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11/07/2019

Vers une cartographie des émissions de gaz à effet de serre d’une ville par secteur d’activité : le projet CIUDAD

Face à l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère, et à leur nécessaire réduction, fournir rapidement aux pouvoirs publics des informations précises sur l’évolution et l’origine des émissions d’une ville est essentiel pour aider à la prise de décision et améliorer l’évaluation. C’est l’objectif du projet de recherche CIUDAD, financé dans le cadre de l’appel Make Our Planet Great Again du Programme d’investissements d’avenir, qui travaille sur un système d’assimilation pour quantifier à chaque heure, et à l'échelle d'un arrondissement, les émissions d’une ville pour chaque secteur économique. Entretien avec Thomas Lauvaux, chercheur au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (CEA/CNRS/UVSQ) et coordinateur du projet.

Quelles sont les limites des méthodes de mesure des émissions de GES urbaines ?

Thomas Lauvaux : « Les émissions de GES sont estimées par des méthodes d’inventaires, selon des protocoles qui se rapprochent des recommandations du GIEC, qui consistent à convertir des données statistiques de consommation d’énergie en émissions. Mais l’accès aux informations sur le trafic routier d’une ville, ses industries, etc., est difficile voire impossible dans certaines régions du monde car ces données proviennent de différentes bases et ne sont pas obligatoirement publiques. Il subsiste par ailleurs des erreurs dans les facteurs de conversion (20 à 30%) notamment car certaines tables datent des années 1980. L’accès aux inventaires d’émissions est de plus limité par un décalage de 2-3 ans, voire 5 ans. Le suivi des trajectoires d’émissions n’est donc pas disponible en temps réel pour les pouvoirs publics, ce qui limite la prise de décision et retarde l’évaluation des politiques mises en place. Une méthode de quantification indépendante, plus robuste et rapide est ainsi cruciale. »

Par quelles approches le projet CIUDAD entend-il améliorer le chiffrage des GES ?

T. L : « Nous travaillons sur un système d’assimilation qui combinera des mesures atmosphériques à des inventaires d’émissions de GES, afin de produire des estimations plus fiables pour le suivi des tendances et la distribution spatiale des émissions d’une ville. Nous déploierons pour cela des capteurs atmosphériques dans quatre agglomérations à l’étude : Paris, Mexico City, Indianapolis et Los Angeles, et nous nous appuierons sur les réseaux existants de mesure de la qualité de l’air tels que AirParif, dans le cadre d’une collaboration avec le Dr. Valérie Gros, chercheuse au LSCE.

Les données atmosphériques seront transcrites en terme d’émissions de GES au moyen d’un modèle atmosphérique. Les émissions de GES estimées à partir des inventaires seront couplées au modèle atmosphérique pour simuler les concentrations atmosphériques. Cette approche combine ainsi le haut niveau de détails des inventaires avec le suivi à long-terme des observations atmosphériques. La végétation et le sol, sources biogéniques de GES, seront également représentées pour mieux tenir compte de leurs impacts (émissions/absorptions). L’assimilation, basée sur des méthodes d’optimisation bayésiennes classiques, intervient en dernier pour définir la cartographie des émissions urbaines en se basant sur l’inventaire et les données atmosphériques.

Dans la mesure où les inventaires sont rarement spatialisés ni temporalisés, nous souhaitons également intégrer au système d’assimilation des données socioéconomiques précises, sur l’état du trafic, les activités industrielles, ou l’utilisation du chauffage par exemple, pour produire des cartes d’émissions de GES pour chaque heure, à une échelle kilométrique. Cela permettra aux décideurs publics de mieux appréhender les zones clés dans leurs plans climat. D’autres approches sont envisagées, comme l’utilisation des lumières nocturnes observées par satellite pour générer des cartes d’émissions sur des villes qui ne bénéficient pas d’inventaires précis. »

Quels critères ont guidé le choix des quatre villes à l’étude ?

T. L : « Nous souhaitons étudier des types urbains aux activités socio-économiques et aux caractéristiques physiques significativement différentes. Une métropole comme Paris permet d’analyser une zone urbanisée avec peu de topographie et une démographie à faible croissance (moins d’1% par an) tandis que Mexico City, ville située dans une région montagneuse, présente une forte démographie (+2 % par an). Les économies de ces villes sont également très variées. »

En quoi consistent les premiers travaux du projet CIUDAD ? 

T. L : « La relation entre tous les gaz émis au niveau de la ville de Paris, et au niveau de Mexico City, est au cœur de nos premiers travaux. Nous souhaitons collecter plus d’une trentaine d’espèces chimiques différentes, et établir des parallèles entre eux pour chaque secteur d’activité. Du dioxyde de carbone émis d’une voiture s’accompagne par exemple d’autres gaz tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde d’azote, des particules, etc, tandis qu’une centrale d’énergie émet très peu de monoxyde de carbone et moins de dioxyde d’azote. En combinant toutes les mesures disponibles, nous espérons mieux comprendre l’origine des variations observées dans les données atmosphériques. Pour un décideur public ou un industriel, connaître l’évolution des émissions n’est pas suffisant, il faut également identifier leurs origines pour intervenir efficacement. Nous participerons prochainement à une campagne de mesures intensive sur la ville de Mexico City avec nos partenaires de l’Université du Mexique (UNAM) pour collecter un grand nombre de mesures de GES sur la ville. »

Quelle est l’articulation envisagée avec les mesures satellites ?

T. L : « Les mesures satellites pourraient avoir un rôle majeur dans les années à venir si la qualité des données atteint un niveau suffisant. Nous étudierons, en collaboration avec le Dr. Grégoire Broquet (LSCE) les premières mesures d'OCO-3, instrument de télédétection de la NASA installé sur la station spatiale Internationale (ISS). Nous travaillerons également sur les futures missions françaises et européennes (MicroCARB par le CNES, mission CO2M du programme Copernicus) pour mieux définir la qualité requise des données pour observer les émissions urbaines. La calibration des données reste en effet un défi scientifique et technique majeur pour mesurer précisément les émissions d’une ville.
Par ces différents travaux, nous espérons aider à la prise de décision dans les années à venir mais également au suivi des réductions des émissions urbaines sur le moyen terme
. »

Figure : Exemples de mesures des concentrations en CO2 issues du satellite OCO-2 (NASA, JPL) au-dessus de la ville de Los Angeles combinées avec une simulation numérique de l’atmosphère à haute résolution et des concentrations en CO2. Les champs de vent simulés par le modèle sont représentés par des vecteurs. Figure réalisée par Dr. Xinxin Ye (UCLA).

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Le projet CIUDAD

Le projet CIUDAD est coordonné par Thomas Lauvaux, chercheur au LSCE et associe : Valérie Gros, Philippe Ciais, Grégoire Broquet, et François-Marie Bréon (LSCE). Il s’appuie sur les travaux du projet ANR MERCI-CO2, du projet C-MAAS financé par Suez et Climate-KIC EIT, et d’un projet pilote en cours sur la ville de Paris avec la start-up Origins.Earth, financé par Suez et avec le soutien de la ville de Paris. Il mobilise des compétences en sciences de l’atmosphère, en méthodes d’optimisation et en compréhension des sources de GES à la surface.

Le projet est financé dans le cadre de l’appel MOPGA du Programme d’investissements d’avenir, programme pour lequel l’Agence nationale de la recherche (ANR) est le principal opérateur.