Méthodes actuelles de surveillance et de cartographie

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Les paramètres influençant la qualité de l’air

La qualité de l’air n’est pas seulement dépendante de la quantité de polluants émise par les sources. Elle est également liée aux conditions climatiques, météorologiques, topologiques et morphologiques du milieu. Une fois émis par une source de polluant, son évolution dans l’atmosphère est dépendante du vent, de la stabilité de l’atmosphère, du rayonnement solaire, de la topographie et morphologie du milieu.

Influence du vent

Le vent est un déplacement de l’air et est donc un facteur de transport des polluants. Il possède une vitesse exprimée en m/s (ou km/h ou nœud) et une direction exprimée en fonction de la rose des vents. Présent dans les basses couches de l’atmosphère (altitude inférieure à 10 kilomètres), il résulte d’un équilibre entre les forces de gradient pression à l’origine du déplacement des masses d’air, la force déviatrice de Coriolis provenant de la rotation de la Terre et les forces de frottement sur le sol.
• Dans l’atmosphère libre, sous l’effet de la force de Coriolis et des forces de gradient de pression, le vent géostrophique est uniforme, horizontal et sa vitesse dite de gradient est constante.
• Au niveau de la couche d’Ekman, l’écoulement de l’air est influencé par la surface terrestre. Avec l’altitude, les effets du frottement au sol deviennent négligeables devant l’effet de la force de Coriolis ; la direction du vent subit une rotation et atteint à son sommet celle du vent géostrophique.
• Au niveau de la couche de surface, la direction du vent est constante et la structure du vent est déterminée par les effets dynamiques engendrés par le sol et par la stratification thermique de l’air.
• Au niveau de la sous-couche rugueuse, les frictions contre la surface du terrain influent sur la vitesse et la direction du vent. L’écoulement de l’air est fortement turbulent, hétérogène et instationnaire. Lesieur (1994) définit la turbulence comme un système dynamique imprévisible, désordonné, possédant de fortes propriétés de mélange, un caractère dissipatif et faisant intervenir une très large gamme d’échelles spatiales. Responsable de la dispersion horizontale des polluants, le vent intervient à toutes les échelles tant par sa direction que par sa vitesse. A l’échelle urbaine, l’influence du vent sur la pollution atmosphérique est très variable selon la position de la source. Généralement la vitesse du vent augmente avec l’altitude. Au fur et à mesure que les polluants s’élèvent, la dispersion horizontale est facilitée par le vent. Plus le vent est fort, plus les niveaux de pollution en ville seront bas. En revanche, un vent de faible vitesse favorise l’accumulation locale des polluants.

Influence de la stabilité de l’atmosphère

Une atmosphère est stable si une masse d’air, écartée de sa position d’équilibre, a tendance à revenir. Elle est instable dans le cas contraire. Ces déplacements d’air sont guidés par des lois thermodynamiques. Si la masse d’air soulevée est plus froide que le milieu environnant, elle sera plus dense et donc redescendra à son niveau de départ (atmosphère stable). Si la masse d’air soulevée est plus chaude que le milieu environnant, elle sera plus légère et subira donc une élévation (atmosphère instable). Ainsi la stabilité d’une masse d’air dépend de sa température de l’élévation, relative à la température de l’air environnant stationnaire qu’elle traverse. La structure thermique verticale de la troposphère tient alors une part importante dans le mélange verticale des masses d’air, et par conséquent la dilution des polluants.
En situation normale de diffusion dans la troposphère, la température diminue avec l’altitude. Cette situation ne freine pas la diffusion verticale des masses d’air, et donc des polluants, jusqu’à ce qu’elles atteignent un certain équilibre, c’est-à-dire que la densité de l’air ambiant soit la même que l’air montant. Mais il peut exister des situations d’inversion de température à partir d’une certaine hauteur. Dans cette situation, une couche d’air chaud se trouve au-dessus d’une couche d’air plus froid et joue le rôle de couvercle thermique. L’air pollué, qui se disperse vers le haut en situation normale de diffusion, est alors bloqué par cette couche d’air chaud. Ce phénomène contribue à la pollution locale et peut conduire aux pics de pollution. Il se rencontre dans des situations météorologiques particulières :
• en début de matinée, suite à une nuit dégagée et sans vent, les couches d’air à proximité du sol se sont refroidies tandis que les couches immédiatement supérieures restent plus chaudes ;
• en hiver, lors de conditions anticycloniques (belle journée d’hivers ensoleillée, zone de hautes pressions) avec de faibles vents. Ces épisodes de pollution sont appelés « smog ».

Influence de la topographie locale

La surface terrestre est à l’origine de turbulences atmosphériques au niveau de la sous -couche rugueuse. Ces turbulences peuvent être d’origine thermique, due à l’instabilité thermique des masses d’air, ou d’origine « mécanique », due aux obstacles présents à la surface. Les perturbations de l’air, entraînant une dispersion des polluants, s’étendent verticalement jusqu’à près de trois fois la hauteur de l’obstacle, et horizontalement jusqu’à quarante fois la hauteur dans la zone sous le vent (Troen & Petersen 1989). C’est donc la taille, la forme, la densité des obstacles et son environnement qui conditionnent l’écoulement de l’air à la surface de la terre, leur temps de résidence et les échanges avec la couche limite. Ainsi dans une rue isolée et ventilée, le temps de résidence d’une masse d’air peut-être de quelques secondes seulement. On caractérise la surface par une échelle de rugosité aérodynamique, notée zo, homogène à une longueur.

