Pollution atmosphérique par

les Mégapôles : enjeux pour

l’environnement et la

rechercheMatthias BEEKMANN1, Agnès BORBON1, Isabelle COLL1,,

Valérie GROS2, Jean SCIARE2, Guillaume SIOUR1,3, Qijie

ZHANG1,4, and the MEGAPOLI team

(1) Laboratoire InterUniversitaire des Systèmes

Atmosphériques (LISA), (2) Laboratoire des

Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE),

(3) INERIS, (4)ARIA Technologies

Journées Scientifiques

de l’Environnement (JSE)

Plan

• Mégapôles et pollution de l’air

• Questions de recherche majeurs

• PROJET MEGAPOLI

Objectifs et Résultats

• Conclusions et Perspectives

• 1950 2 mégacités (> 10 millions d’habitants)

• Aujourd’hui > 20 mégacités

• Augmentation population: urbaine 2.7% par an; générale 1.8 %

• 2007 population urbaine = population rurale

0

5

10

15

20

25

30

35

Tokyo

Mexic

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Megacities

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(km

-2)

Population (Million) Surface area (sq. km) Population density (per sq. km)

Megacity Characteristics

(Gurjar et al., Atmos. Env., 42 (2008) 1593–

1606)

Population urbaine and rurale,

1950-2030

Observations des colonnes

troposphériques du NO2 à partir de

l’espace : instrument OMI / platforme AURA

Estimations de tendances des émissions des NOx dans

plusieurs grandes Mégapôles 1996 – 2008 (% per year)

Mégapôles Tendances émissiosns NOx Tendances des

collonnes

satellitalesModélisation

inverse

cadastre emission

EMEP

Bagdad

Barcelona

Berlin

Istanbul

London

Madrid

Milan

Moscow

Paris

Ruhr region

S.-Petersburg

Tehran

3.91 (4.21)

3.34 (1.04)

-5.25 (1.51)

2.00 (1.01)

-4.47 (1.07)

1.75 (1.19)

-1.41 (1.10)

1.88 (1.62)

-3.38 (1.33)

-4.04 (1.26)

0.06 (1.52)

4.47 (1.50)

-0.62 (0.31)

-0.01 (0.37)

-3.37 (0.15)

1.62 (0.40)

-4.13(0.27)

-0.47 (0.32)

-3.48(0.19)

3.72(0.37)

-1.92 (0.44)

-4.44 (0.22)

2.650.36

-0.63 (0.51)

1.59(0.97)

3.05 (0.78)

-3.63 (0.86)

1.34 (0.81)

-2.86 (0.89)

1.77 (0.95)

0.41 (0.77)

0.50 (1.61)

-1.39 (0.98)

-1.77 (0.69)

-0.96 (1.06)

3.47 (1.07)

Cities with significant (1 sigma) differences in bold

=> tendance négative sur l’Europe de l’Ouest et Centrale,

tendance positive Europe de Sud et Est, Proche Orient

Konovalov, Beekmann et al., 2010

Mégapôles et environnement

Concept du metabolisme urbain

• Consommation de matière et d’énergie (aliments, matières premières, énergie electrique, produits industriels, eau, oxygène atmosphérique etc.)

• Export / création de matière (bien industriels, ordures, eau usée, pollution atmosphérique, ….)

Respiration urbaine => impact sur l’atmosphère

• Inspiration: oxygène

• Expiration : GES (CO2), polluants gazeux et particules primaires et secondaires

Impacts de la pollution atmosphérique

des mégapôles

• Santé

• Visibilité

• Ecosystèmes à l’échelle régionale

- Dépôt acide et de l’azote

- Photo-oxidants

- Rayonnement actif pour la photosynthèse

• Modification du climat régional

• Transport global des polluants

(Molina, 2004)

Impact sur la santé

Densité de population Mois de vie perdues due

à la pollution particulaire

pour 2000 (source IIASA)

Mégacités en dehors de l’Europe

problématique encore plus accrue de pollution de l’air

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

month of the year (2003)

PM

10, µg

.m-3 (

mo

nth

ly m

ean

)

Cairo, Egypt

Beijing, China

Paris, France

Cachier, Sciare, Guinot and Favez, 2007

Comparaison des niveaux d’aérosol PM10 de trois Megacités :

Paris, Beijing and Le Caire

Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement CNRS - CEA Gif sur Yvette (France)

PM10 particules d’un diamètre

en dessous de 10 µm ,

donc respirables

(Gurjar et al.,

Atmos. Env., 42

(2008) 1593–

1606)

