La circulation alternée à l épreuve de la modélisation

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1 N 10 - s u r v e i l l a n c e d e l a q u a l i t é d e l a i r e n i l e - d e - f r a n c e La circulation alternée à l épreuve de la modélisation Il y a moins de trois ans l'agglomération parisienne a connu un épisode majeur de pollution atmosphérique. Le seuil d'alerte du dioxyde d'azote était franchi le 30 septembre 1997 et pour la première fois en France était appliquée la mesure de circulation alternée le 1 er octobre 1997 à Paris et dans 21 communes limitrophes. Du jour au lendemain la pollution observée a chuté de moitié. Mais pour autant la question de l'efficacité de cette mesure restait ouverte. La baisse de la pollution était-t-elle dûe plus à la diminution des émissions automobiles conséquence de la baisse du trafic ou plutôt à l'arrivée d'un léger vent, facteur de dispersion des polluants? L'origine principale du dioxyde d'azote était-elle automobile ou industrielle? Et si la décision de réduire le trafic n'avait pas été prise, que se serait-il passé le 1 er octobre? Et si.et si. Polémiques et suspens ne sont pas terminés. Mais le système de modélisation SIMPAR, même s il est perfectible, apporte la seule série de réponses techniques et objectives à ce débat sous forme de cartes et permet de quantifier l'impact d'autres scénarios de limitation des émissions. Parmi les missions d'airparif, l'une des plus importantes et des plus complexes est l'évaluation de l'impact des mesures de réduction des émissions atmosphériques sur la pollution de l'air, mesures déjà existantes en cas d'épisodes de pollution (circulation alternée, limitations de vitesse, réduction des émissions industrielles ), préconisées par le Plan Régional pour la qualité de l'air (PRQA, recommandation dans un premier temps d'une évaluation de la pollution attribuable aux poids lourds et aux deux-roues motorisés) ou le Plan de déplacements urbains (PDU) ou éventuellement encore proposées par les industriels (changement de combustible, nouvelle technologie de dépollution, )(voir figure 1 : photo de l affichage sur le périphérique le 1 er octobre 1997). La tâche n'est pas facile car les processus mis en jeu dans les phénomènes de pollution atmosphérique sont très complexes et dépendent de bien d'autres facteurs que l'intensité des émissions. Ces aspects prospectifs de la surveillance devenus stratégiques, Fig. 1 : le boulevard périphérique le 1 er octobre 1997, jour de la circulation alternée.

2 notamment pour les pouvoirs publics, nécessitent le recours à un système de modélisation de la pollution atmosphérique permettant seul de décrire la chaîne complexe de cause à effet associant d'une part le couple émissions, conditions météorologiques et d'autre part les concentrations ambiantes. In fine, seule cette approche simulée permet le test de différents scénarios et l'analyse des modifications induites par les variations des conditions météorologiques ou l'intensité des émissions atmosphériques. Ce système baptisé SIMPAR (Système Informatique de Modélisation de la Pollution Atmosphérique Régionale), et développé pour les besoins d'airparif par la société ARIA Technologies, est aujourd'hui opérationnel. A peine sur pied, SIMPAR a été confronté à une situation vécue ayant entraîné une diminution importante d'émissions liées au trafic et concernant une zone géographique suffisamment large pour se traduire par une modification du niveau de la pollution de fond : la journée du 1 er octobre 1997 caractérisée par la mise en place de la circulation alternée. Une occasion exceptionnelle revue et analysée au crible par SIMPAR qui contribue à faire parler les cartes. Un système de modélisation unique en Europe SIMPAR est un modèle déterministe qui décrit mathématiquement les processus très complexes de dispersion, de diffusion, et de transformation chimique des polluants au sein de l'espace que l'on cherche à décrire, en l'occurrence la région Ile-de-France. De tels modèles existent depuis une dizaine d'années aux Etats-Unis et tout particulièrement en Californie, région qui présente de sérieux problèmes de pollution par l'ozone. SIMPAR est capable aujourd'hui de faire une simulation informatique heure par heure de l'état de la qualité de l'air pour les principaux polluants atmosphériques (monoxyde de carbone CO, oxydes d'azote NOx, dioxyde de soufre SO 2, Composés organiques volatils COV, ozone O 3.) avec une résolution spatiale pouvant atteindre le kilomètre. Cette performance implique de rassembler et de mettre en forme une multitude de facteurs qui influencent la qualité de l'air et qui vont constituer les données d'entrée du modèle (relief, nature du sol, occupation des sols, paramètres