Cette plateforme de prévision de la qualité de l’air, développée et gérée au quotidien par l’INERIS, est le fruit du travail d’un consortium intégrant aux côtés de l’INERIS, Météo France, le CNRS et le LCSQA (Laboratoire central de Surveillance de la Qualité de l’air). Elle est basée sur le résultat de simulations numériques et d’ observations recueillies sur le terrain pour prédire et cartographier les concentrations de polluants atmosphériques réglementés.

Le système PREV'AIR a été mis en place en 2003 afin de diffuser quotidiennement ces prévisions et des cartographies de qualité de l'air à différentes échelles spatiales via son site internet.

Les cartes et données sont également en libre accès sur le site data.gouv.fr à l'adresse suivante https://www.data.gouv.fr/fr/datasets/mise-a-disposition-de-donnees-de-qu...

Pour établir des prévisions des concentrations des principaux polluants réglementés (ozone, dioxyde d’azote, particules PM10 et PM2,5) et remplir quotidiennement ses missions, le système PREV’AIR repose sur une succession d’opérations précisées ici :

 

Le premier traitement consiste à récupérer les données d’entrée nécessaires pour le lancement des modèles de qualité de l’air. Cela concerne quatre grands types de données :

 

a) Données d’émissions par secteur d’activité

Plusieurs inventaires d’émission alimentent PREV’AIR permettant d’intégrer une description temporelle et spatiale des rejets de polluants sur les domaines de prévision à savoir la France et l’Europe. Que ce soit à partir de l’inventaire EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme), du TNO développé spécialement pour le programme européen Copernicus ou de l’INS (l’inventaire national spatialisé) pour la France, respectivement à 50 km, 8 km et 1 km de résolution horizontale, PREV’AIR dispose d’émission horaire de polluant décrivant l’intensité des rejets de polluant liés aux activités humaine.

 

Les émissions prises en compte dans PREV’AIR ne se limitent pas aux émissions dites anthropiques, les émissions naturelles de composés chimiques provenant de la végétation ou des sols et les émissions de poussières telluriques font l’objet de traitements particuliers pour intégrer leur contribution dans l’évaluation des niveaux de pollution ambiant.

Les données anthropiques sont mises à jour annuellement d’après les déclarations des émissions annuelles faites par les états membres.

 

b) Données météorologiques

Chaque jour des tâches de PREV’AIR ont pour mission de récupérer des prévisions météorologiques issues de plusieurs centres météorologiques. Météo-France et ECMWF (centre européen de la prévision à moyenne échéance) et également le NCEP (centre météorologique américain) sont les principaux fournisseurs de PREV’AIR. Un traitement intermédiaire peut être réalisé pour affiner ces prévisions météorologiques sur la France et l’Europe en utilisant des modèles météorologiques méso-échelles.

Ces prévisions météorologiques couvrent la période de prévision et permettent de prendre en compte les phénomènes de transport et de dispersion des masses d’air et les transformations chimiques influant les concentrations de polluants.

 

c) Conditions aux limites

L’espace géographique étudié est influencé par des concentrations atmosphériques extérieures, à échelle supérieure, qu’il s’agit de quantifier. Il faut donc déterminer et renseigner les concentrations en question aux frontières du domaine de modélisation. Pour cela sont utilisées des données relatives à un certain nombre de composés chimiques atmosphériques, soit issues de données de climatologie soit des prévisions à l’échelle globale (comme celle établies dans le cadre de Copernicus).

 

d) Observations

Intégrée à part entière dans le système, les observations font l’objet de récupération par PREV’AIR plusieurs fois par jour à l’aide de taches et requêtes qui interrogent la base de données nationales alimentée en temps réel par les mesures des AASQA (association agrée de surveillance de la qualité de l’air). Les observations des pays européens font également l’objet d’une récupération quotidienne via le site de l’agence européenne de l’environnement.

