Recherche multidisciplinaire sur l impact du changement climatique sur la qualité de l air. Avantages et difficultés de cette pluridisciplinarité

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Fabrice Lajoie
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Avantages et difficultés de cette pluridisciplinarité PHYSICOCHIMIE DES

, MCF, HDR IUT A Lille, département chimie Lebègue P.

, PhD Université Lille1, thèse de géographie TERRITOIRES, VILLES,

1 Recherche multidisciplinaire sur l impact du changement climatique sur la qualité de l air. Avantages et difficultés de cette pluridisciplinarité PHYSICOCHIMIE DES PROCESSUS DE COMBUSTION ET DE L'ATMOSPHERE (PC2A) Fèvre-Nollet V., MCF, HDR IUT A Lille, département chimie Lebègue P., MCF IUT A Lille, département informatique Declerck L., PhD Université Lille1, thèse de géographie TERRITOIRES, VILLES, ENVIRONNEMENT ET SOCIÉTÉ (TVES) Rommand-Norrant C., MCF Université Lille1, géographe-climatologue DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY & ECOLOGY, Grèce Kalimeris A., Assistant professor TEI Iles IONIENNES, mathématicien

2 Contexte de l étude / Climat, Forçages, Scénarios 2 Système climatique, climat = interactions et échanges entre les composantes terrestres biosphèr e atmosphère cryosphère lithosphère hydrosphère Evolution CLIMAT : c est la réponse aux forçages Forçage : influence par un agent naturel ou anthropique sur le système Le Treut et al., 2007

Contexte de l étude / Climat, Forçages, Scénarios 3 Système Climatique Forçages anthropiques Forçages naturels Variabilité Changement Interactions Couplages Forçage anthropique d émissions (gaz à

3 Contexte de l étude / Climat, Forçages, Scénarios 3 Système Climatique Forçages anthropiques Forçages naturels Variabilité Changement Interactions Couplages Forçage anthropique d émissions (gaz à effet de serre) forçage radiatif ACTUEL FUTUR? Augmentation moyenne de la température moyenne globale de l atmosphère +0,74 C entre 1906 et 2005 (Giec, 2007) Estimation des futurs forçages scénarios d émissions de CO 2 poursuite du phénomène de réchauffement

4 Nos interrogations??? 4 1/ La circulation de l atmosphère est-elle influencée par le forçage anthropique à l échelle globale? 2/ Si oui, cela influence-t-il la diffusion de polluant à l échelle locale?

5 Méthodologie 5 Analyse climatique Forçages d émissions et variabilités de la circulation étude pluridisciplinaire Modes de variabilité et Régimes de temps Climatologie Qualité de l Air Application à la qualité de l air Variabilités de la circulation et diffusion de polluants Particules en suspension et Dioxyde d azote NO 2

6 Analyse climatique // Caractériser la circulation atmosphérique 6 Variable d étude : hauteur géopotentielle du niveau de pression 500 hpa Définition : altitude à laquelle on atteint la pression de 500 hpa (en moyenne 5560 mgp) Fluctuations (variabilités) états préférentiels Modes de variabilité ex : ONA Régimes de temps Basse fréquence, échelle interannuelle Haute fréquence, échelle saisonnière Caractérisés par : Récurrence / Persistance / Quasi-Stationnarité

Analyse climatique // Domaine d étude et données 7 Domaine géographique : Atlantico-Européen [60 W-60 E ; 20 N-70 N] Hauteurs géopotentielles (Z500) : Données jour, mois et saisons (2,5

7 Analyse climatique // Domaine d étude et données 7 Domaine géographique : Atlantico-Européen [60 W-60 E ; 20 N-70 N] Hauteurs géopotentielles (Z500) : Données jour, mois et saisons (2,5 long., 2,5 lat.) Période hivernale (décembre, janvier, février) ~ km HadCM3, modèle de circulation générale couplé ~ km océan-atmosphère (Gordon et al., 2000) Réanalyses NCEP

Analyse climatique // Périodes et scénarios 8 Comparaison de 2 périodes temporelles : ACTUELLE FUTURE 1960-1989 20c3m : sans scénarios de forçages d émissions 2070-2099 B1