météorologiques à différentes altitudes, données de population, émissions, concentrations initiales en polluants ) sur une zone géographique suffisamment étendue (jusqu'à 300 km de côté), découpée en petits volumes élémentaires ou mailles et cela sur 2 kilomètres d'altitude. Une des hypothèses de base est que les concentrations de polluants, à un instant donné, sont homogènes dans chacune de ces mailles. Il est également important de tenir compte des phénomènes d'importation des polluants et donc de disposer de données de pollution au-delà du domaine de modélisation. Ce modèle s'appuie bien sûr tout particulièrement sur la description fine de la météorologie au sol mais également en altitude (température, pression, direction et vitesse du vent, nébulosité, humidité, hauteur de la couche de mélange des polluants, rayonnement etc.). Ces données et la description de leurs évolutions proviennent des " grands " modèles décrivant la météorologie locale et continentale. Autre élément essentiel : les données d'émissions (quantité, composition chimique des rejets) de toutes origines à l'échelle régionale (grosses sources ponctuelles industrielles, émissions liées aux transports routier et aérien, sources diffuses liées au chauffage domestique ou aux activités industrielles, sources diffuses liées au couvert végétal). Ce sont les variations dans l'espace et le temps des émissions (par exemple dues à l'évolution des flux de véhicules) qui sont estimées et qui permettent de produire un cadastre d'émissions heure par heure à la résolution du kilomètre carré sur la zone centrale de l'agglomération. Dissection numérique d un jour historique L'expérience du dépassement du niveau d'alerte pour le dioxyde d'azote (400 µg/m 3 en moyenne sur une heure) le 30 septembre 1997, qui a été suivie le lendemain de la première application de la mesure de circulation alternée, permet d'évaluer le gain d'émissions de polluants obtenu lors de cette mesure dans des conditions toutefois différentes de celles d'une prochaine alerte, puisqu'à l'époque l'usage de la pastille verte n'avait pas encore cours. Le 1 er octobre 1997, seuls les véhicules avec une immatriculation impaire avaient eu le droit de circuler à partir de 5h30 à Paris et dans 21 communes limitrophes, les autres véhicules devant rester en stationnement, gratuit à cette occasion pour les résidents parisiens. Une première évaluation de l'évolution des émissions au cours des journées du 30 septembre et du 1 er octobre 1997 a pu être réalisée par AIRPARIF en utilisant les informations disponibles au sein de la base de données émissions du système de modélisation SIMPAR : émissions horaires des grandes sources ponctuelles (EDF, TIRU, CPCU, ), émissions surfaciques (inventaire 1994 du CITEPA), variations spatio-temporelles des émissions dues au trafic pour la journée du mardi 30 septembre à partir des données fournies par la DREIF (volume de trafic et vitesse moyenne de circulation heure par heure pour un jour standard), l'inrets (répartition entre classes de véhicules corrigée pour les Poids Lourds et les 2 roues par des estimations régionales), l'ademe (informations sur les facteurs d'émission utilisés en Europe). L'évaluation précise, fournie par le SIER (Service Interdépartemental d'exploitation Routière) et la Voirie de Paris, de l'impact sur le trafic de la mise en œuvre de la circulation alternée a également été utilisée : - Diminution générale du trafic de l'ordre de 13 % du fait que le 1er octobre

3 est un mercredi, avancement de l'heure de pointe du matin, étalement de la pointe du soir, baisses de trafic par zone : -15 % sur la zone concernée par la mesure de circulation alternée, -20 % sur Paris et Boulevard Périphérique et -8 % sur le reste de l'ile-de-france. NOx g/s Figure 3 Toutes ces données et hypothèses concernant les émissions ont été introduites dans la chaîne de calcul des émissions du système SIMPAR afin de produire un cadastre d'émissions heure par heure pour les journées du 30 septembre et du 1 er octobre septembre 1 er octobre Fig. 3 : Illustration des émissions d oxydes d azote à 9 heures pour les deux journées. Résultats de l évaluation des émissions de NOx pour les deux journées : Il apparaît ainsi que, pour cette journée du 1 er octobre, les émissions globales de NOx ont diminué sur l'ile-de-france de 15 % par rapport à celles du 30 septembre. Cette baisse résulte pour partie de la diminution des émissions associées au trafic (-22 %) et pour partie à celle des autres sources (-3%). La comparaison des variations horaires des émissions entre les deux journées fait apparaître que l'impact sur les émissions de la mise en place de la circulation alternée est particulièrement net aux périodes de pointe de