 

 

Au terme de cette phase préparatoire, qui permet de regrouper l’ensemble des données à fournir obligatoirement aux modèles de chimie-transport, les lancements des codes de calcul régional et tridimensionnel CHIMERE et MOCAGE permettent de déterminer heure après heure pour les quatre jours de simulation du J-1 au J+2 les concentrations des polluants atmosphériques – ozone, oxydes d’azote, particules en suspension –sur chaque point des maillages géographiques France et Europe. C’est au cœur des modèles que sont programmées des dizaines et des dizaines d’équations retranscrivant la dispersion et les processus physico-chimiques qui dictent l’évolution des concentrations d’une centaine de variables chimiques dans l’atmosphère.

L’exécution de ces modèles nécessite des moyens informatiques conséquents mobilisés au sein de structure de calcul informatique à haute performance. L’INERIS dispose pour les calculs de CHIMERE d’un cluster informatique (320 cpu) externalisé dans une structure spécialisée permettant une supervision en 24/7 et assurant une haute disponibilité des calculs.

Météo-France bénéficie d’une structure équivalente pour réaliser les prévisions MOCAGE.

Quotidiennement au sein de PREV’AIR, à partir des 2 modèles et des multiples sources de données d’entrée ce sont plus d’une douzaine de prévisions qui sont établies dont une petite dizaine sur la France. Cet ensemble de prévision revêt un caractère important pour évaluer le degré d’incertitude lié à la prévision de la situation de la pollution pour les journées à venir.

 

a) Traitements cartographiques correctifs

Des traitements statistiques sont mis en œuvre pour corriger les sorties brutes des modèles et fournir des produits plus pertinents et justes autant pour la prévision que pour la représentation de la pollution de la veille (analyse).

Pour la prévision (J+0 à J+2), une méthode d’adaptation statistique calcule une correction des concentrations pour plusieurs polluants sur la base de la connaissance des erreurs passées des modèles et d’un ensemble de variables prévues et observées (polluant et météorologie).

Pour l’analyse (J-1), la correction s’opère à partir de la connaissance des observations pour J-1.

 

Ces produits de sorties de PREV’AIR sont le socle de toutes les interprétations fournies par l’équipe PREV’AIR pour la gestion de la qualité de l’air en France.

 

b) Pourquoi les prévisions sur l'Europe et la France diffèrent-elles ?

A cette question d'utilisateur, des éléments de réponse sont apportés ici pour expliquer les différences pouvant être observées entre les cartographies Europe et France de PREV'AIR.

