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Jusqu'au 1er Janvier 2007, la surveillance opérationnelle des PM10 était réalisée en France par des systèmes de mesure automatique de type TEOM ou jauge Bêta. Cependant la sous-estimation des niveaux de PM10 mesurés par ces méthodes par rapport à la méthode de référence EN 12341 est un artefact très connu. Cette sous-estimation est liée à la perte de composés volatils par les TEOM et les jauges Bêta. La Commission Européenne a réclamé, pour l'ensemble de l'Europe, la mise à niveau des mesures de PM10, afin de respecter les prescriptions de la directive, avec une date butoir au 1er janvier 2007. L’application d’un facteur correctif aux données des TEOM ou des jauges Bêta n’est pas apparue pertinente, étant donné la complexité de la relation entre ces types de mesures et la méthode de référence. Dans le même temps, des solutions techniques ont fait leur apparition, et une démonstration d'équivalence a pu être réalisée pour deux outils : le TEOM-FDMS de Thermo R&P, pour la mesure des PM10 et des PM2.5, la jauge radiométrique MP101M-RST d’Environnement SA pour la mesure des PM10. La problématique a alors évolué vers la question de leurs modalités d’intégration au sein du système de surveillance français. Les réflexions et divers travaux du LCSQA ont permis d’élaborer une stratégie nationale d’intégration et de déploiement de ces nouveaux outils, tout en répondant à un impératif de mise en œuvre à partir du 1er janvier 2007. Depuis cette date, les associations agréées de surveillance de la qualité de l’air ont équipé une partie de leurs sites de TEOM-FDMS et de jauges Bêta RST en plus des TEOM ou jauge Bêta déjà installés. Ces sites dits "de référence" fournissent la mesure de deux variables : la concentration en PM10 (concentration mesurée par TEOM-FDMS ou jauge Bêta RST), la concentration de PM10 non volatiles (concentration mesurée par TEOM ou jauge Bêta). L’écart entre ces deux concentrations est appelé "delta". Sur les autres sites, qui ne mesurent que la concentration de PM10 non volatiles, la concentration de PM10 est estimée en ajoutant le delta d’un site de référence adéquatement choisi. On parle de concentration "ajustée". Pour les années antérieures à 2007, il n’existe pas de mesures pour réaliser un tel ajustement. Une méthode d’ajustement qui utilise la fraction volatile modélisée par le modèle CHIMERE a donc été proposée. La présente étude dresse un bilan des deux premières années de fonctionnement de l’ajustement opérationnel de PM10. La première partie est consacrée à l’impact quantitatif de l’ajustement sur les niveaux de PM10 mesurés. Le bilan exhaustif des dépassements des valeurs limites annuelle et journalière est établi pour les années 2007 et 2008 et comparé à celui qui aurait été obtenu sans ajustement. Cet ajustement a pour effet d’augmenter significativement le nombre de dépassements, qu’il s’agisse du dépassement de la valeur limite annuelle (de 2 à 11 sites sur un total de 291 en 2007 ; de 1 à 7 sites sur un total de 283 sites en 2008*) ou de la valeur limite journalière qui se révèle la plus contraignante (de 7 à 75 sites sur 291 en 2007 ; de 4 à 24 sites sur 283 en 2008*).* chiffres non réglementaires établis sur les périodes pour lesquelles les données de PM10 non volatiles et de PM10 sont simultanément disponibles. La cohérence spatiale des deltas utilisés pour l'ajustement des mesures de PM10 non volatiles est examinée dans la seconde partie. Cette étude met en évidence : des zones relativement homogènes : Normandie, Picardie, Île de France, Centre, Pays de Loire une zone très hétérogène : le pourtour méditerranéen des hétérogénéités dans les autres régions, plus ou moins prononcées selon les périodes. Elle montre également des disparités, dont il serait intéressant d’analyser l’origine, entre les sites de référence équipés de couples Bêta-Bêta-RST et les sites de référence équipés de couples TEOM-TEOM-FDMS. La troisième partie a eu pour objet d'étudier le positionnement de la modélisation déterministe par rapport aux mesures de PM10 non volatiles et de PM10 réalisées sur les sites de référence. Les niveaux de PM10 des années 2007 et 2008 sont resimulés avec le modèle CHIMERE et des données météorologiques analysées. Les concentrations en PM10 issues du modèle CHIMERE ont été validées sur leur composante volatile ce qui a permis de déduire une méthode de correction des PM10 par modélisation pour les années 2005 et 2006. Cette méthode de correction a été améliorée en prenant en compte la composante nitrate d’ammonium modèle mais également un coefficient supplémentaire permettant d’annuler le biais sur le jeu de données disponible en 2007 et 2008. Ainsi, la méthode de correction par le modèle CHIMERE calculée sur la période 2007-2008 appliquée aux données 2005 et 2006 donne un nombre de stations en dépassement de 63 en 2005 et 94 en 2006. Les fichiers d’ajustement par le modèle des concentrations de PM10 non volatiles issues des TEOM et jauges Bêta pour les années 2005, 2006 sont disponibles sur le site www.lcsqa.org.

