Où docteurs et entreprises se rencontrent
Menu
Connexion

Vous avez déjà un compte ?

Nouvel utilisateur ?

Développement d'un modèle numérique de qualité de l'air multiéchelle pour le milieu urbain

ABG-94148 Sujet de Thèse
22/10/2020 < 25 K€ brut annuel
ENPC / Sorbonne Université / Airparif
Paris - Ile-de-France - France
Développement d'un modèle numérique de qualité de l'air multiéchelle pour le milieu urbain
  • Sciences de l’ingénieur
  • Ecologie, environnement
qualité de l'air, modèle numérique, urbain, multiéchelle

Description du sujet

Contexte

La pollution atmosphérique est le premier facteur de risque environnemental pour la santé humaine avec un bilan considérable sur la morbidité (WHO, 2014). Bien que les réglementations actuelles concernent surtout les particules de diamètre supérieure à 2.5µg/m3, il est aujourd'hui reconnu que les particules encore plus petites aussi appelées particules ultrafines (PUF) ont un impact néfaste sur la santé humaine. En zone urbaine, elles sont massivement émises par le trafic routier et sont associées à de nombreux effets délétères sur la santé (Matz et al., 2019). Pour mieux comprendre ces effets sanitaires, une connaissance des émissions et de l’évolution des polluants au sein de la zone d’influence de la source d’émission est nécessaire.

Dans ce but le projet doctoral proposé conjointement par le CEREA, le LMD et Airparif vise à développer et à mettre en œuvre un modèle numérique multiéchelle permettant de représenter l’évolution des concentrations de différents polluants et d’indicateurs pertinents pour l’impact sanitaire (NO2, PM2.5, PUF) dans cette zone d’influence.

 

Etat de l’art

En milieu urbain de nombreuses sources de pollution de nature différente coexistent dans un espace relativement réduit. Les fortes concentrations sont dues en partie aux émissions locales mais sont également influencées par des sources plus distantes. Dans la zone d’influence d’une source donnée, les interactions entre les émissions locales et distantes dépendent de l’état de l’atmosphère et des caractéristiques du site au voisinage de la source d’émission. À l’intérieur des rues-canyons, les polluants émis au niveau de la rue sont soumis à une recirculation et la pénétration de l’écoulement extérieur dans la rue dépend de plusieurs paramètres dont les caractéristiques morphologiques des rues (longueur, largeur) et du bâti (hauteur).

Ces phénomènes de dispersion et les réactions physico-chimiques sont à l’origine d’une grande hétérogénéité spatiale des champs de concentration des polluants atmosphérique. Les réseaux de surveillance de la qualité de l’air (AASQA), avec des mesures in-situ, donnent une information précise du niveau de concentration des polluants, mais la densité de ces réseaux n’est pas suffisante pour reproduire la grande variabilité spatiale des polluants dans la ville. Pour cela, on fait appel à la modélisation.

Les modèles de mécanique des fluides (« Computational Fluid Dynamics ») discrétisent les bâtiments et résolvent de manière précise les écoulements dans les rues. Ils sont cependant très coûteux en temps de calcul pour être appliqués sur des grands domaines d’étude et de longues périodes. Des modèles paramétrés plus simples, souvent basés sur les simulations de modèles CFD, ont été développés pour représenter les concentrations dans les rues (Soulhac et al., 2017). Les modèles de ce type, appelés modèles de réseau des rues, utilisent en entrée les concentrations « de fond », qui peuvent être obtenues à partir d’observations ou bien en sortie de modèle eulérien 3D. Ces derniers, simulent les concentrations « de fond » des polluants sur une grille 3D d’une résolution horizontale de l’ordre du km² dans le contexte des simulations urbaines mais sans tenir compte de la géométrie des bâtiments.

 

Méthodologie et objectifs

Dans le travail de recherche proposé ici, nous développerons un couplage dynamique entre le modèle de réseau de rue MUNICH (Kim et al., 2018) et le modèle eulérien CHIMERE (Mailler et al., 2017). L’intérêt par rapport aux méthodes courantes utilisées pour simuler la pollution de proximité (modèles gaussiens ou lagrangiens surimposant des concentrations de fond) est double :

  • Il permet de profiter du mécanisme chimique complet du modèle eulérien pour résoudre les champs de concentration au niveau de la rue. Notamment, le modèle SSH-aérosol, actuellement intégré dans le code CHIMERE permet une modélisation de l’évolution des particules ultrafines, fines et grossières depuis leur émission/formation et jusqu’à leur mélange avec des niveaux de concentration de fond au-dessus de la canopée urbaine.

