Modélisation des impacts des arbres sur la qualité de l’air de l’échelle de la rue à la ville.

Modeling the impacts of trees on air quality from the street to the city scale.

• Auteur / Autrice : Alice Maison
• Direction : Karine Kata sartelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Aude Lemonsu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Kata sartelet, Jean-Christophe Calvet, Pierre-Emmanuel Bournet, Olivier Sanchez, Andrée Tuzet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Calvet, Pierre-Emmanuel Bournet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arbres des villes

Composés organiques volatils biogéniques

Pollution atmosphérique

Urbanisation

Air -- Qualité

Mots clés libres

Arbres en ville

COVb

Fonctionnement hydrique des arbres

Qualité de l'air

Modélisation

Écoulement dans les rues canyons

Urban tree

Bcov

Tree hydric functioning

Air quality

Modeling

Airflow in street canyons

Résumé

Les arbres apportent de nombreux services écosystémiques en ville, ils permettent de diminuer certaines conséquences de l’urbanisation comme l’îlot de chaleur urbain et le ruissellement de l’eau. Leur effet thermo-radiatif améliore le confort thermique. Les arbres peuvent également impacter la qualité de l’air en ville via différents processus. Le dépôt de polluants gazeux et particulaires sur les feuilles des arbres peut contribuer à la diminution des concentrations. Cependant, l’effet aérodynamique des arbres modifie l’écoulement dans les rues canyons et limite la dispersion des polluants émis dans la rue. Par ailleurs, les arbres émettent des composés organiques volatils biogéniques (COVb) qui peuvent participer à la formation d’O3 et d’aérosols organiques secondaires. Les émissions de COVb varient selon l’espèce d’arbre, et sont influencées par des facteurs climatiques (température, rayonnement) mais aussi par le statut hydrique des arbres. Cette thèse a pour objectif de quantifier les impacts de ces différents processus sur la qualité de l’air en ville. Des simulations numériques sont réalisées sur la ville de Paris pendant l’été 2022 avec la chaîne de modèles CHIMERE/MUNICH afin de quantifier l’impact des arbres sur les concentrations atmosphériques de polluants à l’échelle locale et régionale. Les concentrations simulées sont comparées à des mesures. Les arbres urbains ne sont généralement pas pris en compte dans les modèles de qualité l’air, aussi bien à l’échelle régionale qu’à l’échelle de la rue. Pour intégrer les émissions de COVb dans le modèle régional CHIMERE, un inventaire est réalisé à partir de la base de données des arbres de la ville de Paris. Une méthode est développée afin d’estimer les caractéristiques des arbres qui sont utilisées en données d’entrée des différents modèles (surface de feuille, biomasse sèche, taille de la couronne, etc.). En moyenne sur les mois de juin et juillet 2022 à Paris, les émissions biogéniques locales des arbres induisent une augmentation de 1,0% d’O3, 4,6% de PM1 organiques et 0,6% de PM2.5. Les émissions biogéniques des arbres urbains augmentent très fortement les concentrations d’isoprène et de monoterpènes. Par comparaison aux mesures, les concentrations de terpènes ont tendance à être sous-estimées, compte tenu des incertitudes liées aux facteurs d’émissions et à la part de végétation manquante dans l’inventaire. Les émissions de terpène de la végétation urbaine et suburbaine influencent fortement la formation de particules organiques, il est donc important de bien les caractériser dans les modèles de qualité de l’air. Les différents effets des arbres urbains sur la qualité de l’air à l’échelle de la rue sont ensuite ajoutés dans le modèle de réseau de rue MUNICH. L’effet aérodynamique des arbres dans les rues est paramétré à partir de simulations de mécanique des fluides. Il induit une augmentation des concentrations des composés émis dans la rue. Cette augmentation peut atteindre +37% pour le NO2 dans les rues avec une surface de feuilles importante et un trafic élevé. Le dépôt sur les feuilles des arbres est calculé à partir d’une approche résistive adaptée à l’échelle de l’arbre urbain dans la rue. Cependant, son impact sur les concentrations reste limité sur les gaz et particules étudiés (< -3%).Pour finir, un couplage entre les modèles TEB (modèle de surface urbaine), SPAC (modèle de continuum sol-plante-atmosphère) et MUNICH a été mis en place. Ce couplage permet de mieux représenter les impacts des hétérogénéités du micro-climat urbain et de l’effet thermo-radiatif des arbres sur les concentrations de gaz et de particules. L’effet de ce micro-climat et du stress hydrique des arbres sur les émissions de COVb est aussi pris en compte afin d’affiner le calcul des émissions.

Trees provide numerous ecosystem services in cities, helping to reduce some of the consequences of urbanization, such as the urban heat island and water run-off. Their thermo-radiative effect improves thermal comfort.Trees can also have an impact on urban air quality through various processes. The deposition of gaseous and particulate pollutants on tree leaves can help to reduce concentrations. However, the aerodynamic effect of trees modifies the airflow in street canyons and limits the dispersion of pollutants emitted in the street. Trees also emit biogenic volatile organic compounds (BVOCs), which can contribute to the formation of O3 and secondary organic aerosols. BVOC emissions vary depending on the tree species, and are influenced by climatic factors (temperature, radiation) and by the tree water status.The objective of this thesis is to quantify the impacts of these different processes on urban air quality. Numerical simulations are performed over the city of Paris during summer 2022 using the CHIMERE/MUNICH model chain in order to quantify the impact of trees on atmospheric concentrations of pollutants at the local and regional scales. The simulated concentrations are compared to measurements.Urban trees are not generally taken into account in air quality models, either at regional or street level. In order to integrate BVOC emissions into the CHIMERE regional model, an inventory is developed using the tree database of the city of Paris. A method is set up to estimate the characteristics of the trees, which are used as input data for the various models (leaf area, dry biomass, crown size, etc.). On average over the months of June and July 2022 in Paris, local biogenic emissions from trees lead to an increase of 1.0% in O3, 4.6% in organic PM1 and 0.6% in PM2.5. Biogenic emissions from urban trees strongly increase concentrations of isoprene and monoterpenes. Compared with measurements, terpene concentrations tend to be underestimated, given the uncertainties associated with emission factors and the missing part of the vegetation in the inventory. Terpene emissions from urban and suburban vegetation greatly influence the formation of organic particles, it is therefore important to characterize them properly in air quality models.The various effects of urban trees on air quality at street level are then added into the MUNICH street network model. The aerodynamic effect of street trees is parameterized using computational fluid dynamics simulations. It leads to an increase in the concentrations of compounds emitted into the street. This increase can reach +37% for NO2 in streets with a large leaf surface and high traffic. Deposition on tree leaves is computed using a resistive approach adapted to the scale of the tree in the street. However, its impact on concentrations remains limited for the gases and particles studied (< -3%).Finally, a coupling between the TEB (urban surface model), SPAC (soil-plant-atmosphere continuum model) and MUNICH models is developed. This coupling provides a better representation of the impacts of the urban micro-climate heterogeneities and of the thermo-radiative effect of trees on gas and particle concentrations. The effects of the micro-climate and of the tree water stress on BVOC emissions are also taken into account in order to refine the calculation of emissions.