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Modélisation de la pollution atmosphérique de scalaires passifs par faibles vents, Modeling of air pollution by low wind

De
276 pages
Sous la direction de Amer Chpoun, Pierre Ngae
Thèse soutenue le 10 février 2011: Evry-Val d'Essonne
La plupart des épisodes de pollution atmosphérique intense apparaissent lors des situations des vents faibles. Les modèles de pollution atmosphérique surestiment ou sous-estiment les concentrations dans ces conditions, en fonction des modèles des écarts-types (σi avec i=x,y,z) de dispersion auxquels ils sont associés. Ceci a été mis en évidence dans la première partie de cette thèse où on a évalué l’efficacité de 5 modèles de dispersion associés à 6 modèles des écarts-types, en se servant de 5 bases des données internationales. Dans la deuxième partie, nous avons développé deux modèles écarts-types de dispersion (S_LMEE_Ond et S_LMEE_Taylor) à partir de bases de données expérimentales appropriées. On a montré ainsi que pour les vents faibles, la vitesse instantanée du vent est non-stationnaire et qu’elle est caractérisée par des fluctuations rapides (aléatoires ou turbulentes) et des fluctuations lentes (organisées). Les fluctuations turbulentes favorisent le mélange des particules à l’intérieur du panache et les fluctuations lentes entrainent leur transport horizontal. Les modèles des écarts-types développés dans cette thèse semblent mieux appropriés pour étudier la dispersion des particules par faibles vents. Le modèle S_LMEE_Taylor est fonction du module moyen de la vitesse du vent (V) et des écarts-types des fluctuations organisées (σu et σv). Des modèles ARX multivariables et autorégressifs ont été développés dans un environnement MATLAB pour la prédiction de ces paramètres avec un horizon de 10 mn et 30 min.
-Fluctuations lentes
The most intense air pollution episodes occur in situations of low winds. The air pollution models overestimate or underestimate the levels in these conditions, according to models of standard deviations (σi with i = x, y, z) dispersion which they are associated. This was highlighted in the irst part of this thesis where we evaluated the efficacy of five models of dispersal patterns associated with six standard deviations, using five international databases. In the second part, we have developed two models of dispersal standard deviations (S_LMEE_Ond and S_LMEE_Taylor) from experimental databases appropriate. It has been shown and for light winds, the wind speed is non-stationary and ischaracterized by rapid fluctuations (random or turbulent) and slow fluctuations (organized). Turbulent fluctuations promote mixing of particles within the plume and slow fluctuations leading to their horizontal transport. Models of deviations developed in this thesis seem more appropriate to study the dispersion of particles by low winds. The model is based on the module S_LMEE_Taylor average wind speed (V) and standard deviations of fluctuations organized (σu and σv). ARX models and multivariate autoregressive have been developed in MATLAB to predict these parameters with a 10 min and 30 min.
-Slow fluctuations
Source: http://www.theses.fr/2011EVRY0001/document
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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE D'EVRY VAL D'ESSONNE
2011 EVRY 0001
PRESENTEE ET SOUTENUE PUBLIQUEMENT LE10 FEVRIER 2011 PAR
Hambaliou BALDE
POUR L’OBTENTI ON DU DIPLOME DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’EVRY V AL D’ESSONNE

DISCIPLINE: SCIENCES POUR L'I NGENIEUR
SPECIALITE : MECA NIQUE DES FLUI DES ET ENVIRONNE MENT
MODELISATION DE LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE DE
SCALAIRES PASSIFS PAR FAIBLES VENTS




JURY COMPOSE DE


Domenico ANFOSSI Research Director, C.N. R., Torino, Italy. Rapporteur
Chargé de Recherche au CNRS, LMD, Ecole
Philippe DROBINSKI Rapporteur
Polytechnique, Palaiseau Franc e
Emmanuel BUISSON Docteur, Directeur entreprise NUMTECH Examinateur
Professeur des Universités, Directeur LMEE,
Feng ZHI-QIANG Examinateur
Université d’E vry Val d’Ess onne
Michel Grignon Ingénieur de Rec herc he, LMEE, UEVE Membre invité
Grégory TURBELIN MCF, LMEE, UEVE Membre invité
Professeur des Universités, LMEE, Université
Amer CHPOUN Directeur de thèse
d’Evry Val d’Essonne
Pierre NGAE MCF, LMEE, Université d’E vry Val d’Essonne Co-directeur de thèse
Dédicace
DEDICACE