Indice de pollution des Mégapôles

Megacity pollution index (MPI)

Tokyo (-0.3)

Mexico City (0.5)

New York (-0.2)

São Paulo (-0.3)

Mumbai (0.4)

Kolkata (0.6)

Shanghai (0.9)

Buenos Aires (0.0)

Delhi (0.9)

Los Angeles (-0.2)

Osaka-Kobe (-0.4)

Jakarta (1.2)

Beijing (2.0)

Rio de Janeiro (0.1)

Cairo (1.9)

Dhaka (2.4)

Moscow (1.1)

Karachi (1.8)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Fair air quality Poor air quality MPI = (1/n) [ ∑ (ACi - GCi) / GCi ]

i = TSP, SO2, NO2

TSP total suspended matter

n = nombre des polluants

considérés

ACi = concentration (observée)

GCi = reccommendation OMS

Paris agglomeration,

estimation

Feux Biosphère Activité

humaine

Polluants primaires

NOx, CO, COV

SO2, particules

CYCLES DES POLLUANTS

ATMOSPHERIQUES

Feux Biosphère Activité

humaine

Polluants

secondaires

Ozone (O3),

Acides

Particules

H2O

Hydroxyle (OH)

Polluants primaires

NOx, CO, COV

SO2, particules

+

CYCLES DES POLLUANTS

ATMOSPHERIQUES

Feux Biosphère Activité

humaine

Polluants

secondaires

Ozone (O3),

Acides

Particules

H2O

Hydroxyle (OH)

Dépôt

Polluants primaires

NOx, CO, COV

SO2, particules

+vents

lessivage

(important

pour aerosols)

CYCLES DES POLLUANTS

ATMOSPHERIQUES

Feux Biosphère Activité

humaine

Polluants

secondaires

Ozone (O3),

Acides

Particules

H2O

Hydroxyle (OH)

Polluants primaires

NOx, CO, COV

SO2, particules

+

LIEN AVEC LE CHANGEMENT

CLIMATIQUE

Bilan radiatif

Variables

climatiques

τ GES

Transport

LES QUESTIONS DE RECHERCHE

• Les processus– Emissions

– Processus de formation des particules, notamment organiques ,

à partir des composés organiques semivolatiles

Etudes des

processus au

LISA - Moyens

Modèle de chimie-

transport

En chambre

de simulation

Par simulation

numérique

Sur le Terrain

ATR-42 Safire

LES QUESTIONS DE RECHERCHE

• Les processus– Emissions

– Processus de formation des particules, notamment

organiques

• Les impacts– Santé -> Lien avec l’épidémiologie / toxicologie

– Retroactions avec le changement climatique

LES QUESTIONS DE RECHERCHE

• Les processus– Emissions

– Processus de formation des particules, notamment

organiques

• Les impacts– Santé -> Lien avec l’épidémiologie / toxicologie

– Retroactions avec le changement climatique

• Les évolutions futures– Développement urbain -> Lien avec les urbanistes

– Traduction en scénarios d’émissions

Evolution de la région parisienne

Le Grand Paris imaginé par Roland Castro, Ile de Vitry. Huit «entités

cohérentes» (à droite, l'Écoplanète du port de Gennevilliers), s'étalant

dans un périmètre de 40 kilomètres qui rassemble 8 millions

d'habitants, formeraient le Grand Paris.

Quelle scénarios futurs?

Mesures potentielles pour réduire l’impact des

Mégapoles sur le climat

Courtesy A. Baklanov DMI

Le projet FP7 MEGAPOLI• Objectif 1: Evaluer l’impact des

émissions des grandes

Mégapoles sur la qualité de l’air

et la composition chimique aux

échelles locales, régionales,

globales;

• Objectif 2: Quantifier les

retrocactions entre qualité de

l’air dans les mégcités et les

changement climatique

• Objectif 3: Développer et

mettre en œuvre d’outils

intégrés de modélisation et de

prévision de la QA dans les

Mégacités et dans les leur

voisinage;

