Faculté des sciences

L'ambroisie : analyse statistique et modélisation numérique de sa trajectoire aérobiologique

Goyette-Pernot, Joëlle ; Beniston, Martin (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2006 ; no 1530.

Les allergies respiratoires ne cessent d’augmenter partout dans le monde au même titre que les coûts associés, touchant une part de plus en plus grande de la population. Le pollen de l’Ambroisie est une des sources potentielles, reconnue pour ses propriétés fortement allergisantes. Caractérisé par des émissions de celui-ci dans l’air extrêmement abondantes d’août à septembre de... Plus

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    Résumé
    Les allergies respiratoires ne cessent d’augmenter partout dans le monde au même titre que les coûts associés, touchant une part de plus en plus grande de la population. Le pollen de l’Ambroisie est une des sources potentielles, reconnue pour ses propriétés fortement allergisantes. Caractérisé par des émissions de celui-ci dans l’air extrêmement abondantes d’août à septembre de chaque année, il n’en est que plus redoutable. Cette étude porte sur la problématique de l’ambroisie et plus particulièrement sur les moyens dont on dispose à l’heure actuelle pour comprendre l’évolution de son nuage pollinique en pleine saison de pollinisation, de même que sur ceux que l’on pourrait développer pour parvenir, à plus longue échéance, à une meilleure prévision des risques associés à sa pollinisation. Au cours de son trajet dans l’atmosphère, le pollen est soumis à l’influence directe des conditions atmosphériques. Ce jeu des paramètres météorologiques sur les quantités de pollen mesurées, retient toute notre attention. Cette recherche aérobiologique se concentre sur la grande région de Montréal qui connaît tous les ans de sérieux cas de pollinose à l’herbe à poux, telle que communément appelée là-bas. Originaire d’Amérique du Nord, elle y est quasi omniprésente depuis longtemps, ce qui en fait un laboratoire d’étude très intéressant. Une revue de la littérature disponible est proposée en premier lieu afin d’aborder la question des rythmes et des caractéristiques qui en font une plante à haut risque, principale responsable des allergies respiratoires auprès de 10% de la population locale. La trajectoire aérobiologique de son pollen est ensuite décortiquée ainsi que les paramètres météorologiques qui interviennent selon divers degrés à l’occasion de chacune des étapes de ce trajet aérien. La plupart de ces effets se produisent dans les basses couches de l’atmosphère, dont le caractère turbulent est particulièrement déterminant du devenir du pollen. Afin d’étudier ces comportements un certain nombre de techniques de mesure et d’évaluation ont déjà été testées et publiées. Elles sont décrites et nous proposons dans les deux prochaines étapes deux méthodes complémentaires pour son étude. Parmi elles, une analyse statistique du comportement du nuage d’ambroisie durant la période 1994-2003 est présentée à partir de données d’observation. Cette décennie est marquée par une période particulièrement pollinique avec les années 1998 à 2001, associée à une série de printemps et étés plutôt anormalement secs et chauds. Une analyse globale du risque tenant compte des types de temps expérimentés à Montréal permet d’identifier des situations météorologiques plus ou moins « à risque » tenant compte tant de leur fréquence d’occurrence que de leur contribution à la charge pollinique globale saisonnière. Il en ressort que les plus fréquentes sont aussi les plus grandes contributrices, mais qu’il ne faut pas négliger pour autant d’autres situations qui, du fait de leur rareté, ne pèsent pas aussi lourd dans la balance pollinique mais qui, au cas par cas, peuvent s’avérer extrêmement risquées. Quoiqu’il en soit, le niveau du seuil clinique étant largement dépassé au cours de chacune des saisons analysées, la situation demeure globalement critique à Montréal. Si l’observation in situ et l’analyse statistique des données offrent une image cohérente et intéressante des risques polliniques potentiels au dessus d’une région donnée, seules des analyses plus détaillées à l’aide d’outils numériques perfectionnés intégrant les principes fondamentaux de la physique de l’atmosphère tels les modèles numériques régionaux du climat peuvent offrir l’occasion d’analyser avec un détail spatio-temporel inconnu jusqu’alors, le comportement d’un nuage pollinique simulé qui se veut être aussi proche que possible de la réalité. Cette dernière approche se veut innovante et présentant un potentiel d’avenir non négligeable. La méthode par emboîtement multiple qui a été utilisée, permet de simuler le comportement du nuage pollinique de l’ambroisie sur une grille centrée au-dessus de la grande région de Montréal, comptant 60X60 noeuds de calculs distancés chacun de 1 km et 25 niveaux dans la verticale. Les résultats sont sauvegardés toutes les 15 minutes. Ceci confère l’énorme avantage de pouvoir étudier l’évolution spatio-temporelle du nuage avec une précision jusqu’alors impossible avec la seule observation sur le terrain et les techniques d’échantillonnage disponibles. La trajectoire aérobiologique est reproduite dans sa totalité dans le modèle, de l’émission, jusqu’à la déposition du pollen en passant par sa dispersion. L’émission est prescrite suivant une carte de localisation des sources disponible et tient compte pour la détermination des flux, de paramètres issus de la littérature. Une fois le pollen pris en charge par l’atmosphère, il est soumis à l’évolution thermodynamique de la couche limite atmosphérique. Une situation typique de fi n d’été est simulée et analysée. Globalement la simulation se comporte selon les tendances de l’observation. Elle permet entre autre de voir à quel point de petites fluctuations des conditions atmosphériques peuvent affecter le développement du nuage de façon significative et de fait, les zones touchées par des niveaux de risque plus ou moins élevés. Les résultats obtenus sont tout à faits encourageants et bien qu’encore difficilement comparables dans le détail à l’observation, ouvrent sans doute une nouvelle voie de recherche pour l’aérobiologie.
