Éditeur(s) : HAL CCSD Elsevier
Résumé : International audience
Tropical islands are characterized by thermal and orographical forcings which may generate microscale air mass circulations. The Lesser Antilles Arc includes small tropical islands (width lower than 50 km) where a total of one-and-a-half million people live. Air quality over this region is affected by anthropogenic and volcanic emissions, or saharan dust. To reduce risks for the population health, the atmospheric dispersion of emitted pollutants must be predicted. In this study, the dispersion of anthropogenic nitrogen oxides (NOx) is numerically modelled over the densely populated area of the Guadeloupe archipelago under weak trade winds, during a typical case of severe pollution. The main goal is to analyze how microscale resolutions affect air pollution in a small tropical island. Three resolutions of domain grid are selected: 1 km, 333 m and 111 m. The Weather Research and Forecasting model (WRF) is used to produce real nested microscale meteorological fields. Then the weather outputs initialize the Lagrangian Particle Dispersion Model (FLEXPART). The forward simulations of a power plant plume showed good ability to reproduce nocturnal peaks recorded by an urban air quality station. The increase in resolution resulted in an improvement of model sensitivity. The nesting to subkilometer grids helped to reduce an overestimation bias mainly because the LES domains better simulate the turbulent motions governing nocturnal flows. For peaks observed at two air quality stations, the backward sensitivity outputs identified realistic sources of NOx in the area. The increase in resolution produced a sharper inverse plume with a more accurate source area. This study showed the first application of the FLEXPART-WRF model to microscale resolutions. Overall, the coupling model WRF-LES-FLEXPART is useful to simulate the pollutant dispersion during a real case of calm wind regime over a complex terrain area. The forward and backward simulation results showed clearly that the subkilometer resolution of 333 m is necessary to reproduce realistic air pollution patterns in this case of short-range transport over a complex terrain area. Globally, this work contributes to enrich the sparsely documented domain of real nested microscale air pollution modelling. This study dealing with the determination of the proper resolution grid and proper turbulence scheme, is of significant interest to the near-source and complex terrain air quality research community.
ISSN: 1352-2310

hal-01349208
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01349208
DOI : 10.1016/j.atmosenv.2016.05.028

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Meteorological phenomena with scales lower than hurricanes, from extreme rainfalls to pollution peaks, represent important environmental and health risks in the Caribbean. These examples show the need to downscale large-scale meteorological data to island-scale fields.The main goal of the present numerical study is the analysis of the meso- and micro-scale mechanisms inducing diurnal and nocturnal circulations in the Guadeloupe archipelago. The Weather Research and Forecasting model is employed. The micro-scale results are obtained by the coupling of the 1-km simulated fields and the Large Eddy Simulation method. Then, in order to analyze the dispersion of a pollutants plume, the micro-scale outputs with 111 m of resolution are used to force the lagrangian particles dispersion model FLEXPART. The study has been conducted for three real cases of weather types linked with strong, medium and weak trade winds.The results of simulations, validated with available observed data, permitted to simulate all local circulations, including a nocturnal counter-current flow which may induce a pollution peak in the urban area of Pointe-à-Pitre city.These works, which may be applied to other Lesser Antilles islands, suggest many environmental and energy applications.