Megacities: Emissions, urban, regional

and Global Atmospheric POLlution

and climate effects, and Integrated tools

for assessment and mitigation

La pyramide des mégacités dans MEGAPOLI

Modélisation régionale / urbaine

Observations disponibles et

nouvelles campagnes

Modélisation de scénarios de

remédiation

Modélisation régionale

Observations

disponibles

Modélisation intégrée

Modélisation globale

Etudes satellitales

Paris, London,

Rhine-Ruhr,

Po Valley

Moscow, Istanbul, Mexico City,

Beijing, Shanghai, Santiago,

Delhi, Mumbai, Bangkok, New

York, Cairo, Tokyo

All megacities:

cities with a population > 5 Million

1st Level

2nd Level

3rd Level

Soutien de

FP7 / MEGAPOLI

ANR Progamme Blanc

Programme INSU -LEFE-CHAT / ADEME

Ile de France Soutien SEPPE IdF

Campagne de terrain en Ile de France

en juillet 2009 + janvier/février 2010

Objectif : Mieux quantifier sources primaires et secondaires de l’aérosol carboné,

relation avec les précursuers gazeux

en milieu urbain et son panache

Exemple MILEAGE, LISAATR français

Configuration de la campagne de terrain été 2009/ hiver

2010

* Une dizaine de sites fixes à la surface

* 5 laboratoires mobiles * 2 avions de recherche

PARIS

EcolePolytechnique

LHVP

20km

Forest

ForestU-PEC

Jussieu

GOLF POUDRIERE

Tour Eiffel,Ballon Air de

ParisATR - 42

Sites LIDAR

Champs sur Marne

Organisation / Participants campagne IdF

Initial FP7 partners :

• CNRS (LISA, LSCE, GAME-CNRM, LaMP, LGGE, subcontractor SAFIRE)

• PSI, IfT, FORTH, Univ. Helsinki

French Participants :

• AIRPARIF, CEREA, Ecole de Mines, INERIS, LCME, LCP-

IRA, LATMOS, LHVP, QUALAIR, SIRTA/LMD/IPSL

EU Participants :

• MPI, PSI, Univ. Duisburg, FMI

lead : M. Beekmann (LISA-CNRS), U. Baltensperger (PSI)

• Ground based segment : Jean Sciare, Valerie Gros (LSCE)

• Airborne segment : Agnès Borbon (LISA)

• Ad hoc coordinating commitee with above persons, MEGAPOLI coordinators, aircraft instrument PI’s, and site responsibles

Moyens expérimentaux mis en œuvre lors de la campagne

MEGAPOLI en Ile de France en été 2009

• Telescope

OASIS : Observation

Atmosphériques par

Spectroscopie

Infrarouge Solaire

MOBILIS lidar at Créteilduring MEGAPOLI

sur le toit de la Faculté des Sciences

RESULTATScampagnes MEGAPOLI en IdF été 2009

et hiver 2010

• Structure verticale

• Caractère primaire ou secondaire des

polluants

• Sources d’émissions

• L’apport régional

• L’export regional

²

Urban aerosols

in the atmospheric boundary layer

Saharan dust

Cloud front

Aérosol urbain couche limite

Saharan dust

Front de nuage

Observations lidar MOBILIS à Créteil le 21.juillet 2009

Structure verticale complèxe de la basse atmosphèreCourtesy J. Cuesta

Poussièress aharienes

Org2.5743%

NO30.346%

SO41.3222%

NH40.5710%

Chl0.0005

0%BC

1.1419%

HOA35 %

OOA65 %

Composition chimique de l’aérosol fin (PM1 ) au Nord-Est de l’agglomération Parisienne en juillet 2009, à partir de mesures AMS (MPI- Mainz)

Concentration absolue en µg m-3

Fraction en %

OOA

Fraction organique

secondaire

HOA

Fraction primaire

Organique

NitratesSulfates

Ammonium

Suie

Formation secondaire de l’aérosol prédominante en été ,

même proche des sources d’émissions

Traffic , ….

0

10

20

30

40

50

60

70

80

07/01 12:00 08/01 00:00 08/01 12:00

Co

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on

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n e

sp

èces

ch

imiq

ues,

µg

/m3

0

25

50

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100

125

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en

PM

2.5

, µ

g/m

3

Sea salt

Ammonium Sulfate

Ammonium Nitrate

BC

Matière Organique

PM2.5

Potassium x 1000

10

20

30

40

50

60

70

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07/01 12:00 08/01 00:00 08/01 12:00

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Ammonium Nitrate

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Matière Organique

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07/01 12:00 08/01 00:00 08/01 12:00

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Ammonium Sulfate

Ammonium Nitrate

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Matière Organique

PM2.5

Potassium x 100

EU limit

Aerosol carboné

Indicateur

combustion de bois

Po

llutio

n a

lert

Courtesy J. Sciare (LSCE)

Evènement de pollution locale (combustion de bois)

