Dveloppement dun schma chimique pour ltude de la pollution photooxydante lchelle hmisphrique

1
Développement dun schéma chimique pour létude
de la pollution photooxydante à léchelle
hémisphérique
S. Laval-Szopa (1), F. Brocheton (2), B. Aumont
(1), V.H. Peuch (2), G.Bergametti (1)

• LISA
• CNRM

2
MOCAGE un outil multi-domaines et
multi-échelles du sol à 5 hPa
1, 47 niv.
0.25, 47 niv.
2, 47 niv.
0.08, 47 niv.
Nécessité davoir un schéma chimique pertinent
pour la représentation des processus aux
différentes échelles
3
Nombre despèces et de réactions dans un schéma
explicite doxydation de COV
n-alcanes
Nombre de réactions
Nombre despèces
Nombre de carbone
4
Réduction de schémas chimiques Position du
problème
Milieu considéré
Diversité des COV à traiter
Concentration en NOx
Simplification chimique pour traiter ce milieu
uniquement
5
Quel schéma choisir pour représenter la chimie
troposphérique aux différentes échelles spatiales
?

• intercomparer des schémas existants

6
Caractéristiques notables des schémas comparés
RO2 sous forme de compteurs et opérateurs
espèces
Réservoirs de NOx
biogéniques
aromatiques
réactions
alcènes
alcanes
GLOBAL
IMAGES5
3
3
1
2
6
65
210
HARVARD
3
1 (pas éthène)
6
67
0
221
acétone
CONTINENTAL
RACM
64
220
4
4
2
3
3
?
SAPRC99
62
175
5
3
2
2
6
7
CONDITIONS DE SIMULATION
? Émissions
Inventaire EDGAR/GEIA (11, totaux annuels ou
mensuels,utilisation profil journalier
moyen) Inventaire GENEMIS (9km9km, émission
horaire)
désagrégation
agrégations
Espèces IMAGES5
Covs primaires explicites ( 150 espèces)
Classes EDGAR/GENEMIS
Espèces HARVARD
Espèces RACM
Espèces SAPRC
8
CONDITIONS DE SIMULATION

• Chimie inorganique / méthane / stratosphérique
• identique pour tous les schémas schéma
  stratosphérique REPROBUS (54 esp., 150 réact.,
  chimie du méthane et des halogénés)
• Forçages météorologiques et conditions initiales
  identiques pour tous les schémas

Cas détude
gt Pré-campagne ESCOMPTE (26 juin au 02 juillet
2000)
Comparaison aux mesures pré-campagne
ESCOMPTE (évaluation qualitative des schémas par
rapport à la couche limite continentale)
9
Pré-campagne ESCOMPTE (26 juin au 02 juillet 2000)
Ozone (ppb)
INDUSTRIEL (Berre létang)
RURAL (Mourre-nègre)
PERI-URBAIN (Ste Marie de la Mer)
MesuresRACMSAPRCIMAGES5Harvard
RMSE (ppb)
19.315.214.416.4
RACMSAPRCIMAGES5Harvard
10
STE MARIE DE LA MER Pré-campagne ESCOMPTE (26
juin au 02 juillet 2000)
NOx (ppb)
11
Ozone simulé sur le domaine France(en surface le
29/06 à 15HTU)
12
Espèces réservoirs de NOx (nitrates organiques \
composés type PAN)(en surface le 29/06 à 15HTU)
13
Ozone simulé à 550 hPa (le 29/06 à 15HTU)
14
Ozone simulé en surface
15
Conclusions préliminaires sur les
intercomparaisons

• Troposphère libre
• assez peu de différence sur les résultats entre
  les schémas

• Couche limite continentale
• Global différences plus marquées au niveau des
  zones riches en biogéniques IMAGES 5 gt
  SAPRC-RACM-HARVARD
• Régional (latitudes moyennes) SAPRC-RACM-IMAGES
  gt HARVARD
• moyenne des écarts maxi. dO3 entre les schémas
  9.5 ppb
• écarts max. sur les maximums dO3 journaliers

