Estimation des émissions de CO2 dans l'aire urbaine de Paris à partir de mesures de colonnes totales

From CO2 total column measurements to emission inventory optimization in the Paris urban area

• Auteur / Autrice : Josselin Doc
• Direction : François-Marie Bréon, Michel Ramonet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 20/01/2026
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lukas Emmenegger, Félix Vogel, Martine De Mazière, Noémie Taquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lukas Emmenegger, Félix Vogel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Agglomérations urbaines

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

Inversion (géophysique)

Télédétection

Bilan des émissions de gaz à effet de serre

Mots clés libres

Emissions

Gaz à effet de serre

Télédétection

Inversion atmosphérique

Colonnes totales

Milieu urbain

Emissions

Greenhouse Gases

Remote Sensing

Inverse modeling

Total columns

Urban area

Résumé

Les émissions urbaines de gaz à effet de serre (GES), majoritairement issues des activités humaines, constituent le moteur principal du changement climatique. Les villes sont donc des territoires clés pour l'atténuation climatique. L'évaluation des performances des politiques locales de réduction des émissions reposent principalement sur des inventaires dits ''bottom-up'', établis à partir de données d'activité et de facteurs d'émission. Leur capacité de suivi à court-terme peut être limitée par leurs incertitudes. Une méthode complémentaire permettant d'utiliser des mesures physiques dans le but de mieux comprendre les flux de surface et leurs variabilités est l'inversion atmosphérique. Cette thèse vise à évaluer la capacité des mesures de surface et de colonnes totales de GES en Île-de-France pour améliorer les inventaires urbains. Le premier chapitre présente le rôle des villes dans le changement climatique, les méthodes actuelles de quantification des émissions, ainsi que les apports et défis des inversions atmosphériques en milieu urbain. Le deuxième chapitre décrit huit années de mesures in situ de CO2, CH4 et CO dans le réseau de mesure d'Île-de-France. Les séries temporelles nous renseignent sur les variabilités à différentes échelles de temps: croissance conforme à celle mesurée dans des stations de fond, cycles saisonniers et variabilité liée à la météorologie. Les différences entre les concentrations en CO2 mesurées par les sites urbains et ruraux représentent une mesure directe du dôme urbain de CO2 qui a diminué de 28% sur la décennie écoulée. Ce signal et sa chute associée à la pandémie de COVID-19 (2020) sont cohérents avec la décroissance des émissions estimée par l'inventaire d'AirParif illustrant la sensibilité du réseau aux variations des émissions anthropiques. Le troisième chapitre présente le réseau d'instruments de télédétection donnant accès aux colonnes totales, composé depuis juillet 2022 de trois spectromètres solaires infra-rouges à transformée de Fourier (FTIR) : deux EM27/SUN (Saclay, Gonesse) et un IFS 125 HR (Jussieu). Un système automatisé de pilotage des mesures et une chaîne de traitement assurent une disponibilité (proportion des jours comportant des mesures valides dans un mois) saisonnière comprise entre 10-20% en hiver et 70-80% en été. Les incertitudes instrumentales ont été quantifiées : 0.2 ppm pour XCO2, 1.2 ppb pour XCH4 et 2 ppb pour XCO pour les EM27/SUN contre 0.7 ppm, 3.5 ppb et 4.1 ppb respectivement pour l'IFS 125 HR. Les effets liés au profil vertical des gaz d'intérêt, à l'angle solaire, à la pression ou aux profils a priori influent sur les colonnes totales calculées. Cependant, il s'agit là d'erreurs systématiques qui n'ont donc pas d'influence notable sur la mesure des gradients régionaux entre deux stations qui partagent les mêmes angles solaires et profils a priori. Le dernier chapitre analyse les gradients mesurés et simulés par le modèle WRF-Chem forcé par l'inventaire d'Origins.earth. Si le modèle reproduit un panache urbain moyen bien visible, celui-ci est moins intense (environ 0.5 ppm) mais mieux défini que dans les observations. La corrélation entre les gradients Saclay-Gonesse (dans les deux secteurs définis) mesurés et modélisés atteint 0.47 sur toute la période (maximum 0.70 en automne, minimum 0.28 en été), avec une pente d'ajustement de 0.66. La corrélation relativement faible entre modélisations et mesures, et la pente moyenne incohérente avec notre connaissance a priori indique que les mesures de colonnes totales ne permettent pas, en l'état, de contraindre les émissions urbaines dans un cadre d'inversion opérationnelle. Notons que la qualité des mesures n'est pas seule en cause. L'estimation du lien entre concentrations et émissions nécessite aussi une modélisation précise du transport atmosphérique. L'analyse d'un évènement particulier montre des différences notables entre le transport modélisé et celui qui peut être interprété à partir des observations.