Mesures au LHVP au 13. arrondissement

Les retro-panaches

de masses d’air

indiquent une origine

de plus en plus

continentale

0

5

10

15

20

25

30

26/01 00:00 26/01 12:00 27/01 00:00 27/01 12:00 28/01 00:00 28/01 12:00 29/01 00:00

Co

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3Sels de mer

Ammonium NitrateAmmonium sulfateBCMatière OrganiquePM2.5

Calcul de retropanaches

par Andreas Stohl, NILU

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Ammonium NitrateAmmonium sulfateBCMatière OrganiquePM2.5

Les retro-panaches

de masses d’air

indiquent une origine

de plus en plus

continentale

Calcul de retropanaches

par Andreas Stohl, NILU

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Ammonium NitrateAmmonium sulfateBCMatière OrganiquePM2.5

Les retro-panaches

de masses d’air

indiquent une origine

de plus en plus

continentale

Calcul de retropanaches

par Andreas Stohl, NILU

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Ammonium NitrateAmmonium sulfateBCMatière OrganiquePM2.5

Les retro-panaches

de masses d’air

indiquent une origine

de plus en plus

continentale

Calcul de retropanaches

par Andreas Stohl, NILU

Traceur primaire (suie)

=> export et dilution

Ile de

France

Simulations CHIMERE

Q.Zhang, LISA

Aérosol organique secondaire

=> Formation sous le vent

Ile de

France

Simulations CHIMERE

Q.Zhang, LISA

RESULTATS échelle plus large

• Impact des mégacités sur l’échelle

continentale

• …. sur l’échelle globale

• Impact sur le climat / météorologie

• Résultats – Effet sur dilution des panaches, mais forme similaire (forcage la

météo) Production maximale d’ozone dans le scénario de référence (à gauche) et dans le scénario « tout en villes» (à droite)

– En cours :- simulations pour un été entier - scénarios de densification ou extension des mégapôles

Influence de la structure urbaine des

émissions :

Concentrées sur capitalesHomogènes par pays Reférence

Simulations CHIMERE G. Siour, I. Coll, LISA

Impacts des émissions des Mégacités

à l’échelle globale

• Simulations avec le modèle global MATCH-MPIC (T62L28)

• Emissions issues de Megacities (cellules 1ox1o ) mises à zéro

Effets significatifs (> 10%)

sur les oxydes d’azotes qq. milliers de km sous le vent

Effets (> 10%) plus localisés pour l’ozone + impact faible sur le fond

NOx O3

Courtesy M. Lawrence , MPI, Mayance

(Butler and Lawrence, Env. Chem., 2009)

Différences (simulation avec ou sans l’effet de l’aérosols):

• temperature – jusqu’à to 2-3 deg C,

• vitesse de vent – jusqu’à 2-4 m/s,

• hauteur de la couche limite (couche de mélange rapide des

polluants) – jusqu’à 200 m,

• dépôt sec et humide des polluants – jusqu’à 7%.

Effets de l’aérosol sur la météorologie

665 km

44

5 k

m

Paris Etude de cas:

28 Jun – 3 Jul 2005

Difference (reference - perturbation)

Temp 2 m, deg C

Vent 10 m, m/s

(Courtesy of DMI:

Korsholm et al., 2009)

Processus dominant pour ce cas :

Paris

Emissions Aerosols

Couche nuageuse augmentée

( 2. effet indirect)

Refoidissement pendant la journée

Rechauffement pendant la nuit

Reponse sur rayonnement

Courtes (UV-VIS) et

longes longeur (IR) d’ondes

En plus : D Temp => D Vent

=> D PolluantsP

ressure

(pa)

concentration (μg m-3)

Profil vertical simulé de NO2 à

49.2N;2.7E pour le 2005-06-29

à 12 UTC

(Courtesy of DMI:

Korsholm et al., 2009)

Référence

Avec effets

de l’aérosol

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

• Campagnes MEGAPOLI

- Eté 2009 : Conditions assez dispersives, pollution

secondaire est majoritaire

- Hiver 2010 : Mise en évidence d’une source majeure

de la combustion de bois pour l’aérosol organique

- Mise en évidence Import / Export

- Impact potentiel sur climat / météo régional

• Perspectives

Intégration chimie atmosphérique / Science du

climat / Science Humaines et Sociales

• More material

• http://megapoli.dmi.dk/

• http://megapoli.lisa.univ-paris12.fr

• Remerciements

• oOutien de • .

