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Climatologie

Un mot pour Gérard Beltrando. Hommages de douze de ses ancien(ne)s doctorant(e)s

Hommage de Sarah Duché. Un dernier article ensemble


Variabilités spatio-temporelles des concentrations de particules en région parisienne et de la région Rhônes-Alpes Sarah Duché et Gérard Beltrando

Résumé

Thèse soutenue le 26 juin 2013 à l’Université Paris Diderot et intitulée « La pollution de l’air en région parisienne : exposition et perception sur les sites touristiques »
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Mon meilleur hommage à Gérard est cet article posthume, texte que j’aurais voulu rédiger avant avec lui à la suite de mon recrutement à Grenoble : « 
Variabilités spatio-temporelles des concentrations de particules en région parisienne et de la région Rhône-Alpes ».
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Lors de mon travail doctoral, la caractérisation de la variabilité spatio-temporelle de la pollution de l’air en région parisienne à l’aide d’analyses en composante principale (ACP) a été le sujet de nombreuses discussions avec Gérard Beltrando, directeur de ma thèse. La continuité de nos échanges scientifiques est présentée ici à travers la comparaison des résultats de deux ACP : la première sur les concentrations moyennes journalières de PM10 mesurées dans 8 stations franciliennes et la seconde sur les concentrations mesurées dans 22 stations de la région Rhône-Alpes du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2016. Les résultats montrent deux configurations régionales différentes. En région parisienne, la variabilité spatio-temporelle des particules est principalement liée aux variations des sources d’émission. Tandis que le relief, la diversité des sources d’émission et les différentes agglomérations de la région Rhône-Alpes influent sur des répartitions spatiales des niveaux de particules diverses selon les jours, les saisons et les types de temps.

Abstract

Spatio-temporal variabilities of PM10 concentration in Paris and Rhône-Alpes areas (France).
During my PhD, spatial and temporal variability studies of air pollution in the Paris region using principal component analysis (PCA) has been the subject of numerous discussions with Gérard Beltrando, director of my thesis. The continuity of our scientific discussions is presented here by comparing the results of two PCA: the first on the mean daily concentration of PM10 measured in 8 stations in the Ile-de-France region (Paris area) and the second on concentration measured in 22 stations in the Rhône-Alpes region (south-east of France) from the 1st January 2007 to the 31 December 2016. In the Parisian area, the spatial and temporal variability of particles is mainly due to emission sources variations. In the Rhône-Alpes area, the relief, the different emission sources and the various agglomerations of the region influence spatial distributions of particle levels according to the days, seasons and types of weather.

Entrées d'index

Mots-clés : PM10, analyse en composante principale, Île-de-France, Rhône-Alpes

Keywords: PM10, principal component analysis, Île-de-France, Rhône-Alpes

Texte intégral

Introduction

Lors du travail doctoral intitulé « La pollution de l’air en région parisienne : exposition et perception sur les sites touristiques » (Duché, 2013), nous avions souhaité caractériser la variabilité spatio-temporelle de la pollution de l’air de la région parisienne. Sur les traces de la méthodologie employée lors du propre travail doctoral de G. Beltrando (Beltrando, 1990), nous avons choisi d’étudier, à l’aide d’une des analyses en composante principale (ACP), la variance spatiale et temporelle des concentrations journalières de trois polluants majeurs (ozone, dioxyde d’azote et particules) mesurées en continu par les stations automatiques du réseau officiel Airparif et réparties dans toute l’Île-de-France. La période étudiée était de du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2012. Pour tous les polluants, les résultats des ACP montraient un premier facteur qui expliquait quasiment toute la variance (environ 90 % pour l’ozone et les particules, et 80 % pour le dioxyde d’azote). Nous avons re-testé pendant toute la durée de la thèse des ACP avec différentes méthodes (avec ou sans rotation), des périodes d’études élargies, sur les données horaires et pas seulement journalières, avec les stations situées loin des sources d’émission directes, dites de fond ou en travaillant aussi avec celle à proximité direct du trafic routier, celle dite de trafic et enfin, en cherchant à caractériser les dates en les traitant en tant qu’individus et les stations en tant que variables (et vice versa). Les ACP révélant souvent les phénomènes d’effets de masse, en travaillant uniquement sur les stations dites de fond, les résultats obtenus montraient toujours l’importance du premier facteur avec toutes les stations fortement corrélées à ce facteur et une opposition entre les jours avec les taux de polluants les plus élevés et ceux les plus faibles. Ils se traduisent par des augmentations ou des diminutions des concentrations de polluants les mêmes jours pour toutes les stations franciliennes, même si les niveaux moyens sont différents entre le centre dense urbain et la périphérie rurale. Ce qui s’explique par une zonalité en ceinture des sources d’émission du centre parisien aux zones rurales alentours et par le faible relief de la région.

