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ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

Comment sont produites les cartes ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM) ?

 
Les cartes RIO-IFDM-OSPM sont le résultat du couplage de trois modèles :

- l'interpolation des mesures de la qualité de l'air (méthode d'interpolation RIO)

- le calcul de la qualité de l'air basé sur les données météorologiques et les émissions de polluants atmosphériques (modèle de dispersion bi-gaussien IFDM)

- le calcul de l'impact des "street canyon" (modèle OSPM)

Ci-après sont présentés ces trois modèles et les avantages et les inconvénients de la combinaison RIO-IFDM-OSPM.

Modèle RIO : interpolation des mesures de la qualité de l'air

En Belgique, la qualité de l'air est mesurée à des points de mesure fixes répartis sur l'ensemble du territoire. Ces mesures sont effectuées à l'aide d'appareils de mesure automatiques et donnent une image très précise de la qualité de l'air à ces endroits. Cependant, il est impossible de le mesurer partout. Des modèles informatiques sont utilisés pour estimer la qualité de l'air dans les endroits où aucune mesure n'est prise. Le modèle RIO est l'un de ces modèles et calcule les concentrations d'un certain nombre de polluants atmosphériques.

RIO est une méthode d'interpolation qui utilise les mesures disponibles des stations de mesure fixes et les interpole de manière intelligente. Intelligent, car RIO tient également compte des données d’occupation du sol. Une corrélation existe entre les concentrations de polluants atmosphériques et l’occupation du sol. Dans les villes, et donc dans les zones très habitées et très fréquentées, la pollution atmosphérique est plus importante que dans les zones forestières. RIO estime les "concentrations de fond" pour des zones de 4x4 km². Toutefois, dans une telle cellule de grille de 4 x 4 km², RIO ne peut pas faire la distinction entre, par exemple, les petites zones forestières et les zones plus urbanisées ou à forte circulation. En d'autres termes, c’est la concentration moyenne de la cellule de la grille de 4 x 4 km² qui est calculée.

RIO 4x4km - Leuven

Un exemple de carte RIO 4x4 km² (zoom sur Louvain).

Afin d’augmenter le niveau de précision des concentrations de polluants au sein d’une cellule de grille de 4 x 4 km², la méthode d'interpolation RIO est combinée au modèle IFDM.

Modèle IFDM : dispersion des polluants atmosphériques

Le modèle IFDM calcule l'impact des émissions (rejets de polluants dans l'air) de sources ponctuelles et linéaires sur la qualité de l'air au voisinage immédiat de ces sources ponctuelles ou linéaires. Une source ponctuelle est par exemple une usine. Les sources linéaires sont les émissions provenant de la circulation sur une route ou une partie de route, ou de la navigation sur un cours d’eau.

L'emplacement exact des principales sources industrielles et la quantité de polluants émis sont connus. Les comptages de trafic et la composition moyenne du parc de véhicules sont utilisés pour faire une bonne estimation des émissions du trafic routier par route (segment). Ces émissions par route (segment) sont estimées pour les principales routes urbaines et régionales ainsi que pour les autoroutes et les périphériques (voir ci-dessous pour les limites de ces données).

Dans la version actuelle de l'IFDM, seules les émissions du trafic routier, du transport fluvial et des sources industrielles sont pris en compte. D'autres sources de pollution atmosphérique, telles que l'agriculture et le chauffage résidentiel, ne sont pas modélisés dans le module IFDM, mais sont incluses dans les concentrations de fond RIO 4x4 km². En effet, contrairement aux sources ponctuelles ou linéaires, les émissions de l'agriculture et des ménages sont beaucoup plus dispersées sur de plus grandes surfaces.

Afin d'éviter le double comptage des sources de trafic et des sources industrielles, une correction est appliquée. Les concentrations de RIO 4x4 km², qui sont le résultat de l’interpolation des mesures, incluent les contributions de toutes les sources.

Le modèle IFDM n'utilise pas de mesures comme la méthode d'interpolation RIO, mais calcule les concentrations de polluants atmosphériques à partir des données d'émission et des données météorologiques telles que la vitesse du vent, la direction du vent et la température. Ces données météorologiques déterminent l'étendue de la pollution et les endroits où elle se propage. Pour certaines substances, telles que le dioxyde d'azote (NO2) ou l'ozone (O3), les réactions chimiques dans l'atmosphère jouent également un rôle. La vitesse de ces réactions chimiques est, entre autres, déterminée par la température.

