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Résumé


Contexte:

Depuis l’ère pré-industrielle, la concentration de CO2 atmosphérique a augmenté de plus de 30% suite aux activités humaines liées à la combustion d’énergies fossiles et aux feux de biomasse. Ces activités sont très probablement à l’origine de l’augmentation de température de 0.6°C observée au cours du siècle dernier. Bien que nous ayons une bonne estimation des flux de CO2 globaux, il faut maintenant obtenir des informations régionales (10-500km) si on veut que la société puisse un jour contrôler ses émissions de carbone. Nous devons améliorer notre compréhension des variations régionales des sources et puits de CO2 afin d’identifier les options en termes de management et séquestration du CO2. De nouveaux programmes sont nécessaires pour améliorer notre compréhension des flux de CO2 à la méso-échelle et pour distinguer les sources anthropiques et biosphériques qui se superposent fortement dans les pays européens. Dans ce contexte, il est nécessaire de mesurer les émissions des mégapoles telles que Paris et son agglomération, et leur propagation vers l’atmosphère de fond. Paris et l’Ile de France sont un bon exemple puisqu’il s’agit de la troisième plus grosse zone urbaine en Europe, avec des contours assez bien définis. De plus, des expériences passées, analysant le panache de pollution de Paris (projet ESQUIF), donnent une compréhension assez bonne de la dynamique atmosphérique sur la région. Actuellement, il existe des inventaires (CITEPA, AIRPARIF) basés sur des informations statistiques qui procurent les émissions de CO2 des régions de France, mais aucune vérification indépendante basée sur la mesure du CO2 n’a encore été effectuée. Le couplage d’observations atmosphériques et d’un modèle méso-échelle peut être utilisé à cet effet, notamment pour détecter les tendances interannuelles et décennales qui pourraient résulter de stratégies de gestion régionale des émissions. Enfin, il est nécessaire de développer une communication plus forte entre scientifiques, société et acteurs politiques, afin de : 1) sensibiliser chacun sur son rôle dans les émissions de CO2 ; et 2) permettre aux acteurs politiques régionaux de prendre des décisions adéquates en terme de réduction d’émissions de CO2.

Objectifs:

Ce projet a un triple objectif: 1) Evaluer par des méthodes indépendantes les inventaires CITEPA ; 2) mesurer les émissions de carbone en provenance de la mégapole parisienne à des échelles spatiales fines (jusqu’à 2x2 km2) à des fréquences journalières et mensuelles, et étudier la propagation du panache parisien vers la régions Centre ou 40% des vents viennent du secteur nord/nord-est i.e. de la mégacité parisienne ; et 3) étudier comment mettre en place et optimiser l’utilisation de nos résultats scientifiques sur les émissions de CO2 par la société et les acteurs politiques.

Méthodologies:

La stratégie pour la quantification des émissions de CO2 de la région parisienne repose sur le développement d’une synergie entre un ensemble de modélisation méso-échelle et des observations atmosphériques de concentrations et de paramètres météorologiques (mesures au sol, par avion et lors de campagnes intensives) ainsi que des inventaires d’émission à haute résolution. L’originalité de l’approche réside en la complémentarité entre mesures et modèles afin de quantifier de façon plus fiable les émissions pour pouvoir les comparer aux inventaires. La méthode requiert notamment le déploiement d’analyseurs de CO2 en Ile de France (en intégrant les stations AIRPARIF existantes). Les performances du modèle méso-échelle seront améliorées grâce à l’utilisation d’observations de la hauteur de couche limite pour corriger la paramétrisation du transport vertical (l’un des problèmes actuels principaux). Les simulations des gradients de CO2 verticaux et horizontaux seront estimées par des mesures aéroportées régulières entre Toussus-le-Noble (78) et la forêt d’Orléans (LSCE), et à Roissy (NIES, Japon). Trois méthodes basées sur les observations seront mises en place : 1) l’estimation des émissions de CO2 anthropiques en utilisant la méthode Radon basée sur les corrélations entre les concentrations de Radon 222 (traceur continental) et de CO2 atmosphérique ; 2) la propagation des émissions anthropiques vers la région Centre par une méthode de budget de couche limite sur le site de la forêt d’Orléans du LSCE. Des mesures aéroportées de CO2 et CO et des observations au sol de 14CO2 serviront à caractériser les émissions anthropiques. La méthode permettra de distinguer les flux anthropiques et biosphériques. Elle nécessite l’installation d’un analyseur de CO2, d’un pyranomètre solaire et d’un LIDAR sur le site et des campagnes intensives de mesures de flux biosphériques ; et 3) la détermination de la contribution des différents types d’émissions de CO2 anthropiques et de leur variabilité diurne à saisonnière grâce à l’utilisation de campagnes intensives de mesures du 14CO2 et de CO conjointement à la campagne EU/FP7/MEGAPOLI. L’outil de modélisation sera constitué de modèles dédiés au transport atmosphérique en particulier en zone urbaine, et aux flux biosphériques à la méso-échelle. La comparaison entre les différentes méthodes de calcul des flux permettra de mettre en évidence les limitations de chacune et renforcera la comparaison aux inventaires. Enfin, le développement optimal du lien que nous souhaitons développer entre les différents acteurs scientifiques, socio-économiques et politiques sera étudié par l’organisation d’un atelier de réflexion sur l’exploitation de nos résultats sur les émissions de CO2, au cours des derniers mois du projet.