Nous avons souhaité poursuivre le même travail et comparer les résultats sur la région Rhône-Alpes avec ceux de l’Île-de-France, en choisissant ici de nous concentrer sur la pollution aux particules, très problématique avec de forts niveaux en période hivernale et des conséquences sanitaires importantes.

1. Données et méthodes utilisées

Les concentrations moyennes journalières de PM10 (particules avec un diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm) ont été sélectionnées du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2015 pour 8 stations en Île-de-France (6 stations en fond, 2 stations proche du trafic) à partir des données libres d’Airparif (http://www.airparif.asso.fr/stations/index) et pour 22 stations en région Rhône-Alpes (16 en fond, 5 à proximité du trafic et 1 à proximité des industries) à partir des données libres d’ATMO Auvergne-Rhône-Alpes (http://www.air-rhonealpes.fr/donnees/). Dans cette étude, le choix est fait de retenir les stations éloignées des sources d’émission, dites de fond et celles proche, dites de trafic et industriel car les comparaisons de l’ACP entre la région parisienne et la région Rhône-Alpes montrent des résultats différents. Sont retenues uniquement les stations avec moins de 5 % de données manquantes ou de valeurs aberrantes sur la période choisie. On note que peu de stations franciliennes ont des données disponibles sur les PM10 en continu pendant cette période.

Deux ACP sont réalisées : l’une sur les données standardisées de la région parisienne et l’autre sur celles de la région Rhône-Alpes. Les stations ont été choisies comme individus et les dates comme variables.

2. Variabilité entre les stations très liée à la proximité des sources d’émission en région parisienne

Les résultats de l’ACP sur les concentrations de PM10 pour les huit stations franciliennes du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2015 concordent avec ceux analysés durant la thèse de S. Duché (2013) : le premier facteur explique à lui seul 89 % de la variance. Cependant, le second facteur a une variance de 6 % et peut être pris en compte dans l’analyse.

La figure 1 indique les coordonnées des stations du facteur 1 et 2. Le premier facteur met en opposition les stations avec les plus forts taux de PM10 en moyenne, ceux mesurés aux deux stations trafic, à ceux avec les faibles taux en moyenne, ceux mesurés aux stations dites de fond. Nous noterons, par ailleurs, que les coordonnées des stations les plus éloignées du centre parisien, Lognes et Cergy, ont des coordonnées négatives plus faibles que les autres stations (environ -35 pour les premières et -20 pour les secondes). Tous les jours sont corrélés positivement à ce premier axe qui fait ressortir un effet de masse et uniquement les différences de taux moyens entre les stations plus proches des sources d’émission, avec des niveaux de PM10 plus forts, et celles plus éloignées avec des niveaux plus faibles.

Figure 1 : Répartition spatiale des résultats de l’analyse en composante principale sur les taux moyens journaliers de PM10 pour huit stations franciliennes du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2015.
Spatial distribution of the results of the principal component analysis on PM10 daily concentration for 8 stations in the Ile-de-France region from 1st January 2007 to 31 December 2015.

