Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de pollution atmosphérique et du sol LPAS)

Validation and application of an urban turbulence parameterisation scheme for mesoscale atmospheric models

Roulet, Yves-Alain F. ; Clappier, Alain (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3032.

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    Summary
    Growing population, extensive use (and abuse) of the natural resources, increasing pollutants emissions in the atmosphere: these are a few obstacles (and not the least) one has to face with nowadays to ensure the sustainability of our planet in general, and of the air quality in particular. In the case of air pollution, the processes that govern the transport and the chemical transformation of pollutants are highly complex and non-linear. The use of numerical models for simulating meteorological fields, which in turn will determine the transport of pollutants in the atmosphere, is thus a very appropriate tool to describe and understand the air pollution problematic. This work focuses on the meteorological simulation, using a mesoscale model. The stress is particularly put on the parameterisation of urban induced effects on the meteorological fields above a city. A detailed urban parameterisation scheme has been implemented in a mesoscale model in a previous work. This new scheme takes into account the presence of a city in a more accurate way as the traditional method usually used in mesoscale models. In the first part of this work, the urban module was validated for a one-dimensional off-line simulation within and above a street canyon in the city of Basel/Switzerland. The simulation results were compared with measurements taken within and above the same street canyon during an intensive observation period in the frame of the BUBBLE project (Basel UrBan Boundary Layer Experiment). The comparison with the measurements and with a simulation using the traditional urban parameterisation showed that the detailed urban scheme improved the quality of the simulation of turbulent fluxes and meteorological parameters (wind, temperature) in the urban canopy. Further on, the mesoscale was applied for a three-dimensional simulation over the city of Basel and its surroundings. The results showed that the model is able to reproduce the wind pattern that prevailed during the simulated episode, and that the accuracy of the temperature simulation in the city is improved with the urban module. In the third part of this work, an air quality study was performed over the Mexico City basin. The mesoscale model simulated the meteorological conditions for the chosen episode (1 and 2 March 1997). The results were then passed to TAPOM, a Eulerian photochemical model that calculates the space and time distribution of air pollutants. The simulated concentrations over the basin showed good agreement with the observed values. The validated model could then be used to test some emissions reduction scenarios for Mexico City. The use of the detailed urban parameterisation scheme for meteorological fields and air pollutants concentration simulation improved the quality of the results in almost all the applied situations. Consequently, the full modelling tool presented and validated in this work can be used for air quality modelling studies over cities and their surroundings.
    Résumé
    Croissance de la population mondiale, utilisation effrénée des ressources naturelles, augmentation des polluants émis dans l'atmosphère: voici quelques obstacles (et non des moindre) auxquels nous sommes confrontés de nos jours afin d'assurer la durabilité de notre planète en général, et de la qualité de l'air en particulier. Dans le cas de la pollution atmosphérique, les processus gouvernant le transport et les transformations chimiques des polluants sont complexes et très fortement non linéaires. L'utilisation de modèles numériques pour la simulation des champs météorologiques, qui eux-mêmes déterminent le transport des polluants dans l'atmosphère, représente de ce fait un outil très adapté pour la description et la compréhension de la pollution de l'air. Ce travail se concentre sur la simulation météorologique à l'aide d'un modèle à méso-échelle. L'accent est tout particulièrement porté sur la paramétrisation des effets induits par la présence d'une surface urbaine sur les champs météorologiques. Un schéma de paramétrisation urbaine a été développé et implémenté dans un modèle méso-échelle, FVM (Finite Volume Model) lors d'un travail précédent. Ce nouveau schéma représente une surface urbaine d'une manière plus précise que les méthodes traditionnelles de paramétrisation. Lors de la première partie de ce travail, le module urbain a été validé en off-line pour une simulation unidimensionnelle à l'intérieur d'un canyon urbain dans la ville de Bâle/Suisse. Les résultats de la simulation ont été comparés à des mesures prises dans ce même canyon urbain lors d'une campagne de mesures intensive organisée dans le cadre du projet BUBBLE (Basel UrBan Boundary Layer Experiment). La comparaison avec les mesures, ainsi qu'avec les résultats d'une simulation utilisant la méthode traditionnelle, ont démontré que le schéma détaillé de paramétrisation urbaine améliorait la qualité de la modélisation des flux turbulents et des paramètres météorologiques dans la canopée urbaine. Dans un deuxième temps, le modèle méso-échelle FVM a été utilisé pour une simulation en trois dimensions sur la ville de Bâle et ses environs. Il a été montré que le modèle est capable de reproduire l'évolution générale des vents régnant lors de l'épisode simulé, et que l'utilisation du module urbain détaillé permet une amélioration de la simulation des températures en ville. La troisième partie de ce travail présente une étude de qualité de l'air sur le bassin de la ville de Mexico. Le modèle méso-échelle est utilisé pour simuler les conditions météorologiques régnant lors de l'épisode de pollution choisi (1 et 2 Mars 1997). Les champs météorologiques ainsi obtenus sont utilisés par un modèle photochimique Eulérien, le modèle TAPOM, qui calcule la distribution spatiale et temporelle des polluants atmosphériques. Cette simulation sur le bassin de Mexico a montré une distribution des polluants en accord avec les concentrations mesurées. Le modèle ainsi validé a pu être utilisé pour tester des scénarios de réduction des émissions. L'utilisation de la paramétrisation urbaine détaillée pour la simulation des champs météorologiques et des concentrations de polluants a permis d'améliorer les résultats dans presque toutes les applications de ce travail. Par conséquent, l'outil complet de modélisation utilisé ici peut être employé pour des études de qualité de l'air sur des villes et leurs environs.