Modeling and multi scale impact assessment of european megacities

La très forte croissance de la population mondiale recensée au siècle dernier s'est accompagnée d'une migration des populations vers les zones urbanisées, créant en quelques décennies et sur tous les continents de véritables mégapoles dont la population excède - pour 50 d'entre elles - 7 millions d'habitants. Mais la population de ces villes a très souvent augmenté trop rapidement pour que les infrastructures existantes (réseaux routiers, transports en communs...) puissent le supporter : la prise en charge des problèmes environnementaux (qualité de l'air, gestion des déchets et des ressources...) y reste donc un vrai défi. En parallèle, les observations comme les modèles numériques relèvent la nécessité de gérer conjointement la problématique de la pollution locale dans les grandes villes et les politiques climatiques, via la prise en compte des transferts de polluants depuis l'échelle locale jusqu'à l'échelle globale. La tendance croissante des concentrations de fond en ozone sur l'Europe - et qui pose un également un problème de gestion du climat - serait ainsi en grande partie dépendante de l'augmentation des émissions des grandes villes de l'hémisphère Nord en croissance économique rapide (Monks et al., 2009).Que connaît-on de l'impact réel de ces mégapoles sur la qualité de l'air ? Peu de choses. Les travaux de recherche visant à comprendre les déterminants de la pollution oxydante ont jusqu'à présent principalement ciblé les échelles locale et régionale. Et si les interactions entre mégapoles et échelle globale ont fait l'objet de plusieurs études (Wild et Akimoto, 2001; Stohl tt al., 2002; Lawrence et al., 2003, 2007) de modélisation, il existe peu de travaux centrés sur les interactions des mégapoles avec leur environnement continental. Mes travaux de thèse se sont donc attachés à caractériser ces impacts à l'aide de la modélisation eulérienne. Mes principaux questionnements ont reposé sur la nature, l'ampleur, la portée, l'impact direct et indirect et enfin la variabilité des flux de polluants exportés par les mégapoles européennes. Mais je me suis également intéressé à la nature même de ces grands centres émetteurs, en me posant la question de la sensibilité de leurs impacts à leur structure urbaine (dense ou étalée). Le développement de nouvelles fonctionnalités dans le modèle, ainsi que son adaptation à des questionnements spécifiques (calcul de flux, nouveau schéma chimique, test d'une version dédiée à l'étude des interactions d'échelles) se sont révélés nécessaires pour apporter des réponses à mes questionnementsThe important increase in worldwide population identified during the last century led to a human migration toward urban areas. As a consequence, 50 high populated areas called megacities, reaching more than 7 millions of people, appeared in the last decades. This huge increase happened so fast that existing infrastructures (such as roads network, public transport) is not suitable anymore. Taking into account environmental issues (air quality, supply and waste management) in this context is then a real challenge. In the meantime, observations and numerical models highlight the need to deal with local pollution in megacities as well as climate policy, through the consideration of pollutants transfer from local scale to global scale. The increase of ozone background in Europe, which also is a climate issue, could depend of the increase of the megacities emissions in the north hemisphere, due to the economical development (Monks et al., 2009).What do we know of the megacities real impact on air quality? Scientific studies aiming to understand the key parameters of oxidizing pollution have mainly focus on the local and regional scales. Interactions between megacities and global scale have been the subject of many modelling studies (Wild et Akimoto, 2001; Stohl et al., 2002; Lawrence et al., 2003, 2007). However, there are still few works concerning interactions between megacities and their continental environment. My thesis works were then aiming at identifying theses impacts using eulerian modelling. My main interrogations concerned the nature, the magnitude, the scope, direct and indirect impact, and finally the pollutants exported by European megacities flux variations. In addition, I also investigated the nature of these high emission areas, through the sensitivity of the urban structure on their impacts (compact or spread cities). New tools developments in the model (flux calculation, new chemical scheme, implementation of an upgraded tool dedicated to scales interaction) were necessary to answer the problemati

