measurements in the core of the urban area to establish a new mapping of the CO2 emissions of the Paris urban area. In this context, the PhD student will analyze the integrated measurements by the GreenLite+ system of the Harris Corporation. These measurements could be much less sensitive than traditional measurement systems at fixed points to local variations of CO2. He will also develop techniques to filter the large-scale urban signals from the measurements at fixed point to allow their exploitation along with that of the laser measurements. These analyzes will be based on an extensive work of urban meteorology modeling with the WRF 3D model that will be used to force the CHIMERE CO2 transport model. Finally, the PhD student will explore the ability to use the fine scale information of the laser measurements with another very high (few hundred meters) resolution transport model. This expertise, once acquired in Paris, will be valorized for the treatment of the CO2 measurements conducted in the city of Shenzhen by our partners of the University of Peking. The PhD student will therefore have to work with the Harris private company and with the University of Peking at Shenzhen. The second objective of the thesis will be to link the new mapping of the CO2 emissions in the urban area to the 'urban metabolism', by analyzing the variations in the emissions derived from the laser measurements with socio-economic data on the transport sector and climate variables controlling residential emissions in winter (due to heating). The proposed PhD thesis will thus establish new bridges between the fields of atmospheric monitoring of CO2 emissions (measurements, modeling of the urban meteorology, modeling of the CO2 transport, and data assimilation techniques), of the production of pollutants co-emitted with CO2 and of urban heat islands in order to better understand the urban ecology of the Paris metropolitan area, and to exploit this knowledge for other large urban areas, in particular that of the city of Shenzhen, in China.