trafic (voir la figure 2). La comparaison des variations spatiales des émissions à 9h du matin pour les deux journées illustre bien la baisse des émissions du trafic et également la baisse des émissions des grandes sources ponctuelles liée à l'arrêt de certaines installations (par exemple l'arrêt de la centrale EDF de Vitry ) (voir la figure 3 illustrant les émissions Figure 2 d'oxydes d'azote à 9h pour les deux journées). Des cartes qui se révèlent très parlantes Une simulation des concentrations d'oxydes d'azote de ces deux journées particulières a été effectuée en sortie du modèle de transport /diffusion (HERMES). Le résultat est globalement en accord avec les mesures effectuées pour la même période par les capteurs d'airparif. En particulier, la dynamique de l'épisode et l'ordre de grandeur des phénomènes sont bien rendus par la simulation. Ce sont plus particulièrement les secteurs Est et Sud-Est qui ont été les plus touchés le 30 septembre par la pollution par rapport au reste de l'agglomération avec des concentrations d oxydes d azote dépassant 900 µg/m 3 à 12h. (voir la figure 4 montrant la reconstitution de l'évolution des champs de concentrations d'oxydes d'azote pour les deux journées). heures Fig. 2 : Profils de variation horaire des émissions totales de NOx pour les journées du 30 septembre et du 1 er octobre 1997 Une fois les deux journées reconstituées, il reste à répondre à certaines questions sujets de discussions voire de polémiques qui ont surgi dès 1997 et sont restées latentes jusqu'en Exemple : la forte pollution dans le sudest parisien n'est-elle-pas la signature évidente d'une pollution d'origine

4 Figure 4 30 septembre heure (heure légale) 1 er octobre heure (heure légale) 30 septembre heure (heure légale) 1 er octobre heure (heure légale) 30 septembre heure (heure légale) 1 er octobre heure (heure légale) Fig.4 : Reconstitution de l évolution des champs de concentration d oxydes d azote à 8h, 12h et 16h pour les deux journées. industrielle? Et d'aucuns de jeter un regard accusateur sur la centrale thermique de Vitry-sur-Seine, en assurant que la mesure prise de circulation alternée était inappropriée et n'avait servi à rien, l'amélioration de la qualité de l'air le lendemain de l'alerte étant uniquement imputable à une évolution des conditions météorologiques plus favorables à la dispersion atmosphérique. La puissance du modèle permet de fiurnir des éléments de réponse à l'ensemble des questions posées lors de cet événement. L'un des atouts de SIMPAR n'est-il-pas de savoir faire parler les cartes? En simulant pour le 30 septembre les concentrations d'oxydes d'azote qui résultent des émissions de chacun des trois grands types de sources (trafic, gros émetteurs fixes, sources surfaciques diffuses) et en les reportant chacune (sous forme d'isoconcentrations de couleur différentes, blanches pour les grosses sources fixes, noires pour le trafic) sur une même carte de concentrations totales en oxydes d'azote (plages colorées), on peut déduire, par exemple dans la zone où les concentrations en oxydes d'azote dépassent 900 µg/m 3 (plages rouges), que la

5 Figure 5 Isocontours noirs : concentration en NOx résultants des émissions des sources trafic. Isocontours blancs : concentration en NOx résultants des émissions des sources ponctuelles. Fig. 5 : Contribution des différents émetteurs à l épisode du 30 septembre contribution de la source trafic s'élève à 80 % (700µg/m 3 ), que celle des sources ponctuelles ne représente que 10 % (90 µg/m 3 ) de même que celle des sources diffuses. La carte a parlé et cet épisode de pollution est sans conteste essentiellement dû à une pollution d'origine automobile, et la prise d'une mesure réduisant les émissions du trafic automobile était des plus légitimes (voir la figure 5 illustrant la contribution des sources trafic et des sources ponctuelles à 12h au cœur de l'alerte). Afin de répondre aux nombreuses interrogations émanant des autorités et du grand public concernant l'amélioration de la qualité de l'air observée le 1er octobre 1997 (effet de la circulation alternée versus effet de la météorologie), différents scénarios ont été élaborés permettant par rapport au scénario de référence décrivant ce qui a réellement été observé, de modifier NOx µg/m 3 les conditions d'émissions ou de météorologie. Dans un premier scénario, la météo et les émissions du 30 septembre ainsi que la météo du 1 er octobre sont conservées, en revanche, on admet que les émissions en oxydes d'azote du Figure 6 Quantifier l efficacité de la circulation alternée Référence 1 er octobre - 10h00 Scénario 1 1 er octobre - 10h00 Fig. 6 : Cartes de pollution en oxydes d azote à 10h, le matin du 1 er octobre, avec et sans circulation alternée.