Soutien de

FP7 / MEGAPOLI

ANR Progamme Blanc

Programme INSU -LEFE-CHAT / ADEME

Ile de France Soutien SEPPE IdF

Support logistique

SIRTA , LHVP , Golf de la Poudrière

Prévision

PREVAIR www.prevair.org

Acknowledgements MEGAPOLI team

• M. Beekmann1, U. Baltensperger2, A. Borbon1, J. Sciare3, V. Gros3, A. Baklanov4, M. Lawrence5, S.

Pandis6, V.Kostenidou6, M.Psichoudaki6, L. Gomes7, P. Tulet7, A. Wiedensohler8, A. Held*, L.

Poulain8, K.Kamilli8, W. Birmli8, A. Schwarzenboeck9, K. Sellegri9, A. Colomb9, J.M. Pichon9,

E.Fernay9, J.L. Jaffrezo10, P. Laj10, C. Afif1, V. Ait-Helal1*, B. Aumont1, S. Chevailler1, P. Chelin1, I.

Coll1, J.F. Doussin1, R. Durand-Jolibois1, H. Mac Leod1, V. Michoud1, K. Miet1, N. Grand1, S. Perrier1,

H. Petetin1, T. Raventos1, C. Schmechtig1, G. Siour1, C. Viatte1, Q. Zhang1**, P. Chazette3, M. Bressi3,

M. Lopez5, P. Royer3, R. Sarda-Esteve3, F. Drewnick5, J. Schneider5, M. Brands5, S. Bormann5, K.

Dzepina5, F. Freutel5, S. Gallavardin5, T. Klimach5, T. Marbach5, R. Shaiganfar5, S.L. Von der

Weiden5, T. Wagner5, S.Zorn5, P. De Carlo2, A. Prevot2, M. Crippa2, C. Mohr2, Marie Laborde2, M.

Gysel2, Roberto Chirico2, Maarten Heringa2, A. Butet11, A. Bourdon11, E. Mathieu11, T. Perrin11,

SAFIRE team, J.Wenger12, R. Healy12, I.O. Connor12, E. Mc Gillicuddy12, P. Alto13, J.P.Jalkanen13, M.

Kulmala13, P Lameloise14, V. Ghersi14, O. Sanchez14, A. Kauffman14, H. Marfaing14, C. Honoré14, L.

Chiappini15, O. Favez15, F. Melleux15, G. Aymoz15, B. Bessagnet15, L. Rouil15, S. Rossignol15, M.

Haeffelin16, C. Pietras16, J. C. Dupont16, and the SIRTA team, S. Kukui17, E. Dieudonné17, F.

Ravetta17, J.C.Raut17,G. Ancellet17, F. Goutail17, J.L Besombes18, N. Marchand19, Y. Le Moullec20, J.

Cuesta21,Y.Te21, N. Laccoge22, S. Lolli23, L. Sauvage23, S.Loannec23, D. Ptak24, A. Schmidt24, S.

Conil25, M. Boquet26,

1Laboratoire InterUniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA), Université Paris Est et 7, CNRS, Créteil, France, 2 Paul Scherrer Institut,

Villingen, Switzerland, 3Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), Gif sur Yvette, France,, 4 Danish Meteorological

Institute, Copenhagen, Denmark, 5Max-Planck-Institute for Chemistry, Mainz, Germany, 6Foundation for Research and Technology, Hellas,

University of Patras, Greece, 7Game,Centre National de Recherche Météorologique, Toulouse , France , 8Institut für Troposphärenforschung,

Leipzig, Germany, 9Laboratoire de Météorologie Physique, Clermont-Ferrand, France, 10Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de

l’Environnement, Grenoble, France , 11SAFIRE, Toulouse, France, 12University College Cork, Ireland, 13University Helsinki, Finland , 14AIRPARIF, Paris, France, 15INERIS, France, ,16SIRTA/IPSL, Palaiseau, France, 17Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales,

Paris, France, ,18Laboratoire de Chimie Moléculaire et Environnement, Chambery, France, 19Laboratoire de Chimie Provence, Marseille,

France, 20Laboratoire de l’Hygiène de la Ville de Paris, France,, 21Laboratorie de Météorologie Dynamique, Palaiseau, France , 22Département

Environnement et Chimie, Ecole de Mines de Douais, France, ,, 23LEOSPHERE, France, 24Universität Duisburg-Essen), Germany, 25ANDRA,

Châtenay-Malabry, France, 26CEREA, Marne La Vallée, France , **also ARIA-Technologie. France