8 Analyse climatique // Périodes et scénarios 8 Comparaison de 2 périodes temporelles : ACTUELLE FUTURE c3m : sans scénarios de forçages d émissions B1 < B2 < A1B < A2 : avec scénarios de forçages d émissions HadCM3 700 ppm 850 ppm 550 ppm 600 ppm Concentrations de CO 2 associées aux scénarios d émissions Meehl et al., 2007

Analyse climatique // modes de variabilité // méthode 10 Analyses en Composantes Principales avec Rotation ACP-R Regroupe les variables ayant la même variance au sein d une Composante Principale (CP)

9 Analyse climatique // modes de variabilité // méthode 10 Analyses en Composantes Principales avec Rotation ACP-R Regroupe les variables ayant la même variance au sein d une Composante Principale (CP) Rotation Varimax permet de maximiser la variance d une variable sur une même CP (Richman, 1986) modes de variabilité Poids factoriels (corrélations) Scores factoriels (intensité circulation) REPRESENTATION SPATIALE EVOLUTION TEMPORELLE Scores fact oriels A nnées Décembre A2, mode Scandinavie

10 Analyse climatique // modes de variabilité // méthode 11 Combien de composantes principales? ACP-R sert à extraire les structures de variabilité dominantes et récurrentes du géopotentiel 500 hpa. Décembre, B1 VE (%) % VEC (%) Démarche pour chacune des ACP-R : Avant rotation : scree test les 6 premières CP détiennent ~80% de la variance Rotation sur ces 6 CP Composante principale Choix de 6 composantes en majorité

Analyse climatique // modes de variabilité // évolution spatiale 14 70 actuel 16,25 % A1B 11,27 % 60 50 40 30 20-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50

Livezey, 1987 20-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 70 60 60 B1 10,28 % 50 40 30 20-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 = 50 40 30 70 60

11 Analyse climatique // modes de variabilité // évolution spatiale actuel 16,25 % A1B 11,27 % EA-WR [Est Atlantique-Ouest Russie] JANVIER 60 A2 12,45 % Barnston et Livezey, B1 10,28 % = B2 13,88 % Localisation reconnaissable des centres d action

12 Analyse climatique // modes de variabilité // évolution spatiale Existence de dissociations des structures spatiales 16 A1B février Dissociation de l ONA en 2 structures : Centre Atlantique + Europe Centrale/Groenland

Analyse climatique // modes de variabilité // évolution temporelle 22 Mode ONA [Oscillation Nord Atlantique] (Janvier 1960-1989)

13 Analyse climatique // modes de variabilité // évolution temporelle 22 Mode ONA [Oscillation Nord Atlantique] (Janvier ) Scores factoriels Intensité de la circulation pics extrêmes occurrence de ce type de circulation 2 phases + - Scores factoriels Janvier 1967

14 Analyse climatique // modes de variabilité // Actuelle la région Nord-Pas-de-Calais est soumise à 4 types de circulation 23 Zonale Janvier 1967 (+) décembre 1980 (+) Méridienne de nord-ouest Marais février 1965 (-) janvier 1979 (-) Méridienne de sud-ouest

15 Analyse climatique // modes de variabilité // Futur 24 Fréquence d occurrence Évolution relative par rapport à l actuel actuel B1 B2 A1B A2 Zonale 36% +24% -7% +42% +41% M.Sud W 7% +83% +175% +112% +74% M.Nord W 50% -38% -18% -38% -38% Evolution de l occurrence des types de circulation Augmentation circulation zonale plus d influence océan Atlantique Augmentation circulation méridienne de sud-ouest plus d influence Bretagne, Espagne Diminution circulation méridienne de nord/nord-ouest moins d influence Royaume-Uni

Analyse climatique // régime de temps // occurrence et persistance 30 Évolutions des caractéristiques temporelles Fréquences d occurrence en % 35 30

persiste + longtemps B2 : Apparaît + souvent et persiste longtemps 5 5 ONA+ 0 ONA+ Dorsale 0 ONA+ Dorsale Persistances moyennes en nombre de jours

16 Analyse climatique // régime de temps // occurrence et persistance 30 Évolutions des caractéristiques temporelles Fréquences d occurrence en % actuel A actuel B ONA+ : doux, humide Dorsale : froid, humide A2 : Apparaît + souvent et persiste + longtemps B2 : Apparaît + souvent et persiste longtemps 5 5 ONA+ 0 ONA+ Dorsale 0 ONA+ Dorsale Persistances moyennes en nombre de jours ,7 actuel A2 6, , actuel 6,1 B2 6,4 5,9 6,1 6,4 5,9 Dorsale Atlantique ONA+ Dorsale ONA+ Dorsale

