# Pollution atmosphérique et climat
# Air Quality and Climate Change

A. COLETTE(1)*, L. ROUÏL(1), B. BESSAGNET(1), S. SCHUCHT(1), S. SZOPA(2), R. VAUTARD(2), L. MENUT(3)

## Résumé

Changement climatique et qualité de l'air sont intime-
ment liés : à travers les politiques de gestion mises en
œuvre pour atténuer ces menaces environnementales
majeures, mais aussi à travers les processus géophys-
siques qui les gouvernent. Afin de pouvoir étudier l'évolu-
tion de la pollution atmosphérique en Europe en prenant
en compte l'influence conjointe du changement climatique
et du transport à longue distance, nous avons conçu, déve-
loppé et mis en œuvre un système complet de modélisa-
tion régionale du climat et de la qualité de l'air. En utilisant
des scénarios prospectifs de dernière génération relatifs
au changement climatique (émissions de gaz à effet de
serre) mais aussi pour les polluants à courte durée de vie,
nous avons pu proposer une quantification de l'évolution
future de la qualité de l'air en Europe. D'après le scénario
le plus volontariste, la pollution liée à l'ozone sera réduite
de manière substantielle, mais les efforts positifs induits
par les politiques de gestion de la qualité de l'air seront
contrebalancés par le changement climatique et le
transport à longue distance pour le scénario *statu quo*. En
ce qui concerne les particules, les réductions d'émissions
futures réduiront de manière efficace les niveaux d'exposi-
tion.

## Mots-clés

Pollution atmosphérique, changement clima-
tique, transport à longue distance, modélisation chi-
mie-transport.

## Abstract

Climate change and air quality are closely related:
through the policy measures implemented to mitigate
these major environmental threats but also through the
geophysical processes that drive them. We designed,
developed and implemented a comprehensive regional air
quality and climate modeling system to investigate future
air quality in Europe taking into account the combined
pressure of future climate change and long range
transport. Using the prospective scenarios of the last gene-
ration of pathways for both climate change (emissions of
well mixed greenhouse gases) and air pollutants, we can
provide a quantitative view into the possible future air qua-
lity in Europe. We find that ozone pollution will decrease
substantially under the most stringent scenario but the
efforts of the air quality legislation will be adversely com-
pensated by the penalty of global warming and long range
transport for the business as usual scenario. For particu-
late matter, the projected reduction of emissions efficiently
reduces exposure levels.

## Keywords

Atmospheric pollution, climate change, long
range transport, chemistry transport modeling.

## Introduction

Même si leurs impacts respectifs se caractérisent
généralement par des échelles de temps et d'es-
paces différentes, qualité de l'air et climat restent inti-
mement liés, autant par les processus géophysiques
qui les régissent que par les stratégies de gestion et
d'atténuation qui les concernent.

* La pollution atmosphérique est très fortement
contrainte par la dynamique de l'atmosphère et donc

par le climat qui définit la fréquence et l'amplitude des
phénomènes météorologiques. Le climat est lui-
même sensible à la composition chimique de l'at-
mosphère, du fait des propriétés radiatives (directes
et indirectes) des espèces traces, notamment particu-
laires.

* Les politiques d'atténuation du changement clima-
tique reposent sur des mesures technologiques
(comme les stratégies d'économie d'énergie ou la
transition vers des nouvelles sources d'énergie) qui

<footnote>(1) INERIS. [*] : augustin.colette@ineris.fr</footnote>

<footnote>(2) LSCE/IPSL/CEA/CNRS/UVSQ.</footnote>

<footnote>(3) LMD/IPSL/ CNRS/Ecole Polytechnique/UPMC.</footnote>
ont également un impact sur les émissions de pol-
luants atmosphériques. Réciproquement les mesures
de gestion de la qualité de l'air influent aussi sur les
émissions de gaz à effet de serre. Dans les deux cas,
il faut noter que ces effets indirects ne vont pas sys-
tématiquement dans le sens d'une réduction mutuelle
des émissions de polluants et de gaz à effet de serre.

