RIO-IFDM

Comment les cartes annuelles de la qualité de l’air sont-elles réalisées ?

Les cartes « annual air quality » montrent le résultat du couplage de deux méthodes d’évaluation de la qualité de l’air:

1) l’interpolation des mesures de la qualité de l’air (méthode d’interpolation RIO) ;

2) le calcul de la qualité de l’air sur la base des données météorologiques et des émissions de polluants atmosphériques (modèle de dispersion IFDM).

Cette page présente les deux méthodes et examine en détail les avantages et les inconvénients de l’association RIO-IFDM.:

Modèle RIO : interpolation des mesures de qualité de l’air

En Belgique, la qualité de l’air est mesurée au moyen de postes de mesure fixes répartis sur tout le territoire. Ces mesures sont effectuées avec des appareils automatiques et donnent une image très précise de la qualité de l’air à ces endroits. Toutefois, il est impossible de réaliser des mesures partout. Pour évaluer la qualité de l’air aux endroits sans mesure, on utilise des méthodes d’interpolation, comme le modèle RIO, qui évaluent les concentrations d’une série de polluants atmosphériques.

RIO est une méthode d’interpolation . Elle utilise les mesures disponibles relevées aux postes fixes et les interpole de manière « intelligente ». L’interpolation est intelligente car RIO tient également compte de données d’occupation du sol. En effet, il existe une relation, plus ou moins marquée selon le polluant, entre ces données et la concentrations de polluants atmosphériques. Par exemple, dans les villes, qui sont des zones à forte densité de population et à circulation dense, la pollution atmosphérique au dioxyde d’azote (fortement lié au trafic), est supérieure à la pollution dans les zones rurales. Le modèle RIO permet de réaliser une estimation des concentrations de fond pour des zones de 4x4 km². Cependant, à l’intérieur de chaque cellule de 4x4 km², RIO ne fait pas de différence entre, par exemple, de petites zones boisées et des zones ou endroits plus urbanisés ou à circulation plus dense. En d’autres termes, une concentration moyenne est calculée pour chaque cellule de 4x4 km².

Exemple de carte RIO 4x4 km² (zoom sur Louvain).

Pour obtenir des informations plus précises sur la qualité de l’air à l’intérieur d’une cellule de 4x4 km², la technique d’interpolation RIO est couplée au modèle IFDM.

Le modèle IFDM : évaluation de la pollution atmosphérique

Le modèle IFDM calcule l’impact des émissions de polluants atmosphériques de sources ponctuelles et linéaires sur la qualité de l’air dans l’environnement immédiat de ces sources. Par exemple, une cheminée d’usine est une source ponctuelle. En revanche, les émissions produites par la circulation sur une route ou un tronçon de route constituent une source linéaire.

L'emplacement exact des principales sources industrielles et la quantité de polluants émis sont connus. Les comptages de trafic et la composition moyenne du parc de véhicules sont utilisés pour faire une bonne estimation des émissions du trafic routier par route (segment). Ces émissions par route (segment) sont estimées pour les principales routes urbaines et régionales ainsi que pour les autoroutes et les périphériques.

La version actuelle du modèle IFDM tient compte des sources industrielles, de la navigation et de la circulation routière. Les autres sources de pollution atmosphérique comme l’agriculture et les ménages ne sont pas modélisées séparément, mais sont incluses dans la grille des concentrations de fond de 4x4 km² fournie par la méthode RIO. En effet, contrairement aux sources ponctuelles ou linéaires, les émissions provenant de l’agriculture et des ménages sont davantage réparties sur de grandes zones.

Pour éviter de prendre deux fois en compte les sources industrielles et liées à la circulation routière, on applique une « correction de double comptage ». En effet, les résultats RIO 4x4 km², produits par l’interpolation des mesures, comprennent déjà les émissions de toutes les sources.

Contrairement à la méthode d’interpolation RIO, le modèle IFDM ne se base pas sur des mesures, mais évalue les concentrations de polluants atmosphériques sur la base des données d’émission et des données météorologiques telles que la vitesse du vent, la direction du vent et la température. En effet, ces données déterminent l’efficacité de la dispersion de la pollution, ainsi que les zones touchées. Pour certaines substances comme le dioxyde d’azote (NO2) ou l’ozone (O3), les réactions chimiques dans l’atmosphère jouent également un rôle.

Les calculs du modèle IFDM sont effectués pour plus de 1 300 000 points dans toute la Belgique le long des voies de circulation et à proximité des sources industrielles. Le long des grands sources, les concentrations sont calculées à une distance variable. Ensuite, un autre traitement (interpolation) donne une carte plus détaillée des concentrations.

Calcul avec le modèle IFDM dans les environs de Louvain.

Combinaison RIO-IFDM pour les environs de Louvain.

Quelle est la fiabilité de la combinaison RIO-IFDM ?

