Pourquoi utiliser un modèle ? 

Un modèle est un outil complémentaire à la mesure et aux inventaires d’émissions de polluants. Il permet d’estimer les concentrations de divers polluants en tout point d’un domaine géographique donné, pour des périodes passées, présentes ou futures. L’utilisation de cet outil mathématique répond aux missions d’Airparif : surveiller, comprendre, informer et accompagner. Il permet de :

• caractériser la pollution atmosphérique en tout point de l'Île-de-France,
• renseigner les citoyens en temps réel sur leur exposition,
• fournir une information pour aider nos prévisionnistes à réaliser leurs prévisions quotidiennes (en particulier lorsqu'un épisode de pollution est suspecté ou en cours),
• améliorer notre connaissance des phénomènes de pollution atmosphérique,
• évaluer à l'avance ou a posteriori les effets de mesures de réduction d'émissions,
• accompagner les acteurs économiques vers le développement d'un urbanisme prenant en compte la qualité de l'air.

Comment ça marche ?

Airparif met en œuvre une succession d’outils numériques, permettant de représenter les phénomènes intervenant dans la formation et le devenir de la pollution atmosphérique :

• transformations chimiques,
• transport,
• dispersion,
• émissions / dépôt.

Ces modèles fonctionnent à diverses échelles temporelles et géographiques et leurs utilisations nécessitent de caractériser les paramètres influant sur les concentrations des polluants :

• les conditions météorologiques,
• la pollution importée, c'est-à-dire provenant d'autres régions (conditions aux limites),
• les émissions de polluants, qu'elles soient d'origine naturelle (volcans, végétation, incendies naturels) ou anthropique (trafic routier, agriculture, chauffage résidentiel, industries, rejets ou incendies accidentels..., etc.),
• la topographie et l’occupation du sol du domaine géographique d’intérêt.

La modélisation est indissociable des mesures aux stations. Ces dernières participent en effet à l’évaluation des modèles et aux calculs d’incertitudes associées, couplées aux sorties de modèle brut par des méthodes statistiques d’assimilation, elles permettent de cartographier le plus finement et précisément possible les niveaux de polluants de la région. 

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Prévoir la qualité de l'air avec ESMERALDA

Au même titre que les météorologues s’appuient sur des modèles météorologiques pour réaliser leurs prévisions, les prévisionnistes d’Airparif s’appuient sur des modèles régionaux de la qualité de l’air pour réaliser les leurs. Le rôle de la modélisation s’est vu encore renforcé lors de la révision de l’arrêté interministériel relatif au déclenchement des procédures en cas d’épisodes de pollution du 26 mars 2014, des critères de superficies et de populations impactées remplaçant le constat des dépassements aux stations de mesures.

À Airparif, la pollution à l'échelle régionale (c’est-à-dire à des résolutions de l’ordre de 1 à 10 km) est décrite grâce à la plateforme interrégionale de prévision de la qualité de l’air ESMERALDA (EtudeS Multi RégionALes De l’Atmosphère). Cette plateforme fournit quotidiennement des informations chiffrées et cartographiées, utilisées par les prévisionnistes d’Airparif et des cinq AASQA collaborant dans le projet (Atmo Normandie, Atmo Hauts-de-France, Air Breizh, Air Pays de la Loire, Lig’Air).

Ces cartographies renseignent la pollution de fond en ozone, en dioxyde d'azote et en particules PM₁₀ et PM_2.5. Ce système de modélisation consiste en une succession de modèles : MM5 pour la météorologie, un modèle d’émissions et CHIMERE pour la chimie et le transport. Il exploite notamment les résultats du modèle national Prev'air pour estimer l'apport de pollution en provenance des autres régions. PREVAIR repose également sur le modèle de chimie-transport CHIMERE.

Les émissions anthropiques alimentant ESMERALDA proviennent des inventaires interrégionaux haute résolution, développés par chaque réseau partenaire,  et mis à jour régulièrement. De plus, les émissions du trafic routier en Île-de-France sont calculées par le modèle HEAVEN.

Des outils statistiques sont mis en œuvre dans la chaîne ESMERALDA et permettent d’améliorer les prévisions déterministes de la qualité de l’air en prenant en compte les mesures réalisées dans les différents réseaux de surveillance.

La chaîne ESMERALDA est évaluée annuellement, ainsi que lors de projets de recherche plus ciblés. Le projet PRIMEQUAL Francipol a par exemple permis d’évaluer la plateforme ESMERALDA au regard de la formation des aérosols et de leurs précurseurs, mais également d’identifier des voies d’amélioration sur les inventaires des émissions.

Enfin, ESMERALDA est également exploitée à des fins d'analyses d’épisodes de pollution, de scénarisation (études d’impact, mise en place de plans réglementaires) et alimente quotidiennement, en pollution de fond, les chaînes de modélisation locale « Cartes temps réel », SURVOL et A86Ouest.

Évaluer l’exposition en temps réel

La surveillance de l’exposition des Franciliens est un des cœurs de métier d’Airparif. La plateforme de calcul « Cartes temps réel » est un outil qui permet de répondre à cette problématique. Cette chaîne de cartographie présente en temps réel la qualité de l’air sur l’ensemble de l’Île-de-France.