Ces interactions multiples appellent des appro-
ches intégrées afin d'identifier les mesures de gestion
les plus coût-efficaces [Cohan et Napelenok, 2011] et
qui auraient des effets positifs tant sur la qualité de
l'air que sur le réchauffement climatique. En Europe,
l'outil privilégié à la fin des années 1990 pour définir
les stratégies de gestion optimales de réduction des
émissions de polluants atmosphériques dans les
pays européens était le modèle RAINS (Regional Air
Pollution Information and Simulation) [Amann et Lutz,
2000]. Afin de prendre en compte l'effet combiné des
mesures ciblant le climat et la qualité de l'air, cet outil
a évolué au milieu des années 2000 vers le modèle
GAINS (Greenhouse Gas - Air Pollution Interactions
and Synergies) [Amann et al., 2011].

Si ces modèles d'aide à la décision permettent
bien d'évaluer la sensibilité du système atmosphé-
rique à une évolution des émissions de polluants
atmosphériques et de gaz à effet de serre, ils ne pren-
nent pas encore en compte l'impact géophysique du
climat sur la pollution, ni l'impact de la pollution sur le
forçage radiatif. Par ailleurs, les modèles comme
GAINS ou RAINS sont par construction une linéaris-
ation du système atmosphérique développée à partir
d'un grand nombre de simulations du modèle de chi-
mie-transport EMEP [Simpson et al., 2012]. La vali-
dité de cette linéarisation reste limitée à des
changements incrémentaux d'émission de petite
ampleur autour de l'état de référence. Cette hypo-
thèse de linéarité est remise en question dès qu'on
s'intéresse à des échelles de temps climatologiques.
Quand il s'agit d'étudier l'impact de changements
d'émissions de grande ampleur, ou les effets non
linéaires du climat sur la qualité de l'air, les modèles
de chimie-transport demeurent donc les outils privilé-
giés, malgré leur coût en termes de temps de calcul.

Nous présentons ici l'état de l'art de la modélisa-
tion de l'impact du climat sur la qualité de l'air en
Europe. Après une partie méthodologique revenant
sur les données d'entrées nécessaires en termes
d'émissions de polluants ou de gaz à effet de serre et
les différents types de modèles impliqués, nous pré-
senterons quelques résultats récents qui seront mis
en perspective avec la littérature existante.

Méthodologie

Inventaires d'émissions

Les projections d'évolution du forçage radiatif développées pour le prochain rapport d'évaluation du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat (GIEC) sont les Representative Concentration Pathways (RCP) [van Vuuren et al., 2011]. Il

existe quatre trajectoires qui diffèrent en termes de
forçage radiatif résultant à la fin du siècle. Le scéná-
rio le plus restrictif (RCP2.6) conduit à un forçage
radiatif de 2.6 W/m² d'ici 2100, ce qui devrait conduire
à un réchauffement de l'ordre de 2 °C, alors que le
scénario le plus permissif mène à un forçage radiatif
de 8.5 W/m² à la fin du siècle, conduisant à un
réchauffement de l'ordre de 3.5 à 5.0 °C d'ici 2100,
d'après le modèle IPSL-CM5, suivant les versions du
modèle [Dufresne et al., 2013].

Au-delà de la trajectoire de forçage radiatif, les RCP incluent une information sur les émissions d'espèces traces qui sont utilisées pour comprendre le couplage entre climat et composition de l'atmosphère à l'échelle globale. Ces données sont établies dans le cadre du projet ACCMIP (Atmospheric Composition Change Model Intercomparison Project) [Lamarque et al., 2012]. Ces émissions d'espèces traces n'ont toutefois pas été développées à des fins de modélisation de la qualité de l'air, et plusieurs auteurs ont mis en garde quant à leur utilisation pour de telles applications [Butler et al., 2012 ; Fiore et al., 2012]. La seule alternative disponible à ce jour a été développée dans le cadre du Global Energy Assessment (GEA) [Riahi et al., 2012]. Ces derniers scénarios ont l'avantage d'inclure une représentation explicite des politiques de gestion de la qualité de l'air [Rao et al., 2012], ce qui peut conduire à des différences importantes par rapport aux RCP [Colette et al., 2012].