  • Il évite un double comptage des émissions prises en compte dans le modèle de réseau de rues. Cette démarche permet ainsi une représentation plus cohérente des interactions entre sources locales et sources distantes dans la zone d’influence.

Une première version d’un tel couplage a été réalisée pour des polluants gazeux entre le modèle MUNICH et le modèle eulérien Polair3D (Kim et al., 2018) et améliorée à l’occasion d’un déploiement à plus grande échelle sur Paris (Lugon et al., 2019). Ces travaux ont montré la sensibilité du couplage à la discrétisation verticale du modèle eulérien.

Une représentation plus fine du transfert entre le fond et la rue peut notamment être nécessaire pour les particules ultrafines qui évoluent rapidement dans l'atmosphère par transformation physico-chimiques (nucléation, condensation/évaporation, coagulation) sans pour autant être à l’équilibre avec le milieu ambient.

Dans cette thèse la robustesse numérique du couplage sera améliorée en affinant la représentation spatiale de la sous-couche rugueuse qui assure le transfert entre l’espace des rues canyons et l’atmosphère de « fond » et qui correspond à la zone influencée au-dessus de la canopée. Nous allons également étudier comment l’hétérogénéité du bâti peut modifier cette zone influencée.

Un cas d’application dans la zone urbaine Parisienne sera choisi en cohérence avec les campagnes d’observation d’Airparif pour bénéficier notamment de mesures de concentration en nombre d’aérosol permettant d’évaluer le modèle couplé. Ce cas permettra de traiter des zones influencées par le trafic routier pour différentes typologies de densité urbaine.

 

Bibliographie

  • Kim, Y., Wu, Y., Seigneur, C., Roustan, Y., 2018. Multi-scale modeling of urban air pollution: development and application of a Street-in-Grid model (v1.0) by coupling MUNICH (v1.0) and Polair3D (v1.8.1). Geosci. Model Dev. 11, 611–629. 
  • Lugon, L., Sartelet, K., Kim, Y., Vigneron, J., Chrétien, O., 2019. Nonstationary modeling of NO2, NO and NOx in Paris using the Street-in-Grid model: coupling local and regional scales with a two-way dynamic approach. Atmos. Chem. Phys., 20, 7717–7740, 2020.
  • Mailler, S., Menut, L., Khvorostyanov, D., Valari, M., Couvidat, F., Siour, G., Turquety, S., Briant, R., Tuccella, P., Bessagnet, B., Colette, A., Létinois, L., Markakis, K., and Meleux, F.: CHIMERE-2017: from urban to hemispheric chemistry-transport modeling, Geosci. Model Dev., 10, 2397–2423.
  • Matz, C.J., Egyed, M., Hocking, R., Seenundun, S., Charman, N., Edmonds, N., 2019. Human health effects of traffic-related air pollution (TRAP): a scoping review protocol. Syst. Rev. 8, 223. 
  • Soulhac, L., Nguyen, C.V., Volta, P., Salizzoni, P., 2017. The model SIRANE for atmospheric urban pollutant dispersion. PART III: Validation against NO2 yearly concentration measurements in a large urban agglomeration. Atmos. Environ. 167, 377–388. 
  • WHO, 2014. Burden of Disease from Ambient Air Pollution for 2012.

Prise de fonction :

01/02/2021

Nature du financement

Financement public/privé

Précisions sur le financement

Financement principal de la région Île-de-France avec complément d'Airparif

Présentation établissement et labo d'accueil

ENPC / Sorbonne Université / Airparif

Le projet est proposé conjointement par

  • le CEREA;
  • le LMD;
  • Airparif.

Les travaux se dérouleront sur l’ensemble des sites des partenaires.

La direction de thèse sera assurée par Yelva Roustan (CEREA) avec des contributions à l’encadrement et au projet de Karine Sartelet (CEREA), Myrto Valari (LMD) Fabrice Dugay et Olivier Sanchez (Airparif).

Intitulé du doctorat

Science et Technique de l'Environnement

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

-

Ecole doctorale

Sciences, Ingénierie et Environnement (SIE)

Profil du candidat

Une formation initiale de niveau master / diplôme d'ingénieur en lien avec la physico-chimie de l'atmosphère et ou la modélisation numérique sera préférée.

De bonnes bases en programmation (en python / fortran / C++) seront nécessaires.

Une bonne pratique de l'anglais (écrit/oral) est nécessaire.

 

Date limite de candidature

01/12/2020
Partager via
Postuler
Fermer

Vous avez déjà un compte ?

Nouvel utilisateur ?

Besoin d'informations ?

Vous souhaitez recevoir une ou plusieurs lettres d’information de l’ABG. Chaque mois des actualités, des offres, des outils, un agenda…

Ils nous font confiance