Wintertime characteristic atmospheric circulation in the Grenoble basin and impact on air pollution
Circulation atmosphérique hivernale dans le bassin Grenoblois : caractérisation et impact sur la qualité de l'air
Résumé
This PhD work investigates the transport and spatial distribution of particulate matter in the alpine valley of Grenoble during wintertime. It is motivated by the adverse health effects that impact the inhabitants of the valley as a result of long term exposition to pollutants.Since detailed numerical modeling of the dispersion of pollutants at fine spatial scales is unpractical over long time scales, the first part of this PhD work attempts to identify large-scale weather types that can be associated with a characteristic atmospheric dynamics in the Grenoble valley. To obtain this weather type decomposition, classical (PCA+Kmeans) and less classical (convolutional LSTM neural network) methods are compared. The introduction of the temporal component as well as constraints linking synoptic and local scales are also studied. The result is that, for a limited number of weather types, only the one corresponding to the winter anticyclonic blocking seems to produce a characteristic local response.In the second part of the thesis, the impact of the variability within the winter anticyclonic blocking weather type on this local response is studied, via the simulation of four episodes with different characteristics. To this end, High Resolution Mesoscale Simulations (down to about 100 meters horizontal resolution) are used to accurately capture the dynamics in complex terrain. The emission inventory implemented in the numerical model allows, in combination with the dynamics, to obtain an accurate spatial representation of the air pollution.From a dynamical point of view, it appears that the atmospheric circulation at the valley bottom is very homogeneous from one episode to the next and driven by thermal effects. Conversely, the height of the thermal inversion and the vertical structure of the valley winds depend on the synoptic conditions. Concerning atmospheric pollution, the main result is that the concentration fields at the valley bottom are similar from one episode to the other because the winds flowing along the valley floor are similar. This concentration field contains the same hot spots of pollution whatever the episode, implying that the population living there might be exposed to poor air quality during anticyclonic winter episodes.
Ce travail de thèse porte sur le transport et la distribution spatiale de polluants de type particules fines dans la vallée alpine de Grenoble en hiver. Il est motivé par l'impact sanitaire de l'exposition à la pollution dans la vallée, qui se fait sur un temps long.Temps long et échelles spatiales de la vallée ne pouvant être pris en compte simultanément dans le cadre d'une étude détaillée du transport de polluants, la première partie du travail de thèse concerne la recherche de types de temps à l'échelle synoptique qui puissent être chacun associés à une dynamique caractéristique dans la vallée de Grenoble. Pour obtenir cette décomposition en type de temps, des méthodes classiques (ACP+Kmeans) et moins classiques (réseau de neurones LSTM convolutifs) sont comparées. L'introduction de la composante temporelle ainsi que des contraintes reliant les échelles synoptiques et locales sont aussi étudiées. Il en résulte que, si un nombre restreint de type de temps est recherché, seul celui correspondant au blocage anticyclonique hivernal semble produire une réponse locale caractéristique.Dans la seconde partie du travail de thèse, l'impact de la variabilité au sein du type de temps blocage anticyclonique hivernal sur cette réponse locale est étudié, via la simulation de quatre épisodes présentant des caractéristiques différentes. Des Simulations des Grandes échelles à haute résolution (jusqu'à 100 mètres environ de résolution horizontale) sont menées pour cela, qui permettent de capturer la dynamique atmosphérique en terrain complexe. Le cadastre d'émission implémenté dans le modèle numérique permet, en combinaison avec la dynamique, d'avoir une représentation spatiale fine de la pollution atmosphérique.D'un point de vue dynamique, il ressort que la circulation atmosphérique en fond de vallée est très homogène d'un épisode sur l'autre et pilotée par les effets thermiques. A l'inverse, la hauteur de l'inversion thermique et la structure verticale des vents de vallées dépendent des conditions synoptiques. Concernant la pollution atmosphérique, la dynamique dominante en fond de vallée conduit à de fortes hétérogénéités spatiales dont la localisation ne dépend pas de l'épisode considéré.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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