    Summary
    Allergic rhinitis as well as associated costs are constantly increasing, affecting a proportion always larger of the population across the world. Ragweed is a source of pollen well known for its high allergenic properties. Characterized by heavy emissions of the pollen in the air from August to October of each year, its allergenic potential is greatly enhanced. This study deals with the problems induced by ragweed pollen and more specifically with the means currently available to understand the pollen cloud evolution during the pollination season. In addition to the analysis of the pollen cloud, another approach that could be developed to achieve in the future better pollination risk forecasts is presented. While travelling in the air, the pollen is directly influenced by the atmospheric conditions. The focus will be on the interplay of the meteorological parameters over the sampled pollen concentrations. This research under the theme of aerobiology, concentrates on the greater Montreal area which experiences each year serious cases of pollinosis related to ragweed (or “herbe à poux”, as it is locally referred to). Coming from North America, it has long been endemic, which makes the region an attractive research laboratory. A review of the available literature is proposed first, in order to present an overview of the questions of rhythms and characteristics that make ragweed a high risk plant, responsible for more than 10% of the declared local allergic rhinitis. The aerobiological pathway of the pollen is then analyzed as well as the meteorological parameters that interfere at various degrees during each step of its transport in the atmosphere. Most of the effects occur in the lowest levels of the atmosphere where the turbulence is especially determinant of the pollen concentrations. In order to study these behaviours a number of measurements techniques and evaluation tools have already been tested and published. They are described and two complementary approaches are proposed in the following. Among them, a statistical analysis of the pollen cloud behaviour over the period 1994-2003, is presented based on observed data. This decade is characterized by specially pollinic years from 1998 to 2001, associated with above-normal dry and hot springs and summers. A global analysis of pollinic risk according to weather types experimented in Montreal helps to identify more or less risky meteorological conjunctions taking into account frequency of occurrence and contribution to the global seasonal pollen load. It appears that the most frequent are also the larger contributors, what does not mean that one can neglect other situation, because even if they are less frequent, they are not necessarily less intense. Although the clinical threshold is high during all the seasons studied, the situation remains globally critical in Montreal. If in situ observation as well as statistical analysis offer a consistent and interesting picture of potential pollinic risks over a region, more detailed analysis with the help of advanced numerical tools integrating fundamental principals of atmospheric physics, namely regional climate models, may offer the opportunity to analyse with very high spatio-temporal resolution, the simulated pollen cloud behaviour that should be as close as possible to the real one. This approach is innovative and presents a significant potential for the future. The multiple selfnesting methods that are used to simulate the behaviour of the ragweed pollen cloud over a grid centred above Montreal, includes 60X60 computation nodes with a 1 km spacing and 25 levels in the vertical. Results are saved every 15 min. That confers the enormous advantage of being able to study the spatio-temporal evolution of the cloud with a precision till now unavailable from field measurements as well as from available sampling techniques. The aerobiological pathway is reproduced in full, from the emission to the pollen deposition including transport and dispersion. Emission is prescribed according to an available localisation source map and takes into account parameters obtained from the literature for the determination of fluxes. Once the pollen is embedded within the air flow, it is subjected to the thermo-dynamical evolution of the boundary layer. Typical end of summer conditions are simulated and analysed. Globally the simulation behaves like the observed tendencies. It allows emphasizing inter alia that small fluctuations of atmospheric conditions may affect significantly the development of the pollen cloud and by the same occasion, the areas affected by more or less important levels of risk. Results are encouraging and open a new field of research for aerobiology.