chapter 6(b) - Ether

6.6 L'évaluation des inventaires d'émissions
6.6.1 Problème posé Parmi les conditions nécessaires à une compréhension et une
représentation correctes de la qualité de l'air figure la disponibilité
d'inventaires précis d'émissions des polluants primaires. Ce chapitre est
destiné à montrer dans quelle mesure il est possible d'évaluer, dans une
certaine mesure, ces inventaires d'émissions, au moyen des résultats d'une
campagne comme ESQUIF. Les inventaires d'émissions font l'objet d'un travail considérable de
collecte de données demandant la collaboration entre plusieurs organismes
dont la vocation n'est pas nécessairement liée à la qualité de l'air.
Toutefois, même si ce travail est effectué dans des conditions idéales
(moyens importants, collaborations fluides), la connaissance des émissions
de polluants se heurte à deux difficultés majeures : l'impossibilité de
répertorier directement toutes les sources de pollution, ce qui conduit
souvent le calcul de certaines émissions à résulter d'hypothèses souvent
invérifiables, et la variabilité spatiale et temporelle de ces sources, qui
conduit ce calcul à n'être applicable, par exemple, qu'à une « journée
type », ou dans certaines conditions. Or les modèles de transport-chimie,
utilisés pour les calculs de stratégie environnementale afin de réduire la
pollution atmosphérique nécessitent la connaissance de cette variabilité,
afin de ne pas donner des résultats biaisés. Prenons quelques exemples : Les sources industrielles sont en général
bien connues, de façon quantitative, mais seulement lorsque l'on considère
la somme des émissions sur une année. Le détail horaire de ces sources est
en revanche très difficile à estimer jour par jour puisqu'il dépend de
l'activité industrielle, qui elle-même peut dépendre de facteurs très
divers, allant de facteurs hebdomadaires ou saisonniers à des facteurs
économiques (marché de la demande en produit, contraintes de production).
La répartition temporelle de ces émissions est toutefois nécessaire pour la
modélisation, qui requiert des taux d'émission horaires. A l'inverse, les sources liées aux transports sont peut-être mieux
connues dans leur distribution temporelle, car des comptages de véhicules
sont effectués en permanence, mais leur répartition spatiale est délicate à
estimer en dehors des axes majeurs de circulation. La loi des grands
nombres permet peut-être une bonne estimation des sources sur les axes
fréquentés mais la variabilité du trafic sur les axes peu fréquentés, très
nombreux, reste délicate. Aussi les calculs d'émissions liés au trafic ne
peuvent pas seulement reposer que sur ces comptages, et s'appuient sur de
véritables modèles de trafic où là aussi de nombreuses hypothèses sont
effectuées. Par ailleurs, les facteurs d'émissions des véhicules sont
connus dans des cas assez particuliers (cycle type de trajet, véhicule bien
entretenu, etc...). On voit au travers de ces exemples qu'il est très difficile d'estimer les
sources de pollution et leur variabilité de façon extrêmement détaillée,
mais aussi qu'il est quasiment impossible de vérifier directement
l'exactitude de ces calculs d'émissions, ou même d'en estimer
l'incertitude. Une possibilité pour évaluer les inventaires d'émissions est d'utiliser
une méthode indirecte, basée sur la mesure des concentrations de polluants
dans l'atmosphère. Mais ces concentrations résultent des émissions après
avoir subi plusieurs types de transformations : le transport dans
l'atmosphère, le mélange avec des masses d'air d'origines différentes, les
transformations chimiques, le dépôt en surface entre autres. Ces
transformations sont celles qui sont précisément représentées par les
modèles de transport-chimie. Nous pouvons alors, en fournissant le résultat
des calculs d'émissions à ces modèles, prédire les concentrations qui
doivent être obtenues là où elles sont mesurées, et déduire, à partir des
différences entre observations et prédictions, certaines information
concernant les erreurs sur les calculs d'émissions. C'est une méthodologie
très ambitieuse, puisqu'elle suppose que les modèles de transport-chimie
sont corrects (ce qui n'est évidemment pas le cas). Toutefois, il est
possible, dans une certaine mesure, de s'affranchir partiellement de cette
hypothèse, au moyen de certains types de diagnostics. Nous tentons, dans ce chapitre, d'évaluer l'inventaire d'émissions
disponible sur l'Ile de France, développé par AIRPARIF, en utilisant les
mesures effectuées durant la campagne ESQUIF et le modèle de transport-
chimie CHIMERE développé à l'IPSL. Nous portons un effort particulier aux
émissions de COV (composés organiques volatils), composés primaires très
nombreux et dont les sources sont d'une extrême diversité. Nous comparons
le résultats des simulations effectuées sur les POI d'ESQUIF aux
observations aéroportées durant ces POI. L'avantage d'utiliser des mesures
aéroportées par rapport à des mesures au sol est la plus grande
représentativité des premières dans un environnement éloigné d'obstacles ou
d'hétérogénéités. Par cette approche, intégrée, nous n'espérons pas obtenir d'informations
spatialisées sur les émissions, mais des informations intégrées, comme la
sous-estimation ou la surestimation globale des émissions. Le détail sera
porté sur les COV individuels ou regroupés dans certaines classes.