Urban greenhouse gas (GHG) emissions, mainly produced by human activities, are the primary driver of climate change. Cities are therefore key areas for climate mitigation. The assessment of the performance of local emission-reduction policies relies mainly on so-called bottom-up inventories, built from activity data and emission factors. Their ability to provide short-term monitoring can be limited by their uncertainties. A complementary method that uses physical measurements to better understand surface fluxes and their variability is atmospheric inversion. This thesis aims to evaluate the capacity of surface and total-column GHG measurements in the Paris region (Île-de-France) to improve urban inventories. The first chapter presents the role of cities in climate change, current methods for quantifying emissions, and the benefits and challenges of atmospheric inversions in urban environments. The second chapter describes eight years of in-situ measurements of CO2, CH4 and CO within the Île-de-France monitoring network. The time series provide insights into variability at different time scales: growth consistent with that observed at background stations, seasonal cycles, and meteorology-driven fluctuations. Differences between CO2 concentrations measured at urban and rural sites provide a direct measure of the urban CO2 dome, which has decreased by 28% over the past decade. This signal and its drop associated with the COVID-19 pandemic (2020) are consistent with the decline in emissions estimated by the AirParif inventory, illustrating the sensitivity of the network to variations in anthropogenic emissions. The third chapter presents the remote-sensing instrument network providing total-column measurements, which since July 2022 consists of three Fourier-transform infrared (FTIR) solar spectrometers: two EM27/SUN instruments (Saclay, Gonesse) and one IFS 125 HR (Jussieu). An automated measurement-control system and processing chain ensure a seasonal data availability (share of days with valid measurements in a month) ranging from 10-20% in winter to 70-80% in summer. Instrumental uncertainties were quantified: 0.2 ppm for XCO2, 1.2 ppb for XCH4 and 2 ppb for XCO for the EM27/SUN, compared with 0.7 ppm, 3.5 ppb and 4.1 ppb respectively for the IFS 125 HR. Effects related to the vertical profiles of the gases of interest, solar angle, pressure, or a priori profiles influence the retrieved total columns. However, these are systematic errors, and therefore have no significant impact on the measurement of regional gradients between stations that share the same solar angles and a priori profiles. The final chapter analyses the measured and modelled gradients using the WRF-Chem model driven by the Origins.earth emission inventory. While the model reproduces a clear average urban plume, it is less intense (around 0.5 ppm) but better defined than in the observations. The correlation between the measured and modelled Saclay-Gonesse gradients (in both defined sectors) reaches 0.47 over the full period (maximum 0.70 in autumn, minimum 0.28 in summer), with a regression slope of 0.66. The relatively weak correlation between simulations and measurements, and the average slope inconsistent with prior knowledge, indicate that total-column measurements, in their current state, do not yet allow urban emissions to be constrained within an operational inversion framework. Importantly, measurement quality is not the only limitation. Estimating the link between concentrations and emissions also requires accurate modelling of atmospheric transport. The analysis of a specific event shows significant differences between simulated transport and that inferred from observations.