16
Quel schéma choisir pour représenter la chimie
troposphérique aux différentes échelles spatiales
?
intercomparer des schémas existants

• difficulté pour quantifier les biais dus aux
  réductions
• impossibilité de trancher pour un unique schéma
  adapté à lensemble des situations

17
Développement dun nouveau schéma chimique
- adapté aux différentes situations chimiques
troposphériques- connaissance des biais
introduits lors des réductions du schéma pour son
intégration dans un modèle 3D
18
Le schéma de référence
Entrée
Sortie
COV primaires
Programme informatique Générateur automatique de
schémas chimiques pour loxydation troposphérique
des COV
Schéma chimique explicite
Bases de données chimiques
Relations structure réactivité
19
Produits de
Produits de
Composé parent
1ere génération
2nde génération
(espèce primaire)
Chimie
Chimie
Chimie
VOC
VOCoxydant
VOCoxydant
VOCoxydant
2
2
OH
OH
OH
, NO, RO
O
O
O
, NO, RO
3
3
3
n
NO
n
NO
h
n
NO
h
h
3
3
3
2
2
HO
HO
Chimie
Chimie
Chimie
Peroxy (RO2)
Peroxy (RO2)
Peroxy (RO2)
CO
2
NO
,
NO
,
NO
NO
,
NO
NO
3
3
3
RO
RO
RO
2
2
2
Chimie
Chimie
Chimie
(RO)
Alkoxy
(RO)
O
Alkoxy
(RO)
Alkoxy
O
2
2
20
Informations sur la structure de lespèce
Ex CH2C(CHO)CH2CH3
Matrice de groupe
Matrice de liaison
Numéro du carbone i
groupe sur i
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
2 0 0 0
1 2 3 4 5
CdH2 Cd CH2 CH3 CHO
2 1 0 1
0 1 1 0
1 liaison C-C2 liaison CC 3 C-O-C
0 0 1 0
0 1 0 0
21
Schéma chimiquede référence 180 000 espèces1
150 000 réactions
COV primaires?70 espèces
Générateur automatique de schémas chimiques
22
Réduction par les opérateurs
CH3CH(ONO2)CH3
NO
a
kOH
kNO
CH3CH2CH3
CH3CH(OO.)CH3
CH3CH(O.)CH3
decomposi
b
73.6
CH3COCH3
kNO3
CH3CH(O.)CH3
HO2
kHO2
HO2
CH3CH(OOH)CH3
NO
a
kNO
kOH
b
CH3CHO
decomposi
79.5
CH3COCH3
kNO3
HO2
kHO2
HO2
23
Schéma chimiquede référence 180 000 espèces1
150 000 réactions
COV primaires?70 espèces
Générateur automatique de schémas chimiques
référence
Réduction systématique par opérateurs inorganiques
Simulations en 1D Divers scénarios
Schéma réduit 10 750 espèces (2500
opérateurs) 51 500 réactions
Tests qualitatifs avec modèle de boite
24

• Boite eulérienne, scénario urbain avec taux de
  renouvellement de 6 h

O3
OH
Ozone (ppb)
Temps (heure)
HO2
NOx (ppb)
NOx
Temps (heure)
25
Boite lagrangienne, masse dair polluée au dessus
dune zone sans émission (conditions bas NOx)
Ozone (ppb)
Temps (heure)
NOx (ppb)
NOx (ppb)
Temps (heure)
26
Quel schéma choisir pour représenter la chimie
troposphérique aux différentes échelles spatiales
?
Schéma chimique de référence180 000 espèces / 1
150 000 réactions
COV primaires?70 espèces
Générateur automatique de schémas chimiques
Réduction par opérateur
Schéma réduit 10 750 espèces / 51 500 réactions
Simulations en 1D Divers scénarios
Regroupement des espèces secondaires
Regroupement des espèces primaires
Schéma réduit pour 3Dmulti-échelle 150 espèces