IFDM est calculé pour plus de 1 300 000 points récepteurs pour l'ensemble de la Belgique, avec une plus grande densité de points le long des routes et à proximité des sources industrielles. Le long des routes principales, les concentrations sont calculées à une distance de 15, 75, 120, 250, 500, 1000, 2000, 3000 et 5000 mètres. Grâce à un traitement postérieur (interpolation des 1 300 000 points), une carte de concentration plus détaillée est obtenue.

Receptorpunten RIO-IFDM - Leuven

Grille IFDM pour la région de Louvain.

RIO-IFDM resultaat 2016 - Leuven

Combinaison RIO-IFDM pour la région de Louvain.

OSPM: impact des "street canyons"

Le modèle de dispersion IFDM est un modèle 'open street' et ne prend donc pas en compte les obstacles (arbres, murs antibruit, rangées de maisons fermées...) le long des routes où l'impact du trafic est calculé. Cela signifie que RIO-IFDM sous-estime les concentrations dans les rues étroites à fort trafic dans les grands centres urbains (ce qu'on appelle les street canyons). La ventilation naturelle dans ces rues est limitée, ce qui signifie que la pollution de l'air est moins susceptible de se disperser entre les bâtiments. Pour en tenir compte, un troisième modèle est ajouté à la chaîne RIO-IFDM: le modèle OSPM. Ce modèle utilise des informations détaillées sur la configuration des rues. Un calcul OSPM est effectué pour toutes les rues qui sont considérées comme street canyon. Ce calcul prend également en compte la faible dispersion de la pollution de l'air dans ces rues.

RIO-IFDM-OSPM resultaat 2016 - Leuven

Combinaison RIO-IFDM-OSPM pour la région de Louvain.

Fiabilité de la combinaison RIO-IFDM-OSPM ?

La chaîne de calcul RIO-IFDM-OSPM, aussi appelée ATMOS-Street, est actuellement le meilleur outil de calcul disponible pour modéliser la qualité de l'air au niveau de la rue. Les validations du modèle sont réalisées en comparant les résultats du modèle avec les valeurs mesurées.

Le niveau de détail des données d'entrée diffère entre les 3 Régions. Les résultats de validation ne sont donc pas directement transposables d'une Région à l'autre.

Le modèle a été validé en Flandre grâce à la très large campagne de mesure citoyenne CurieuzeNeuzen. Au cours de ce projet CurieuzeNeuzen en mai 2018, les concentrations de dioxyde d'azote (NO2) ont été mesurées en près de 20 000 endroits en Flandre à l'aide de tubes de mesure spéciaux (méthode de mesure passive). Les concentrations modélisées par ATMO-Street ont été comparés aux résultats des mesures de CurieuzeNeuzen, elles atteignent un coéfficient de détermination (R²) de 0,58. Cela signifie que le modèle ATMO-Street peut expliquer 58% de la variation des concentrations de NO2 mesurées dans CurieuzeNeuzen. L'écart moyen entre les résultats mesurés et modélisés était de -1,93 µg/m³, soit en moyenne une légère sous-estimation des concentrations mesurées. Le modèle est également conforme aux Model Quality Objectives tels qu'imposés par la Commission européenne (via FAIRMODE). Plus d'informations sur la validation de ATMO-Street dans CurieuzeNeuzen sont disponibles dans le rapport de validation suivant : https://rma.vito.be/~lefebvrw/Vergelijking_curieuzeneuzen_definitief.pdf

En Wallonie, trois campagnes de 50 mesures par tubes passifs à Liège, Namur et Eupen en septembre 2019 ont été utilisées pour une première validation du modèle. Ces mesures ont été comparées aux valeurs modélisées, le coéfficient de détermination (R²) est de 0.61 et le modèle sous-estime globalement les mesures de 2.54 µg/m³. Il est toutefois important de signaler que dans les cas particuliers de certains larges boulevards et des bords de Meuse (configuration semi-ouverte), les concentrations calculées sont parfois nettement surestimées, en raison d'artefacts dûs au réseau routier utilisé.

Actuellement, pour la Région de Bruxelles-Capitale, aucune campagne de mesure indépendante n'a pu à ce jour être utilisée pour valider le modèle.

Plusieurs exercices de validation montrent que les paramètres de validation obtenus avec le modèle ATMO-Street sont meilleurs que ceux du modèle 'open-street' RIO-IFDM.

Les exercices de validation sont réalisés chaque année et peuvent être consultés ici.

