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Documentation technique relative au modèle MOCAGE


Simulation des trajectoires et dispersion de polluants


( Dans le texte, les mots en caractères gras italiques sont des liens cliquables. )





























Trajectographies réalisées
lors de l'incendie du dépôt de Buncefield
au nord de Londres. Animation 1







Trajectographies vues dans un plan vertical Animation 2




Exemple de rétro trajectoires Animation 3

mises en garde :
L'utilisateur doit tenir compte des remarques ci-dessous lorsqu'il regarde les cartes de prévision de dispersion élaborée par le modèle MOCAGE.
L'interprétation des cartes produites par le modèle MOCAGE doit être faite par un météorologiste expérimenté dans les domaines de la dispersion des polluants et de la prévision météorologique aussi bien synoptique qu'à échelle fine.
L'avis d'un prévisionniste sur la qualité du modèle météorologique coupleur est de toute première importance. Si les champs météorologiques prévus sont faux, les cartes de transport et dispersion seront également fausses. En fonction de l'expertise météorologique, le prévisionniste a le choix d'utiliser soit le modèle ARPEGE ou le modèle IFS du Centre Européen.
Le modèle MOCAGE est représentatif de l'échelle à laquelle travaille les modèles météorologiques ( ARPEGE ou le modèle du Centre Européen de Prévision ). C'est donc la grande échelle ou l'échelle régionale qui seront représentés et en aucun cas les cartes produites ne pourront s'appliquer à l'échelle locale.
Le scénario par défaut est utilisé dans un premier temps en l'absence de renseignements précis sur l'événement. Mais même lorsque les éléments caractéristiques de la source sont confirmés les quantités de radioactivité réellement émises restent imprécises.

La trajectographie d'une particule


Le modèle de trajectoires calcule l'évolution d'une particule d'air neutre qui, lâchée à 3 niveaux donnés ( 500m 1500m 3000m ), n'est soumise qu'à la seule action du champ de vent prévu par le modèle météorologique coupleur.

Le résultat obtenu est alors le tracé d'une succession de position au cours du temps que l'on représente :
d'une part sur une carte (cf. animation 1) pour connaître la position géographique du trajet parcouru par la particule
( L'animation 1 concerne le rejet de fumée relatif à l'immense incendie dans l'un des plus grands entrepôts de carburant de Grande Bretagne au nord de Londres. La première trajectographie débute le 11 décembre 2005 à 5 h au moment de l'explosion et la seconde le lendemain à 12 h.
On note en particulier dans la première trajectographie les différences de direction des flux entre les niveaux 500 m et 3000 m alors que dans la seconde trajectographie le flux de nord-est est commun au trois niveaux).
et d'autre part sous la forme d'une coupe verticale (cf. animation 2) le long de ce trajet pour connaître les effets des ascendances et des subsidences rencontrées par cette particule.

Intérêts
Ce type de modèle, très rapide, permet de visualiser les sorties graphiques en quelques minutes.
Autre utilité des trajectoires : en utilisant les données analysées, on peut inverser le sens du calcul et remonter dans le temps pour obtenir des rétro trajectoires qui permettent, à partir des différents points de départ où l'on a observé de la pollution, de détecter son origine.
Exemple de rétro trajectoires Les rétro trajectoires (cf. animation 3) doivent converger vers la même zone.
Limitations
L'utilisation de ce seul outil pour évaluer les conséquences d'un rejet de polluant s'avère délicat voir dangereux dans certains cas :
si le rejet est continu dans le temps et s'étend sur une certaine épaisseur, comme dans l'exemple présenté, il faut calculer de nombreuses trajectoires pour bien cerner l'impact et l'extension de la pollution. On obtiendrait de nombreuses cartes à consulter ce qui nuirait à l 'efficacité.
si la hauteur du rejet est mal estimée, les cartes produites peuvent alors conduire à prendre de mauvaises décisions. Dans l'exemple présenté de Buncefield, L'explosion suivi d'un incendie a rejeté très haut les formes gazeuses, bien au dessus de l'inversion située vers 1000 m. C'est pour ces raisons que l'on a choisi 1000 m comme base du rejet et 3000 m le sommet. Dans ce cas les trajectoires sur les trois niveaux sont pertinentes.
Le calcul des trajectoires est très sensible au point du rejet. Dans le cas de champ de vent diffluent, deux trajectoires calculées sur des points de départ distants de quelques kilomètres peuvent avoir des trajets complètement différents.
S'il existe un fort cisaillement vertical du vent, les trajectoires issues de la même position géographique mais à des altitudes différentes pourront avoir des trajets opposés.
Si au cours de son cheminement la particule pénètre sous le relief modèle, elle sera soumise à des vents et vitesses verticales qui pourraient être faibles et le résultat présentera une certaine stationnarité sous le relief. Donc prudence sur l'interprétation des trajectoires près des grands massifs montagneux.
Cette technique ne permet pas de connaître l'évolution de la concentration de polluant dans l'air ni des dépôts au sol.
Pour résoudre ces limitations, Météo-France a développé et perfectionne continuellement le modèle
(MOCAGE)  MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Echelle

