NO2

Travaux relatifs à la plate forme nationale de modélisation PREV'AIR

N° de l'étude: 
30
Année: 
2008
Institut responsable de l'étude: 
INERIS
Nom du responsable: 
Frédéric MELEUX
Objectifs: 
L’objectif de cette étude est de réaliser les actions de support technique aux utilisateurs du système PREV’AIR et les développements nécessaires en vue de répondre à leurs besoins futurs.
 
Contexte et travaux antérieurs: 
Le système PREV’AIR de prévision et de cartographie de la qualité de l’air a été mis en place au cours de l’été 2003 par l’INERIS, en collaboration avec le CNRS et l’ADEME. Une convention de développement et d’exploitation du système a également été signée en juin 2004 entre le MEDAD, l’INERIS, l’ADEME, le CNRS et Météo France. Outre la diffusion par internet d’observations en temps réel, de prévisions et cartographies d’ozone, de particules (PM10 et PM2.5) et d’oxydes d’azote, les données numériques de concentrations calculées par CHIMERE sont téléchargeables par les organismes qui en font la demande. A ce jour presque toutes les AASQA disposent d’un compte sur PREV’AIR et accèdent chaque jour aux prévisions et analyses calculées à l’INERIS.
 
Travaux proposés: 
  • Assistance utilisateurs

Le système PREV’AIR fournit notamment une prévision de l’ozone, des oxydes d’azote et des particules sur l’Europe et la France, à partir des résultats issus du modèle déterministe CHIMERE appliqué à une résolution spatiale de 50 et 10 km respectivement. Certaines AASQA disposent d’un modèle déterministe régional de prévision de qualité de l’air auquel PREV’AIR fournit des conditions aux limites. D’autres AASQA utilisent les sorties brutes de PREV’AIR qu’elles traitent en fonction de leurs besoins.

L’INERIS fournit une assistance aux utilisateurs de PREV’AIR en terme d’appui technique pour l’utilisation et l’interprétation des données issues des modèles ; l’ensemble de ces actions d’assistance pourront faire l’objet, le cas échéant, d’une session de présentation des modèles, leur apports et leurs limites, auprès des AASQA. L'INERIS met également à disposition l’ensemble des outils de post-traitement qu’il développe. Il répond à toute demande ponctuelle d’extraction de données. Enfin l’INERIS propose et développe des représentations d’indicateurs cohérentes avec les besoins exprimés par les AASQA (séries temporelles, cartographies nationales….).

Certaines AASQA envisagent dans un futur proche de travailler sur la prévision et la cartographie des PM avec leur modèle régional. L’INERIS, qui a développé le modèle implanté dans CHIMERE pourra soutenir ces développements, notamment sur la partie validation. De même un support technique plus important est sollicité par les AASQA qui s’intéressent à la réalisation de cartes analysées à l’échelle régionale à partir des sorties de PREV’AIR.

  • Bilan des performances des modèles

Les modèles CHIMERE et MOCAGE sont les deux modèles dont les résultats sont disponibles sur PREV’AIR à ce jour. Après la période estivale, l’INERIS s’est engagé à fournir un rapport détaillé sur le bilan de performances de ces deux modèles région par région. Le bilan est établi par comparaison aux observations selon des critères statistiques classiques. Cette information est disponible à la fin du premier semestre de chaque année pour les résultats relatifs à l’été précédent.

  • Cartographie locale du dioxyde d’azote à partir des simulations PREV’Air

En 2007, des développements visant à intégrer des procédures de cartographie automatique de dioxyde d’azote dans PREV’AIR ont été effectués. Ils reposent sur les travaux menés depuis 2004 par le LCSQA, qui ont démontré la possibilité de bâtir des « stations virtuelles » à partir de campagnes de mesures. Avant une mise en œuvre opérationnelle dans PREV’AIR, considérant l’avancement des travaux actuels, il paraît important de mener une phase d’évaluation approfondie qui ne pourra être effectuée en 2007. Cette finalisation de l’étude constitue la proposition 2008 de l’INERIS sur ce sujet.

