Modélisation multiéchelle opérationnelle de la qualité de l'air: amélioration des paramétrisations du transport à l'échelle de la rue par l'apport de données multimodèles

Contexte et motivation
Les villes ont besoin de modèles rapides, robustes et précis pour représenter la qualité de l’air à l’échelle de la rue et soutenir certaines politiques publiques (trafic, Zone à Faible Emissions). Deux familles d’outils coexistent : (i) la CFD (p. ex. code_saturne) qui décrit finement les écoulements mais à coût élevé ; (ii) des modèles paramétriques rapides (réseaux de rues de type MUNICH, chaîne PMSS couplant un modèle diagnostique de vent PSWIFT et dispersion lagrangienne PSPRAY) adaptés à l’opérationnel mais perfectibles sur certaines paramétrisations physiques (turbulence, impact de la végétation).
La thèse propose d’avancer simultanément sur la représentation du transport dans les rues-canyons du modèle MUNICH et sur sa capacité opérationnelle à la prévision de la qualité de l’air. Coupler au modèle de chimie-transport CHIMERE, le modèle MUNICH permet d’assurer une cohérence physicochimique complète entre pollution de fond et concentrations de rue.

Déroulement
La thèse se déroulera en deux parties complémentaires.

L’axe 1 vise à améliorer la représentation du transport (par l’advection et la turbulence) dans les modèles paramétriques de type rues canyons. Un exercice d’intercomparaison est mis en place sur un quartier de Madrid (d’environ 3,5 km2). Ce cas d’étude est fourni par FAIRMODE (Forum for Air Quality Modeling), une initiative coordonnée par la commission européenne. Des simulations avec les modèles MUNICH, PMSS et code_saturne sont mises en place. L’utilisation et l’analyse des champs CFD permettront d’identifier des invariants d’écoulement et de développer de nouvelles paramétrisations dans MUNICH. Ce travail bénéficiera également au modèle diagnostique à conservation de la masse PSWIFT pour fournir un forçage de vent urbain cohérent et peu coûteux. L’objectif de l’axe 1 est d’intégrer ces nouvelles lois physiques simplifiées (paramétrisations) dans MUNICH et de les valider grâce à des comparaisons croisées avec la CFD et des mesures in situ.

L’axe 2 vise à démontrer le bénéfice à la prévision journalière et opérationnelle d’un système hybride CHIMERE-MUNICH. Pour cela, le modèle couplé pourra être appliqué à un autre cas d’étude, ce qui permettrait d’analyser la qualité de l’air sur des zones plus étendues et périurbaines, tout en simulant les secteurs urbains denses, à forte hauteur de bâti ou géométrie complexe. Le territoire étudié pourra être une ville partenaire de SUEZ ARIA Technologies qui assure la conception, la fourniture et l'installation des composants logiciels de modélisation du système de prévision à plusieurs organismes de surveillance de la qualité de l’air.

Références
Kim, Y., Lugon, L., Maison, A., Sarica, T., Roustan, Y., Valari, M., Zhang, Y., André, M., and Sartelet, K.: MUNICH
v2.0: a street-network model coupled with SSH-aerosol (v1.2) for multi-pollutant modelling, [2022]. Geosci.
Model Dev., 15, 7371-7396.
Tinarelli G., Mortarini L., Trini Castelli S., Carlino G., Moussafir J., Olry C., Armand P., Anfossi D. Review and
validation of Micro-Spray, a Lagrangian particle model of turbulent dispersion, [2013]. In: Lagrangian modeling
of the atmosphere, geophysical monograph, American Geophysical Union (AGU), vol 200, pp 311–327.

Entreprise d'accueil :

SUEZ Aria Technologies est une filiale de SUEZ Air & Climate de 150 personnes à travers le monde, dont 40 en France, composée d’ingénieurs et experts dans le domaine de l'air, mobilisés pour accompagner ses clients dans leur lutte pour une meilleure qualité de l’air et limiter leur impact sur le réchauffement climatique. Auprès de ses clients Collectivités et Industries, SUEZ Air & Climate propose un large éventail de services et de solutions couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur : diagnostic, surveillance en temps réel de la qualité de l’air, modélisation prédictive ou encore conception et mise en œuvre de solutions de traitement de l'air, des odeurs et des gaz à effet de serre.

Laboratoire d'accueil :

Créé à l'École Nationale des Ponts et Chaussées en 2003, le CEREA est devenu un Laboratoire Commun École des Ponts ParisTech-EDF R&D à compter du 1er janvier 2004. Le CEREA est situé sur deux sites, l'un à Champs sur Marne, 77 (École des Ponts ParisTech) et l'autre à Chatou, 78 (EDF R&D). Le CEREA est rattaché à l'école doctorale IP Paris.

Ses activités de recherche sont centrées sur la pollution de l'air et la micrométéorologie des basses couches de l'atmosphère. Elles couvrent une gamme qui s'étend de la recherche académique (modélisation des aérosols, assimilation de données et modélisation inverse, dynamique de la couche limite atmosphérique) jusqu'aux études d'impacts (impact des activités liées à la production de l'énergie thermique ou nucléaire, impact des activités liées aux transports), en passant par la modélisation/prévision du transport réactif de polluants à l'échelle régionale ou encore la modélisation aux petites échelles (pollution urbaine, thermique des bâtiments) et la prévision de productible pour les énergies décarbonées solaire et éolien.

Formation : Master 2 ou diplôme d'ingénieur en physique/chimie de l'atmosphère, mécanique des fluides ou météorologie.

Compétences : Des notions en modélisation, en programmation (Python, Fortran, C++) et la maîtrise de l'environnement Linux sont un vrai plus.

Langues : Bon niveau d'anglais écrit et oral exigé.