Le modèle MOCAGE


Généralités
Le modèle décrit les différents processus intervenant dans le domaine du transport et de la diffusion d'un polluant dans l'air en résolvant l'équation dite de diffusion ( équation de conservation de la masse du polluant).
Elle décrit globalement :
L'advection par le vent moyen.
La diffusion turbulente.
La prise en compte du terme source : on utilise une distribution gaussienne, fonction de la distance, pour transformer le rejet ponctuel de la source en un rejet surfacique sur la maille du modèle coupleur contenant la source.
L'appauvrissement du nuage ( terme puits ) représenté essentiellement par
le lessivage du polluant par les précipitations ( capture de particules par les gouttes d'eau tombant sur le sol ).
résultat de l'intéraction du polluant avec la surface. ( dépots secs ).
pour les polluants radioactifs, la décroissance radioactive est paramétrée en tenant compte de la demi-vie de l'élèment considéré.
MOCAGE fait partie de la famille des modèles dits " off-line " c'est à dire qu'il va directement utiliser l'information météorologique fournie par les modèles de prévision numérique du temps, en l'occurrence ARPEGE de Météo France ou le modèle IFS du CEP. Le modèle est alimenté en pression, humidité, température et vent. Ces forçages correspondent à des analyses ou à des prévisions. Sur la verticale, on utilise 47 couches verticales : 7 en couche limite, 16 en troposphère libre et 24 en stratosphère. La coordonnée verticale est une coordonnée hybride sigma-pression, ce qui permet aux niveaux verticaux de suivre le relief dans les basses couches. Les niveaux deviennent isobares dans la stratosphère. Sur l'horizontale, la grille est régulière avec une résolution de 0,5° sur l'ensemble du globe.
Il ne traite pas les équations météorologiques.
Il ne peut donc simuler que les polluants passifs. C'est à dire que :
Les polluants ne doivent pas interagir avec l'environnement extérieur en modifiant par exemple la température, le champ de vent, l'humidité etc ....
Il utilise le relief du modèle météorologique avec lequel il est couplé.
MOCAGE est tout à fait adapté pour simuler les rejets nucléaires ou chimiques.
Le scénario par défaut
Les différents exercices et accident passés ont montré que peu d'information est disponible lors du premier avertissement mise à part la position géographique et l'heure du début du rejet. De ce fait, L'OMM et l'AIEA ont défini un scénario implicite à appliquer lorsque l'information décrivant le phénomène est incomplète. la simulation initiale utilisera presque toujours les conditions du scénario par défaut défini ci-dessous :
nature du polluant relâché : Césium 137 ( pour le radioactif ) ou traceur ( pour le chimique).
représentation de la source sur la verticale avec une distribution uniforme de la surface jusqu'à 500 m d'altitude
émission constante sur une durée de 6 heures
la quantité totale rejetée est une unité (Becquerel) et ou une unité(arbitraire)






Cartes de concentration réalisées
lors de l'incendie du dépôt de Buncefield
au nord de Londres. Animation 4







Carte de dépôt total réalisée lors de l'incendie
du dépôt de carburant de Buncefield
au nord de Londres. Animation 5


Les produits graphiques distribués par Météo-France


Exemple du tableau de sorties graphiques issues de MOCAGE représentant la dispersion du polluant et pouvant être animées  :  ANIMATION  ou visualisées indépendamment  :  TRAJECTOGRAPHIE
les produits standards de dispersion et dépôt
3 cartes de prévision représentant les concentrations sur les 500 premiers mètres intégrées sur une période de 72 heures
Chacune représente la concentration moyennée sur les 500 premiers mètres et intégrée pour une période variable pour la première allant jusqu'à la fin de la première journée puis pour deux périodes de 24 heures relative au deux jours suivant pour les deux autres. L'unité pour des rejets radioactifs est le becquerel seconde par mètre cube. e-10 représente 10 -10 Bq.s/m3. Deux isolignes successives indiquent un facteur 10 entre les concentrations. cf. animation 4
3 cartes de prévision représentant le dépôt total au sol pour une période de 72h.
La première carte sur une période variable allant jusqu'à la fin de la première journée puis pour les deux autres pour une période de 24 heures supplémentaires afin d'obtenir une simulation jusqu'à J+3

Le dépôt total correspond à la somme
des dépôts humides résultant du lessivage du polluant par les précipitations.
des dépôts sec résultant de l'interaction du polluant et de la surface.
cf. animation 5


L'imagerie satellite pour vérifier les simulations


Imagerie du 11 décembre 2005 à 12 utc. Image 6







Cartes de concentration instantanées
lors de l'incendie du dépôt de Buncefield
au nord de Londres. Animation 7


Carte de concentration 500 à 3000m
lors de l'incendie du dépôt de Buncefield
au nord de Londres. Animation 8

les produits complémentaires de dispersion et dépôt
En fonction de la nature de l'incident, des champs spécifiques peuvent être modélisés et diffusés dans le tableau des sorties graphiques. Ces champs sont présentés toutes les six heures pour suivre l'évolution de la dispersion dans le temps. Dans le cas de Buncefield il était pertinant de simuler :
Les concentrations moyennes instantanées dans la couche 0 à 500m pour permettre de suivre l'advection du polluant au voisinage du sol en fonction des échéances. cf. animation 7
Les concentrations moyennes instantanées dans la couche 500 à 3000m pour permettre de suivre le polluant en altitude et d'appréhender en particulier les zones potentielles de lessivage. cf. animation 8
Sont présentés également les champs de dépôt humide et sec séparément afin de bien analyser la contribution des pluies "modèle" ou "réelles" relative au dépôt au sol.