A Houleymatou DIALLO, mon épouse. Ce travail te doit beaucoup… Qu’il soit pour toi le témoignage
de mon infinie reconnaissance pour ces années de compréhension, de privations et d’efforts communs

ii Remerciements
REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Pierre NGAE qui m’a encadré lorsque que j’étais
en DEA-SEE au Laboratoire d’Enseignement et de Recherche en Energétique Appliquée
(LEREA) de l’Université Gamal Abdel Nasser de Conakry (UGANC). C’est lui qui m’a initié
à la recherche et m’a suivi jusqu’à l’aboutissement de cette thèse. Il a su m’encadrer avec
beaucoup de professionnalisme, avec toujours en perspective le doctorat, il est quelque part à
la base de cette réussite. Je remercie chaleureusement Monsieur Amer CHPOUN pour avoir
accepté d’être directeur de cette thèse, pour son apport considérable lors des corrections en
anglais, pour la confiance qu’il m’a toujours portée notamment lors des moments difficiles. Je
remercie particulièrement Messieurs Michel GRIGNON et Grégory TURBELIN pour m’avoir
intégré au sein de l’équipe de recherche, Mécanique des Fluides et Environnement, et s’être
investis sans relâche pour la réussite de cette thèse. Ils ont été des moteurs importants pour
ce travail.
Que Monsieur Feng ZHI-QIANG directeur du Laboratoire de Mécanique et d’Energétique
d’Evry (LMEE), soit remercié pour m’avoir accueilli et soutenu au sein du laboratoire
pendant les trois années de thèse. Je lui exprime également ma profonde gratitude pour
m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de soutenance.
Je tiens également à remercier Monsieur Domenico ANFOSSI, Directeur de Recherche au
CNR-Torino-Italie, et Monsieur Philippe DROBINSKI, Chargé de Recherche au CNRS, LMD,
Ecole Polytechnique, pour m’avoir fait l’honneur d’être rapporteurs de ma thèse. Que
Monsieur Emmanuel BUISSON, Directeur de l’entreprise NUMTECH, soit remercié pour
avoir accepté d’être membre du jury et pour l’intérêt qu’il a toujours manifesté concernant
mon avenir professionnel.
Je remercie aussi l’ensemble des collègues du LMEE avec lesquels j’ai collaboré tout au long
de ces années de thèse, dont notamment : Nadir BEKKA, Doctorant, qui m’a considéré
comme un frère en m’apportant à chaque fois que c’était nécessaire des soutiens
inestimables; Vincent LORET, Co Responsable pédagogique de la Filière Génie Mécanique
de l’IUP d’Evry, qui a toujours porté attention particulière à mes demandes.
Je remercie chaleureusement Monsieur Mamby KEITA, Directeur du LEREA, pour son
action vis-à-vis de la réussite de la jeunesse Guinéenne. C’est lui qui m’a recruté au DEA et
iii Remerciements
m’a confié à Monsieur Pierre NGAE. Sans sa vision et son amour pour le travail, ce projet
n’aurait pu être possible.
Que Monsieur Idrissa DIABY mon tuteur pédagogique en maitrise et au DEA soit remercié
pour ses différents soutiens inestimables.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Mawiatou BAH, qui m’a toujours encouragé dans
la persévérance et a souvent su trouver les mots justes pour me motiver.
Je remercie vivement Monsieur Abdoul Gadiri BALDE, responsable de la Licence Physique à
l’UGANC, et collègue au sein du LEREA. Il m’a légué avec beaucoup de professionnalisme
son expérience et m’a apporté son soutien à chaque que j’en avais besoin.
Mes remerciements s’adressent aussi à l’ensemble de mes professeurs et tout
particulièrement à Monsieur Abdoulaye SYLLA, vice Recteur de l’UGANC, pour m’avoir
écouté et prit mes revendications en compte lorsque je faisais le DEUG. Que messieurs
Antoine VIANOU et Daouda BADIANE professeurs au DEA-SEE soient également
remerciés pour leurs conseils et leurs enseignements.
Que tous mes collègues du LEREA soient remerciés pour leurs soutiens, avec une pensée
particulière pour tous ce qui nous ont quittés notamment Monsieur Oumar KEITA et
Monsieur KATTY. Que leurs âmes reposent en paix AMEN.
Que mes amis et connaissances trouvent ici l’expression de ma reconnaissance pour toutes
les discussions enrichissantes et le réconfort qu’ils m’ont apportés durant mon séjour à
l’UGANC. J’ai une pensée toute particulière pour tous ceux qui n’ont pas pu voir aboutir ce
projet. J’ai également une pensée sans relâche à mon cher ami Alpha Amadou BALDE
détenu depuis Décembre 2009 dans les prisons guinéennes. Je souhaite sa libération inédite.
Mes pensées se tournent maintenant vers ma grande famille que je ne saurais énumérer de
peur d’omettre certaines personnes. Je vous exprime à tous ma reconnaissance. Grand merci
à mes frères Souleymane et Sadialiou, vos soutiens n’ont permis de venir au bout de ce
travail.
Ce travail a été possible grâce à la patience et au réconfort de ma femme Houleymatou, je
l’en remercie chaleureusement et j’exprime toute ma reconnaissance à sa famille.
Je remercie enfin ma maman et mon papa, qui malgré leurs interrogations sur ces longues
années d’études, n’ont solidement soutenu dès le début de ce projet. Je ne les remercierais
jamais assez.
iv Table des matières
TABLE DES MATIERES
LISTE DES FIGURES .......................................................................................................................... xi

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................... xv


RESUME ................................................................................................................................................. 1
SUMMARY ............................................................................................................................................ 3

INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................................... 6


CHAPITRE 1: ETUDE THEORIQUE DE LA DISPERSION DE SCALAIRES PASSIFS
DANS LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE (CLA) ............................................................ 11
1.1. COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE (CLA) ........................................................................ 11
1.1.1. Echelles temporelles et spatiales dans la CLA .................................................................... 11
1.1.2. Structure et évolution de la CLA ......................................................................................... 12
1.1.3. Physique de la CLA ................................................................................................................ 13
1.2. ELEMENTS DE THEORIE DES MODELES DE DISPERSION ATMOSPHERIQUE DE
SCALAIRES PASSIFS ......................................................................................................................... 18
1.2.1. Paramètres agissant sur la dispersion .................................................................................. 19
1.2.2. La Stabilité Atmosphérique ................................................................................................... 20
1.2.3. La rugosité globale .................................................................................................................. 26
1.3. EVOLUTION DE LA DISPERSION DU PANACHE .............................................................. 27
1.3.1. Equation de transport;diffusion ........................................................................................... 28
1.3.2. Modèles de dispersion ........................................................................................................... 29
1.4. MODELES DES ECARTS;TYPES (σi) ET DES COEFFICIENTS DE LA DIFFUSIVITE
TURBULENTE () ............................................................................................................................ 41
1.4.1. Ecarts;types de dispersion (σx, σy, σz) .................................................................................. 42
1.4.2. Modèles des coefficients de diffusivité verticale (Kz) ....................................................... 48
1.5. LIMITATIONS ET CORRECTIONS POSSIBLES DES ECARTS;TYPES DE DISPERSION
................................................................................................................................................................ 50
1.5.1. Corrections liées aux temps d’observation.......................................................................... 51
1.5.2. Corrections liées à la Rugosité .............................................................................................. 52
1.6. CONCLUSION DU CHAPITRE ................................................................................................ 53


v Table des matières
CHAPITRE 2: VALIDATION DES MODELES DANS LES CONDITIONS DES FAIBLES
VENTS .................................................................................................................................................. 55
2.2. LES OUTILS DE VALIDATION DES MODELES .................................................................. 56
2.2.1. Les biais fractionnels (FB) ........................................................................................................ 56
2.2.2. L’erreur quadratique moyenne normalisée (Normalised Mean Square Error NMSE) ... 56
2.2.3. Le facteur 2 (FA2) ...................................................................................................................... 56
2.2.4. Le coefficient de corrélation R ................................................................................................. 56
2.2.5. La fraction de l’écart type (FS) ................................................................................................. 57
2.3. VALIDATION DES MODELES ................................................................................................ 57
2.3.1. Expérience de Hanford ............................................................................................................. 58
2.3.2. Expérience de Prairie Grass ..................................................................................................... 59
2.3.3. Expérience de Lillestrom .......................................................................................................... 61
2.3.4. Expérience d’Indianapolis ....................................................................................................... 63
2.3.5. Expérience de Kincaid .............................................................................................................. 65
2.4. CONCLUSION DU CHAPITRE ............................................................................................... 67