ROLE DES MEGAPOLES DANS LE RECHAUFFEMENT GLOBAL : PROGRAMME MEGAPOLI

14 p.International audienceAu cours du siècle dernier, la population mondiale a connu une forte explosion démographique, passant de 1,65 milliards à 6,67 milliards d'individus (UN 1999). Cette croissance s'est accompagnée d'un changement de répartition de la population : d'après les estimations les plus récentes, en 2007, la population urbaine serait devenue égale à la population rurale, alors qu'elle n'en représentait que 30% en 1950 (UN 2008). A l'heure actuelle, il existe 50 villes dans le monde dont la population excède 7 voire 10 millions d'habitants. Ces larges zones urbaines sont appelées mégapoles ou " mégacités ". Ces mégacités ne diffèrent pas seulement des zones urbaines plus petites en terme de densité de population. La population de nombreuses mégacités a augmenté trop rapidement pour que les infrastructures existantes puissent la supporter (réseaux routiers, transports en communs...), la prise en charge des problèmes environnementaux (qualité de l'air, gestion des déchets et des ressources...) y reste donc un vrai défi (Gurjar et Lelieveld, 2005). Les mégacités concentrent une partie importante des émissions de polluants primaires de leur pays. Ainsi, Londres, Paris et Mexico City émettent respectivement 19,9%, 27,9% et 26,7% des composés anthropiques de leurs pays (OCDE, 2006). Les panaches qui en sont issus contiennent donc de grandes quantités de précurseurs d'ozone et d'aérosols mais aussi de gaz à effet de serre (CO, CH4, COV), à même de jouer un rôle significatif à l'échelle globale (Molina et Molina, 2004). Des études récentes de modélisation (Lawrence et al., 2007 ; Sudo et Akimoto, 2007) montrent que le transport de panaches urbains peut affecter la composition de l'atmosphère sur de grandes distances allant de la centaine de kilomètres pour les moyennes et hautes latitudes, jusqu'à l'échelle globale pour les basses latitudes via la haute troposphère et donc influencer à la fois la qualité de l'air et le climat. De plus l'évolution des mégacités est intimement liée au problème du changement climatique global, dans la mesure où le climat influe à la fois sur les mécanismes clés contrôlant la qualité de l'air (augmentation des concentration d'ozone de 1-10 ppb l'été et particulièrement dans les zones urbaines, Jacob et al. 2008) ainsi que sur l'urbanisation des différentes zones du globe. Mais le climat est également impacté par celles-ci en retour au travers de leurs apports de polluants dans l'atmosphère sur l'ensemble du globe (Gurjar et Lelieveld, 2005). La question de l'impact de ces mégapoles sur le climat et son évolution au cours des prochaines décennies est actuellement au cœur des préoccupations scientifiques présentées ici au travers du projet MEGAPOLI qui vise - entre autres objectifs - à quantifier les émissions de ces mégacités pour comprendre leur impact aux différentes échelles concernées

Modélisation et évaluation de l’impact multi-échelles des mégapoles européennes

The important increase in worldwide population identified during the last century led to a human migration toward urban areas. As a consequence, 50 high populated areas called megacities, reaching more than 7 millions of people, appeared in the last decades. This huge increase happened so fast that existing infrastructures (such as roads network, public transport) is not suitable anymore. Taking into account environmental issues (air quality, supply and waste management) in this context is then a real challenge. In the meantime, observations and numerical models highlight the need to deal with local pollution in megacities as well as climate policy, through the consideration of pollutants transfer from local scale to global scale. The increase of ozone background in Europe, which also is a climate issue, could depend of the increase of the megacities emissions in the north hemisphere, due to the economical development (Monks et al., 2009).What do we know of the megacities real impact on air quality? Scientific studies aiming to understand the key parameters of oxidizing pollution have mainly focus on the local and regional scales. Interactions between megacities and global scale have been the subject of many modelling studies (Wild et Akimoto, 2001; Stohl et al., 2002; Lawrence et al., 2003, 2007). However, there are still few works concerning interactions between megacities and their continental environment. My thesis works were then aiming at identifying theses impacts using eulerian modelling. My main interrogations concerned the nature, the magnitude, the scope, direct and indirect impact, and finally the pollutants exported by European megacities flux variations. In addition, I also investigated the nature of these high emission areas, through the sensitivity of the urban structure on their impacts (compact or spread cities). New tools developments in the model (flux calculation, new chemical scheme, implementation of an upgraded tool dedicated to scales interaction) were necessary to answer the problematicLa très forte croissance de la population mondiale recensée au siècle dernier s'est accompagnée d'une migration des populations vers les zones urbanisées, créant en quelques décennies et sur tous les continents de véritables mégapoles dont la population excède - pour 50 d'entre elles - 7 millions d'habitants. Mais la population de ces villes a très souvent augmenté trop rapidement pour que les infrastructures existantes (réseaux routiers, transports en communs...) puissent le supporter : la prise en charge des problèmes environnementaux (qualité de l'air, gestion des déchets et des ressources...) y reste donc un vrai défi. En parallèle, les observations comme les modèles numériques relèvent la nécessité de gérer conjointement la problématique de la pollution locale dans les grandes villes et les politiques climatiques, via la prise en compte des transferts de polluants depuis l'échelle locale jusqu'à l'échelle globale. La tendance croissante des concentrations de fond en ozone sur l'Europe - et qui pose un également un problème de gestion du climat - serait ainsi en grande partie dépendante de l'augmentation des émissions des grandes villes de l'hémisphère Nord en croissance économique rapide (Monks et al., 2009).Que connaît-on de l'impact réel de ces mégapoles sur la qualité de l'air ? Peu de choses. Les travaux de recherche visant à comprendre les déterminants de la pollution oxydante ont jusqu'à présent principalement ciblé les échelles locale et régionale. Et si les interactions entre mégapoles et échelle globale ont fait l'objet de plusieurs études (Wild et Akimoto, 2001; Stohl tt al., 2002; Lawrence et al., 2003, 2007) de modélisation, il existe peu de travaux centrés sur les interactions des mégapoles avec leur environnement continental. Mes travaux de thèse se sont donc attachés à caractériser ces impacts à l'aide de la modélisation eulérienne. Mes principaux questionnements ont reposé sur la nature, l'ampleur, la portée, l'impact direct et indirect et enfin la variabilité des flux de polluants exportés par les mégapoles européennes. Mais je me suis également intéressé à la nature même de ces grands centres émetteurs, en me posant la question de la sensibilité de leurs impacts à leur structure urbaine (dense ou étalée). Le développement de nouvelles fonctionnalités dans le modèle, ainsi que son adaptation à des questionnements spécifiques (calcul de flux, nouveau schéma chimique, test d'une version dédiée à l'étude des interactions d'échelles) se sont révélés nécessaires pour apporter des réponses à mes questionnement