Le second facteur met en opposition les deux stations trafic, celle de l’autoroute A1 située à Saint-Denis et celle du périphérique située à la Porte d’Auteuil. En sélectionnant les 5 % des coordonnées positives des dates, on observe que pour ces jours, les niveaux de PM10 de la station de Porte d’Auteuil sont supérieurs ou égaux à ceux de la station de l’autoroute A1. Par exemple, pour la date la plus corrélée positivement à l’axe 2, le 16 avril 2007, le taux moyen journalier de PM10 à la station de la Porte d’Auteuil était de 98 µg/m3 alors que celui de l’autoroute A1 était de 87 µg/m3. À l’inverse, en sélectionnant les 5 % des coordonnées négatives des dates, on observe que pour ces jours, les niveaux de PM10 de la station de l’autoroute A1 sont tous supérieurs à ceux de la station de la Porte d’Auteuil. Le 1er janvier 2015, date avec la corrélation négative la plus faible sur F2, le taux moyen de PM10 de l’autoroute A1 était de 53 µg/m3 alors que celui de la Porte d’Auteuil était de 43 µg/m3. Ce qui s’explique certainement par une différence de trafic routier sur les deux axes dans la semaine car les jours durant lesquels les niveaux de PM10 sont supérieurs à la station du périphérique sont majoritairement en milieu de semaine (mardi, mercredi et jeudi) et à l’inverse, les jours avec les niveaux de PM10 supérieurs à la station de l’autoroute A1 sont majoritairement autour et pendant le week-end (vendredi, samedi, dimanche et lundi).

Les résultats de l’ACP sur la région parisienne mettent donc en évidence une variabilité spatio-temporelle des PM10 essentiellement due aux variations de la principale source d’émission de particules en Île-de-France, le trafic routier.

3. Diversité de configurations spatio-temporelles de la pollution aux particules en région Rhône-Alpes

Les résultats de l’ACP sur les concentrations moyennes journalières de PM10 mesurées par 22 stations en Rhône-Alpes indiquent une richesse de variance spatio-temporelle beaucoup plus importante que pour l’Île-de-France. En effet, les 7 premiers facteurs retenus expriment 72 % de la variance totale : le 1er facteur correspond à 25 % de la variance totale, le 2nd 13 %, le 3ème 10 %, le 4ème 8 %, le 5ème 6 %, le 6ème et le 7ème 5 %. Le choix est fait ici de ne présenter que les trois premiers facteurs, seule une étude plus exhaustive pouvant prendre en compte les autres facteurs.

Le facteur 1 montre une opposition entre les stations situées dans la vallée du Rhône et celles dans les vallées alpines (figure 2). Les taux de PM10 sont en moyenne supérieurs dans la vallée du Rhône que dans les stations alpines les jours fortement corrélés positivement au premier facteur, et vice versa pour les jours corrélés négativement. Cela s’explique par des différences de conditions météorologiques entre la vallée du Rhône à l’ouest et les Alpes à l’est durant ces jours.

Figure 2 : Répartition spatiale des résultats de l’analyse en composante principale sur les taux de PM10 pour 22 stations en région Rhône-Alpes du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2015. Spatial distribution of the results of the principal component analysis on PM10 daily concentration for 22 stations in the Rhône-Alpes region from 1st January 2007 to 31 December 2015.

Le second facteur oppose la station de Passy, située dans la vallée de l’Arve, et celle de Saint-Jean-de-Maurienne, située dans la vallée de la Maurienne. Les jours fortement corrélés positivement à ce second facteur ont des taux moyens journaliers de PM10 mesurés par la station de Passy jusqu’à six fois supérieurs à ceux mesurés par la station de Saint-Jean-de-Maurienne. Par exemple, le 16 décembre 2013, la concentration moyenne de PM10 était de 108 µg/m3 à la station de Passy et de 17 µg/m3 à la station de Saint-Jean-de-Maurienne. L’analyse des dates mises en évidence sur ce second facteur montre une opposition entre la saison hivernale avec des taux de PM10 à Passy très supérieurs en moyenne à ceux de Saint-Jean-de-Maurienne et la saison estivale et automnale durant laquelle les taux de PM10 à Saint-Jean-de-Maurienne sont supérieurs ou égaux à ceux de Passy. Cela s’explique par la configuration de la vallée de l’Arve, très encaissée, favorisant les inversions thermiques et la concentration des particules dans la vallée en hiver, ainsi que les émissions dues au passage de l’autoroute vers le tunnel du Mont Blanc et l’importante densité de chauffage au bois.

