I - Pré-inventaire des émissions :
En raison des délais très courts impartis pour l'obtention de ce pré-inventaire, il a été décidé d'utiliser la base européenne de données horaires d'émissions GENEMIS déjà existante et élaborée par Rainer Friedrich (IER, Stuttgart). La stratégie suivante a été suivie :
- Les émissions biogéniques de COV (sous forme d'isoprène et de monoterpènes exclusivement), ont été générées par le modèle développé par l'équipe de Rainer Steinbrecher (IFU, Garmisch Parten Kirchen). Ce dernier utilise les algorithmes d'émission de COV déterminés par Guenther et al. 1995, les données de température, de PAR (photosynthetic active radiation) sur le site, et des facteurs d'émissions pour différentes espèces végétales, pour partie déterminés in-situ, notamment lors des campagnes BEMA (Biogenic Emission of the Mediterranean Area) de 1995-1996 près de Montpellier.
- Pour les émissions anthropiques, les données horaires d'émission disponibles pour 1994 ont été utilisées, en première approximation, pour initialiser les pré-modélisations sur les épisodes de 1997 sélectionnés par les modélisateurs. Les prises en compte de la température ambiante et du type de jour (jour de semaine/week-end) ont permis de générer les émissions sur le site d'ESCOMPTE pour l'année 1997.
Cet inventaire a été calculé pour une résolution temporaire d'une heure et une résolution spatiale fine de 3 km pour les émissions anthropiques et biogéniques et une plus grossière de 9 km pour les émissions anthropiques uniquement.
II - Etude d'épisodes de pollution passés
II.1 - Modélisation Chimie-Transport
Dans la phase préparatoire, les travaux dans le domaine de la modélisation doivent se développer selon trois axes :
- La conduite de simulations tests essentiellement en dynamique troposphérique et transport de traceurs, pour aider à la définition du schéma expérimental.
- Le développement des outils qui seront testés et validés sur les données de la campagne.
- Des exercices de tests des différents modèles s'appuyant sur les données de la pré-campagne.
Actuellement les groupes français de modélisation impliqués dans le projet sont au nombre de trois. Il s'agit :
- du Laboratoire d'Aérologie qui a développé le modèle méso échelle Méso-NH Chimie (MNH-C) qui est doté d'un ensemble de modules permettant d'étudier la chimie atmosphérique dans ses phases gazeuse, aérosols et aqueuse,
- du LISA qui dispose du modèle de transport réactif AIRQUAL et qui a développé le module chimique MOCA 2.1,
- du CNRM qui développe un modèle global de chimie transport MOCAGE.
Dans le cadre de l'ouverture à la coopération européenne, d'autres groupes de modélisation prévoient de s'associer au projet, offrant ainsi une plus large gamme de modèles à tester sur la base de données ESCOMPTE, ce qui est l'objectif majeur du programme.
Les pré-modélisations permettant d'analyser les champs dynamiques le transport et la distribution de traceurs passifs sont actuellement conduites avec le modèle MNH-C. Le modèle MOCAGE est en cours de développement, l'assemblage complet doit être terminé fin 1999 en ce qui concerne Méso-NH et MOCAGE. Dans ce cas, il y a entre ces deux types de modélisation, une complémentarité très nette que l'on peut schématiquement résumer comme suit :
- couverture d'une très large gamme d'échelles spatio-temporelles (au delà du continental jusqu'au régional et au local), avec recouvrement partiel, à des résolutions différentes aux échelles synoptique et régionale ;
- étude d'épisodes de quelques jours par Méso-NH et MOCAGE ;
- suivi à l'échelle de la toute la campagne par MOCAGE des situations pouvant évoluer en épisodes à forte pollution
- trajectographies à grande échelle par MOCAGE pouvant être poursuivies et affinées à petite échelle par Méso-NH
Pour les pré-modélisations AIRQUAL sera utilisé dans une configuration de maillage 3kmx3km et 9kmx9km pour s'adapter à la finesse de résolution des émissions fournies par GENEMIS.
Il s'agit d'effectuer :
- une description des champs de concentration des espèces clé, en particulier répartition des champs d'ozone, de NOx, PAN, HNO3 (etc.), d'hydrocarbures et de composés oxygénés (aldéhydes).
- de tester la sensibilité des champs d'espèces clé, dans le domaine d'étude, aux données de concentrations imposées aux limites du domaine. Ce point est destiné à aider à la définition de la stratégie de mesure aux frontières d'entrée du domaine et de préciser le rôle de la mesure et de la modélisation.
Ces exercices de pré-modélisation sont effectués sur trois journées appartenant à des épisodes passés de pollution particulièrement bien marqués.
II.2 - Trajectographie des masses d'air
Pour bien cerner l'environnement météorologique synoptique de la zone ESCOMPTE pendant les périodes sélectionnées par la pré-modélisation, on a établi des trajectographies commençantes et finissantes des masses d'air à trois niveaux (1000hPa, 850 hPa, 750 hPa) Elles sont calculées à partir du modèle ECMWF (maillage de 60 km).
Par suite sur une base quotidienne, des rétro-trajectoires, issues de plusieurs points du domaine sur plusieurs niveaux verticaux et basée sur les prévisions d'ARPEGE et si possible d'ALADIN (résolution 9 km), seront calculées afin de déterminer l'intérêt de déclencher une période d'observations intensives. Cette procédure sera testée pendant la pré-campagne avant d'être employée comme aide à la décision, en complément de la prévision météorologique, pendant la phase opérationnelle de la campagne.