Chaîne de modélisation

La modélisation de l'impact du climat sur la qualité
de l'air à l'échelle régionale requiert la mise en œuvre
de quatre types de modèles. Les travaux dont les
résultats sont présentés dans cet article reposent sur
les outils mentionnés ci-dessous :

* Un modèle de circulation générale couplée océan/atmosphère. Ici on utilise les simulations conduites dans le cadre de la plus récente des itérations du projet Climate Model Intercomparison Exercice (CMIP5) [Taylor et al., 2012] avec le modèle IPSL-CM5A-MR [Dufresne et al., 2013] développé par l'Institut Pierre-Simon Laplace.

* Un modèle de climat régional. Les champs climatiques à l'échelle globale sont fournis à une résolution spatiale insuffisante pour être utilisés sur l'Europe, et ils sont donc raffinés dynamiquement avec le modèle de météorologie méso-échelle WRF [Skamarock et al., 2008]. Cette initiative est coordonnée sur le plan international dans le cadre de l'exercice CORDEX (Coordinated Regional Climate Modelling Experiment, [Giorgi et al., 2009]).

* Un modèle global de chimie atmosphérique. La composition future de l'atmosphère globale est évaluée avec le modèle LMDz-OR-INCA (Hauglustaine et al., 2004) qui prend en compte de manière conjointe le climat et la composition de l'atmosphère. Ce modèle permet donc de quantifier l'impact des émissions sur l'ensemble du globe (et donc de prendre en compte le transport hémisphérique des polluants)
<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>Figure 1.
Ozone (moyenne des maxima journaliers sur les trois mois d'été, à gauche) et particules (moyenne annuelle de PM<sub>2.5</sub>, à droite). La première ligne décrit la situation actuelle (historique), et les suivantes la différence – par rapport à l'historique – pour deux réalisations différant par leurs politiques climatiques (atténuation et statu quo – ou business as usual) pour 2050 qui intègrent les impacts du climat global, du climat régional, des émissions de polluants locales, et du transport à longue distance.</figcaption></figure>

Ozone (left: summer mean of the daily maxima), and particulate matter (right: annual mean PM<sub>2.5</sub>). The first raw gives the current (historical) situation and the following the differences (with respect to the historical) for two possible futures (attenuation and business as usual) for 2050 that take into account the combined pressure of global climate change, regional climate change, Europe-wide emission mitigation strategies, and long range transport of pollutants.
ainsi que l'impact du climat global sur la chimie atmosphérique en dehors de l'Europe. Les travaux relevant de cette partie de la chaîne de modélisation sont coordonnés au plan international dans le projet ACCMIP.

* Un modèle de qualité de l'air régional. Le modèle CHIMERE [Menut et al., 2013] est utilisé pour quantifier l'évolution de la pollution à partir des émissions de polluants des scénarios GEA, du climat global du modèle IPSL-CM5-MR raffiné spatialement sur l'Europe avec WRF, et en utilisant les conditions aux limites chimiques de LMDz-OR-INCA.

## Résultats

Nous présentons ici les résultats de la modélisation combinée de la qualité de l'air et du climat régional à l'horizon 2050. La figure 1 représente les cartes de concentrations d'ozone (moyenne estivale des maxima journaliers) et de PM₂.₅ (moyenne annuelle) pour la situation actuelle, ainsi que l'évolution pour les deux scénarios prospectifs à l'horizon 2050 : un statu quo (ou business as usual) qui ignore la mise en œuvre de politiques climatiques, et un scénario d'atténuation qui ambitionne de limiter le réchauffement global à 2 °C d'ici 2100. Ces deux scénarios sont donc très différents en termes de consommation énergétique, ce qui a un effet sur les émissions de gaz à effet de serre (qui sont pris en compte dans les modèles de climat impliqués dans l'étude) mais aussi sur les émissions de polluants (pris en compte dans les modèles de chimie transport). Cependant les deux scénarios partagent les mêmes hypothèses relatives à la politique de gestion de la qualité de l'air. Ça n'est donc que la politique liée à la demande d'énergie qui influera, indirectement, sur les émissions de polluants. Pour chacun des scénarios, les résultats reposent sur des simulations de dix ans afin de minimiser l'impact de la variabilité météorologique. Pour la période actuelle, les années 1995-2004 sont utilisées alors que les projections reposent sur la décennie 2045-2054. Par contre, à chaque fois, les émissions sont constantes sur la période de dix années météorologiques, on utilise alors les données de l'année 2005 pour l'actuel et 2050 pour le futur.

