Amélioration des prévisions de la qualité de l'air à haute résolution : focus sur les zones urbaines et périurbaines et les épisodes de pollution spécifiques en France

Nowadays, more than half of the world’s population lives in urban areas, air quality prediction in urban areas is therefore flagship topic. The improvement of mesoscale chemical transport models generally focused on the dynamics, physical parameterization processes, and chemical reaction mechanisms. In the first part of the study, three configurations of vertical diffusion coefficient (Kz) based on fisrt order closure K-theory are tested within CHIMERE model fed by IFS meteorology over one year. Although, all these Kz configurations are known to be efficient for mesoscale air quality simulations and the results show small differences between the three schemes, they all overestimated vertical mixing in urban areas. It is worth noting that the model used overestimates the ratio of PM2.5/PM10 by approximately 20% for all seasons. Discrepancies on emission inventories could be a relevant explanation. Many studies on the impact of physical parameterizations indicates the need of more accurate simulations of meteorological conditions for air quality modeling at urban scale. Also, for the second part of this work, the Weather Research and Forecast (WRF) model coupled with the chemistry transport model (CTM) CHIMERE has been used to understand the impact of physics parameterizations on air quality simulation during a short-term pollution episode on the Paris region. Large differences were found between different canopy schemes, showing an overall overestimation of concentrations during the pollution episode. The boundary layer schemes sensitivity tests display an underestimation of the boundary layer height which leads to a strong overestimations of pollutants concentration. The Boulac–BEP scheme had significantly better performances than the other schemes for the simulation of both the PBL height and the pollutants concentrations, indicating that both the canopy schemes and boundary layer schemes have a critical effect on air quality prediction in the urban region. The third part of this work focuses on the vertical resolution of the grid and the height of the first layer which also plays a very important role in the transport modeling. The three configurations tested demonstrate the model's ability to simulate regular days without pollution episodes. However, during a pollution episode, the refinement of the vertical resolution and of the height of the first layer leads to a clear improvement of the modeling results compared to the initial configuration of the model. The air quality predictions in urban regions are mainly influenced by the urban canopy, the boundary layer and the diffusion conditions. The land surface model had a slight impact for both meteorological and air quality simulation. In the last part of this work, the eddy diffusion of WRF from a 1.5 order diffusivity closure scheme based on the kinetic energy of turbulence is directly integrated into CHIMERE in order to represent a more realistic vertical mixing near the surface for urban pollution applications. A two weeks high resolution simulation was performed in Paris, Lyon and Bordeaux with finest horizontal and vertical resolution of 1.67km and 12m respectively. The new eddy diffusion (NED) integrated in this research improves NO2 simulations at all urban site compared to the original Kz diffusion (IKD) on board CHIMERE. The average improvements in terms of RMSE are 18.77%, 24.51% and 9.52% in Paris, Lyon and Bordeaux, respectively. PM2.5 and PM10 simulation provided similar results with NO2, 13.47% and 19.08% improvements were found in the urban area of Paris. The simulation with more realistic eddy viscosities is better than initial Kz parameterization which has been widely used in CTM. This work illuminates the user to identify the best settings of atmospheric models for appropriate operational uses to simulate the air quality during pollution episodes or for long term analyses in urban areas.De nos jours, plus de la moitié de la population mondiale vit dans des zones urbaines. La prévision et l’analyse de la qualité de l'air dans les zones urbaines est un sujet d'actualité. L'amélioration des modèles de transport chimique à méso-échelle passe généralement par le développement de paramétrisations plus avancées en termes de dynamique et mécanismes chimiques. Dans la première partie de l'étude, trois configurations du coefficient de diffusion verticale (Kz) basées sur la théorie de fermeture de premier ordre (k-theory) sont testées avec le modèle CHIMERE alimenté par les données Européennes météorologiques IFS pendant une année. Ces configurations, bien que jugées efficaces pour les simulations de qualité de l'air à méso-échelle, montrent une surestimation significative du mélange vertical dans les zones urbaines avec des différences faibles entre les trois schémas. Il convient de noter que le modèle ainsi configuré a surestimé le rapport PM2.5/PM10 d'environ 20% quelle que soit la saison. L'étude de l'impact de la paramétrisation de la diffusion verticale confirme bien que la modélisation météorologique est d'une importance majeure pour la modélisation de la qualité de l'air. Par la suite, le modèle Weather Research and Forecast (WRF) couplé au modèle de transport de la chimie (CTM) CHIMERE a été utilisé pour comprendre l'impact des paramétrisations physiques sur la simulation de la qualité de l'air sur épisode de pollution en la région parisienne. Les différents schémas de canopée testés montrent des différences importantes avec une surestimation globale des concentrations pendant l'épisode de pollution. Les tests de sensibilité des schémas de la couche limite montrent une sous-estimation de la hauteur de la couche limite qui a pour conséquence une forte surestimation de la concentration des polluants pendant l'épisode de pollution. Le schéma de Boulac-BEP montre des performances significativement meilleures que les autres schémas pour la simulation de cette hauteur de couche limite ainsi que pour les concentrations en polluants, ce qui confirme bien que les schémas de canopée urbaine et de couche limite ont un effet critique sur la modélisation de la qualité de l'air dans la région urbaine. La troisième partie de ce travail porte sur l’impact de la résolution verticale de la grille et la hauteur de la première couche qui jouent également un rôle très important dans la modélisation du transport. Les trois configurations testées démontrent les capacités du modèle à simuler des journées normales hors épisodes de pollution. Cependant, lors d'un épisode de pollution, l'affinement de la résolution verticale et de la hauteur de la première couche entraîne une nette amélioration des résultats de modélisation en comparaison avec la configuration initiale du modèle. La simulation et la prévision de la qualité de l'air en région urbaine sont donc influencées par les caractéristiques de la canopée urbaine, la couche limite et les conditions de diffusion, le modèle de surface terrestre ayant un léger impact sur la simulation météorologique et la qualité de l'air. Dans la dernière partie de ce travail, la diffusivité turbulente de WRF issue d’un schéma de fermeture de la diffusivité d'ordre 1.5 basé sur l'énergie cinétique de la turbulence est intégrée dans CHIMERE afin de représenter un mélange vertical plus réaliste près de la surface pour les applications de pollution urbaine. Une simulation haute résolution de 15 jours en hiver a été réalisée sur Paris, Lyon et Bordeaux avec des résolutions horizontale et verticale fines de 1,67km et 12m respectivement. Il est à noter que la nouvelle diffusion verticale (NED) a amélioré la simulation du NO2 pour chaque site urbain par rapport à la diffusion Kz initiale (IKD). Les améliorations moyennes en termes de RMSE sont de 18,77%, 24,51% et 9,52% à Paris, Lyon et Bordeaux, respectivement [...