Les phénomènes météorologiques d'échelles inférieures aux cyclones, depuis les pluies intenses, jusqu'à la dégradation de la qualité de l'air, ont pour les Caraïbes une importance aiguë en termes de risques naturels ou de risques sur la santé. Ces exemples attestent de la nécessité d'utiliser des méthodes de descentes d'échelle pour exploiter l'information météorologique de grande échelle et dériver des scénarios locaux appliqués aux territoires insulaires. Les travaux présentés ont pour principaux objectifs la simulation numérique et l'analyse des mécanismes méso- et micro-échelles qui induisent des circulations locales diurnes et nocturnes sur l'archipel de la Guadeloupe, à l'aide du modèle numérique météorologique Weather Research and Forecasting. Les résultats des simulations micro-échelles sont obtenus par le couplage des champs modélisés à 1 km avec la méthode Large Eddy Simulation. Les sorties micro-échelles, à 111 m, sont ensuite utilisées pour forcer le modèle lagrangien de dispersion de particules FLEXPART afin d'étudier la dispersion d'un panache de polluants. L'étude a été menée pour trois cas réels de situations météorologiques correspondant à des alizés soutenus, moyens et faibles. Les résultats des simulations, après validation, et comparaison aux données d'observation disponibles, permettent de restituer l'ensemble des circulations locales et soulignent l'existence d'un écoulement nocturne à contre courant susceptible d'induire une forte pollution sur la zone urbaine de Pointe-à-Pitre. Cette étude, transposable aux autres îles des petites Antilles, laisse envisager de nombreuses applications environnementales et énergétiques.
https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01074600

Droits : info:eu-repo/semantics/OpenAccess
tel-01074600
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Résumé : Ce travail est l'expression d'une volonté de chercheurs, de la Carabe d'améliorer les connaissances scientifiques méso- et micro-météorologiques appliquées aux milieux insulaires sous influence des alizés et de développer la recherche dans ces domaines.On sait que le phénomène météorologique le plus remarquable impactant les îles de la Caraïbe reste le cyclone tropical. Mais d'autres phénomènes, a des échelles inferieures, telles que les pluies intenses, les houles, la dégradation de la qualité de l'air ont une importance aigüe en termes de risques naturels ou de risques sur la sante. Ces exemples attestent la nécessité d'utiliser des méthodes de descente d'échelle pour exploiter l'information météorologique et/ou climatique de grande échelle et dériver des scenarios locaux et régionaux appliques aux territoires insulaires. Ce défi est important car l'attente d'analyses scientifiques pertinentes dans ces domaines est grande.Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour principaux objectifs la simulation numérique puis l'analyse des mécanismes méso- et micro-échelles qui induisent des circulations locales diurnes et nocturnes sur l'archipel de la Guadeloupe à l'aide de codes numériques météorologiques éprouves car largement utilises en recherche et en prévision opérationnelle.Ils constituent donc la première étude de modélisation numérique à haute résolution en basse atmosphère, par descente d'échelle dynamique, pour des intervalles d'espace compris entre 1 km et 111 m sur cet archipel.Le modelé atmosphérique Weather Research and Forecasting ARW V3.4 (WRF ARW), non-hydrostatique, a été utilise pour l'ensemble des simulations pour modéliser la troposphère depuis l'échelle globale à l'échelle de la turbulence.Trois situations météorologiques classiques réelles d'une durée de 48 heures, correspondant à 80 % des situations météorologiques observées dans la zone, alizes soutenus (AS), alizes moyens (AM), alizes faibles (AF) ont été examinées. Ces situations sont caractérisées par les valeurs du nombre de Froude local suivantes : 0,82 (AS), 0,41 (AM) et 0,21 (AF). Six domaines de modélisation ont été sélectionnés pour effectuer les descentes d'échelle dynamiques : D01 (maille de 27 km), D02 (maille de 9 km), D03 (maille de 3 km), D04 (maille de 1 km), D05 (maille de 333 m) et D06 (maille de 111 m) avec soixante-dix niveaux verticaux. Les quatre premiers domaines (D01 à D04) couvrent l'archipel de la Guadeloupe et sont utilisés en mode méso-échelle à l'aide d'un schéma d'ensemble de couche limite planétaire YSU. Les domaines D05 (couvrant l'île de la Basse-Terre et le centre de l'archipel) et D06 (couvrant la zone littorale et rurale du Petit Cul-de-Sac Marin et la zone urbaine de l'agglomération pointoise) sont utilisés en mode Large Eddy Simulation avec une fermeture de la turbulence 1,5 TKE 3D. Le modèle WRF a été forcé toutes les six heures par l'assimilation des champs d'analyses globales du modèle NCEP FNL (1° de résolution). Les simulations effectuées ont permis d'obtenir des champs de variables météorologiques 10-minutes à très hautes résolutions spatiales.Les résultats des simulations méso- et micro-échelles ont été confrontés aux valeurs expérimentales obtenues à l'aide de capteurs places sur des mâts météorologiques (campagne Atmo-Mangrov et réseau de mesure Météo-France). Il s'agissait d'optimiser l'utilisation des couplages de codes numériques tout en conservant la possibilité de les confronter aux observations expérimentales.Les résultats des simulations numériques micro-échelles, des différents cas (AS, AM, AF) sont utilisées pour forcer (c'est-à-dire définir les conditions limites) un modèle lagrangien de dispersion de particules : FLEXPART. Le système couple FLEXPART-WRF a été employé dans le domaine D06 pour étudier la dispersion du panache d'oxydes d'azote émis par la principale usine de production d'électricité de l'île.