## Projection d'évolution de l'ozone

La carte de maxima d'ozone pour la situation actuelle (historique, en haut à gauche de la figure 1) reproduit les caractéristiques habituelles [Colette et al., 2011] avec un gradient nord-sud prononcé, mis à part les principales zones polluées d'Europe de l'Ouest. L'utilisation de champs climatiques au lieu de prévisions ou de réanalyses météorologiques n'est pas anodin, et dans ce cas précis il apparaît que le modèle de climat est moins favorable à la production d'ozone que les réanalyses [Colette et al., 2013]. Cette responsabilité est attribuée principalement au modèle de climat global qui souffre d'un biais froid et nuageux du fait d'une circulation thermohaline trop

lente dans l'océan Atlantique Nord [Hourdin et al., 2012]. Il faut noter que ce biais froid n'en fait pas nécessairement un « mauvais modèle », même si cela pose des défis significatifs dans les études d'impact comme ici. La question des incertitudes et des biais des projections climatiques est largement couverte dans les travaux du GIEC [IPCC, 2007]. À titre d'exemple, un modèle qui consisterait en une climatologie du passé pourrait être à la fois très performant sur la période historique et très peu sensible au changement climatique.

Les panneaux inférieurs de la figure 1 montrent l'évolution des champs d'ozone d'ici 2050 par rapport à la simulation historique. Pour les deux scénarios, on observe une baisse des maxima d'ozone avec toute-fois d'importantes différences.

Dans le cas du scénario d'atténuation, les efforts relatifs à l'efficacité énergétique impactent nettement les émissions des précurseurs de l'ozone, et la baisse d'ozone est généralisée. Une analyse de décomposition montre que cette décroissance est induite principalement par la baisse des émissions de précurseurs en Europe et dans le reste du monde. Le climat contribue cependant à augmenter les niveaux d'ozone. On parlera donc de pénalité climatique. Cette pénalité climatique est induite par l'augmentation de la température et du flux solaire incident (via leur impact sur la photochimie et la production de précurseurs d'ozone d'origine biotique). Il s'agit d'un processus déjà bien établi dans la littérature [Hedegaard et al., 2012; Langner et al., 2012; Manders et al., 2012; Meleux et al., 2007]. Les résultats présentés ici confirment ce diagnostic, tout en en reposant sur la version la plus récente des projections RCP à l'échelle régionale.

La diminution des niveaux d'ozone est beaucoup plus limitée pour le scénario de base (qui correspond à une situation dite « business as usual »), même si elle demeure significative sur une grande partie de l'Europe. L'analyse de décomposition montre que les émissions de précurseurs sont suffisamment significatives pour conduire à une réduction des maxima d'ozone. Même si ce scénario ignore la mise en œuvre de mesures d'efficacité énergétique, il suppose que la législation européenne relative à la qualité de l'air sera bien implémentée, ce qui semble ici être suffisamment efficace pour réduire l'exposition aux pics d'ozone. À l'inverse, les émissions non européennes et l'évolution du climat global constituent des pénalités très importantes qui contrebalancent la baisse imputable aux émissions européennes.

## Projection d'évolution des particules fines

La situation actuelle et l'évolution future des particules fines sont données sur les panneaux de droite de la figure 1. La simulation historique (en haut) reproduit bien les maxima sur les zones polluées d'Europe de l'Est, ainsi que la vallée du Pô, Paris, Londres et le Benelux.
Comme pour l'ozone, les projections pour 2050 s'accordent sur une baisse des concentrations de particules fines. En termes d'exposition, les concentrations de PM<sub>2.5</sub> pondérées par la densité de population décroissent de 60 % et 80 % pour les scénarios de statu quo et atténuation respectivement. Si les deux trajectoires pour 2050 diffèrent légèrement, elles sont toutefois beaucoup plus proches que pour l'ozone, ce qui souligne l'importance des politiques de gestion de la qualité de l'air pour les particules. L'implémentation des politiques énergétiques liées au changement climatique ont ici moins d'impact que pour l'ozone.