Les prévisions ciblant le domaine Europe et celles du domaine France sont issues du même modèle numérique de qualité de l’air, CHIMERE, qui permet de de simuler le transport des polluants atmosphériques et les réactions chimiques qui conduisent à leur formation et leur transformation dans l’atmosphère. Les équations de chimie-transport qui décrivent ces phénomènes sont résolues en chaque point d’une grille qui couvre l’ensemble du domaine de calcul.
Cependant la résolution de cette grille géographique diffère d’un domaine à l’autre pour des raisons essentiellement liées au temps de calcul nécessaire (plus il y a de points à traiter, plus il est long). Le domaine Europe est maillé avec une grille dont chaque élément a approximativement une taille de 50km*50km. Mais le domaine France est beaucoup mieux résolu avec une grille de 10km*10km. Utiliser une résolution plus grossière permet de limiter les ressources informatiques et le temps de calcul nécessaire, mais conduit à un « lissage » de la simulation : les structures des champs de pollution sont représentées de façon moins précise, les variations de concentrations à l’intérieur d’une maille sont diluées. Ainsi, les niveaux les plus élevés de concentrations pourront être moins élevés s’ils sont simulés sur un maillage basse résolution. La simulation France est, en ce sens plus précise que la simulation Europe, même si celle-ci reproduit correctement une tendance dans l’évolution de la distribution géographique des concentrations.
Un autre aspect permet également d’expliquer les différences entre les prévisions France et prévisions Europe. Alors que la carte Europe restitue directement les résultats issus du modèle (appelés « prévision brutes »), la carte France résulte d’une phase d’expertise supplémentaire appelée « statistique ». En effet l’observation du comportement du système PREv’air et de ses performances depuis plus de 10 ans, nous permettent d’anticiper certains biais systématiques des calculs qui varient en fonction des polluants, de la zone géographique et de la période de l’année. Un algorithme de traitement de ces biais a été mis au point par l’équipe de prévisionnistes de l’INERIS établi à partir de l’analyse des performances historiques du modèle (en comparant les prévisions aux observations réelles de qualité de l’air), des données d’observations réalisées par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA), et de données auxiliaires telles que la répartition de la population. L’algorithme statistique « adapte » ou « dé-biaise » chaque jour les prévisions brutes réalisées sur la France, en corrigeant les biais systématiques qu’elles présentent à partir, entres autres, des observations de la veille. Ces dernières sont collectées quotidiennement auprès des AASQA. Ces techniques sont largement éprouvées dans le domaine de la prévision météorologique. Elles améliorent considérablement la qualité de nos prévisions.
De la même manière le système PREv’air fournit aussi quotidiennement des analyses pour la journée de la veille reposant sur une combinaison optimale de la simulation numérique et des observations disponibles.
Cet algorithme sophistiqué a pu être mis au point sur le domaine France grâce à la disponibilité et la qualité des données d’observation, mais nous n’avons pour l’instant pas pu l’étendre à toute l’Europe de façon opérationnelle. L’Agence Européenne de l’Environnement met à disposition un ensemble de données d’observation non validées transmises par les Etats membres de l’Union. Nous ne disposons pas pour l’instant de suffisamment de recul sur la qualité de ces données pour générer des analyses et adaptations statistiques aussi fiables que sur la France. Des travaux sont néanmoins en cours et une mise à jour de ces approches modèle-mesure sur l’Europe devraient être disponibles en 2017...

Moyennes journalières de PM10 (µg/m3) pour la journée du 1/12/2016. En haut à gauche : observations aux points de mesures en temps réel fournies par l’Agence Européenne de l’Environnement. En haut à droite : analyse combinant le modèle numérique et les observations pour le domaine couvant la France métropolitaine. En bas à gauche : simulation brute Européenne. En bas à droite : analyse combinant le modèle numérique et les observations pour le domaine couvant l’Europe. Une observation de PM10 élevée et particulièrement isolée en Macédoine a, pour cette échéance, un impact fort sur la qualité de la cartographie dans la partie Sud-Est de l’Europe.

Différence de résolution, adaptation statistique et assimilation de donnée constituent donc les raisons majeures expliquant les différences entre prévision Europe et prévision France, les prévisions sur la France étant par construction, plus précises et plus fiables.

 

c) Fourniture de donnée pour utilisateurs

L’une des missions de PREV’AIR est de soutenir l’action en région des AASQA en leur donnant accès à l’ensemble des produits PREV’AIR sur leur région à des fins cartographiques ou pour alimenter leur propre plateforme régionale de prévision de la qualité de l’air.

 

D’autres acteurs nationaux ou européens de la qualité de l’air ont également accès à ces données pour des activités de surveillance ou de recherche.

 

d) Evaluations

Les résultats issus de la modélisation sont comparés avec des données issues des réseaux de mesure des AASQA, et regroupées puis traitées au sein de la base de données nationale gérée par le LCSQA. 

L’objectif est de contrôler le comportement des modèles et d’évaluer la qualité de l’ensemble des prévisions établies dans le cadre de PREV’AIR. Les résultats sont rendus public sur le site web PREV’AIR via des indicateurs statistiques tels que le biais, l’erreur quadratique moyenne et la corrélation.

 

e) Communications

En cas d’épisode de pollution annoncé, une analyse de la situation est réalisée par les prévisionnistes PREV’AIR et en synergie avec l’expertise de la prévision PREV’AIR en région faite par les AASQA, un bulletin descriptif de la situation est transmis au ministère en charge de l’écologie. Sous certaines conditions, les éléments de ce bulletin peuvent accompagnés des cartes de prévision PREV’AIR dans les médias.