6 1 er octobre sont celles d'un mercredi moyen de l'année. On se place dans la situation où la mesure de circulation alternée n'aurait pas été prise. Les résultats de simulation montrent que la qualité de l'air aurait été beaucoup plus mauvaise, avec des concentrations de NOx supérieures de 20% dans certaines zones comme le secteur Est de la proche banlieue parisienne (voir la figure 6 montrant les cartes de pollution en NOx à 10h le matin du 1 er octobre avec et sans circulation alternée). Il est clair que la circulation alternée a permis une amélioration de la qualité de l'air sur toute la zone concernée par cette mesure avec des réductions de concentrations de NOx pouvant atteindre sur certaines zones 20 %. Dans un second scénario, on rejoue la journée du 30 septembre avec les mêmes conditions météorologiques (très mauvaises pour la dispersion), mais avec des conditions d'émissions correspondant à une mesure de circulation alternée prise ce jour là (par exemple à titre préventif, si la prévision du jour pour le lendemain avait été opérationnelle à l'époque comme elle l'est aujourd'hui). La simulation montre une diminution à midi (heure du maximum observé) des niveaux de NOx de l'ordre de 15 % sur l'ensemble de la zone dense de l'agglomération parisienne. Ces résultats ne permettent pas encore de dire avec certitude que cette mesure préventive aurait permis d'éviter le dépassement du niveau d'alerte. En effet la simulation a été faite avec les oxydes d'azote (NO+NO 2 ) et non pas avec le dioxyde d'azote NO 2 qui est le polluant pris en compte dans la procédure d'information et d'alerte francilienne. Cette simulation particulière prenant en compte le seul dioxyde d'azote est en cours de réalisation et les résultats seront très prochainement disponibles. Dans un troisième et dernier scénario, on modifie les conditions météorologiques du 1 er octobre en les rendant identiques à celles de la veille qui étaient plus défavorables à la dispersion des polluants. Ce scénario va permettre de déterminer le rôle joué par l'amélioration des conditions météorologiques dans la baisse des niveaux de pollution enregistrée le 1 er octobre. La simulation montre que les niveaux de NOx atteints auraient été bien supérieurs à ceux observés, le maximum des concentrations se situant à 13h (au lieu de 10h dans la situation observée). L'amélioration des conditions dispersi- NOx µg/m 3 Référence 1 er octobre - 10h00 ves de l'atmosphère le 1 er octobre a joué un rôle important dans la diminution des niveaux observés, à la fois en écourtant la période où les niveaux de NOx sont élevés le matin et en diminuant les maxima de l'ordre de 25 % localement. (voir la figure 7 montrant les cartes de pollution du 1 er octobre avec la circulation alternée mais des conditions météorologiques plus ou moins favorables à la dispersion). Ces différents scénarios et simulations sont essentiels pour comprendre l'influence de la mise en œuvre de mesures de restriction de circulation automobile lors d'un épisode de pollution. La description des concentrations de dioxyde d'azote NO 2 effectivement observées constitue la prochaine étape à franchir. Au delà, il importe en permanence d améliorer la description des émissions atmosphériques de toutes natures. Fig. 7 : Cartes de pollution en oxydes d azote du 1 er octobre (avec circulation alternée), avec d une part les conditions météorologiques observées ce jour là et d autre part avec des conditions plus défavorable à la dispersion des polluants (conditions du 30 septembre). Scénario 3 1 er octobre - 13h00 Figure 7 Surveillance de la Qualité de l Air en Ile-de-France 7, rue Crillon Paris L information en direct : l état de la qualité de l air, les prévisions du lendemain sur Minitel 3615 AIRPARIF - Internet Directeur de la publication: Michel Elbel Rédactrices:Martine Boissavy-Vinau & Fabienne César Conception - réalisation : Anne Bannavong Service communication: