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PERLE : Modèle de dispersion de polluants à échelle locale et régionale




Météo-France met en œuvre des modèles de prévision de la dispersion de polluants rejetés dans l'atmosphère, à partir d'une prévision météorologique à échelle fine.
L'interprétation des cartes produites par le modèle PERLE 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. Toute simulation est accompagnée d'un bulletin d'expertise.
En complément à MOCAGE-Accident, modèle opérationnel de dispersion sur la longue distance, Météo-France dispose désormais avec PERLE IFS ( PERLE CEP ) d’un outil activable sur le globe pour les prévisions de dispersion accidentelle aux échelles locale et régionale.











Domaine local 60 X 60 km Domaine local




Domaine régional 240 X 240 km Domaine régional





Modèles utilisés


Système PERLE ( version 5 )
A compté de janvier 2012 le système PERLE s'est enrichi et peut désormais utiliser trois modèles pour les forçages météorologiques :
AROME ou Méso-NH couplés à ARPEGE ou CEP.
Avec le passage en opérationnel de la filière IFS, l’alimentation du modèle de recherche Méso-NH par les champs météorologiques du modèle opérationnel déterministe du CEP étend l’utilisation de PERLE à l’ensemble du globe, par exemple, Fukushima mars 2011. Cette évolution importante du système permet aujourd’hui d’envisager des prévisions de dispersion à échelle fine pour l’outremer ou lors de crises à l’étranger pouvant concerner la France. De plus, elle offre une option supplémentaire au prévisionniste confronté au choix du couplage météorologique le plus réaliste en cas de crise sur le territoire métropolitain. Le système PERLE a été développé pour modéliser, en situation de crise, la dispersion d'un nuage de polluant émis accidentellement, à l'échelle locale et régionale. Il est basé sur l'utilisation, d'une part des trois modèles météorologiques pour modéliser la structure fine de la couche limite, et d'autre part sur un modèle lagrangien particulaire "LPDM" (Lagrangian Particle Dispersion Model), pour représenter la dispersion et les dépôts au sol du polluant. Le choix du modèle météorologique le plus adapté à la situation est le résultat de l'expertise du prévisionniste.
Méso-NH utilise 2 grilles imbriquées, à résolution de 8km (Domaines de 240km X 240km) et 2km (Domaines de 60km X 60km) centrées sur le point de rejet, 36 niveaux verticaux jusqu’à 16000m d’altitude, et est initialisé 3 heures avant le rejet par les modèles de prévision ARPEGE et CEP. Prise en compte du relief, de la végétation et du sol à 1km de résolution
AROME sur les 2 grilles a une résolution de 2,5 km. La résolution verticale est de 60 niveaux (19 niveaux dans les 1500 premiers mètres) et plus lâche dans la stratosphère. Il est utilisé à partir des 4 runs journaliers. Prise en compte du relief, de la végétation et du sol à 1km de résolution.
Le modèle de dispersion peut ensuite être activé sur les deux grilles du modèle Meso-NH ce qui permet d'avoir une vue à la fois locale et régionale de la dispersion du polluant.
La technique du modèle de dispersion est Lagrangienne et consiste à lâcher un grand nombre de particules (de l'ordre de 20000 sur la durée du rejet), chacune étant soumise à l'advection par le vent moyen, aux flux turbulents et à un bruit aléatoire.
Exemple de fonds de cartes de dispersion proposées pour un rejet :

Domaine local 60 X 60 km et Domaine régional 240 X 240 km
Sur les fonds de cartes sont représentés les zones urbaines de plus de 15000 habitants ainsi que les limites des départements. Egalement apparaissent, en plus, les routes nationales et autoroutes ainsi que les cours d'eau importants.

Description des produits graphiques fournis par Météo-France


Attention : de nouveaux exemples de sortie de cartes seront prochainement disponible dans cette documentation afin de les réactualiser avec les nouveaux modèles coupleurs. Mais ces nouveaux exemples n'apporteront rien de nouveau quand à l'interprétation des diffèrents champs de dispersion.

En fonction des caractéristiques du rejet du polluant, deux tableaux dynamiques de produits graphiques sont fournis en sortie de modélisation :
Exemple du tableau de sorties graphiques issues de PERLE / MESONH
Exemple du tableau de sorties graphiques issues de PERLE / ARPEGE    Perle rapide

Uniquement pour PERLE / ARPEGE, très rapidement, les données de PERLE rapide sont disponibles. Elles correspondent aux trois premières heures de simulation après le rejet du polluant. Elles permettent dans un premier temps d'envisager les zones affectées, à partir des données d'ARPEGE. Ces données sont disponibles bien avant les simulations MESONH. Néanmoins il convient de rester prudent sur la prévision des zones affectées par le polluant. Sur les trois première heures, dans le cas du rejet de Colomiers présenté en exemple, on voit en comparant les simulations d' ARPEGE et de MESONH que les deux simulations sont différentes. Il appartient au prévisionniste de choisir la simulation la plus appropriée à son expertise.
Pour PERLE/AROME et PERLE IFS il n'existe pas de PERLE/RAPIDE associé, les données AROME étant disponibles en temps réel.

La production graphique dépend du niveau de connaissance du terme source au moment du lancement du modèle. Nous présentons si dessous (pour PERLE/MESONH) les champs les plus usuels.

I ) Dans le cas où le terme source n'est pas connu (terme source standard)
Les valeurs par défaut utilisées pour le terme source sont ;
Hauteur du rejet : base 0m et sommet 500m
Quantité rejetée : pour le chimique : débit de 1 g/h
                          pour le nucléaire : débit de 1 Bq/h

Les cartes présentées ci-dessous ont pour objectif de décrire la dispersion du polluant et ne peuvent être interprétées en terme de délimitation de zone de nocivité du produit. Cette délimitation est élaborée par des calculs de " doses " qui ne sont pas inclus dans les cas où le terme source n'est pas connu (terme source standard).


concentrations instantanées
à 10 mètres
concentrations


concentrations instantanées
sur les 500 premiers mètres
concentrations


concentrations instantanées
entre 500 et 3000 m
concentrations


Coefficient de
Transfert Atmosphérique
C T A à 10 mètres

CARTES décrivant la dispersion du polluant.
cartes de concentrations instantanées à 10 mètres Concentration (g.m-3 ou Bq.m-3) au premier niveau du modèle (10m). Évaluation quantitative du niveau d’exposition des populations à un instant donné (sur une durée de 30mn) et par pas de temps d'une demi-heure. Dans ce cas précis, étant donné que la quantité totale rejetée n'est pas connue, les concentrations ( en g/m3 où Bq/m3) représentent en fait une fraction/m3 de la masse totale de polluant rejeté. Il convient donc d'interpréter les valeurs comme tel et d'y appliquer un coefficient multiplicatif en fonction des informations nouvelles que l'on reçoit sur la masse de polluant rejetée.
cartes de concentrations instantanées entre 0 et 500 mètres Concentration dans les basses couches de 0 à 500 m permettant d'appréhender la présence du polluant au voisinage de la surface.
cartes de concentrations instantanées entre 500 et 3000 mètres Concentration dans les couches moyennes de 500m à 3000m permettant de suivre l'advection du polluant en altitude et de prévoir son interaction avec des zones de précipitations responsables du lessivage.
cartes de CTA à 10 mètres ( Coefficient de Transfert Atmosphérique ) : la valeur du CTA représente la concentration intégrée dans le temps en un point donné normalisée par la quantité totale rejetée. Le niveau de CTA est donc directement lié au caractère dispersif de l'atmosphère et non à la quantité de polluant rejeté. Les valeurs de CTA seront d'autant plus faibles que l'atmosphère est dispersive. Il permet d’estimer qualitativement l’impact total d’un rejet en tout point du domaine d’étude et le zonage des aires à risque.
CARTES décrivant les processus de dépôt.
Il s’agit de prendre en compte dans le modèle de dispersion LPDM les processus de dépôt sec et de dépôt humide. Pour rappel, le dépôt sec correspond au phénomène de fixation du polluant sur le sol soit par rugosité (présence d’obstacles) soit par gravité lorsque l’on considère des particules solides (aérosols). Le dépôt humide correspond au phénomène de dépôt au sol par lessivage dû aux précipitations.

cartes de dépôt sec dépôt sec

cartes de dépôt humide dépôt humide

cartes de dépôt total dépôt total

cartes de dépôt sec. ( g/m2 ou Bq/m2 ) ( Le dépôt sec est paramétré à l’aide d’une vitesse de dépôt qui devrait en principe tenir compte de la rugosité du sol mais aussi du polluant considéré (le processus de capture par le sol est plus ou moins facilité selon le gaz ou l'aérosol considéré). Or, on utilise une valeur de vitesse de dépôt constante quelque soit la nature du sol et la nature du polluant rejeté. Lorsque l’on traite de particules solides, la vitesse de dépôt par gravitation est calculée à partir de la densité et de la taille des particules que l’on peut saisir dans l’interface de lancement.
cartes de dépôt humide. ( g/m2 ou Bq/m2 ) Pour ce qui est du dépôt humide, on tient compte de la solubilité du composant pour estimer le coefficient de lessivage mais cette estimation reste très approximative.
Dépôt total. ( g/m2 ou Bq/m2 ) Cumul des dépôts sec et humide.
II ) Dans le cas où le terme source est connu (terme source non standard)
Pour un accident chimique, dans le tableau des sorties graphiques viendront s'ajouter les cartes de concentrations (en ppmv) (niveau 10m) et les durées (en minutes) d'exposition à des seuils définis automatiquement.

Pour un accident radiologique, on présente, en plus, des cartes de concentrations intégrées dans le temps depuis le début de l'émission ( en Bq.h / m3 )





carte de concentrations (en ppmv) concentration








Durée d'exposition à des seuils
définis automatiquement
durée d'exposition


Accident chimique (non standard) avec connaissance du terme source.
Carte de concentrations (en ppmv) (niveau 10m)
Rappel sur les unités : Au sens strict, une ppm correspond à un rapport de 10-6 soit, par exemple, un milligramme par kilogramme; au sens large, une ppm correspond à un milligramme par litre.
ppmv parties par million en volume, soit 1 cm3 par m3.  
Concentrations (en g/m3) (niveau 10m)
Concentrations (en g/m3) pour les trois couches 0-50m / 0-500m / 500-3000m
C T A à 10 mètres
Dépôt sec et humide au sol (en g/m2)
Durée d'exposition à des seuils définis automatiquement
(en minute)

Les seuils présentés sont calculés à partir de la valeur de concentration maximale atteinte sur l'ensemble de la simulation.
Il appartient ensuite aux autorités compétentes de décider du niveau de nocivité correspondant.
Accident radiologique (non standard) avec connaissance du terme source.
Carte de concentrations (en Bq/m3) (niveau 10m)
Carte de concentrations (en Bq/m3) pour les trois couches 0-50m / 0-500m / 500-3000m
C T A à 10 mètres
Concentration intégrée dans le temps en (Bq.h/m3) (niveau 10m)
Dépôt sec et humide au sol (en Bq/m2)


     Limitations et précautions d’utilisation


Caractéristiques des modèles :
Méso-NH / AROME :

Il est à noter que MESONH n'utilise pas les mêmes schémas de convection où de ville, etc... en fonction de l'échelle traitée. De ce fait, un même champs sur les domaines régionale et locale peut présenter des différences.

Pour la résolution 2km : les valeurs de concentrations à proximité de la source (distance < 1-2km ) ne doivent pas être exploitées

Le relief à 1km ne permet pas de représenter tous les petits reliefs qui peuvent avoir une forte influence sur le champ de vent à l’échelle très locale

Forte dépendance à la qualité des prévisions ARPEGE / CEP / AROME (domaine peu étendu pour cause de contraintes en terme de temps de calcul)

Domaine géographique couvert : - ARPEGE/AROME sur le domaine France ; - ARPEGE/Méso-NH sur le domaine Europe ; - CEP IFS/Méso-NH sur le domaine monde (entre 70°N et 70°S).

Heure du début du rejet comprise entre -15h et +24h par rapport à l’heure de lancement
LPDM :

possibilité de champs de concentration « bruités » lorsque la dispersion est forte (pas assez de particules rejetées pour l’étendue du panache).

Les nouveaux champs de dépôt devront être maniés avec prudence car il est traité de manière simpliste par le modèle LPDM.

Le dépôt sec est paramétré à l’aide d’une vitesse de dépôt qui devrait en principe tenir compte de la rugosité du sol mais aussi du polluant considéré (le processus de capture par le sol est plus ou moins facilité selon le gaz ou l'aérosol considéré). Or, on utilise une valeur de vitesse de dépôt constante quelque soit la nature du sol et la nature du polluant rejeté. Lorsque l’on traite de particules solides, la vitesse de dépôt par gravitation est calculée à partir de la densité et de la taille des particules que l’on peut saisir dans l’interface de lancement. On utilise dans ce cas une taille unique de particule alors que dans la réalité (cas d’une explosion ou d’un incendie), on est en présence d’un spectre assez large de taille de particules.

Pour ce qui est du dépôt humide, on tient compte de la solubilité du composant pour estimer le coefficient de lessivage mais cette estimation reste très approximative. De plus, on lessive le polluant sur toute la verticale du modèle lorsque l'on prévoit des précipitations au sol ce qui est une autre approximation. Enfin, les précipitations fournies par Meso-Nh sont à surveiller de près notamment en situation convective.

Lorsque la nature du polluant n’est pas connue, on utilise un traceur. La question s'est posée de savoir si on devait ou non activer le dépôt sachant que l’on n’a alors aucune idée de la vitesse de dépôt ou du coefficient de lessivage. Par défaut, il a été décicé de ne pas activer de dépôt dans le cas d'un traceur. Il est néanmoins possible d'activer les dépôts en mode traceur, mais il faut alors utiliser des vitesses de dépôt non nulles dans l'interface de lancement. Typiquement, on pourra utiliser comme valeur standard 0,001.
Contexte météorologique :
Vent faible : risque d’erreur significative en direction et erreur dans la direction du panache
Situations convectives : forte variabilité temporelle de la direction du vent mal représentée par le modèle et sous-estimation probable de l’extension horizontale et verticale du panache
Passage de fronts : possibilité d’erreur dans la chronologie d'où erreur dans l’heure de rotation du vent et erreur dans la direction du panache si l’heure du rejet est proche de l’heure de passage du front
Conditions anticycloniques : forte sensibilité des niveaux de concentration à la hauteur de mélange en particulier l’hiver lorsque la couche d’inversion est bien marquée :
Sous-estimation de la hauteur de mélange : Sur-estimation des valeurs de concentration
Sur-estimation de la hauteur de mélange : Sous-estimation des valeurs de concentration
Connaissance du terme source :
Méconnaissance de la quantité de produit libérée nécessitant l'utilisation d’une valeur standard : interprétation qualitative des sorties (impossible d’apporter une information sur les dépassements de seuils critiques)
Méconnaissance de la hauteur de rejet : forte incertitude sur la direction du panache en cas de fort gradient vertical du vent ou de température (ex : incendie ou explosion, quelle est la hauteur atteinte par la colonne de polluant rejeté?)
Pas de possibilité d’initialiser le modèle avec un scénario de rejet complexe :
- débit d’émission constant
- base et sommet du rejet constants
- un seul polluant à la fois


Bulletin d'expertise d’accompagnement



L'ensemble des limitations citées nécessite une expertise parfois assez longue et délicate suivant le cas traité. Les différents champs de prévision (Météorologiques, de dispersion et de dépôts) sont à manier avec beaucoup de précaution. Un commentaire systématique d’accompagnement sera indispensable pour chaque simulation. Il est disponible dans le tableau de prévision des sorties graphiques issues de PERLE. trame du bulletin d'expertise

Disponibilité des cartes de dispersion après le lancement de PERLE


Les cartes (concentrations instantanées ou intégrées, dépôts, etc) sont disponibles au fil de l’eau sur les consoles des prévisionnistes et sur le site intranet de la Cellule Météorologique de Crise (CMC), dans des formats variés (png, kmz, shape), et également sous forme d’animations.
PERLE AROME :
15 minutes pour les 2 premières heures de simulation
25 minutes pour les 6 premières heures de simulation
1 heure pour 24 heures de simulation
PERLE ARPEGE :
25 minutes pour les 2 premières heures de simulation
35 minutes pour les 6 premières heures de simulation
1 heure 15 minutes pour 24 heures de simulation
PERLE IFS :
45 minutes pour 3 heures de simulation
moins de 1h30 pour les derniers résultats