CHAPITRE 3 : CADRE EXPÉRIMENTAL, ACQUISITION ET PRÉTRAITEMENT DES
DONNÉES ............................................................................................................................................ 71
3.1. BASES DE DONNÉES ................................................................................................................. 71
3.2. CADRE EXPÉRIMENTAL .......................................................................................................... 72
3.3. INSTRUMENTATION ................................................................................................................ 73
3.3.1. Anémomètre ultrasonique ....................................................................................................... 75
3.3.2. Station météo Young ................................................................................................................. 76
3.4. PRÉTRAITEMENTS DE DONNÉES MESUREES ................................................................... 78
3.4.1. Données de l’anémomètre ultrasonique ................................................................................ 78
3.4.2. Station météorologique Young ................................................................................................ 82
3.5. DESCRIPTION ET TRAITEMENTS DE DONNÉES RÉGIONALES MÉTÉO FRANCE ... 84
3.5.1. Analyse et correction des fichiers bruts ................................................................................. 84
3.6. DESCRIPTION ET TRAITEMENTS DE DONNÉES DES AÉROPORTS (STATIONS
RÉGIONALES) .................................................................................................................................... 88
3.7. CONCLUSION DU CHAPITRE ................................................................................................ 90





vi Table des matières
CHAPITRE 4: ETUDE STATISTIQUE DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE SUR
NOTRE SITE D’ETUDE 93
4.1. EXPRESSION DU VECTEUR VENT DANS UNE BASE LIEE AU VENT MOYEN .. 93
4.2. MODELE DE DECOMPOSITION DE LA VITESSE DU VENT .................................... 94
4.2.1. Cas des écoulements stationnaires sur une durée T ........................................................ 95
4.2.2. Cas des écoulements non stationnaires sur une durée T ................................................ 96
4.2.3. VERIFICATION DE LA STATIONNARITE DE LA VITESSE DU VENT SUR UNE
DUREE T 97
4.2.4. Calcul des fluctuations organisées ..................................................................................... 99
4.2.4.1. Méthode LMEE_tlde de calcul des fluctuations organisées .................................................... 99
4.2.4.2. Méthode de type EMD .......................................................................................................... 100
4.2.4.3. Représentation graphiques des fluctuations organisées ........................................................ 101
4.2.4.4. Génération des fichiers de fluctuations turbulentes .............................................................. 102
4.2.5. ÉPISODES DES FAIBLES VENTS .................................................................................... 103
4.2.6. Evaluation des écarts;types des fluctuations turbulentes et organisées de la vitesse
du vent 105
4.3. CALCUL DES ECHELLES INTEGRALES DE TEMPS (T ) .......................................... 106 L
4.3.1. Méthode d’autocorrélation du signal vent ..................................................................... 107
4.3.1.1. Expressions analytiques de la fonction d’autocorrélation ..................................................... 113
4.3.2. Méthode de Oettl and Anfossi (2005) .............................................................................. 115
4.3.3. Influence de l’environnement proche sur les méandres ............................................... 116
4.4. CONCLUSION DU CHAPITRE ....................................................................................... 116



vii Table des matières
CHAPITRE 5: DEVELOPPEMENT DES MODELES DES ECARTS;TYPES DE
DISPERSION PAR VENTS FAIBLES ............................................................................................. 119
5.1. IDENTIFICATION DES ECARTS;TYPES DES FLUCTUATIONS TURBULENTES
DU VENT ........................................................................................................................................... 119
5.1.1. Relation entre écarts;types des fluctuations turbulentes du vent et module
moyen du vent pour toutes catégories de vent ............................................................................. 120
5.1.2. Représentation graphiques et analyse statistiques ............................................... 120
5.1.3. Relation entre écarts;types des fluctuations turbulentes et module moyen de la
vitesse du vent (V) pour les vents inférieurs à 2 m/s .................................................................. 122
5.1.4. Représentation graphiques et analyse statistiques ............................................... 122
5.1.5. Relation entre écarts;types des fluctuations turbulentes et module moyen de la
vitesse du vent (V) en tenant compte du flux solaire ................................................................... 124
5.1.6. Caractérisation des fluctuations turbulentes en fonction de la stabilité
atmosphérique ................................................................................................................................... 126
5.1.7. Relation entre écarts;types des fluctuations turbulentes et module moyen de la
vitesse du vent (V) pour les conditions atmosphériques stables (
≥0) ............................ 126
5.1.8. Relation entre écarts;types des fluctuations turbulentes et le module moyen de
la vitesse du vent (V) pour les conditions atmosphériques instables (
<0) .................... 127
5.2. ECARTS;TYPES DE DEPLACEMENT DE SCALAIRES PASSIFS PAR VENTS
FAIBLES ............................................................................................................................................. 129
5.2.1. Méthode basée sur l’équation de diffusion lagrangienne de Taylor
(S_LMEE_Taylor) ............................................................................................................................... 129
5.2.2. Méthode basée sur la décomposition en ondelettes du signal vent
(S_LMEE_Ond)................................................................................................................................... 132
5.3. ANALYSE DES ECARTS;TYPES DEVELOPPES ET COMPARAISON AVEC CEUX
DE BRIGGS ET DE DOURY ............................................................................................................ 139
5.3.1. Synthèse modèles S_LMEE_Ond et S_LMEE_Taylor .......................................... 143
5.4. CONCLUSION DU CHAPITRE ..................................................................................... 144