  • Réalisation de cartes analysées d’ozone et de PM10 : évaluation, amélioration, test de nouvelles procédures

Depuis 2003 pour l’ozone et 2005 pour les PM10, les cartes de la veille simulées par le modèle CHIMERE sont corrigées chaque matin à l’aide des observations extraites de la base BASTER. La méthode employée consiste à ajouter au modèle un champ correctif estimé par interpolation géostatistique : il s’agit du « krigeage des innovations ». Le choix des paramètres de krigeage repose sur des études de sensibilité conduites en 2004 et 2005  [a) Honoré et Malherbe, 2004. Application de modèles grande échelle à la problématique régionale : cartographie de l’ozone et du dioxyde d’azote. Rapport LCSQA. b) INERIS, 2005. Travaux relatifs à PREV’AIR. Rapport LCSQA]. L’efficacité du krigeage des innovations s’est vérifiée depuis lors dans la mise en œuvre opérationnelle de cette méthode.

Toutefois, après quelques années de fonctionnement, qui ont vu évoluer aussi bien le modèle CHIMERE que le réseau des stations de mesure, il semble utile de réévaluer le krigeage des innovations de façon approfondie. Le choix des stations d’observation considérées dans l’analyse, en particulier pour les PM10, ainsi que la définition des paramètres de krigeage seront revus. La question du support spatial des données (données ponctuelles pour les stations / données par maille pour le modèle) et de son éventuelle prise en compte dans le krigeage sera également examinée. Enfin, il est proposé de tester la technique de krigeage non paramétrique. Lors des études préliminaires de sensibilité, cette méthode d’analyse n’avait pu être appliquée, faute de ressources informatiques suffisantes. Par suite de l’augmentation des capacités de calcul, on pourra en apprécier les performances relativement au krigeage des innovations.

Ingénieur INERIS: 
1000h
Travaux: 
Pérennes
Collaboration AASQA: 
Oui
Nom des AASQA: 
Toutes
Documents de sortie: 
Rapport d'étude
Autres
Lien avec le tableau de suivi CPT: 

Comité utilisateurs PREV’AIR

Commentaires: 

Documents de sortie :

  • Bilan de qualité de l’air
  • Rapport sur l’analyse
  • Mise à jour du site/ hot line

 

Etude des appareils de mesure automatiques

N° de l'étude: 
10
Année: 
2008
Institut responsable de l'étude: 
INERIS
Nom du responsable: 
aymoz
bocquet
Objectifs: 

L’objectif de cette étude est de poursuivre les travaux relatifs à l’évaluation des instruments de mesure de polluants atmosphériques, afin de permettre aux utilisateurs d’analyseurs automatiques de disposer des éléments nécessaires pour assurer et optimiser la qualité des mesures, et de s’assurer que les appareils répondent aux exigences des Directives en matière d’incertitude au niveau de la valeur limite.

Ceci implique de connaître, en plus des caractéristiques de performances des appareils :

  • l’influence du niveau de concentration ou du niveau d’interférents sur la valeur de ces caractéristiques
  • l’éventuelle dérive dans le temps de ces caractéristiques.
Contexte et travaux antérieurs: 

1. Variation des caractéristiques de performance des analyseurs en fonction de la concentration

Les procédures normatives d’évaluation des analyseurs prévoient d’effectuer les tests à deux niveaux de concentration en mesurande (excepté le test de linéarité) : à zéro et en un point en sensibilité, et dans le cas de la détermination de l’influence des interférents, à une concentration en interférent.

Or les budgets d’incertitude doivent être établis pour des niveaux de concentration en mesurande et en interférents qui ne sont pas forcément ceux appliqués lors de l’évaluation.

