Aircity : une simulation 3D de la pollution à Paris

Aircity : une simulation 3D de la pollution à Paris

Airparif et ses partenaires ont développé, dans le cadre du projet Aircity, un prototype qui permet de calculer la pollution à Paris, avec une résolution de trois mètres.

Le dispositif permet de cartographier, sur 120 zones de Paris, les niveaux de dioxyde d’azote et de particules. Il donne une représentation précise de la dispersion de la pollution en fonction du vent et des bâtiments environnants. Dans une ville, la pollution peut se trouver confinée entre les bâtiments dans les rues étroites, car la vitesse du vent y est plus faible. Au contraire, elle est moins présente sur les larges avenues où le brassage de l’air est plus important.
L’objectif du projet est de développer un système de simulation pour représenter et prévoir la pollution atmosphérique en tout point de la ville.
Son système s’appuie sur l’utilisation d’un logiciel, nommé PMSS, déjà utilisé par le CEA dans le cadre de la défense civile. Il a fallu deux ans de pour adapter ce logiciel au domaine de la pollution atmosphérique et pour permettre une représentation cartographique en 3D. On compte au total 450 processeurs pour tout Paris.

Concrètement la réflexion s’est portée sur comment représenter précisément la dispersion de la pollution, rue par rue, en fonction du vent et des bâtiments environnants ? La pollution peut par exemple se trouver confinée entre les bâtiments dans les rues étroites, car la vitesse du vent y est plus faible. Au contraire, les larges avenues favorisent un meilleur brassage de l’air. Les travaux de simulation effectués au quotidien par Airparif, notamment pour les bulletins de prévision pour le jour même et pour le lendemain, permettent une bonne représentation de la qualité de l’air à l’échelle des différents secteurs de la région, mais ne sont pas adaptés pour une représentation locale aussi détaillée.

Une réponse a été apportée par Aircity, projet coordonné par Aria Technologies, l’objectif étant de cartographier les niveaux de dioxyde d’azote et de particules en tout point de Paris, avec une résolution de l’ordre de quelques mètres. Le projet s’appuie sur l’utilisation d’un logiciel, nommé PMSS, déjà utilisé par le CEA dans le cadre de la défense civile. Ce modèle permet de prendre en compte la dispersion physique de l’air en fonction des champs de vent et des obstacles. Deux ans de travaux ont été nécessaires pour adapter le logiciel au domaine de la pollution atmosphérique et pour permettre une représentation cartographique en 3D. Dans une première phase, les calculs ont été menés sur une zone centrale d’environ 4 km2, « l’hyper centre » de Paris, puis ils ont été étendus à toute la capitale comme démonstrateur (plus de 160 km2 pris en compte). Ces zones centrales ont été privilégiées car c’est au cœur de l’agglomération parisienne que la pollution et le réseau de mesure d’Airparif sont les plus denses. Un critère de choix majeur pour une meilleure comparaison entre calculs et mesures.

Airparif a d’abord apporté son expertise pour affiner les données d’entrée du modèle. En effet, la représentation du trafic nécessitait d’être précisée pour suivre très exactement les axes routiers parisiens tels qu’ils sont tracés dans la cartographie élaborée par l’IGN. Il a fallu également assurer que les conditions aux limites, c'est-à-dire l’import de pollution dans le domaine, étaient correctement renseignées grâce au modèle Chimere utilisé à l’échelle de la région. Enfin, Airparif a validé la cohérence du résultat final par rapport aux données de ses stations de mesure réparties dans la capitale.

Cohérence des résultats le long des axes et difficultés pour les places

La validation a été effectuée sur l’hyper centre de la capitale, les résultats des calculs horaires pour les oxydes d’azote étant comparés pendant plus d’un mois à quatre stations d’Airparif situées le long du trafic, au niveau du boulevard Haussmann, des Champs-Élysées, de la place de l’Opéra et de la rue Bonaparte. Cette confrontation statistique a montré que les concentrations étaient bien reproduites le long des axes routiers. Au niveau de la place de l’Opéra, les émissions de pollution du trafic nécessiteraient d’être affinées, étant donnée la complexité de la circulation dans un tel environnement. Par ailleurs, les résultats pour les particules ont été testés sur une journée : ils pourraient être améliorés en prenant en compte la remise en suspension et les réactions chimiques associées à ce polluant. C’est une constante dans la plupart des modèles compte tenu de la diversité des sources de particules.

Ces résultats prometteurs mériteraient d’être validés sur de plus longues périodes. Mais ils offrent déjà de nombreuses perspectives. Très haute résolution, temps de calcul raisonnables, bonne reconstitution physique du vent et de la dispersion, représentation graphique en trois dimensions...

Les performances atteintes permettent d’envisager une utilisation pour des études locales détaillées, rue par rue par exemple, ou même à l’échelle d’une commune entière afin de mieux illustrer le volet « air » d’un PLU (plan local d’urbanisme) ou d’un SCOT (Schéma de cohérence territoriale). On peut aussi envisager l’utilisation de cet outil de modélisation dans les projets d’urbanisme ou de rénovation sur les quartiers fortement exposés à la pollution atmosphérique afin de privilégier des options d’aménagement permettant de réduire cette exposition.

En chiffres :

I Résolution : 3 m

I 2 zones : l’hyper centre (2,3 km par 2,3 km) et Paris tout entier (12 km par 10,5 km)

I 4 stations de mesure Airparif sur l’hyper centre, 20 stations sur l’ensemble de Paris

I Émissions du trafic routier réparties sur 38 000 portions d’axe pour tout Paris

I Découpage de la ville en 120 zones de calcul

I Temps de calcul pour une journée : environ 10h sur l’hyper centre, 14h sur tout Paris

I Moyens de calcul : 24 processeurs pour l’hyper centre, 500 processeurs pour tout Paris soit l’équivalent de 500 ordinateurs personnels