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Abstract


Context:

Atmospheric CO2 concentration has increasedby more than 30% since the pre-industrial era mainly due to human activities (fossil fuel combustion and biomass burning) and this increase is very likely at the root of the observed temperature rise of 0.6°C over the last century. Although we have good estimates of the CO2 fluxes on a global basis, and have a relatively well-established observation network to detect the largescale trends, regional information 10-500km) is needed if society is ever to manage or verify carbon emissions. We must improve our understanding of regional variations in sources and sinks of CO2 to identify possible sequestration or emission management options. New programs are needed to improve our understanding of meso-scale carbon fluxes, and to discriminate between the anthropogenic and biospheric sources which overlap very strongly in European countries. In this context, it is necessary to monitor the pollutant emissions originating from megalopolis such as Paris and its surburbs and the way they are spreading in the background atmosphere. Paris and its agglomeration are a good example, as it is the third largest urban area in Europe, with relatively well defined contours. It is surrounded by agricultural areas and forest with a gentle topography, which makes it more simple to study the behaviour of the Paris plume and interactions between the urban area and its surroundings. Moreover, former experiments on the plume of Paris (ESQUIF project) gives a fair understanding of the atmospheric dynamics in this area. Nowadays, inventories (CITEPA) based on statistical information provide CO2 emissions from Ile de France and all others regions of France, but no independent verification based on CO2 measurements has been performed. Atmospheric observations coupled to a mesoscale modelling framework can be used to provide such assessment, especially to detect the interannual and decadal trends which could result from regional management strategy. Finally, it is necessary to develop a stronger communication between scientists, society and stakeholders, in the aim of :1) get everyone conscious of his role in CO2 emissions ; and 2) give reliable material to regional political actors so that they can take proper decisions in matter if CO2 reduction policies.

Objectives:

This proposal has a triple objective: 1) to assess by independant methods the inventories from CITEPA ; 2) to monitor the daily to monthly carbon emissions from the Parisian megalopolis at a very fine scale (up to 2x2 km2), and to study the propagation of the anthropogenic plumes to the neighbouring Centre region where about 40% of the winds come from the North/North-East sector i.e. from Paris agglomeration. ; and 3) to study how to establish and optimize the use of our scientific results on CO2 emissions by society and stakeholders.

Methodologies:

The proposed strategy for the quantification of CO2 emissions and their spread out of the Paris megacity relies on the development of a synergy between atmospheric observations for gaseous species and meteorological parameters (using ground-based, airborne and intensive campaigns measurements), CO2 biospheric fluxes observations, high resolution emission inventories and a mesoscale inverse modeling framework. Its originality is to assess the quantification of CO2 emissions by means of regional scale modeling and observation based approaches, in order to produce more reliable CO2 emissions budget for the studied regions that can be used for comparison with inventories. Both approaches rely on the use of the existing observation network from both regions, that will also be complemented by new measurements (in particular within AIRPARIF stations, and during intensive campaigns such as the MEGAPOLI wintertime one to which we will associate). This will develop a dense observing network for atmospheric CO2, meteorological parameters, CO2 emission tracers, and CO2 biospheric flux estimates. The inverse modeling framework will be set-up using the transport and biospheric flux modeling tools already in place at LSCE, and CITEPA inventories. The three observation based methods are : 1) the Radon method, based on Radon/CO2 correlation, that will provide integrated anthropogenic fluxes from the Paris urban area and in Centre region that will also be compared to inventories ; 2) an atmospheric boundary layer (ABL) budget method that will provide separate estimates of biospheric and anthropogenic fluxes for the Orléans forest region, located ~130 km south of the megacity, providing information on the propagation of the Ile de France emissions to the background atmosphere of the Orléans forest ; and 3) a 14CO2/CO correlation approach using as well a suite of pollution tracers from the EU/FP7/MEGAPOLI wintertime campaign, that will allow the precise discrimination of the main emission types and daily to weekly monitoring of fossil fuel CO2 emission sources in wintertime in Paris megacity. The modeling framework will be made of high resolution dedicated mesoscale models for atmospheric transport, especially in urban areas, and biospheric flux modelisation. Then, the synergy will be put in place by comparing tracer concentrations, boundary layer height and CO2 fluxes produced by the different methods, assessing the advantages and the drawbacks of each of the approaches, and comparing the calculated fluxes issuing from this work to inventories. Finally, the optimal development of the link we wish to establish between scientists, socio-economists, society and political actors will be studied in the framework of a « search conference » on the use of our results on CO2 emissions within the last months of the project.

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