Il faut cependant noter que le changement climatique lui-même (i.e. l'évolution géophysique plutôt que les mesures technologiques associées aux politiques climatiques) a un impact significatif sur l'évolution des particules fines. L'analyse de décomposition détaillée [dans Colette et al., 2013] montre que le changement climatique régional contribue à diminuer les concentrations de PM<sub>2.5</sub>. Cette baisse est principalement attribuée à la légère augmentation des précipitations moyennes en Europe (hors Méditerranée). Cependant on observe une réponse différenciée suivant le type de constituant particulaire avec une sensibilité au changement climatique renforcée pour les nitrates d'ammonium par rapport aux sulfates, ce qui suggère que d'autres paramètres météorologiques tels que la température ou la disponibilité de la vapeur d'eau jouent un rôle. Il est important de souligner qu'au contraire de l'ozone, il est difficile de qualifier de strictement pénalisant l'impact du climat sur les particules, et l'on trouve dans la littérature autant d'études rapportant une pénalité qu'un bénéfice du climat [Hedegaard et al., 2012; Manders et al., 2012; Tai et al., 2012].

## Conclusion et perspectives

Les chaînes de modélisation du climat et de la qualité de l'air atteignent un degré de maturité suffisant pour proposer des projections à l'horizon 2050 intégrant les principaux facteurs d'influence. Le travail présenté ici intègre les rôles respectifs (1) des politiques de gestion du climat et de la qualité de l'air (via

les émissions de gaz à effet de serre et des polluants et précurseurs) ; (2) du changement climatique global et sa déclinaison régionale sur l'Europe ; (3) de la chaleur de l'atmosphère à l'échelle globale en prenant en compte un focus sur l'Europe.

Ce système de modélisation régional du climat et de la qualité de l'air permet de quantifier l'évolution future des expositions à l'ozone et aux particules fines tout en soulignant le rôle respectif de chaque facteur. Le principal enjeu en termes de politiques de gestion consiste à anticiper les éventuels pénalités et bénéfices croisés. Si l'on a mis en évidence par la présente étude que les scénarios d'émission prospectifs à l'horizon 2050 conduisent sans ambiguïté à une décroissance de l'exposition à la pollution atmosphérique, sous réserve que les objectifs de réduction des émissions de polluants atmosphériques fixés légalement soient bien respectés, il existe des pénalités qui pourraient compromettre les stratégies de gestion. Le changement climatique régional constitue une pénalité pour l'ozone en contribuant à nettement augmenter les concentrations. Mais la principale pénalité qui pèse sur l'ozone est attribuée à l'évolution des concentrations de fond liées aux émissions distantes (non européennes). Pour les particules, notre étude suggère que le climat puisse constituer un bénéfice net en contribuant à baisser les niveaux de PM<sub>2.5</sub> à la faveur d'une légère augmentation des précipitations en Europe (hors Méditerranée).

Les résultats présentés reposent sur les scénarios prospectifs les plus récents, et ils prennent en compte l'ensemble des facteurs géophysiques jouant un rôle. Cependant cette chaîne de modélisation constitue une unique réalisation, alors que dans le domaine des projections climatiques les approches d'ensemble sont la règle, de façon à prendre au mieux en compte les incertitudes. On a vu par exemple que le modèle de climat utilisé ici souffrait d'un biais froid et humide. ce qui influe sur le bénéfice climatique identifié pour les particules, alors que d'autres études suggèrent une pénalité. Il est essentiel d'envisager dès à présent des approches de modélisation d'ensemble et/ou des techniques de correction de biais des modèles climatiques afin de mieux contraindre les incertitudes.

## Remerciements

Ce travail a bénéficié du soutien du programme Primequal du ministère en charge de l'Écologie et de l'ADEME *vía* le projet SALUT'AIR, ainsi que du GIS Climat-Environnement-Société *vía* le projet ACHIA. Les travaux de modélisation ont été effectués sur les calculateurs du Centre de Calcul Technologie et Recherche (CCRT).
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