17 Analyse climatique // régime de temps // occurrence et persistance Évolutions des caractéristiques temporelles 32 Fréquences d occurrence en % actuel B2 24 ONA- : sec, froid B2 : Apparaît souvent A1B : Persiste + longtemps 5 ONA- 0 ONA- Persistances moyennes en nombre de jours ,9 actuel A1B 9, ONA-

Simulation de la qualité de l air // la région Nord-Pas-de-Calais 34 La région : + de 4 millions d habitants = 6,48 % population française petite superficie = 2,28% de la France d où une densité

18 Simulation de la qualité de l air // la région Nord-Pas-de-Calais 34 La région : + de 4 millions d habitants = 6,48 % population française petite superficie = 2,28% de la France d où une densité élevée = 324 hab/km 2 (France = 114) présence du port industriel de Dunkerque réseau routier et trafic automobile importants La pollution : PM10 - Particules en suspension : chauffage et trafic NO 2 - Dioxyde d azote : trafic automobile O 3 - Ozone : polluant photochimique Localisation de la région Nord-Pas-de-Calais Litige avec la Commission Européenne sur le non respect des valeurs limites de PM 10

Simulation de la qualité de l air // Outil et domaine 35 Outil : CTM Modèle de Chimie-Transport Objectif : simuler la composition chimique de l atmosphère Principe : calculer le devenir des polluants

19 Simulation de la qualité de l air // Outil et domaine 35 Outil : CTM Modèle de Chimie-Transport Objectif : simuler la composition chimique de l atmosphère Principe : calculer le devenir des polluants au cours du temps et pour chacune des mailles du domaine 3 domaines imbriqués, de résolutions différentes prise en compte des conditions aux limites nesting Domaine Résolution Nombre de mailles en «x» Nombre de mailles en «y» n km x km ouest - est sud - nord 1 120x x ,5x7,

20 Simulation de la qualité de l air // méthode 36 Actuel Forçage A1B CNRM-CM3 Futur Données Météo [NCEP] 6h Données Météo [A1B] 6h WRF 1h WRF-Chem CTM WRF 1h Émissions ACTUELLES Données régionales ATMO 2007 Echelle communale (km) Données européennes EMEP x50km

21 Simulation de la qualité de l air // choix des périodes à modéliser 37 Choix à partir des scores factoriels des modes de variabilité Décembre A1B, mode Est Atlantique 2 1 Décembre 2097 Décembre Dec2070 Dec2072 Dec2074 Dec2076 Dec2078 Dec2080 Dec2082 Dec2084 Dec2086 Dec2088 Dec2090 Dec2092 Dec2094 Dec2096 Dec2098 Scores factoriels A nnées Choix de la variation la plus intense pour la phase positive et la phase négative

22 Simulation de la qualité de l air // résultats particules fines 42 EA- Concentrations PM 2,5 (µg.m -3 ) février 1969 Moyenne sur 5 jours ACTUEL Concentrations PM 2,5 (µg.m -3 ) février 2070 de 4 à 18 µg.m -3 FUTUR de 24 à 45 µg.m -3

23 Simulation de la qualité de l air // résultats particules fines 43 ECARTS entre les concentrations FUTURES et ACTUELLES (µg.m -3 ) Concentrations PM 2,5 (µg.m -3 ) Moyenne sur 5 jours EA- Hausse des concentrations de particules fines Dunkerque et métropole Lilloise : hausse entre 21 et 24 µg.m -3

24 Multidisciplinarité // Avantages et difficultés Influence de forçages anthropiques sur la circulation atmosphérique du niveau géopotentiel 500 hpa et sur la diffusion et les concentrations de polluants sur la région Nord-Pas-de-Calais au 21 ème siècle - Thèse L.Declerck 2012 Favorise le financement de la thèse Difficulté de recrutement Enrichissement pour les équipes de recherche Compétences élargies pour les doctorants peu de revues qui pratiquent l interdisciplinarité sur ces thèmes Co-direction, 2 chercheurs d écoles doctorales différentes SMRE et SESAM Pilotage : «Sciences dures et sciences molles»

25 Merci de votre attention

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