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Pollution atmosphérique multiphasique (PAM)

RESPONSABLE SCIENTIFIQUE

Bruno SPORTISSE

CEREA

ENPC

6-8 Avenue Blaise Pascal, Cité Descartes

77455 CHAMPS-SUR-MARNE

Tél : [phone]

Fax :[phone]

Mél : [e-mail]

PARTENAIRES

LSCE : Patrick Chazette)

LISA : Bernard Aumont

RAPPEL DES OBJECTIFS SCIENTIFIQUES

L'objectif de PAM est le développement d'un modèle multiphasique monodimensionnel pour le suivi des aérosols dans la troposphère, son insertion dans un modèle de Chimie-Transport « hôte » (en l'occurence POLAIR) et sa validation par comparaison à des mesures.

Les processus multiphasiques comprennent à la fois la dynamique des aérosols et les échanges avec la phase liquide de l'eau.

Une campagne de mesures spécifiques sur la région parisienne est prévue.

MOTS-CLÉS

Modélisation des aérosols, dynamique des aérosols, modèle de chimie-transport.

ETAT D'AVANCEMENT DU PROJET ET TRAVAIL RESTANT A RÉALISER

Le projet comprenait essentiellement trois parties :

1. 
   le développement de modèles d'aérosols ;
   
2. 
   leur insertion dans un modèle de Chimie-Transport, POLAIR et la comparaison à des données de mesures ;
   
3. 
   une campagne de mesures complémentaires à l'échelle parisienne.
   

Le point 1 est terminé (même si des développements/mises à jour sont toujours possibles). Le point 2 est en cours (le couplage de modèle a été réalisé; les runs et le retour d'observations sont en cours). Le point 3 est, pour le moment, reporté afin d'optimiser le déploiement de moyens de mesure et le retour d'observations attendu.
1. Modèle de dynamique des aérosols :

Deux modèles de dynamique des aérosols ont été développés :

• 
  le modèle MAM (Modal Aerosol Model) qui décrit la distribution granulométrique par une
  
• 
  décomposition modale (modes d'Aitken, d'accumulation et mode grossier) ;
  
• 
  le modèle SIREAM (Size Resolved Aerosol Model) qui décrit la distribution granulométrique par une approche sectionnelle résolue.
  

Ces deux modèles s'appuient sur un coeur identique de paramétrisations physiques qui traitent des processus suivants :

• 
  la nucléation est paramétrisée pour le mélange H2O/H2SO4 sur la base de paramétrisations récentes. L'extension au mélange ternaire NH3/H2SO4/H2O est en cours.
  
• 
  la coagulation brownienne des particules est prise en compte pour le suivi de la distribution en nombre.
  
• 
  la condensation/évaporation est décrite avec les hypothèses classiques de calcul des flux de transferts de masse, la concentration du gaz à la surface des particules étant considérée comme étant à l'équilibre thermodynamique avec le mélange interne. Le modèle ISORROPIA est utilisé pour le calcul de l'équilibre inorganique (sulfate, ammonium, nitrate, chlore) et pour estimer la quantité d'eau absorbée. Un modèle classique de partition est utilisé pour les espèces organiques, une paramétrisation de type « double produit » ayant été incorporée dans les mécanismes gazeux utilisés (en l'occurence RACM et RADM2) afin de décrire la formation d'espèces à faible pression de vapeur saturante.
  
• 
  les processus d'interaction avec l'eau liquide (nuages et brouillards) sont pris en compte, afin notamment de bien décrire la formation du sulfate. Ces processus ont été paramétrisés (les modèles de Chimie-Transport n'ayant pas les données météos microphysiques requises pour une résolution explicite) de la manière suivante. Le transfert de masse entre les gouttes d'eau et le gaz ainsi que la chimie en phase aqueuse sont activés dès que le contenu en eau liquide dépasse un certain seuil (en l'occurence 0.05 g/m3). Les gouttes d'eau sont supposées se former instantanément sur les aérosols dont les diamètres dépassent un certain seuil, le reste de la distribution jouant le rôle d'aérosols intersticiels. Le module de chimie en phase aqueuse est un modèle détaillé, à la base de la dernière version du modèle communautaire américain CMAQ, adapté par Kathleen Fahey (doctorante dans l'équipe de S. Pandis à Carneggie-Mellon-University, en post-doctorat au sein de PAM).
  

Sur le plan numérique, ces modèles ont été discrétisés avec un traitement numérique adapté, le temps calcul requis étant un enjeu de la simulation 3D. Les points suivants ont notamment été abordés :

• 
  un traitement non empirique des intégrales de collision a été proposé pour l'approche modale afin d'éviter les interpolations entre régime continu et transitoire qui sont habituellement utilisées ; pour l'approche résolue, une méthode lagrangienne de suivi des particules lors des processus de condensation/évaporation a été préférée afin d'éviter la forte diffusion numérique vers les aérosols de grosse taille à laquelle conduisent les autres méthodes dans des cas 3D (avec un faible nombre de sections de taille, moins d'une dizaine). Des algorithmes spécifiques ont été développés à cette occasion.
  
• 
  pour l'approche sectionnelle, l'intérêt d'utiliser des méthodes « hybrides », dans lesquelles on fait l'hypothèse d'un équilibre thermodynamique entre particules de petite taille (typiquement moins d'un micromètre de diamètre sec) et gaz, d'un transfert dynamique pour le reste de la distribution, a été étudié. Des algorithmes spécifiques ont également été proposés.
  

2. Insertion dans un modèle de Chimie-Transport, POLAIR et comparaison aux observations.

Ces deux modèles de dynamique des aérosols, MAM et SIREAM, ont été couplés au modèle de Chimie-Transport POLAIR. Les processus de transport nécessaires (sédimentation, dépôt) ont été par ailleurs mis à jour.

La comparaison des résultats numériques à des données d'observations aux échelles régionale (Lille, ESQUIF puis Escompte) et continentale est en cours.

Il est à noter que des exercices d'intercomparaison de modèles sont à prévoir notamment avec les modèles Chimère et Meso-NH. Notre état d’avancement ne nous permettait pas jusque là de mener à bien cet objectif qui est à présent réalisable.
3. Campagne de mesures complémentaire.

Un volet de mesures a été prévu, sous la direction de Patrick Chazette au LSCE. Ce volet n'aura pas lieu dans le temps initialement prévu, du fait notamment d'une estimation minorée des demandes nécessaires de financement qui ne permettraient pas une réalisation optimale de la campagne et d'en tirer tous les bénéfices attendus. Un projet complémentaire de financement a été déposé auprès de la Mairie de Paris. La campagne de mesure a donc été reportée et sera reconfigurée en fonction de la réponse donnée à ce projet.

IMPLICATIONS PRATIQUES DU PROJET ET VALORISATION PREVUE

L'implication pratique majeure est la construction d'un modèle multiphasique à même d'effectuer des simulations pour des études d'impact voire la prévision.

La valorisation prévue est la mise à disposition des modèles ainsi construits, prévue avant fin 2004.

Des articles sont en cours de soumission.