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Mercredi 13 mars 2019, soutenance de thèse de Julian-Andres QUIMBAYO-DUARTE - 9h30, Amphithéâtre K118, LEGI, site Bergès

Numerical modelling of the stable atmospheric boundary layer over complex terrain and application to air quality

Thèse encadrée par :

  • Chantal STAQUET (LEGI)
  • Charles CHEMEL (University of Hertfordshire, UK).

Résumé

En hiver, par condition anticyclonique hivernale, les régions montagneuses urbanisées font l’objet de conditions atmosphériques stables et découplées, qui conduisent à des épisodes de forte pollution particulaire. Ce travail de thèse traite de la caractérisation des facteurs de pollution de l’air aux particules par condition stable en vallée alpine encaissée, du point de vue de la dynamique atmosphérique. Ce travail repose sur des simulations numériques idéalisées et en conditions réelles à l’aide du modèle Weather Research and Forecasting (WRF), les particules étant modélisées par un champ de traceur passif.

Dans une première partie, des simulations numériques à haute résolution ont été réalisées, en utilisant deux configurations différentes de vallées tridimensionnelles idéalisées ouvrant sur une plaine. La première configuration correspond à une vallée de largeur constante dans la direction de l’axe de la vallée ouvrant sur une plaine. Dans la seconde configuration, la vallée est composée de deux sections, la section aval, qui ouvre sur la plaine, étant plus étroite que la section amont. Cette configuration est appelée "pooling". Quelle que soit la configuration, la variation du profil vertical de température le long de l’axe de la vallée conduit à d’un gradient de pression horizontal générant un vent de vallée. Les configurations de type "pooling" sont associées à des concentrations de polluants plus élevées que dans le cas où la largeur de la vallée ne varie pas, car le vent de vallée est plus faible dans la configuration "pooling". L’impact de la largeur de la section aval sur la concentration de polluants dans la section amont est remarquable : la ventilation de la section amont peut être complètement bloquée pendant la majeure partie de la simulation (six heures) lorsque le rapport de largeur de la section amont à la section aval est égal à 10.

La deuxième partie concerne une situation réelle en vallée alpine, durant un épisode fortement pollué de février 2015. La dynamique atmosphérique et la concentration de particules fines (PM) ont été modélisées dans une section de la vallée de l’Arve autour de la ville de Passy par le modèle WRF-Chem durant cet épisode. Pour cela, le cadastre d’émission préparé par l’agence de qualité de l’air de la région Auvergne Rhône-Alpes a été implémenté dans le modèle. La dynamique de la couche limite a été comparée à des profils verticaux de vent et température mesurés lors d’une campagne de terrain durant l’épisode pollué, et la concentration de PM comparée aux données de stations de qualité de l’air. La contribution des vallées tributaires à la pollution atmosphérique dans cette section de la vallée de l’Arve a d’abord été étudiée. Les résultats montrent que cette contribution est très faible par rapport à celle des sources locales ; ceci implique que les émissions in-situ sont principalement responsables de la forte concentration de particules polluantes enregistrée dans la vallée car le fond de vallée est découplé de l’atmosphère au-dessus de la vallée. Les processus de ventilation et leur influence sur la concentration de particules (PM) ont ensuite été étudiés. L’analyse montre qu’en raison de la ventilation limitée autour de la ville de Passy, la variabilité horaire de la concentration de PM dans la ville est contrôlée par les émissions.