Dans ce rapport nous évaluons les performances des modèles mis en œuvre dans la plateforme de prévision et de cartographie de la qualité de l’air, Prev’Air. Cette estimation du comportement des outils est réalisée à l’aide d’indicateurs statistiques classiques et des observations obtenues en temps quasi réel de la base de données BASTER gérée par l’ADEME et alimentée par les AASQA (associations de surveillance de la qualité de l’air). En 2009, les performances affichées par les modèles sont assez proches de celles obtenues en 2008 pour ce qui concerne Chimere, la version n’ayant pas fondamentalement évolué. Le modèle a fait preuve d’une aptitude excellente à détecter les épisodes d’ozone et de particules de l’année 2009. Toutefois, sa tendance à surestimer l’intensité des épisodes d’ozone durant l’été, nous pousse à investiguer le possible effet de la crise économique sur les émissions estivales 2009 et ses répercussions sur la production d’ozone. Le comportement de Mocage s’est amélioré par rapport aux années précédentes pour l’ozone avec la mise en service d’une nouvelle version. Néanmoins, elle présente une incapacité à détecter les dépassements du seuil d’information à l’ozone. La version « Ensemble » de Prev’Air, en test et en développement depuis un an rencontre également ce problème, bien qu’elle possède les meilleurs scores (biais, erreur quadratique moyenne et corrélation), l’Ensemble se montre pour le moment incapable de prévoir correctement les dépassements. Une nouvelle version visant à corriger ce défaut est en développement et sera testée en 2010. Des travaux préliminaires ont également été amorcés en 2009 sur une nouvelle version de Chimere afin de délivrer une prévision des poussières désertiques au dessus des Antilles françaises, à l’instar de ce que Mocage réalise sur le Globe mais avec une meilleure résolution horizontale dans le but de prévoir précisément l’arrivée de ces panaches souvent d’origine saharienne. Enfin, un dernier chapitre détaille l’actualité des utilisateurs de Prev’Air en 2009.

Ce rapport présente la mise en œuvre de la modélisation sur des épisodes identifiés dans le rapport DRC-09-103337-10781A afin de mieux comprendre les aptitudes et lacunes des modèles. Les épisodes de l’année 2008 et janvier 2009 ont été simulés avec le modèle de qualité de l’air CHIMERE. Ainsi, les analyses du dispositif CARA ont permis de montrer que : a) Les concentrations en sulfates sont globalement sous-estimées par le modèle CHIMERE surtout durant l’été, b) Les concentrations en nitrate et l’ammonium sont correctement simulées mais semblent parfois surestimées, c) Les concentrations en matière organique sont nettement sous-estimées essentiellement l’hiver d) Les concentrations en carbone élémentaire sont légèrement sous-estimées e) Les « autres » espèces sont largement sous-estimées par le modèle La sous-estimation de la production de sulfate provient essentiellement d’une sous-production par chimie gazeuse l’été. Concernant le point c), la sous-estimation chronique du modèle pourrait être liée à une source manquante ou mal redistribuée temporellement comme la combustion du bois. Les « autres » espèces pourraient être mal représentées dans les inventaires utilisées, il s’agirait de particules primaires non carbonées émises par les activités humaines. En 2010 certains des épisodes de 2009 seront à nouveau étudiés en considérant les aspects météorologie et émissions. Avant de régler le problème des émissions, un travail sur les simulations météorologiques sera réalisé et seulement ensuite, un travail sur les émissions sera effectué pour mieux caler les émissions de combustion de bois et suivre la part de ces émissions dans le bilan des particules prélevées et analysées. Un travail particulier sur les profils temporels d’émission sera réalisé en collaboration avec les AASQA. Bien que l’essentiel du travail soit réalisé sur des échantillons typiques de certaines régions, ce travail devra être extrapolable au plan national. Une évolution du système de mesure et d’analyse CARA sera envisagée dans le sens suivant: - Mesures des couples Nitrate/Acide nitrique et Ammonium/Ammoniaque en gardant une veille sur les mesures de concentrations de ces espèces ; - Avoir un ou deux points de mesures avec à la fois des analyses sur filtre des PM2,5 et des PM10 en privilégiant un site de fond suburbain voire rural, ceci permettant de voir si la sous-estimation des composés « autres » existe aussi dans la fraction fine des PM ; - Avoir un site de mesures permettant d’évaluer les concentrations de fond de poussières naturelles, ce site devrait être situé près des zones de terres arables.