Le troisième facteur différencie les stations à l’ouest des Alpes (Grenoble et Annecy) et celles situées à l’est de la vallée de l’Arve (Passy et Chamonix). Les concentrations moyennes journalières de particules sont plus élevées en période automnale et hivernale à Grenoble et Annecy que dans la vallée de l’Arve, alors qu’elles sont inférieures en période hivernale. On l’explique comme précédemment par l’encaissement plus important pour la vallée de l’Arve que celle de Grenoble et d’Annecy. Les résultats de l’ACP sur les concentrations moyennes de PM10 mesurées dans 22 stations de la région Rhône-Alpes du 1er janvier 2007 au 31 décembre 2015 montrent une forte variabilité spatio-temporelle des concentrations de particules. En région parisienne, le trafic routier est la principale source d’émission des particules. En saison hivernale, le chauffage au bois émet une grande quantité de particules expliquant en partie les fortes concentrations dans les vallées des Alpes.

Conclusion

La variabilité spatio-temporelle des particules est beaucoup plus importante et complexe dans la région Rhône-Alpes que dans la région parisienne. Cependant, les résultats peuvent être nuancés par le peu de stations mesurant en continu les particules sur cette période, contrairement à la région Rhône-Alpes. Cette différence de nombre de stations de mesure s’explique par la politique des réseaux officiels de placer des stations fixes dans les agglomérations de plus de 100 000 habitants et dans les zones problématiques. Or, la région parisienne est constituée d’une seule agglomération alors qu’il y en a plusieurs en région Rhône-Alpes. Des stations ont aussi été placées dans les vallées alpines où la pollution est problématique, comme dans la vallée de l’Arve. Pour aller plus loin, l’analyse des types de temps et des différentes configurations spatio-temporelles de la pollution aux particules en région Rhône-Alpes est encore à explorer. Enfin, l’agrandissement de la région avec l’Auvergne doit certainement mettre en évidence une nouvelle répartition spatio-temporelle des concentrations de particules, dans une région à la convergence de plusieurs climats. L’étude de la variabilité spatio-temporelle de la pollution de l’air commencé avec Gérard Beltrando reste donc un vaste sujet à fouiller…

Bibliographie

Beltrando G., 1990 : Variabilité interannuelle des précipitations en Afrique orientale (Kenya, Ouganda, Tanzanie) et relations avec la dynamique de l’atmosphère. Thèse de doctorat, Géographie, Aix-Marseille 2.

Duché S., 2013 : La pollution de l’air en région parisienne : exposition et perception sur les sites touristiques. Thèse de doctorat, Université Paris-Diderot, 258 pages.

Pour citer ce document

Référence électronique : Sarah Duché et Gérard Beltrando « Hommage de Sarah Duché. Un dernier article ensemble », Climatologie [En ligne], mis à jour le : 14/02/2017, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/climatologie/index.php?id=1167, https://doi.org/10.4267/climatologie.1167

Auteur(s)

Sarah Duché

Université Grenoble Alpes - Institut de Géographie Alpine 14bis, avenue Marie Reynoard - 38100 Grenoble – France
sarah.duche (at) univ-grenoble-alpes.fr

Gérard Beltrando

Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité CNRS UMR 8586 PRODIG, UFR GHSS (c.c. 7001) 5 rue Thomas Mann – 75205 PARIS CEDEX 13 – France