La zone d’étude

La zone d’étude est la communauté urbaine de Strasbourg (CUS). Répartie sur un territoire de 306 km2 (distance maximale du nord au sud : 28 km et d’est en ouest : 16 km), elle est séparée de l’Allemagne par le Rhin. Elle représente 45 % de la population en Bas-Rhin alors qu’elle ne couvre que 6 % de sa superficie. La CUS regroupe 27 communes et compte 430 000 habitants. La figure 2.1 présente la délimitation de la zone d’étude avec ses communes. Le réseau hydrographique apparaît en bleu et les bâtis en gris. La ville de Strasbourg est à une altitude de 150 mètres (au pied de la cathédrale de Strasbourg) et se situe à 45,58° latitude nord et 7,75° longitude ouest. Une description complète de la ville de Strasbourg peut être trouvée sur le site de la mairie : http://www.mairie-strasbourg.fr.
La communauté urbaine de Strasbourg est située dans le fossé rhénan. Le climat y est plus doux que sa situation en Europe centrale ne le laisse présumer. En hiver, des inversions thermiques peuvent apparaître engendrant la formation de brouillard et de nappes de brouillard élevées. En été, les journées où il fait lourd et chaud, la zone d’étude est soumise à une charge thermique importante. Les masses d’air humide et chaud peuvent circuler de l’espace méditerranéen occidental jusque dans le fossé rhénan. Les lignes de relief entraînent une modification de l’écoulement de l’air à proximité du sol. La situation transversale du fossé rhénan par rapport à la zone de vents d’ouest engendre des effets d’espaces exposées ou à l’abri du vent mais également une canalisation du vent à proximité du sol dans l’axe de la vallée (cf. rapport du projet Interreg II disponible à l’ASPA). La figure 2.2 illustre ce propos et représente les roses des vents dans le fossé rhénan méridional toutes heures confondues (REKLIP, 1995).

Table des matières

1 Introduction
2 Quelques éléments sur la qualité de l’air
2.1. Définition de la pollution atmosphérique – les principaux polluants
2.1.1. L’atmosphère
2.1.2. La pollution atmosphérique
2.1.3. Les principaux polluants
2.1.4. Le cas particulier de l’ozone
2.1.5. L’inventaire des émissions
2.2. La surveillance de la qualité de l’air en France
2.3. Les paramètres influençant la qualité de l’air
2.3.1. Influence du vent
2.3.2. Influence de la stabilité de l’atmosphère
2.3.3. Influence de la topographie locale
2.4. La zone d’étude
3 Méthodes actuelles de surveillance et de cartographie
3.1. La surveillance de la qualité de l’air en France par les stations de mesures
3.1.1. Les réseaux de surveillance de la qualité de l’air
3.1.2. Les stations de mesure de concentrations de polluants
3.2. Cartographie de la qualité de l’air par modélisation numérique
3.3. Mesures de concentration par LIDAR
3.4. Etude à l’aide d’images satellitaires dans le domaine optique
3.5. Méthode de cartographie de la qualité de l’air par interpolation
4 Méthode proposée de cartographie à l’aide de données multi-sources
4.1. Objectif et échec des méthodes existantes
4.1.1. Besoins et spécifications
4.1.2. Limites des méthodes existantes de cartographie
4.2. Méthode proposée de cartographie
4.3. Bibliothèque des champs typiques
4.4. Définition mathématique d’un champ typique
4.4.1. Transformée en ondelettes
4.4.2. Analyse multirésolution
4.4.3. Coefficients en ondelettes
4.4.4. Synthèse du champ de concentration
4.4.5. Définition du champ typique
4.5. Construction d’un champ typique
4.5.1. Etape 1 : caractérisation de la ville et construction des cartes d’identité
4.5.2. Etape 2 : localisation des pseudostations à l’aide des cartes d’identité
4.5.3. Etape 3 : construction des stations virtuelles à l’aide d’images satellitaires
4.5.4. Etape 4 : construction du champ typique de pollution
4.6. Conclusion
5 Caractérisation de la ville – construction des cartes d’identité
5.1. Indicateurs morphologiques pour la carte d’identité
5.1.1. Nécessité des indicateurs morphologiques
5.1.2. Description de la base de données BD TOPO®de l’IGN
5.1.3. Positionnement des stations de mesures sur la BD TOPO®
5.1.4. Choix des indicateurs morphologiques
5.1.5. Méthode de calcul et paramètres de la surface de visibilité
5.2. Images satellitaires pour la carte d’identité
5.3. Cadastre des émissions de polluant pour la carte d’identité
5.4. la carte d’identité
6 Pseudostations et stations virtuelles
6.1. Les pseudostations
6.2. La campagne de mesures ACI Ville
6.2.1. Présentation de la campagne
6.2.2. Les mauvaises conditions météorologiques
6.2.3. Validation des pseudostations
6.3. Les stations virtuelles
6.3.1. La démarche entreprise
6.3.2. Modélisation des effets optiques de la pollution
6.3.3. Calcul de la réflectance corrigée F
6.3.4. Traitements des mesures de concentrations de polluants
6.3.5. Corrélations entre la fonction F et les concentrations de polluants
6.3.6. Les résultats de la corrélation
6.4. Conclusion
Conclusion
7.1. Intégration des connaissances actuelles
7.2. Algorithme de fusion d’information
7.3. Définition des situations météorologiques
7.4. Les pseudostations
7.5. Les stations virtuelles
Références bibliographiques
Annexe : les normes de la qualité de l’air