La pollution particulaire constitue aujourd’hui un véritable enjeu à la fois politique sanitaire et règlementaire. De ce fait, un besoin fort est exprimé par les pouvoirs publics de se doter d’outils de compréhension des phénomènes et d’aide à la décision afin d’appliquer la Directive 2008/50/CE et mettre en œuvre des plans de réduction des sources de matière particulaire (PM) en France. C’est pourquoi le dispositif CARA a été crée au sein du LCSQA et que des campagnes de mesures sont menées sur le territoire pour suivre des traceurs spécifiques de certaines pollutions, caractériser la pollution particulaire dans des zones spécifiques telles les zones rurales, mettre au point des méthodes d’analyse et de traitement des données pour attribuer les sources et comprendre les phénomènes. Faisant tout d’abord l’état des lieux des différentes approches existantes pour l’attribution des sources de particules ainsi que des différentes études de source de PM menées en France au niveau national, régional et dans le domaine de la recherche, ce travail a révélé la multiplicité et la diversité de ces études. Afin d’inscrire CARA dans les travaux de recherche et de réflexion sur les études de sources menées en France, les méthodes d’attribution des sources utilisées dans le cadre du programme de recherche FORMES ont été appliquées aux données issues du dispositif CARA pour des épisodes de pollution particulaire intenses survenus au cours de l’année 2009 et sont présentés dans ce rapport. Enfin, ce travail a mis en valeur la pertinence d’approfondir ce type d’étude bibliographique synthétisant l’ensemble des résultats et conclusions des différents programmes menés sur le territoire mais également à l’étranger. Une première journée d’échanges a été organisée par l’ADEME en avril 2009 afin de faire le point sur un certain nombre d’études de source en France. Il a également révélé l’importance de mettre en place une réflexion nationale capable d’orienter et d’harmoniser les différentes études en cours et futures afin d'exploiter au mieux les données en résultant et d'avoir ainsi une vision globale et critique sur l'ensemble des travaux menés en France sur les PM.

Ce bilan synthétise les résultats obtenus pour l'analyse chimique des filtres prélevés entre janvier 2008 et janvier 2009. Les épisodes de pollution par les PM10 observés en France au printemps 2007 ont montré que le besoin de compréhension et d'information sur l'origine de ces pics était très fort. Ce besoin a conduit le LCSQA à déclencher une étude, basée sur une approche couplée entre la caractérisation chimique des particules (spéciation) et la modélisation (rapport LCSQA de juillet 2007 ). Cette étude a permis de faire des hypothèses sérieuses sur les sources de PM10 lors de ces épisodes de pollution importants. Afin d'anticiper d'éventuels futurs épisodes de ce type, et d'apporter des éléments sur les niveaux moyens de concentrations mesurés, le LCSQA a mis en œuvre, depuis le début de l'année 2008, un dispositif de caractérisation chimique des PM, appelé CARA. Ce dispositif consiste, en pratique, à effectuer des prélèvements de particules sur quelques sites en France, en vue de réaliser une spéciation chimique des particules sur une sélection de ces échantillons (épisodes de forte pollution ou situations de fond d’intérêt). Par ailleurs, la réalisation de cette spéciation chimique participe à la mise au point de méthodes de mesure de la composition chimique des PM2.5, homogènes avec ce qu’il est prévu de mettre en place dans les zones rurales en France, dans le cadre de l’application de la directive européenne (Directive 2008/50/CE 2008). L'objectif de ce rapport est de réaliser un bilan focalisé sur l'interprétation des données 2008 (interprétation directe et couplée à la modélisation), et sur les informations apportées ou non par le dispositif dans sa configuration actuelle. L'objectif est de donner les éléments de base à chacun pour définir l'orientation à donner à ce dispositif à partir de 2010. Parmi les résultats obtenus en 2008, on notera notamment que les profils chimiques mesurés par analyse des 87 échantillons correspondants à des dépassements du seuil de 50 µg.m-3 montre une contribution forte de la matière carbonée (1/3 des PM10) et des espèces inorganiques secondaires (nitrate, sulfate et ammonium). Ce profil est comparable aux profils annuels moyens rencontrés dans la littérature, et indique que les dépassements ne sont pas liés (en première approximation) à une montée en puissance d'une source spécifique, mais bien à des conditions de dispersion favorisant