Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique

Laboratoire Commun

École des Ponts ParisTech - EDF R&D

EDF

Modélisation multi-physique

Responsable : Karine Kata-Sartelet

L'activité principale de cette équipe est axée sur le développement et la validation de deux modèles multiphasiques qui sont couplés au modèle 3D de dispersion Polair3D et au modèles Mercure_Saturne. Les deux modèles multiphasiques diffèrent principalement dans la distribution en taille des aérosols: distribution lognormale pour MAM (Modal Aerosol Model) et distribution résolue pour SIREAM (Size Resolved Aerosol Model).

Les modèles MAM et SIREAM

Les modèles MAM et SIREAM décrivent la dynamique des aérosols sous l'influence des processus de condensation/évaporation, de coagulation brownienne et de nucléation (binaire ou ternaire). La distribution en taille des aérosols est faite de quatre modes log-normaux dans MAM et d'un nombre de sections spécifié par l'utilisateur dans SIREAM. Une hypothèse de mélange interne est faite, i.e. à chaque taille correspond une composition chimique unique. Les espèces sont inorganiques (sur la base du modèle thermo-dynamique ISORROPIA : sodium, ammonium, sulfate, nitrate et chlorure), organiques (aérosols organiques primaires, plus huit espèces sur la base d'une paramétrisation des aérosols organiques secondaires avec une formulation à deux-produits), inertes (poussière et carbone), et l'eau.

processus aerosols
Les différents processus influençant la composition et la distribution en taille des aérosols.

Condensation/Evaporation

La condensation/évaporation est un processus primordial pour la composition des aérosols et leur distribution. Les espèces gaseuses peuvent condenser sur les aérosols existants, ou les espèces dans la phase aérosol peuvent s'évaporer. Ce transfert de masse entre la phase gaseuse et la phase aérosol dépend de la différence entre les concentrations gaseuses loin des aérosols et les concentrations gaseuses à la surface des aérosols (celles-ci sont supposées être localement en équilibre thermodynamique avec la composition interne des aérosols). Le transfert de masse peut être calculé dynamiquement, ou bien en supposant un équilibre thermodynamique entre les espèces gaseuses loin des aérosols et la composition interne des aérosols. Le transfert de masse est cependant beaucoup plus coûteux numériquement s'il est calculé dynamiquement, et l'hypothèse d'équilibre thermodynamique peut ne pas être vérifiée pour les gros aérosols. Ainsi, une approche hybride a été développée: l'hypothèse d'équilibre thermodynamique est faite pour les petits aérosols, mais le transfert de masse est calculé dynamiquement pour les gris aérosols.

Aspects numériques

Plusieurs algorithmes ont été développés et/ou utilisés pour la simulation numérique des aérosols, des méthodes de flux de masse stochastique, des méthodes lagrangiennes, des formulations variationnelles ou de collocation. Des algrithmes spécifiques de mode merging et de mode splitting ont été développés dans MAM pour forcer les modes à être de tailles distinctes au cours des simulations. De nouveaux algorithmes ont été développées pour la redistribution des boîtes lagrangiennes des aérosols sur une grille fixe.

Comparaison de la distribution en nombre en fonction du diamètre obtenue lors d'un épisode de forte nucléation avec MAM (avec ou sans mode splitting) et SIREAM (15 ou 50 sections).

Chimie en phase aqueuse et réactions hétérogènes

Pour les aérosols en phase aqueuse, le modèle de nuages VSRM (Variable Size-Resolved Model, Carneggie Mellon University) est utilisé. Il est appelé à la place des modèles MAM/SIREAM en présence de nuages. Les réactions hétérogènes inorganiques à la surface des aérosols sont également modélisées. Elles peuvent avoir un impact non négligeable sur la photochimie gaseuse et sur les particules, notamment pour le nitrate.

Paramétrisations 3D

Pour coupler le modèle de chimie transport Polair3D aux modèles multiphasiques MAM et SIREAM, d'autres processus sont pris en compte, tels que le dépôt sec, le lessivage sous les nuages, l'influence de l'acidité des nuages sur le lessivage, le lessivage dans les nuages, les émissions. Les émissions de sel de mer sont paramétrisées. Le contenu en eau liquide des aérosols, qui est utilisé pour calculer le diamètre humide des aérosols, est paramétrisé en utilisant le schéma de Gerber.

Application aux échelles régionale et continentale

Le modèle de chimie transport 3D Polair3D couplé à SIREAM a été validé par comparaison à des observations à l'échelle continentale sur l'Europe, sur l'Asie (projet MICS), à l'échelle régionale sur Paris, sur Marseille (campagne Escompte)et sur Lille. Polair3D couplé à MAM a été validé par comparaison à des observations à l'échelle régionale sur Tokyo. Des études pour étudier la sensibilité des concentrations aérosols à différents processus physiques (coagulation, transfert de masse, émissions de sel de mer, chimie aqueuse, réactions hétérogènes) ont été effectuées sur l'Asie dans le cadre du projet MICS, sur l'Europe et à l'échelle régionale sur Paris.
pm10 Savinao
Comparaison des concentrations PM10 à O Saviñao (Espagne) pour un run européen de 2001.
Conc surfave sulf2
Projet MICS: comparaison de huit modèles sur l'Asie.

Echelle locale

A l'échelle locale, Polair3D-MAM est utilisé pour modéliser la formation et la dispersion des aérosols à proximité d'une route. Les émissions dues au traffic engendrent de fortes concentrations d'acide sulfurique, et des épisodes de forte nucléation (particules ultra-fines de diamètre de l'ordre du nanomètre composées de H2SO4-NH3-H2O). Plusieurs campagnes de mesures ont montré du diamètre des aérosols à proximité d'une source liée au traffic. Polair3D-MAM est utilisé pour reproduire ce grossissement du diamètre des particules ultra-fines, and pour identifier les mécanismes qui en sont responsables, e.g. condensation, coagulation, réactions hétérogènes des espèces inorganiques ou organiques. MAM est également couplé au modèle MERCURE-SATURNE pour une étude plus détaillée.

Variation du nombre de particules avec la distance à la route. Une paramétrisation ternaire de la nucléation est utilisée (Napari).

Resuspension

Dans le cadre d'un projet avec le CEA (Commissariat à l'Energie Atomique), une synthèse des modèles de resuspension des modèles d'aérosols, des paramétrisations et des données de mesures a été faite. Ce travail se poursuit avec le développement d'un modèle de déposition et de resuspension aux petites échelles.