L’objectif de l’étude est donc de vérifier si les tests de performance des analyseurs à 2 niveaux de concentration en mesurande sont suffisants pour l’établissement des budgets d’incertitude, et si les facteurs de sensibilité peuvent être utilisés à des concentrations différentes en mesurande et en interférents, et dans quelles limites (en termes de valeur de la caractéristique de performance et de ratio concentration de test/concentration d’extrapolation).

La question se pose notamment pour l’incertitude au niveau de la valeur limite annuelle, qui risque d’être majorée en utilisant les valeurs de caractéristiques de performance obtenues à partir de tests qui sont effectués sur la valeur limite horaire (le test d’influence des interférents, par exemple).

2. Evolution dans le temps des performances des analyseurs

Les évaluations d’analyseurs effectuées dans le cadre des travaux du LCSQA ont montré que certaines caractéristiques de performance des analyseurs ont un impact significatif sur la justesse de la mesure et sur l’incertitude associée aux résultats de mesurage. C’est le cas de la sensibilité aux paramètres d’influence (en particulier température ambiante et interférents). Or, comme présenté lors du séminaire du 13 octobre 2005 dans le cadre de l’étude "harmonisation des contrôles des analyseurs", compte tenu des moyens nécessaires pour mettre en œuvre ces tests, ceux-ci ne sont pas réalisables à un coût acceptable, par les AASQA (ou pas de façon régulière).

Ils sont déterminés lors de la mise en œuvre d’essais d’approbation de type, mais il conviendrait de vérifier que ces caractéristiques ne se dégradent pas dans le temps, risquant de conduire à des erreurs de mesurage et à une augmentation de l’incertitude au-delà du seuil admissible.

Pour cela, un suivi dans le temps de ces caractéristiques est à effectuer sur des analyseurs fonctionnant en station (étude à mener en collaboration avec des AASQA), afin d’évaluer les dérives des coefficients de sensibilité et leur impact sur les écarts et sur l’incertitude de mesure. Ces résultats permettront, également, de définir si ces paramètres peuvent constituer des indicateurs de renouvellement des appareils.

3. Correction des mesures de concentration de NO2 et O3

Les normes de référence EN 14211 et EN 14625 pour la mesure des concentrations en NO/NOx et O3 prévoient une correction des mesures pour tenir compte de la réaction entre le NO et l'O3 dans la ligne d'échantillonnage. Cette correction est basée sur l'application d'une formule de calcul, dont l’origine et la validité sont inconnues.

Il a donc été proposé en 2005, de vérifier la formule de calcul et d’étudier les paramètres influents sur les pertes d'O3 et l'augmentation de la teneur en NO2, afin d’évaluer l’impact des réactions O3/NO sur les résultats de mesure en terme de dépassement des valeurs limites horaires.
Des essais complémentaires se sont avérés nécessaires pour consolider les premiers résultats. Ils ont permis en 2006 de donner des préconisations sur la conception des lignes d'échantillonnage et sur les corrections à appliquer aux résultats de mesurage. En particulier, les résultats montrent que l'application du calcul correctif est nécessaire aux fortes teneurs en polluants.

4. Etudes des facteurs de conversion pour les mesures d'altitudes

Les mesures de gaz sont généralement exprimées en unité de rapport de mélange volumique. D'après la réglementation européenne, ces mesures doivent être exprimées en unité de masse par unité de volume. Cette conversion nécessite de choisir des conditions de température et pression de référence. Il a donc été de fixer ces paramètres en prenant la pression et la température au niveau de la mer, à savoir 293 K et 101,3 KPa.

Ces paramètres varient avec l'altitude, et le facteur de conversion peut être beaucoup plus faible (jusqu'à 50 % pour certains sites) en région montagneuse. Il en résulte une surestimation des concentrations en altitude. Ce traitement des données est différent de la conversion réalisée notamment en Suisse, qui utilise un facteur ajusté au delà de 1500 m d'altitude.
Cette réglementation implique des difficultés pour le réseau de surveillance de la qualité de l'air AIR APS, notamment en termes de communication et de comparaison de concentrations d'ozone entre sites d'altitudes limitrophes de la Suisse.

