Contributions relatives des aérosols minéraux et de feux sur la qualité de l'air en Euro-Méditerrannée.

Stavros Stromatas

Résumé

Anthropogenic (industrial, agricultural, combustion) and natural emissions (biogenic, biomass burning, dust) are sources that affect our atmosphere. With a rapid and measurable impact on the quality of air at a probable contribution to climate change, their role varies in terms of chemical species emitted and consequences on the environment and human health. In addition to a direct local impact, plumes of trace gases and particles can be transported far from their sources. This long-range transport induces changes in their characteristics and therefore their impact. As a result, local measurements are not sufficient to fully understand this problem. Satellite missions provide additional information as they allow a global observation for many species. This overview of the troposphere has particularly highlighted the importance of intercontinental transport and the large uncertainties in its representation by chemistry-transport models. This study has helped improve the characterization and quantification of the relative impact of local emissions and long-range transport on regional pollution based on the coupling between satellite observations and modeling species. The observations used are ground measurements of the AIRBASE and AERONET networks for concentration levels and aerosol optical thickness respectively, observations of MODIS and PARASOL satellites for the optical properties of aerosols as well as measurements of the CALIOP lidar for the vertical structure of aerosol plumes. The modeling was performed with the meteorological model WRF and chemistry-transport model CHIMERE. In order to directly compare the results of models simulations with measurements, a new tool has been developed. The added value of this tool compared to other similar tools for the computation of aerosol optical properties is the simulation of Level 1 lidar data. Thus, this work also illustrates the additional information that can be expected from the use of lidar observations for the analysis of aerosol related pollution episodes. Comparisons between model and observations were made for the Euro-Mediterranean region and the summer of 2007, during which nine intense episodes of mineral aerosols transported from Africa and forest fires throughout the region were added to anthropogenic and biogenic sources. The main results show a significant contribution of these sources to the exceedances of the pollution threshold both at local and regional level. Regarding forest fires, we show that this particular source of particles in the atmosphere was responsible for 40 to 55% of the total exceedances observed in Eastern Europe during the summer of 2007. The results of this study also helped highlight the critical points for the simulation of aerosols, which are associated with the considered parameterizations (aerosol size distribution, injection height, vertical diffusion), emissions and transport.

Les émissions anthropiques (industrielles, agricoles, de combustion) et naturelles (biogéniques, feux de biomasse, poussières désertiques) sont autant de sources qui affectent notre atmosphère. D'un impact rapide et quantifiable sur la qualité de l'air à une probable modification climatique, leur action est variée en termes d'espèces chimiques émises et de conséquences sur l'environnement et la santé humaine. En plus d'un impact direct localement, les panaches de gaz traces et de particules émis peuvent subir un transport à longue distance. Ce transport induit des modifications de leurs caractéristiques et donc de leur impact. Une mesure locale n'est alors pas suffisante pour comprendre le problème dans son ensemble. Les missions satellitaires apportent alors une information complémentaire déterminante puisqu'elles permettent une observation à l'échelle globale pour de nombreuses espèces. Cette vision globale de la troposphère a en particulier mis en évidence l'importance du transport intercontinental de la pollution et les fortes incertitudes dans sa représentation par les modèles de chimie et transport. Ce travail de thèse a permis d'améliorer la caractérisation et la quantification de l'impact relatif des émissions locales et des espèces transportées à longue distance sur la pollution régionale en se basant sur le couplage entre observations satellitaires et modélisation. Les observations utilisées sont les mesures des réseaux de surface AIRBASE et AERONET pour concentrations et les épaisseurs optiques, des satellites MODIS et PARASOL pour les propriétés optiques des aérosols, du lidar CALIOP pour la structure verticale des panaches. La modélisation a été réalisée avec le modèle météorologique WRF et le modèle de chimie-transport CHIMERE. Afin de comparer directement les résultats des simulations aux mesures, un nouvel outil a été développé. La valeur ajoutée de cet outil par rapport aux outils de calculs de propriétés optiques déjà existants est la simulation de données lidar de niveau 1. Ainsi, ce travail illustre également l'information supplémentaire qui peut être attendue de l'utilisation des observations lidar pour l'analyse des événements de pollution particulaire. Les comparaisons entre modèle et observations ont été réalisées sur la région Euro-Méditerranéen et pendant l'été 2007, période pendant laquelle neuf évènements intenses de transport d'aérosols minéraux venant d'Afrique et de feux de forêts sur l'ensemble de la région sont venus s'ajouter aux sources anthropiques et biogéniques. Les principaux résultats montrent une contribution significative de ces sources aux dépassements du seuil de pollution tant au niveau local que régional. Spécifiquement pour les feux, nous avons pu montrer que cette source particulière de particules dans l'atmosphère était responsable à elle seule de 40 à 55% des jours de dépassements cumulés pendant tout l'été et observés en Europe de l'Est. Les informations obtenues ont aussi permis de mettre en évidence les points critiques pour la simulation des aérosols liés aux paramétrisations considérées (distribution en taille des aérosols, hauteur d'injection, diffusion verticale), aux émissions et au transport.

Relative contribution of mineral and forest fires aerosols in the air quality of the Euro-Mediterranean region.