l'accumulation d'un ensemble de sources. Enfin, l'évolution saisonnière de ce profil est relativement faible. Concernant la confrontation avec les résultats de la modélisation, on notera que la matière carbonée est très largement sous-estimée par la modélisation. La sous-estimation des émissions de particules par les combustions de biomasse est soupçonnée de contribuer largement à cette lacune. Le nitrate d'ammonium, qui représente plus de la moitié de l'écart entre TEOM-FDMS et TEOM, est bien modélisé, ce qui renforce la validité du modèle proposé pour la correction des données du passé. L'étude ultérieure de plusieurs épisodes d'intérêt, sur la base du travail réalisé pour les épisodes du printemps 2007, devrait permettre au cas par cas des interprétations diverses : mise en évidence d'une lacune dans les cadastres des émissions, étude d'une source (par exemple naturelle) ou de l'impact du transport longue distance… Par ailleurs, on  notera que 28 des 87 dépassements de seuil de 50 µg m-3 étudiés peuvent être attribués aux sources naturelles, au sens de la directive . Un travail spécifique sur la robustesse de ce résultat pourra être envisagé et faire partie des objectifs visés en cas d'évolution du format du dispositif. Enfin, le potentiel des études de sources sur la base d'une approche par profil de source type CMB, montrée dans ce rapport, permet d'envisager des études de sources précises, avec une valeur ajoutée importante sur l'origine des éléments toxiques des PM10 que sont les HAP. La commission européenne a évoqué son intérêt pour ce type de résultats (basé sur une méthodologie objective, et pouvant à terme faire l'objet de guides techniques voir de norme) couplé à une approche par modélisation pour mieux qualifier les différentes contributions lors des situations de pics (naturelles /  anthropiques, locales / transfrontières) a été évoqué, notamment dans le cadre de la future révision de la directive en 2013. 

Attention : ce guide est obsolète - Une version révisée est disponible dans l'espace documentaire (rubrique Guides méthodologiques)   Le présent guide a pour objet de fournir une aide aux utilisateurs des TEOM-FDMS dans les AASQA. Il a été construit à partir des expériences de chacune des AASQA, rencontrées au cours des journées d'échange sur les TEOM-FDMS ayant eu lieu en 2008 et 2009, et au cours desquelles l'ensemble des AASQA ont été consultées. Ce document est par définition évolutif, et toutes remarques, contributions, critiques… sont les bienvenues, et doivent être adressées directement au LCSQA (Aurélien Ustache, aurelien.ustache@ineris.fr) Nous observons, depuis 2007, une nette évolution dans la connaissance technique du fonctionnement du TEOM-FDMS, tant au niveau des solutions à apporter en cas de problème que des procédures à mettre en œuvre pour vérifier le fonctionnement de l'outil en routine : Concernant le premier point, le Tableau 1, présenté page 11, synthétise en grande partie l'état de notre connaissance. En particulier, une partie importante des premiers problèmes observés, qui sont notamment les fuites et les performances de la microbalance, sont désormais bien identifiés, et les solutions trouvées par chacun sont regroupées dans la partie 3 "Guide en cas de panne" de ce document. Ensuite, afin d'assurer la qualité des données produites par le TEOM-FDMS, il est essentiel de mettre en place un suivi du fonctionnement des appareils, basé sur la vérification à réception et périodique de différents critères de fonctionnement. L'ensemble des opérations QC/QA pouvant être mises en œuvre est présenté dans la quatrième partie de ce document "Contrôle qualité à réception et en routine". Le format est identique à celui des tableaux de "Fréquence requises pour l'étalonnage, les contrôles et la maintenance" des normes en vigueur pour la mesure des gaz "classiques" (cf tableau 6 de la norme EN14211 pour les NOx, par exemple). L'objectif est de créer un outil directement compatible et intégrable dans les projets de normes en cours d'élaboration au niveau du CEN.Nous recommandons de mettre en place le suivi de l'ensemble des paramètres du tableau  2. En particulier, nous recommandons très fortement de mettre en place le suivi des paramètres marqués en rouge et en gras dans ce tableau. Enfin, ce document a été élaboré  en tenant compte de l’expérience de chacune des  AASQA. Ce document a donc vocation à évoluer, afin d'être remis à jour. Les modalités d'évolution de ce document sont à définir collectivement, et pourront être discutées en Commission de Suivi "Mesure des particules en suspension".