Le modèle RIO-IFDM-OSPM est également amélioré et affiné en permanence sur la base de nouvelles connaissances scientifiques.

Avantages d’ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

Le principal avantage de la combinaison RIO-IFDM-OSPM est que la qualité de l'air peut être estimée avec une haute résolution spatiale, jusqu'au niveau de la rue. Cela permet à la population d'être mieux informée sur la qualité de l'air et sur l'exposition de la population, et les calculs d'impact sur la santé peuvent être réalisés à un niveau détaillé et correct. Ce genre de calculs n'est pas sans importance puisque l'un des objectifs de la politique européenne de qualité de l'air est de réduire l'impact sur la santé d'environ 50 % d'ici 2030 (New Air Quality Package, A Clean Air Programme for Europe, voir : https://ec.europa.eu/environment/air/clean_air_policy.htm).

Il est également possible de mieux cartographier les hotspots de pollution (c’est-à-dire les zones où, par exemple, les valeurs limites de l'UE sont dépassées). Cela permet aux décideurs politiques de prendre des mesures plus ciblées pour améliorer encore la qualité de l'air.

Limitations d’ATMO-Street (RIO-IFDM-OSPM)

La qualité de l'air à un certain endroit calculée avec RIO-IFDM-OSPM est une bonne approximation de la réalité mais est, comme tous les calculs de modèles, sujette à des incertitudes. La concentration calculée à n'importe quel endroit peut être supérieure ou inférieure à la concentration réelle (inconnue). Cela est inhérent aux modèles de qualité de l'air. L'incertitude des calculs du modèle est généralement plus grande que l'incertitude des mesures.

De manière générale, la chaîne RIO-IFDM-OSPM présente également un certain nombre de limites :

- Dans le modèle ATMO-Street, les émissions de l'année la plus récente sont utilisées. Pour les sources ponctuelles industrielles et les sources de trafic, il s'agit généralement de l'année X-1 pour la modélisation de l'année X. En d'autres termes, les émissions ont un an de retard.

- Les émissions du trafic sont calculées sur base des volumes de trafic, des vitesses par segment, et de la composition moyenne du parc de véhicules (régional). Les données de trafic sur le réseau structurant (autoroutes et routes régionales importantes) sont disponibles via les comptages routiers systématiques. Les informations sur les volumes de trafic sur le réseau secondaire (plus petites routes et/ou routes à très faible trafic) sont très limitées. Actuellement, le trafic sur le réseau secondaire est estimé à partir d’un modèle de propagation en Flandre et à Bruxelles, et à partir de données GPS en Wallonie.

- L'impact des rues à très faible trafic n'est pas calculé. 

- Les situations de circulation temporaires (déviations, embouteillages,...) ne sont pas prises en compte. Les nouvelles situations de trafic (plans de circulation, nouvelles routes, ...) ne peuvent être prises en compte que dès qu'elles sont incluses dans le réseau de circulation. L'effet d'une nouvelle situation de trafic (conduisant à plus ou moins de trafic) sur les concentrations calculées ne sera donc pas immédiatement visible sur les cartes ATMO-Street ;

- En Wallonie, les données du réseau routier utilisé dans le modèle est davantage détaillé. Cela entraîne un artefact dans les boulevards et sur les bords de Meuse. D'après l'exercice de validation (comparaison entre les mesures et les résultats du modèle), les concentrations y sont surestimées.

- Les concentrations de particules dans les street canyons sont encore sous-estimées par la chaîne de modélisation car la resuspension répétée des poussières de la circulation n'est pas pris en compte.

- En Flandre, les sources industrielles diffuses de particules fines sont utilisées dans le modèle. Il s'agit principalement des émissions des entreprises de stockage et de transbordement dans les ports d'Anvers et de Gand. L'incertitude de ces émissions est cependant élevée.

- L'impact de sources très locales (comme des poêles à bois) ou accidentelles (comme un incendie) sur la qualité de l'air ne peut être estimé avec le modèle ATMO-Street.

Vous trouverez des informations plus détaillées dans les rapports et articles scientifiques suivants :

- Janssen et al, 2008, "Spatial interpolation of air pollution measurements using CORINE land cover data", Atmospheric Environment 42 (20) 4884-4903

- Lefebvre et al.,2013 "Presentation and evaluation of an integrated model chain to respond to traffic- and health-related policy questions", Environmental Modelling & Software 40 160- 170

- Lefebvre W., Vranckx S.,2013 "Validation du modèle IFDM pour une utilisation dans les applications urbaines"