The ozone pollution and the climatology in a Mediterranean space: the Alpes-Maritimes

Description

The tropospheric ozone, secondary pollutant affecting the health of the human beings, concerns particularly the department of the Alpes-Maritimes during the photochemical season. Mountainous littoral space, this territory is widely dominated during summer notably by anticyclonic conditions allowing the thermal breezes to express themselves. This regime of wind is in the center of the problem of the ozone pollution because it pulls frequently an accumulation of primary and secondary pollutants in the course of days within the same air mass. Although being a weakly industrialized department, the Alpes-Maritimes are victims of a strong period of sunshine which allows primary pollutants emitted mainly by the road traffic to produce some ozone.
Through the data of pollution stemming from the network of surveillance of the air quality AtmoPACA as well as from very numerous measures of ground, the objective is to understand better the relations between the spatial and temporal variability of the ozone and that of the weather conditions to various scales. Having detailed the history of the available ozone and nitrogen dioxide measures in the department, the first approach in macro-scale is led between the NCEP reanalysis and the ozone pollution levels in nine measures stations of the Alpes-Maritimes. This first level of analysis allows defining the general meteorological configurations characterizing an episode of pollution by the ozone. The presence of an anticyclonic ridge on the Western Europe associated with weak speeds of wind, weak rates of relative humidity and a weak relative vorticity, provoke a degradation of the air quality in the department.
A second analysis level is then approached: it is a question of clarifying in meso-scale and in micro-scale the weather conditions convenient to strong ozone concentrations. For it, itinerant ozone measures campaigns are made in the whole of the department; an important data base is established on Nice and in its surroundings. The appeal to the meteorological model RAMS allows then to understand better the spatial and temporal ozone variability led by the local climatic conditions. The meteorological variables the most correlated to the ozone concentrations are the wind speed, the turbulent kinetic energy, the planetary boundary layer height and the relative humidity. Everything indicates that less the volume of air in which primary pollutants are emitted is important, and less the air admixture intensity is strong, then more the ozone concentrations are raised. It would also seem that this local weather conditions have more influence on the ozone pollution levels than the macro-scale weather configurations. Although being necessary, presence of the anticyclone on the Western Europe is not sufficient to explain local ozone behaviour in the Alpes-Maritimes.
At the same time as these various approaches, the spatial previous history of the photochemical pollution affecting this mountainous littoral space are looked for. The advection of important ozone quantities by the sea breeze during day, indicates that this pollutant accumulates above the sea; except the phenomenon of round trip of the air mass guided by the alternation between the sea breeze and the land breeze, the origin of the strong ozone concentrations above the sea is not clearly included. It would seem that a plan of recirculation of the air masses in three dimensions allows the creation of a pile of layers stratified on the sea.

Abstract (French)

L'ozone troposphérique, polluant secondaire affectant la santé des êtres vivants, concerne particulièrement le département des Alpes-Maritimes au cours de la saison photochimique. Espace littoral montagneux, ce territoire est largement dominé durant l'été notamment par des conditions anticycloniques permettant aux brises thermiques de s'exprimer. Ce régime de vent est au cœur de la problématique de la pollution par l'ozone puisqu'il entraîne fréquemment une accumulation des polluants primaires et secondaires au fil des jours au sein de la même masse d'air. Bien qu'étant un département faiblement industrialisé, les Alpes-Maritimes sont victimes d'un fort ensoleillement qui permet aux polluants primaires, émis majoritairement par le trafic routier près du littoral et par la végétation dans l'arrière-pays, de produire de l'ozone.
A travers les données de pollution issues du réseau de surveillance de la qualité de l'air d'AtmoPACA ainsi qu'à partir de très nombreuses mesures de terrain, l'objectif est de mieux appréhender les relations entre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone et celle des conditions météorologiques à différentes échelles. Après avoir détaillé l'historique des mesures d'ozone et de dioxyde d'azote disponibles dans le département, une première approche à macro-échelle est menée entre les réanalyses du NCEP et les niveaux de pollution par l'ozone dans neuf stations de mesures des Alpes-Maritimes. Ce premier niveau d'analyse permet de définir les configurations météorologiques générales caractérisant un épisode de pollution par l'ozone. La présence d'une dorsale anticyclonique sur l'Europe de l'ouest, associée à de faibles vitesses de vent, de faibles taux d'humidité relative en surface et d'une faible vorticité relative, provoque une dégradation de la qualité de l'air dans le département.
Un second niveau d'analyse est alors abordé : il s'agit de préciser à méso-échelle et à micro-échelle les conditions météorologiques propices à de fortes concentrations d'ozone. Pour cela des campagnes de mesures itinérantes d'ozone sont effectuées dans l'ensemble du département ; une importante base de données est constituée sur la commune de Nice et dans ses alentours. Le recours au modèle météorologique RAMS permet alors de mieux comprendre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone induite par les conditions climatiques locales. Les variables météorologiques les plus corrélées aux concentrations d'ozone sont la vitesse du vent en surface, l'énergie cinétique turbulente, la hauteur de la couche limite atmosphérique et l'humidité relative. Tout indique que moins le volume d'air dans lequel les polluants primaires sont émis est important, et moins l'intensité du brassage de l'air est forte, alors plus les concentrations d'ozone sont élevées. Il semblerait également que ces conditions locales du temps aient plus d'influence sur les niveaux de pollution par l'ozone que la configuration synoptique à macro-échelle. Bien qu'étant nécessaire, la présence d'un anticyclone sur l'Europe de l'ouest n'est pas suffisante pour expliquer le comportement de l'ozone localement dans les Alpes-Maritimes.
Parallèlement à ces différentes approches, les origines spatiales de la pollution photochimique affectant cet espace littoral montagneux sont recherchées. L'advection d'importantes quantités d'ozone par la brise de mer en journée indique que ce polluant s'accumule au dessus de la mer ; excepté ce phénomène d'accumulation induit par des aller-retour de la masse d'air guidée par l'alternance entre la brise de mer et la brise de terre, l'origine des fortes concentrations d'ozone au dessus de la mer n'est pas clairement comprise. Il semblerait qu'un schéma de recirculation des masses d'air en trois dimensions permette la création d'un empilement de couches stratifiées sur la mer.

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