Formation de l’aérosol organique secondaire dans les modèles de qualité de l’air : développement d’une paramétrisation sur la base de simulations explicites

Secondary organic aerosol formation in air quality models : development of a parameterization based on explicit simulations

• Auteur / Autrice : Victor Lannuque
• Direction : Bernard Aumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil ; 1997-....) - Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques / LISA (UMR_7583)
• Jury : Président / Présidente : Matthias Beekmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Aumont, Marie Camredon, Florian Couvidat, Karine Kata Sartelet, Nathalie Poisson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Mari, Laurent Deguillaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie de l'atmosphère

Aérosols atmosphériques

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Pollution atmosphérique

Aérosol organique secondaire

Modélisation

Carbone organique

Modèle de qualité de l'air

Schémas chimiques

Atmospheric pollution

Secondary organic aerosol

Modelling

Organic carbon

Air quality model

Chemical schemes

Résumé

L’oxydation gazeuse des composés organiques émis dans l’atmosphère mène à la formation de milliers de composés organiques secondaires (COS). Une fraction de ces COS est peu volatile, et peut se partager entre la phase gazeuse et la phase particulaire formant ainsi des aérosols organiques secondaires (AOS). Les AOS contribuent majoritairement à la composition des particules, participant entre 20 et 80 % à la masse totale des aérosols fins et influencent ainsi leurs impacts sur l’environnement, en particulier sur la qualité de l’air et le climat. Ces impacts sont quantifiés à l’aide de modèles de chimie-transport (CTM). Les comparaisons avec les mesures in situ montrent que les variations spatiales et temporelles de la masse d’AOS ne sont pas correctement simulées par les CTM. Dans ces modèles, la formation d’AOS est représentée de façon simplifiée à l'aide de paramétrisations empiriques développées sur la base d'observations en chambres de simulation atmosphérique. Il est donc primordial de repenser et d’améliorer la représentation des aérosols organiques dans les CTM pour diagnostiquer l’origine de la pollution atmosphérique par les particules fines, améliorer la fiabilité de la prévision des épisodes de pollution et évaluer l'impact des aérosols sur l'environnement. Les objectifs de cette thèse sont de :• explorer l’influence des conditions environnementales sur la formation et les propriétés des AOS,• développer une nouvelle paramétrisation de formation de l’AOS sur la base d’une représentation déterministe de la chimie atmosphérique,• évaluer cette paramétrisation en CTM par comparaison avec des mesures in-situ.Les modèles déterministes permettent de représenter la non-linéarité des processus de formation de l'AOS. Le modèle déterministe GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere) est un outil de modélisation numérique qui intègre les données élémentaires (cinétiques et thermodynamiques) issues des études en laboratoire. Dans le cadre de cette thèse, des scénarios d’oxydation en conditions environnementales ont été développés et GECKO-A a été utilisé pour étudier l’impact des facteurs environnementaux (température, teneur en NOx, ensoleillement...) sur la formation et les propriétés des AOS. Sur la base de ces simulations, une nouvelle paramétrisation pour la formation d’AOS a été développée: VBS-GECKO. L’évaluation de la VBS-GECKO en modèle de boîte a montré une bonne reproduction des concentrations en aérosols organiques (AO) avec une RMSE inférieure à 20%. La VBS-GECKO a été intégrée au CTM CHIMERE pour simuler les concentrations estivales d’AO au dessus de l’Europe. Son utilisation conduit à une sensible amélioration de la masse d’AO simulée par rapport à la paramétrisation de référence utilisée dans CHIMERE. La VBS-GECKO a également été utilisé pour étudier (i) les sources et propriétés des AOS et (ii) différentes représentation des émissions de composés organiques semi-volatils et de volatilité intermédiaire par le trafic routier

The gaseous oxidation of organic compounds emitted into the atmosphere leads to the formation of thousands of secondary organic compounds (SOC). A fraction of these SOC is low volatile, and can partition between the gaseous phase and the particulate phase, forming secondary organic aerosols (SOA). The SOA are a main component of the particles, representing between 20% and 80% of the total mass of fine aerosols. Therefore, SOA contribute to the impact of aerosols on the environment, in particular air quality and climate. The quantification of the SOA impacts is estimated using chemical-transport models (CTM). Comparisons with in situ measurements show that the spatial and temporal variations of SOA mass are not correctly simulated by CTM. In these models, the SOA formation is represented in a simplified way, using empirical parameterizations developed on the basis of observations performed in atmospheric simulation chambers. Improving the representation of organic aerosols in CTM is therefore required to diagnose the origin of air pollution by fine particles, improve the reliability of pollution episode prediction and assess the impact of aerosols on the environment. The objectives of this thesis are :• to explore the influence of environmental conditions on SOA formation and properties,• to develop a new parameterization of SOA formation based on a deterministic representation of atmospheric chemistry,• to evaluate this parameterization in CTM by comparison with in-situ measurements. Deterministic models represent the non-linearity of SOA formation processes. The model GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere) is a numerical modelling tool that integrates the elementary data (kinetics and thermodynamics) from laboratory studies. In this thesis, oxidation scenarios representative of various environmental conditions were developed and GECKO-A was used to study the impact of environmental factors (temperature, NOx concentrations, solar radiations, etc.) on the formation and the properties of the SOA. On the basis of these simulations, a new parameterization for SOA formation was developed: VBS-GECKO. The evaluation of the VBS-GECKO in box model has shown a good reproduction of the organic aerosol (OA) concentrations with RMSE lesser than 20%.The VBS-GECKO was integrated into the CHIMERE CTM to simulate summer concentrations of OA over Europe. Simulated OA are significantly improved compared to the reference parameterization used in CHIMERE. The VBS-GECKO was also used to study (i) the sources and properties of SOA and (ii) different representations of emissions of semi-volatile and intermediate volatility organic compounds by road traffic