viii Table des matières
CHAPITRE 6: MODELES PREDICTION DU VENT ET DES ECARTS;TYPES DES
FLUCTUATIONS LENTES .............................................................................................................. 147
6.1. LA MODELISATION DES SIGNAUX PAR FAIBLES VENTS ............................... 148
6.1.1. La spécificité des échelles locales ............................................................................ 149
6.1.2. Modèles d’identification........................................................................................... 150
6.1.3. Indicateurs statistiques d’évaluation des modèles ............................................... 151
6.1.4. Les modèles multivariables ARX ............................................................................ 152
6.1.5. Nomenclature des modèles ..................................................................................... 153
6.2. MODELES DE PREVISION DU MODULE DU VENT ............................................ 154
6.2.1. Prévision à 10 mn .......................................................................................................... 154
6.2.2. Prévision à 30 mn .......................................................................................................... 155
6.3. MODELES DE PREVISION DES ECARTS;TYPES DES FLUCTUANTES
ORGANISEES .................................................................................................................................... 157
6.3.1. Prévision à 10mn ........................................................................................................... 157
6.3.2. Prévision à 30 mn .......................................................................................................... 158
6.4. CONCLUSION DU CHAPITRE ................................................................................. 159


CONCLUSION GENERALE ........................................................................................................... 162

















ix Table des matières
ANNEXES A1.1: Nombre de Reynolds – Nombre de Richardson ......................................... 165
ANNEXES A2.1: Résultats de validation des modèles ............................................................ 168
ANNEXES A2.2: Entêtes, variables et paramètres des bases de données .......................... 177
ANNEXES A3.1: Localisation des stations météo et aéroports ............................................ 181
ANNEXES A3.2: Descriptif des données météo France pour trois stations .......................... 183
ANNEXES A3.3: Descriptif de quelques fichiers sonique ré;échantillonnés sur 10 minutes
185
ANNEXES A4.1: Test de stationnarité des données météo ..................................................... 186
ANNEXES A4.2: Graphiques des signaux bruts, fluctuations organisées et des fluctuations
turbulentes obtenus LMEE_tlde et EMD ....................................................................................... 190
ANNEXES A4.3: Episodes des vents faibles .............................................................................. 192
ANNEXES A4.4: Calcul des paramètres des fluctuations turbulentes et organisées de la
vitesse du vent 193
ANNEXES A4.5: Calcul des écarts;types des fluctuations turbulentes et organisées de la
vitesse du vent 194
ANNEXES A4.6: Graphiques des échelles intégrales de temps des fluctuations turbulentes
(u et v ) 195 p p
ANNEXES A4.7: Graphiques des échelles intégrales de temps des fluctuations organisées
( et ) 198
ANNEXES A5.1: Graphiques des écarts;types calculés par la méthode S_LMEE_Taylor .. 202
ANNEXES A5.2: Outil d’analyse et de génération de la diffusion par ondelettes .............. 209
ANNEXES A5.3: Calcul des écarts;types de la dispersion latérale par la méthode
d’ondelettes 216
ANNEXES A5.4: Graphiques des écarts;types de : S_LMEE_Ond, S_LMEE_Taylor, Briggs et
Doury 217
ANNEXES A6.1: Description des épisodes pour les modèles de prédiction ........................ 223
ANNEXES A6.2: Description des épisodes pour les modèles de prédiction ........................ 235


BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................. 249


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