The present work expresses the will of Caribbean researchers to improve the meso- and micro-meteorological scientific knowledge of the trade winds influenced island areas, and to develop research in these domains.It is well known that tropical hurricanes remain the most remarkable meteorological phenomena that affect the Caribbean islands. But some other phenomena, of smaller scale, such as intense rainfall events, swells, or air quality degradation, are of extreme importance for natural or health hazards. These examples show the need to use downscaling methods to exploit large scale meteorological or climatic information, and to obtain local and regional scenarios for the island areas. This is an important challenge, as sound scientific studies in these matters are eagerly expected. The aim of the research works exposed in the present dissertation is numerical simulation and analysis of the meso- and microscale mechanisms that induce diurnal and nocturnal local circulations in the Guadeloupe archipelago, using numerical meteorological models that are widely used in research and in operational forecasting.These works represent the first high-resolution (1 km to 111 m) numerical study of the lower atmosphere over the Guadeloupe archipelago. The Weather Research and Forecasting ARW 3.4 (WRF-ARW) model is used to simulate the troposphere from global scale to turbulence scale. Real cases of three typical weather types (80% of cases during a year) are examined during 48 hours : strong trade winds (STW), medium trade winds (MTW) and weak trade winds (WTW). These weather types are characterized by values of the local Froude number : 0.82 (STW), 0.41 (MTW) and 0.21 (WTW). Six domains have been selected for the dynamical downscaling : D01 (grid spacing of 27 km), D02 (grid spacing of 9 km), D03 (grid spacing of 3 km), D04 (grid spacing of 1 km), D05 (grid spacing of 333 m) and D06 (grid spacing of 111 m), including 70 vertical levels. The first four domains (D01 to D04) cover the Guadeloupe archipelago and are used in the meso-scale simulations with the planetary boundary layer scheme YSU (ensemble mean). Domain D05 (covering the Basse-Terre island and the middle of the archipelago) and domain D06 (covering the coastal and rural area of Le Petit Cul-de-Sac Marin and the urban area of Pointe-à-Pitre), are employed in the micro-scale simulation (LES) with the 3D TKE 1.5 order closure scheme. WRF has been 6 hourly reinitialized with the NCEP FNL global analyses (resolution of 1°). These simulations permitted to obtain 10-minutes meteorological variable fields with a very high resolution (111 m).Meso-scale and micro-scale model results have been evaluated with observational data from meteorological stations (field campaign Atmo-Mangrov, French Met Office).Once validated, the micro-scale model outputs have been used for the assimilation of the lagrangian particle dispersion model : FLEXPART. The coupling FLEXPART-WRF has been employed in domain D06, in order to analyze the dispersion of the nitrogen oxide plume emitted by the main power plant of the archipelago.

http://www.theses.fr/2014AGUY0735/document