Travaux proposés: 

1. Variation des caractéristiques de performance des analyseurs en fonction de la concentration

Les travaux proposés en 2007, pour une durée de deux ans (2007/2008), consistent à déterminer si les caractéristiques de performance d'analyseurs peuvent être extrapolées lors de l’établissement d’un budget d’incertitudes à des niveaux de concentration en mesurande et en interférents différents de ceux appliqués lors de l’évaluation de l’appareil, et de proposer des règles d’extrapolation. Les caractéristiques de performance prises en compte dans les budgets d’incertitude à différentes concentrations sont la répétabilité, la dérive, la sensibilité aux paramètres d’influence et la sensibilité aux interférents. Deux modèles d’analyseurs et deux analyseurs par modèle seront testés.
Les essais pour les analyseurs d'O3 ont été réalisés en 2007. Les essais pour les analyseurs de NO2 seront réalisés en 2008.

2. Evolution dans le temps des performances des analyseurs

Pour ce faire il est proposé de réaliser des tests sur une durée de 3 ans, sur plusieurs modèles d’analyseurs d’âges différents (de plus de 5 ans), mesurant l’ozone et les oxydes d’azote :

Le programme a commencé en 2007 avec des analyseurs d'ozone.

Le travail a consisté à  :

  • Sélectionner des analyseurs pour l’étude : les analyseurs testés doivent être des appareils qui sont utilisés en stations, et pour lesquels on dispose du suivi des réparations et contrôles métrologiques effectués périodiquement. Le travail sera donc réalisé en collaboration avec plusieurs AASQA.
  • Evaluer les performances de 2 modèles d’analyseurs d’ozone, avec pour chaque modèle, deux analyseurs de plus de 5 ans, soit 4 appareils au total.
  • Les caractéristiques de performance qui font l’objet d’un suivi dans le temps sont les suivantes : la sensibilité à la température ambiante, à la tension électrique d’alimentation, à l’humidité et à 2 autres interférents.

En 2008, le même travail est prévu sur 4 analyseurs de NOx à sélectionner,

En résumé, le suivi de l’évolution dans le temps des performances des analyseurs étant prévu sur une durée de 3 ans, le planning de l’étude est le suivant :

2007 : analyseurs d’O3 année 1 (réalisé)
2008 : analyseurs de NOx année 1
2009 : analyseurs d’O3 année 3,
2010 : analyseurs de NOx année 3.

3. Correction des mesures de concentration de NO2 et O3

La dernière étape de l'étude consistera en 2008 à appliquer les résultats obtenus précédemment à des cas réels. L'objectif final est d'étudier l'amplitude du biais de mesurage pour les différentes configurations des couples de concentrations en O3 et NOx réellement mesurées par les AASQA sur différents sites, afin de définir dans quel(s) cas réel(s) la correction, ou a minima une réduction du temps de résidence, est nécessaire.

4. Etudes des facteurs de conversion pour les mesures d'altitudes

Le LCSQA propose d'examiner le problème en réalisant :

  • un bilan de l'impact réel de cette réglementation en France,
  • une étude des solutions possibles et des différents impacts de ces solutions.

Le cas échéant, une ou des propositions d'aménagement de la méthode de conversion d'unité dans ce cas spécifique seront proposées.

Ingénieur INERIS: 
100h
Technicien INERIS: 
800h
Travaux: 
Pluri-annuels
Documents de sortie: 
Rapport d'étude
Lien avec le tableau de suivi CPT: 

Thème 2 : Métrologie – travaux sur les appareils

Matériel acquis pour l'étude: 

Matériel nécessaire pour les études 1, 2 et 3 :

Transport analyseurs, commandes de gaz, PC acquisition, et consommables diverses pour l'enceinte 

Commentaires: 

Pluri annuels pour certaines actions