Estimation des flux de dioxyde de carbone d'origines fossile et biogénique sur la France métropolitaine

Atmospheric monitoring of CO2 fluxes over France

• Auteur / Autrice : Carla D'angeli
• Direction : Thomas Lauvaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le 01/06/2023
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de lu2019Ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GSMA - Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique

Mots clés

Mots clés libres

Flux de CO2

Inversion

Optimisation

Simulation numérique

CO2 fluxes

Inversion

Optimization

Numerical simulation

Résumé

Le suivi des émissions de CO2 fossile et des flux de CO2 biogéniques (forêts, agricoles, parcs,...) est important pour mesurer l'efficacité des politiques qui sont mises en place à l'échelle nationale, régionale et par les entreprises pour lutter contre le changement climatique. Les inventaires utilisés pour le suivi des déclarations des pays (Accords de Paris sur le Climat) viennent d'une part de données annuelles d'usage des énergies fossiles, et d'autre part de mesures pluriannuelles des stocks de carbone dans la biomasse des forêts. Les puits et sources de CO2 des sous-secteurs liés à l'usage des terres ( sols, changement d'usage des terres ) sont estimés avec des facteurs d'émissions très simples. Ces inventaires sont rapportés avec un délai de deux ans pour les émissions fossiles, et avec un lissage sur dix ans pour les bilans de CO2 de l'usage des terres. Pour répondre au besoin d'une connaissance des variations temporelles des émissions et des puits de CO2 et de leur distribution spatiale aux échelles régionales, avec un suivi en temps rapproché, il est possible de combiner les inventaires classiques avec des mesures de concentration du CO2 dans l'air. Ces mesures atmosphériques sont réalisées à haute précision, et en continu. L'idée est d'exploiter les concentrations atmosphériques de CO2 mesurées par un réseau national de stations calibrées pour en déduire les flux du territoire, en utilisant un modèle numérique de transport atmosphérique. Mathématiquement, déterminer les émissions de CO2 fossile et les flux biogéniques avec un réseau de stations est un problème inverse dit sous-contraint, car les dimensions du problème (par exemple, les flux sur une grille de 10 km toutes les 6 heures) sont bien plus grandes que le nombre de mesures de CO2 (10 sites permanents et des réseaux urbains ponctuels). Pour aider à résoudre ce problème, on introduit des connaissances issues de modèles de végétation et d'inventaires des émissions, ce qui permet de mieux contraindre le problème inverse (système d'optimisation bayésien). Travail de thèse Le sujet de la thèse consiste à utiliser les mesures en continu du CO2 sur le réseau de station ICOS-France (10 stations de suivi en continu sur le territoire métropolitain) et sur les sites urbains des réseaux de Paris et Reims pour déterminer les flux du CO2 sur la France métropolitaine. Dans un premier temps, le travail consistera à réaliser des simulations atmosphériques du CO2 pour déterminer la sensibilité des mesures aux flux des différents puits et sources. Dans un second temps, le candidat résoudra le problème inverse en produisant une cartographie des flux à une résolution spatiale de l'ordre de 10 km, et une fréquence hebdomadaire. On s'intéresse en particulier aux émissions fossiles et au secteur de l'usage des terres (végétation, sols). Ces cartes de flux, évaluées à partir des mesures de flux locaux de CO2 mesurés par les sites ICOS-Ecosystèmes, seront utilisées comme ébauche et optimisées en utilisant les mesures atmosphériques. Des mesures additionnelles de profils verticaux de CO2 par avion et ballon, seront utilisées pour la validation du modèle de transport atmosphérique. La dernière partie du travail de thèse consistera à développer le système d'inversion pour optimiser les flux sur tout le territoire et sur plusieurs années. Le doctorant utilisera des méthodes inverses adaptées aux dimensions du problème (méthodes avancées d'assimilation de données) pour permettre de produire rapidement des cartes de flux sur l'ensemble du territoire.

Fossil and biogenic CO2 fluxes emission monitoring (forests, agriculture, parks, etc.) is important to measure the efficiency of policies that are implemented at national, regional and corporate levels to fight against climate change. The inventories used to monitor countries' declarations (Paris Climate Agreement) come from annual data on fossil fuel use on the one hand, and from multi-year measurements of carbon stocks in forest biomass on the other. The CO2 sinks and sources of the land use sub-sectors (soils, land use change) are estimated with very simple emission factors. These inventories are reported with a two-year delay for fossil emissions, and with a ten-year smoothing for land use CO2 balances. To meet the need for knowledge of temporal variations in CO2 emissions and sinks and their spatial distribution at regional scales, with close time monitoring, it is possible to combine conventional inventories with measurements of CO2 concentration in the air. These atmospheric measurements are carried out with high precision and continuously. The idea is to use the atmospheric concentrations of CO2 measured by a national network of calibrated stations to deduce the flows in the territory, using a digital atmospheric transport model. Mathematically, determining fossil CO2 emissions and biogenic fluxes with a network of stations is an inverse problem, called under-constrained, because the dimensions of the problem (e.g. fluxes on a 10 km grid every 6 hours) are much larger than the number of CO2 measurements (10 permanent sites and urban point networks). To help solve this problem, knowledge from vegetation models and emission inventories is introduced, which allows to better constrain the inverse problem (Bayesian optimisation system). Thesis work The subject of the thesis is to use the continuous CO2 measurements on the ICOS-France station network (10 continuous monitoring stations on the metropolitan territory) and on the urban sites of the Paris and Reims networks to determine the CO2 fluxes over metropolitan France. In a first step, the work will consist in carrying out atmospheric simulations of CO2 to determine the sensitivity of the measurements to the fluxes of the various sinks and sources. In a second step, the candidate will solve the inverse problem by producing a mapping of the fluxes at a spatial resolution of the order of 10 km, and a weekly frequency. The focus is on fossil emissions and the land use sector (vegetation, soil). These flux maps, evaluated from the local CO2 flux measurements from the ICOS-Ecosystems sites, will be used as a draft and optimised using atmospheric measurements. Additional measurements of vertical CO2 profiles by aircraft and balloon will be used for the validation of the atmospheric transport model. The last part of the thesis work will consist in developing the inversion system to optimise the fluxes over the whole territory and over several years. The doctoral student will use inverse methods adapted to the dimensions of the problem (advanced data assimilation methods) to quickly produce flow maps for the entire territory.