II.3 - Les phénomènes climatiques saisonniers
Un des phénomènes saisonniers important qui influe sur la pollution urbaine et péri-urbaine de Marseille est la brise de mer
Ces brises deviennent prépondérantes lorsque d'une part le contraste thermique entre la terre et la mer est le plus important (période d'avril à octobre) et en l'absence d'un régime synoptique établi (Mistral ou régime perturbé de sud-est). Le tableau ci-dessous donne la fréquences en % d'occurrence du phénomène (période 1962/1998) sur Marignane.
| Janv. | Fév. | Mars | Avril | Mai | Juin | Juil. | Août | Sept. | Oct. | Nov. | Dec. | |
| Brises | 0,3 | 1,0 | 1,9 | 5,7 | 8,9 | 8,3 | 9,1 | 6,9 | 4,1 | 1,3 | 0,7 | 0,3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mistral | 13,0 | 14,0 | 17,0 | 18,8 | 11,1 | 11,6 | 12,4 | 9,9 | 9,9 | 11,1 | 14,4 | 14,0 |
(Source Météo-France)
A Marseille la brise de mer démarre vers 08h UTC avec des vitesses comprises entre 4 et 6 m/s puis remonte vers l'intérieur des terres, notamment dans les vallées du Rhône et de la Durance avec une extension verticale variant de 800 à 1500m.
II.4 - Qualité de l'air
La climatologie de la qualité de l'air est établie à partir des données sol des réseaux de surveillance de la région : Airmaraix et Airfobep.
Airmaraix assure la surveillance de la qualité de l'air de la région Est des Bouches du Rhône, du Var et du Vaucluse. Crée en 1982 elle s'oriente aujourd'hui vers la surveillance de la pollution urbaine. Il y a 29 sites de mesures et 11 polluants mesurés.
Airfobep assure la surveillance de la région de l'Etang de Berre et de l'ouest des Bouches du Rhône. Crée en 1972 son réseau est constitué de 26 stations fixes plus orientées vers la mesure de polluants atmosphériques industriels.
A titre d'exemple le tableau ci-dessous donne l'évolution du nombre de jours de dépassements du seuil d'information (180 µg/m3/h) de l'ozone dans les Bouches du Rhône entre le 1er mai et le 30 septembre.
| 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | Moyenne | |
| Mai | 1 | 3 | 3 | 6 | 9 | 6 |
| Juin | 9 | 4 | 12 | 4 | 11 | 9,0 |
| Juillet | 20 | 13 | 11 | 11 | 8 | 10,0 |
| Août | 8 | 5 | 4 | 13 | 16 | 11,0 |
| Septembre | 1 | 1 | 2 | 17 | 2 | 7,0 |
| Total | 39 | 26 | 32 | 51 | 46 | 43 |
| "% de jours sur 5 mois | 25% | 17% | 21% | 33% | 30% | |
| Nombre de sites | 4 | 8 | 16 | 23 | 24 |
(Source Airmaraix)
III - Campagne préliminaire
Une campagne préliminaire d'une dizaine de jours est prévue dans la deuxième quinzaine de Juin 2000. Les objectifs de cette expérience préliminaire sont essentiellement techniques. Elle mettra en oeuvre un avion de recherche instrumenté pour la dynamique et la physico-chimie (l'ARAT), deux stations mobiles de mesures chimiques, notamment l'instrument MILEAGE, deux véhicules légers de Météo-France instrumentés pour la mesure d'ozone, particules (PM1), et paramètres météorologiques et un réseau simplifié de mesures de dynamiques. Les données des réseaux de mesure sol (Météo-France, Airfobep, Airmarex) correspondant à la durée de la pré-campagne seront collectées et archivées dans la base de données.
Cette campagne permettra :
- d'explorer les champs de concentrations en 3D afin d'orienter le choix des plans de vols pour la campagne ESCOMPTE 2000. Il s'agit, en particulier, d'étudier l'extension du panache sur la mer et sur le continent en régime de brise. Cette pré étude permettra, en relation avec l'équipe de pré modélisation, de définir l'extension du domaine d'étude et de préciser les zones du domaine à échantillonner avec un pas de mesure plus ou moins fin.
- de tester les plans de vols retenus et la compatibilité de ces plans avec les contraintes du trafic aérien civil et militaire de la région,
- de valider les émissions sur un paramètre comme CO et sur un ou deux hydrocarbures à préciser avec le groupe émission.
- de tester l'implantation des stations complémentaires dans les trois zones urbaine, péri-urbaine et rurale,
- de tester en collaboration avec le services régionaux la procédure de déclenchement des POI
- de tester des instruments nouveaux pour les mesures sol et aéroportées
En outre cette pré-campagne devrait aussi fournir une premier jeu de données tridimensionnel (certes incomplet) mais qui permettra de tester les différents modèles sur des cas réels.
Trois types de plans de vols seront utilisés :
- Vols concentriques autour de Berre - Marseille, avec 3 vols de 10, 30 et 80 km de rayon.
- Vols dans l'axe du vent sur trois niveaux : 2000, 4000 et 6000 pieds. L'extension de chaque exploration sera de 150 km.
- Vols permettant de définir les valeurs d'entrée et de sortie pour quelques traceurs. Cette exploration sera réalisée sur un plan au vent et un plan sous le vent de la source. Chaque plan sera défini par 3 \" transects \" de 30 km sur trois niveaux.
Chaque type de vol sera reproduit deux fois ; la première fois très tôt le matin (4 - 5 h) la deuxième fois en début d'après midi (14 h).Quinze heures de vol, reparties sur 4 jours seront nécessaires pour réaliser ces objectifs.