Assessing the role of structure, location and emissions in the impact of megacities on air quality in Europe

International audienceOur works focused on the impact of megacities on oxidating pollution in Europe, depending on the size, location and possible structural evolution of the cities. By means of anthropogenic emissions sensitivity studies, we showed that the existence of high emitting countries/regions in Europe (BeNeLux in particular) prevails over the existence of large and dense cities for the determination of pollution gradients in Europe. Our results also indicate that the concentration of the urban built (by opposition to city spreading) may reinforce secondary pollution locally (through fast ozone production). However it has limited impact on the total quantity of oxidants produced over Europe. Finally, simulations with passive tracer emissions allowed us to conclude that city spreading over new territories could alter the geographical export pathways of pollutants from cities towards the rest of the continent

Interaction d’échelles dans les modèles de chimie-transport pour mieux connaître l’impact des grandes villes sur leur environnement

In Chemistry Transport Models (CTMs), spatial scale interactions are often represented through off-line coupling between large and small scale models. However, such nested configurations cannot give account of the impact of the local scale on its surroundings. This issue can be critical in areas exposed to regions with sharp pollutant emission gradients such as megacities. We introduced a new development making use of a horizontal stretched grid, in the Eulerian CTM CHIMERE. This method, referred to as “zooming”, consists in the introduction of local zooms in a single chemistry-transport simulation. It allows online bridging of spatial scales from the city to the continental scale. Testing the approach over a continental European domain, zoomed over Benelux, we demonstrate that, compared with one-way nesting, the zooming method allows the representation of a significant feedback of the refined domain towards the large scale showing that this approach constitutes a useful tool to understand the interactions of megacities with their continental environment.Outre leur impact direct sur la santé de leurs habitants, les mégalopoles contribuent significativement à la pollution de fond influençant des domaines géographiques allant bien au-delà (le continent par exemple). Dans le cadre d’une campagne effectuée au Mexique il a été démontré que dans un rayon de 100 km autour de la ville de Mexico, les concentrations de NO2 et de CO2 proviennent à 50 % des émissions de la ville elle-même. Afin de déterminer si l’on peut s’attendre à des chiffres équivalents en Europe, deux nouvelles fonctionnalités ont été ajoutées au modèle de chimie-transport CHIMERE co-développé par le CNRS et l’INERIS. L’une est dédiée à l’estimation du flux de matière exportée autour d’une zone donnée. L’autre implique une modification du maillage du modèle afin de pouvoir effectuer un zoom sur une région donnée de manière couplée, alors que l’utilisation classique de domaines imbriqués ne permet par de rétroaction de la fine échelle vers le grand domaine

Assessing the role of structure, location and emissions in the impact of megacities on air quality in Europe