Le fonctionnement de ce système s’appuie sur la plateforme interrégionale de prévision de la qualité de l’air ESMERALDA, qui permet d’estimer la pollution de fond sur l’ensemble du territoire et du modèle ADMS-Urban qui estime les niveaux de polluants à proximité des voies de circulation.

Les conditions réelles de trafic sont directement prises en compte dans le calcul des émissions, géré par la plateforme Heaven.

Enfin, les cartographies intègrent toutes les heures les niveaux de polluants observés via les appareils de mesures répartis en région Île-de-France à partir de méthodes « d’assimilation de données » afin de réduire les incertitudes liées aux techniques de modélisation.

En permettant de connaître et réduire son exposition à la pollution, cet outil est au service des Franciliens. Ces informations sont relayées via l’application mobile Airparif itiner’Air, qui utilise un système de géolocalisation et permet ainsi d’afficher les niveaux des polluants à proximité de soi ou sur un itinéraire donné.

Il est ainsi facile de s’informer sur la qualité de l’air que l’on respire. Le calcul de l’exposition peut être sauvegardé lors d’un trajet permettant ainsi d’optimiser son exposition lors des parcours quotidiens.

Le système Cartes temps réel est mis en œuvre dans le cadre d’évaluations de scénarisation (PDP, ZFE,…) et d’études d’impact sur la qualité de l’air telles que l’évaluation de la fermeture des voies sur berges, les journées sans voiture, la nuit blanche et l’étude des mesures de restriction de circulation mises en place lors d’épisodes de pollution.

Les outils de modélisation sont également utilisés pour estimer l’exposition des Franciliens dans certaines zones de l’Île-de-France associées à une problématique spécifique en termes de qualité de l’air. C’est ainsi que l’ObsAIRvatoire A86 représente la qualité de l’air autour du Duplex de l’autoroute A86, tunnel reliant les communes de Rueil-Malmaison et Vélizy-Villacoublay. De la même façon, le système de cartographie Survol développé dans le cadre du premier Plan Régional Santé Environnement, décrit les niveaux de polluants autour des aéroports franciliens.

Modélisation et urbanisme

La région parisienne est une région dense en population et par conséquent très urbanisée. Cette urbanisation représente un défi de taille pour les aménageurs, avec des citoyens de plus en plus sensibles à leur exposition ainsi qu'à celle de leur entourage à la pollution atmosphérique. Un nombre croissant de promoteurs immobiliers souhaite ainsi construire des bâtiments intelligents (pilotage automatique des aérations et fenêtres) ou des zones préservées de la pollution au sein de nouvelles résidences.

La modélisation à l'échelle micro-locale, c'est-à-dire à une résolution de quelques mètres, fournit des informations permettant aux aménageurs d'appréhender l'impact d'une nouvelle construction sur la qualité de l'air à proximité immédiate.

La fine résolution utilisée par ces modèles, 1 à 5 mètres, permet de prendre en compte explicitement la végétation et les caractéristiques des bâtiments (hauteur, présence ou non de passages ou de portes). Ces modèles sont ainsi capables de caractériser les zones de recirculation et d'accumulation des polluants à proximité des bâtiments.
L'information produite par la modélisation peut être utilisée par les promoteurs pour :

• tester plusieurs configurations de bâtiments afin de limiter l'exposition des personnes à la pollution,
• décider de la position des bouches d'aération d'un immeuble,
• choisir où installer une crèche, une école ou encore une maison de retraite au sein d'une résidence,
• créer une zone préservée de la pollution au sein d'un complexe immobilier,
• évaluer l'impact d'une nouvelle construction sur la qualité de l'air dans le quartier.

Pour aller plus loin

Il n'existe pas un seul modèle, mais des modèles, adaptés à la représentation de la pollution à une échelle géographique ou temporelle donnée. Le choix du modèle dépend avant tout de l'utilisation que l'on souhaite en faire. Il ne sera pas le même selon que l'on cherche à faire une prévision, à connaître son exposition en temps réel ou encore à étudier la qualité de l'air à l'échelle d'un bâtiment. Airparif utilise différents modèles pour ses plateformes de qualité de l'air. Tous sont développés par des équipes de recherche et font l'objet de nombreuses publications scientifiques.

La modélisation reste une représentation de la réalité par des modèles mathématiques. Elle est donc sujette par définition à des erreurs et à des incertitudes. La performance de nos modèles est évaluée très régulièrement par comparaison avec les mesures du réseau de stations automatiques d'Airparif afin de garantir la qualité de nos données.

L’amélioration continue de la modélisation et de ses données d’entrée, telles que les inventaires des émissions, est au cœur des activités d’Airparif. Ces systèmes de modélisation sont en constant développement afin d'améliorer les données produites et de représenter au mieux l'air que nous respirons. Les axes de recherche forts portent ainsi sur l’amélioration continue des modèles mathématiques permettant le couplage entre les modèles et les mesures, ainsi que sur les données d’entrée, notamment les émissions qui alimentent les chaînes de modélisation.