Irène Korsakissok
Docteur de l'ENPC -- Université Paris-Est
Spécialité : Sciences et techniques de l'environnement
Les modèles développés au cours de la thèse ont été intégrés à la plate-forme de modélisation de qualité de l'air Polyphemus :
- un modèle gaussien de panache stationnaire plume
- un modèle à bouffées gaussiennes puff
- un modèle de panache sous-maille plume-in-grid, couplant le modèle à bouffées avec le modèle eulérien Polair3D
Modèles gaussiens
Les modèles gaussiens sont très utilisés, encore aujourd'hui, car ils donnent une formule analytique des concentrations dans un panache, et demandent très peu de puissance de calcul. Ils sont utilisés pour l'échelle locale, jusqu'à quelques dizaines de kilomètres en aval de la source. Ils reposent sur une représentation simplifiée des concentrations en aval d'une source ponctuelle (modélisation par une gaussienne). Cela implique notamment une définition très simple de la météorologie qui repose sur quelques valeurs (vent, température, stabilité...) supposées homogènes. De plus, ces modèles reposent sur des paramétrisations empiriques pour modéliser la diffusion (augmentation de la taille du panache avec la turbulence), la surhauteur (hauteur atteinte par le panache en sortie de cheminée) et le dépôt sec (absorption par le sol, les bâtiments et les végétaux). Ces paramétrisations sont des formules calibrées à l'aide d'expériences de dispersion. Il existe des paramétrisations variées, reposant sur une description plus ou moins complexe de la couche limite atmosphérique. Ces paramétrisations donnant parfois des résultats très différents, elles constituent une source importante d'incertitude.
Modèle gaussien de panache stationnaire
Un modèle gaussien de panache représente le panache émis par une source ponctuelle (par exemple une cheminée d'usine) par une distribution gaussienne dans les deux directions (verticale et horizontale, perpendiculaire au vent). Les écart types gaussiens sont donnés par des paramétrisations empiriques. Dans les modèles de Polyphemus, trois paramétrisations sont implémentés : les formules de Briggs, Doury, ainsi que les formules basées sur la théorie de la similitude. La météorologie est supposée constante et homogène dans le panache.
Modèle gaussien à bouffées
Le modèle à bouffées représente un nuage de polluant (bouffée) par une distribution gaussienne dans les trois directions. Les paramétrisations des écart types sont les mêmes que pour le modèle gaussien de panache. Dans le cas d'un panache émis en continu par une cheminée, celui-ci peut être discrétisé en une série de bouffées, émises à intervalles réguliers. L'avantage du modèle à bouffées est de pouvoir prendre en compte l'instationnarité de la météorologie, ainsi que l'inhomogénéité (chaque bouffée étant indépendante des autres). Cependant, l'hypothèse de météorologie homogène est toujours faite au sein d'une bouffée, ce qui peut conduire à des erreurs importantes lorsque la taille de la bouffée devient importante.
Panache sous-maille
Les sources ponctuelles sont, en général, mal représentées par les modèles eulériens de chimie-transport utilisés en qualité de l'air, pour l'échelle régionale et continentale. En effet, les modèles eulériens reposent sur l'utilisation d'un maillage, et font l'hypothèse de concentrations homogènes à l'intérieur d'une maille. Les résolutions typiquement utilisées sont de l'ordre de 5 kilomètres (échelle régionale) à 50 kilomètres (échelle continentale). Un panache émis par une source ponctuelle est considéré par le modèle eulérien comme instantanément dilué dans le volume de la maille où se trouve la source, ce qui conduit à une mauvaise évaluation des concentrations à l'échelle locale. Les modèles eulériens fournissent également une représentation incorrecte de la diffusion verticale en champ proche, ainsi que des réactions chimiques au sein du panache.
Dans le modèle de panache sous-maille ("plume-in-grid"), un modèle gaussien à bouffées est couplé au modèle eulérien. Le modèle gaussien est utilisé pour mieux représenter les sources ponctuelles, à l'échelle locale, tandis que le modèle eulérien se charge des sources diffuses (sources surfaciques), ou des sources ponctuelles qui ne sont pas jugées assez importantes pour bénéficier du traitement sous-maille. Les deux modèles échangent quelques informations, notamment la météorologie. Au bout d'un certain temps, lorsque les bouffées sont assez grandes, elles sont réinjectées dans le modèle eulérien. Cela revient à transférer la masse de polluant transportée par la bouffée dans la (ou les) maille(s) où se trouve la bouffée.
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