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Vendredi 5 février 2010
Rapport
Bilan des deux premières années de mesure des PM10 ajustées en France et évaluation des outils de modélisation
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.
Jeudi 25 août 2011
Rapport
Bilan des mesures PM10 et PM2.5 ajustées et évaluation des outils de modélisation
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. Or, comparés à la méthode de référence EN 12341, ces systèmes sous-estiment les concentrations de PM10. Il s’agit  un artefact connu, lié à la perte de composés volatils.Depuis le 1er janvier 2007, conformément à la législation européenne, la surveillance opérationnelle des PM10 est réalisée de manière à assurer l’équivalence avec la méthode de référence. Deux techniques de mesure sont utilisées en France :   le TEOM-FDMS de Thermo R&P ou  la jauge radiométrique MP101M-RST d’Environnement SA pour la mesure des PM10, le TEOM-FDMS de Thermo R&P pour la mesure des PM10 et des PM2.5. Toutes les stations de mesure de particules ne pouvant être immédiatement pourvues de tels appareils, une stratégie nationale transitoire, fondée sur le concept de site de référence, a été élaborée. Les sites de référence, équipés à la fois de l’ancien et du nouveau système de mesure, délivrent simultanément des données de PM10 non volatiles et de PM10. L’écart entre les deux variables est appelé « delta ». Sur les autres stations, la concentration de PM10 est déterminée en ajoutant à la concentration de PM10 non volatiles le delta d’un site de référence adéquatement choisi. On parle alors de mesure « ajustée ». Pour les années antérieures à 2007, aucune mesure ne permet de réaliser un tel ajustement. Une méthode de correction qui utilise la fraction volatile (nitrate d’ammonium) modélisée par le code de chimie-transport CHIMERE est en conséquence proposée. La nouveauté de ces approches implique que l’on en fasse un suivi régulier. Le présent bilan porte sur les données de particules recueillies en 2009. Il met à jour les bilans des années 2007 et 2008, dont il confirme les principales observations. Pour l’année 2009, 35 sites de référence disposant de données sur au moins 75% de l’année sont recensés. En moyenne par saison, la fraction volatile des PM10 représente, en masse, entre 26% (juillet-septembre) et 58% (janvier-mars) de la fraction non volatile, soit une moyenne de 40% sur l’année. Rapportée à la masse de PM10 totales, cette fraction volatile varie entre 21% (juillet-septembre) et 37% (janvier-mars), soit une moyenne de 29% sur l’année. La proportion de particules volatiles en hiver et au printemps est supérieure à celle des années précédentes. Elle peut être liée à des conditions météorologiques très propices à la condensation de nitrate d’ammonium et d’espèces organiques semi-volatiles en phase particulaire (hiver froid notamment). En moyenne sur les sites de référence, la prise en compte de cette fraction volatile augmente la concentration moyenne annuelle de PM10 d’environ 7 µg.m-3. L’effet sur les dépassements de valeurs limites est également sensible. Il est plus particulièrement manifeste lorsque les statistiques sont calculées sur l’ensemble des stations de mesure de PM10 . Le nombre de sites pour lesquels le seuil journalier de 50 µg.m-3 est dépassé plus de 35 fois dans l’année passe ainsi de 3 à 36. L’étude des PM2.5 est limitée par le petit nombre de stations mesurant à la fois des données de PM2.5 non volatiles et des données de PM2.5. Elle montre cependant la contribution significative de la fraction volatile aux dépassements des seuils réglementaires annuels.   En ce qui concerne la cohérence spatiale des deltas utilisés dans l’ajustement des concentrations, cette étude met en évidence : un ensemble relativement homogène, qui s’étend sur les régions Picardie, Ile-de-France, Normandie, Bretagne, Pays de Loire, Centre ; une zone très hétérogène : le pourtour méditerranéen ; Le reste de la France se laisse moins aisément caractériser, avec des similarités entre stations et des différences plus ou moins prononcées entre d’autres. Si les données suggèrent une influence possible de la typologie sur la fraction volatile, le petit nombre de stations de référence autres qu’urbaines (une station rurale et une station de trafic) ne permet pas de l’établir de façon certaine. Pour ce qui est des données antérieures au 1er janvier 2007, la méthode de correction conçue à l’aide du modèle CHIMERE consiste à ajouter deux termes à la concentration non volatile mesurée : le premier est le nitrate d’ammonium simulé par CHIMERE, le second est une fonction linéaire de la concentration non volatile. Les prélèvements et analyses chimiques effectués à l’occasion du programme CARA et la comparaison de CHIMERE avec ces données expérimentales ont en effet montré que le nitrate d’ammonium modélisé ne représentait pas nécessairement l’intégralité de la composante volatile. La méthode a été évaluée lors des travaux LCSQA de 2009. Les coefficients régionaux utilisés dans le second terme correctif sont ici mis à jour, afin de tenir compte de l’ensemble des  données de delta disponibles sur les sites de référence (années 2007 à 2009).Outre les développements destinés à un meilleur suivi des concentrations de particules, les méthodes de recherche de contributions de sources suscitent un intérêt croissant dans l’étude de la pollution particulaire. Elles ont pour objet d’identifier la part représentée par chaque type de source dans les concentrations observées. Elles favorisent une meilleure compréhension des phénomènes de pollution et peuvent être utiles à l’élaboration de plans d’action. Les approches sont variées. L’état des lieux proposé en seconde partie du rapport est consacré aux méthodes fondées sur la modélisation. Parmi celles-ci, on distingue les méthodes qui développent une approche mécanistique, plus complètes mais coûteuses, de celles qui procèdent par analyse de sensibilité, plus simples à mettre en oeuvre mais plus restreintes dans leur application. Comme aucune méthode ne prévaut actuellement, les études consistent souvent en la comparaison des résultats de plusieurs d’entre elles, et certaines s'accompagnent d'une analyse d'incertitude. L'INERIS s'engage de plus en plus dans cette problématique, à l’occasion d'études d'impact, comme l’analyse de la contribution transfrontalière aux dépassements de seuils, et par le développement d'une version du modèle CHIMERE orientée sur la recherche de sources (approche mécanistique).  
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