Une première série d’exercices de validation locaux (et de courte durée) ont montré que la combinaison RIO-IFDM permet d'évaluer les concentrations avec une meilleure fiabilité que la méthode RIO seule dans des environnements urbains. La validation est effectuée en comparant les résultats du modèle aux données des mesures. Le document Rapport d’évaluation ATMOSYS de Lefebvre et Vranckx donne en outre un aperçu des différentes comparaisons qui ont déjà été effectuées dans ce contexte. Une autre validation, concernant la fiabilité de RIO-IFDM dans l'évaluation des concentrations de NO2, est dans le document ci-joint.

Le modèle RIO-IFDM a été étendu en 2017 avec un module qui prend en compte l'effet des street canyons (voir ATMO-Street). Les performances de la chaîne RIO-IFDM sont sous-jacents aux exercices de validation d'ATMO-Street. RIO et IFDM sont améliorés et affinés en permanence sur la base de nouvelles connaissances scientifiques.

Avantages du modèle RIO-IFDM

Le grand avantage de la combinaison RIO-IFDM est qu’elle permet d’évaluer la qualité de l’air avec une meilleure résolution spatiale. La population est ainsi mieux informée sur la qualité de l’air . Cela permet aussi d’examiner avec plus de précision et d’exactitude l’exposition de la population belge à la pollution et son impact sur la santé. Ce type de calculs n’est pas sans importance vu que l’un des objectifs de la politique européenne pour la qualité de l’air consiste à diminuer d’environ 50 % l’impact sur la santé à l’horizon 2030 (New Air Quality Package, A Clean Air Programme for Europe, //ec.europa.eu/environment/air/clean_air_policy.htm).

En outre, cette méthode permet aussi de mieux déterminer les points sensibles (par exemple les zones présentant un dépassement des limites européennes). Les décideurs peuvent ainsi prendre des mesures plus ciblées pour continuer à améliorer la qualité de l’air.

Limites du modèle RIO-IFDM

La qualité de l'air calculée avec RIO-IFDM à un endroit donné est une bonne approche de la réalité mais elle reste sujette à des incertitudes. La concentration calculée peut donc être inférieure ou supérieure à la concentration réelle (inconnue) à un endroit donné. Cette limite est propre à tous les modèles de la qualité de l’air. L’incertitude des calculs du modèle est généralement supérieure à la marge d’erreur des mesures.

Le modèle combiné RIO-IFDM présente également une série de limites :

• Dans le modèle, les émissions de l'année la plus récente sont utilisées. Pour les sources ponctuelles industrielles et les sources de trafic, il s'agit généralement de l'année X-1 pour la modélisation de l'année X. En d'autres termes, les émissions ont un an de retard.
• C’est un modèle ‘open-street’. Il ne tient pas compte des obstacles (arbres, bâtiments, rangées de maisons sans interstices, etc.) le long des routes pour calculer l’impact de la circulation. Il ne tient pas non plus compte de la topographie de ces routes (par exemple une route au fond d’une vallée). Cela signifie que, dans un milieu urbain comportant des rues étroites à circulation routière dense (les « street canyons »), le modèle RIO-IFDM sous-estime probablement les concentrations. La pollution atmosphérique dans ces rues est effectivement impactée par la présence des bâtiments. Pour tenir compte de ces paramètres, il faudrait associer le modèle RIO-IFDM à un modèle pour « street canyon » utilisant des données détaillées sur la configuration des rues. Vous pouvez trouver plus d'informations sur le modèle RIO-IFDM-OSPM ici.
• Les émissions du trafic sont calculées sur base des volumes de trafic, des vitesses par segment, et de la composition moyenne du parc de véhicules (régional). Les données de trafic sur le réseau structurant (autoroutes et routes régionales importantes) sont disponibles via les comptages routiers systématiques. Les informations sur les volumes de trafic sur le réseau secondaire (plus petites routes et/ou routes à très faible trafic) sont très limitées. Actuellement, le trafic sur le réseau secondaire est estimé à partir d’un modèle de propagation en Flandre et à Bruxelles, et à partir de données GPS en Wallonie.
• L'impact des rues à très faible trafic n'est pas calculé. 
• Les situations de circulation temporaires (déviations, embouteillages,...) ne sont pas prises en compte. Les nouvelles situations de trafic (plans de circulation, nouvelles routes, ...) ne peuvent être prises en compte que dès qu'elles sont incluses dans le réseau de circulation. L'effet d'une nouvelle situation de trafic (conduisant à plus ou moins de trafic) sur les concentrations calculées ne sera donc pas immédiatement visible sur les cartes RIO-IFDM ;
• L'impact de sources très locales (comme des poêles à bois) ou accidentelles (comme un incendie) sur la qualité de l'air ne peut être estimé avec le modèle RIO-IFDM.

Vous trouverez des informations plus détaillées dans les rapports et articles scientifiques suivants :

• - Janssen et al., 2008, “Spatial interpolation of air pollution measurements using CORINE land cover data”, Atmospheric Environment 42 (20) 4884–4903

• - Lefebvre et al.,2013 ”Presentation and evaluation of an integrated model chain to respond to traffic- and health-related policy questions”, Environmental Modelling & Software 40 160- 170

• - Lefebvre W., Vranckx S.,2013 “Validation of the IFDM model for use in urban applications”