International audienceOur works focused on the impact of megacities on oxidating pollution in Europe, depending on the size, location and possible structural evolution of the cities. By means of anthropogenic emissions sensitivity studies, we showed that the existence of high emitting countries/regions in Europe (BeNeLux in particular) prevails over the existence of large and dense cities for the determination of pollution gradients in Europe. Our results also indicate that the concentration of the urban built (by opposition to city spreading) may reinforce secondary pollution locally (through fast ozone production). However it has limited impact on the total quantity of oxidants produced over Europe. Finally, simulations with passive tracer emissions allowed us to conclude that city spreading over new territories could alter the geographical export pathways of pollutants from cities towards the rest of the continent

Evaluation of the multi-annual and seasonal import/export budgets of two European megacities

One major challenge with respect to air quality survey and urban management is to provide a quantitative estimate of the impact of megacities on their regional and continental environment, and its evolution over time. In order to evaluate the footprint of megacities on air pollution, we investigated the import/export fluxes associated with two major pollution hotspots : the Begium-Netherlands-Luxemburg (BeNeLux) area and the Po-Valley region. A 10-year period (1998 - 2007) was simulated with the regional scale model CHIMERE using EMEP (http://www.emep.int) emissions and meteorological fields provided by the WRF model(http://www.wrf-model.org), at an horizontal resolution of 0.5°. Several approaches were used to characterize the primary and secondary export of pollutant from these areas : realistic tracer emissions simulating CO export, diagnostic and prognostic flux calculations, as well as an angular export pathway analysis. The diagnostic and prognostic strategies exhibited some differences when looking at short timescales (especially during high O3 productivity episodes when concentrations evolve at a fast rate between two model output time-steps), but differences remained marginal when integrated over a whole season. The picture that can be derived from the present study is that the Benelux region is a quite high contributor to the degradation of regional air quality in Northern Europe, due to its broad emitting surface. Furthermore, while our two megacities of interest export NOx all the year long, strong differences are observed for other compounds. Indeed, BeNeLux exports large quantities of aerosols (whatever the season) and of ozone (in summer), whereas incoming fluxes dominate the ozone and PM10 budget in the Po-Valley at every season. This feature must be linked to the overwhelming presence of biogenic emitters in the surroundings of the Milan urban area, which produce ozone and aerosol at high rates : when these regional air masses are captured by local recirculations along the Mediterranean coast, they affect in return the urbanized area as incoming fluxes. Finally, our modeling studies reveal that air mass recycling in this area is responsible for a prevailing transport of the Po-Valley emissions towards the sea, while the BeNeLux emissions are evenly distributed around the urbanized area. Such results are determinant for emission control management at the European scale. Evaluation of the multi-annual and seasonal import/export budgets of two European megacities

Observations and regional modeling of aerosol optical properties, speciation and size distribution over Northern Africa and western Europe

The aerosol speciation and size distribution is modeled during the summer 2013 and over a large area encompassing Africa, Mediterranean and western Europe. The modeled aerosol is compared to available measurements such as the AERONET aerosol optical depth (AOD) and aerosol size distribution (ASD) and the EMEP network for surface concentrations of particulate matter PM2.5, PM10 and inorganic species (nitrate, sulfate and ammonium). The main goal of this study is to quantify the model ability to realistically model the speciation and size distribution of the aerosol. Results first showed that the long-range transport pathways are well reproduced and mainly constituted by mineral dust: spatial correlation is ≈0.9 for AOD and Angström exponent, when temporal correlations show that the day-to-day variability is more difficult to reproduce. Over Europe, PM2.5 and PM10 have a mean temporal correlation of ≈0.4 but the lowest spatial correlation (≈0.25 and 0.62, respectively), showing that the fine particles are not well localized or transported. Being short-lived species, the uncertainties on meteorology and emissions induce these lowest scores. However, time series of PM2.5 with the speciation show a good agreement between model and measurements and are useful for discriminating the aerosol composition. Using a classification from the south (Africa) to the north (northern Europe), it is shown that mineral dust relative mass contribution decreases from 50 to 10% when nitrate increases from 0 to 20% and all other species, sulfate, sea salt, ammonium, elemental carbon, primary organic matter, are constant. The secondary organic aerosol contribution is between 10 and 20% with a maximum at the latitude of the Mediterranean Sea (Spanish stations). For inorganic species, it is shown that nitrate, sulfate and ammonium have a mean temporal correlation of 0.25, 0.37 and 0.17, respectively. The spatial correlation is better (0.25, 0.5 and 0.87), showing that the mean values may be biased but the spatial localization of sulfate and ammonium is well reproduced. The size distribution is compared to the AERONET product and it is shown that the model fairly reproduces the main values for the fine and coarse mode. In particular, for the fine mode, the model overestimates the aerosol mass in Africa and underestimates it in Europ