6.6.2 Méthodologie Pour l'évaluation des inventaires de sources anthropiques de pollution en
Ile-de-France, nous utilisons les simulations du modèle CHIMERE (voir
Chapitre 3) effectuées à partir de l'inventaire d'émissions construit par
AIRPARIF dans le cadre du système de modélisation SIMPAR. Cet inventaire
s'appuie sur un modèle de trafic, des données d'émissions compilées par le
CITEPA, entre autres. Les ventilations temporelles et les profils de COV
individuels sont basés sur le travail de l'IER à Stuttgart. La méthodologie générale repose sur la comparaison entre les valeurs
simulées par le modèle CHIMERE alimenté par l'inventaire d'émissions
d'AIRPARIF (voir ci-dessous) et les valeurs mesurées de polluants à bord
des avions AZTEC (METEO-France et LSCE) et DIMONA. Ces mesures sont
décrites au Chapitre 2.3. Partant de cet inventaire d'émissions et des données météorologiques
données par le CEPMMT, une longue simulation de CHIMERE, du 11 juin 1999 au
31 juillet 1999 a été effectuée. Cette période couvre les POI 3 à 8, durant
lesquelles la plupart des mesures aéroportées ont été effectuées. Afin de
déduire des comparaisons observations/simulations un certain nombre
d'informations sur les émissions de l'Ile de France et non sur des
émissions provenant d'une autre région, il est indispensable de ne
conserver, pour base de comparaison, que les concentrations mesurées dans
la couche limite, d'une part, et dans le panache de l'agglomération d'autre
part, dans lequel le signal est en général assez fort. Aussi nous ne
conservons que les mesures effectuées l'après-midi (couche limite
développée). Tous les vols concernés sont utilisés dans cette étude afin
d'obtenir une bonne signification statistique pour les résultats. Par ailleurs, afin de bien mesurer les produits résultant des émissions
franciliennes, il est nécessaire de ne pas inclure d'éventuelles erreurs
provenant des concentrations aux limites, données ici par le modèle de
grande échelle CHIMERE-continental, ainsi que les concentrations « de
fond » réelles, pouvant provenir d'émissions externes à la région. C'est
pourquoi, aussi bien pour les simulations que les observations, et pour
chaque vol, nous calculons une valeur « de fond » comme la moyenne des
trois valeurs les plus faibles pour chaque polluant aux points de mesure.
Ces valeurs de fond sont ensuite retirées de chaque concentration au cours
du vol. Si les comparaisons, pour certaines espèces chimiques comme les oxydes
d'azote ou le monoxyde de carbone, sont directes, il n'en est pas de même
pour les COV non-méthaniques. En effet, le modèle CHIMERE, comme tous les
modèles de transport-chimie, ne simule pas directement les concentrations
de COV individuels (le temps de calcul serait trop élevé lorsque l'on
s'intéresse seulement à la simulation de la photochimie), mais simule des
classes de COV regroupés par fonctions chimiques et réactivité. Afin de
simuler les concentrations de COV individuels, sans simuler l'évolution de
tous les composés secondaires qui sont créés lors de leur oxydation, nous
supposons que seule leur réaction avec OH est significative en milieu de
journée, hypothèse qui peut être discutable pour certains alcènes,
réagissant avec l'ozone. Le modèle CHIMERE, utilisé une première fois avec
les COV regroupés est alors réutilisé en introduisant une chimie
différente, celle de l'oxydation des COV individuels, la concentration de
OH étant extraite de la première simulation. Dans cette seconde simulation,
les COV sont donc soumis à tous les processus dynamiques (transport,
mélange) et à leur réaction avec OH. Ainsi, cette seconde simulation
procure des concentration de COV individuels. Parallèlement à ces simulations numériques, une validation expérimentale
et indépendante d'inventaire de NOx a été réalisée à partir de mesures
aéroportées à bord de l'avion ARAT. Nous avons calculé des flux de NOx en
suivant la même méthodologie que celle utilisée pour les flux de production
d'ozone et qui est détaillée dans la section 6.8. Ces flux de NOx sont
déte