L'évaluation des conséquences environnementales des rejets de polluants atmosphériques est notamment possible grâce à l'utilisation de modèles numériques. Des modèles de dispersion spécifiques simulent les processus atmosphériques caractéristiques des échelles étudiées. Afin de représenter la dispersion de contaminants sur de très courtes périodes, soit de l'ordre de quelques secondes, des modèles de fluctuations de concentration (FC) sont nécessaires. La caractérisation des FC est essentielle pour des applications telles l'évaluation en air ambiant de la toxicité, inflammabilité et explosibilité de gaz ainsi que l'identification de nuisances olfactives. Ce projet traite du développement d'un modèle de FC. Les facteurs influençant les FC sont discutés, soit la période de moyennage, la stabilité atmosphérique, le temps de transport ainsi que les caractéristiques des sources émettrices. Une revue de la littérature des approches de modélisation des FC a permis de comparer les avantages et inconvénients de chacune en vue de sélectionner la plus adéquate. L'approche consistant à séparer la dispersion du panache en une composante de serpentement et de dispersion relative a été retenue. Le modèle a été développé pour qu'il s'applique à l'ensemble des régimes de turbulence atmosphérique. Une méthode basée sur une approche gaussienne a été développée afin de représenter les FC en conditions neutres et stables. Dans le cas de conditions convectives où les fluctuations verticales du vent sont asymétriques et le profil vertical de dispersion est non-gaussien, l'emploi d'un modèle lagrangien stochastique permet de simuler les trajectoires des centroïdes du panache mus par serpentement. On a également identifié des paramétrages représentant les profils verticaux des fluctuations turbulentes tridimensionnelles du vent, du taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente et des coefficients de dispersion. Un paramétrage a été développé afin de simuler les intensités relatives des FC en conditions neutres et stables. Les simulations réalisées avec le modèle développé montrent des comportements similaires aux résultats expérimentaux et aux autres modèles de FC. En effet, les intensités des FC, définies comme l'écart-type des FC sur la concentration moyenne, sont maximales près de la source et diminuent selon la distance dû à l'homogénéisation du panache. Latéralement par rapport à la direction du vent, les intensités simulées sont minimales dans l'axe central du panache et augmentent en s'approchant des bords, ce qui concorde avec les mesures et est dû à l'effet d'entraînement par mélange du panache avec de l'air ambiant non-contaminé. Une évaluation quantitative avec des bases de données expérimentales de FC permettrait d'évaluer les performances du modèle et d'améliorer la qualité des paramétrages. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fluctuations de concentration, Dispersion atmosphérique, Turbulence, Modèle lagrangien stochastique.

Les circonstances pouvant conduire à un rejet incontrôlé de polluants dans l'atmosphère sont variées : il peut s'agir de situations accidentelles, par exemples des fuites ou explosions sur un site industriel, ou encore de menaces terroristes : bombe sale, bombe biologique, notamment en milieu urbain. Face à de telles situations, les objectifs des autorités sont multiples : prévoir les zones impactées à court terme, notamment pour évacuer les populations concernées ; localiser la source pour pouvoir intervenir directement sur celle-ci ; enfin déterminer les zones polluées à plus long terme, par exemple par le dépôt de polluants persistants, et soumises à restriction de résidence ou d'utilisation agricole. Pour atteindre ces objectifs, des modèles numériques peuvent être utilisés pour modéliser la dispersion atmosphérique des polluants. Après avoir rappelé les processus physiques qui régissent le transport de polluants dans l'atmosphère, nous présenterons les différents modèles à disposition. Le choix de l'un ou l'autre de ces modèles dépend de l'échelle d'étude et du niveau de détails (topographiques notamment) désiré. Nous présentons ensuite le cadre général (bayésien) de la modélisation inverse pour l'estimation de sources. Le principe est l'équilibre entre des informations a priori et des nouvelles informations apportées par des observations et le modèle numérique. Nous mettons en évidence la forte dépendance de l'estimation du terme source et de son incertitude aux hypothèses réalisées sur les statistiques des erreurs a priori. Pour cette raison nous proposons plusieurs méthodes pour estimer rigoureusement ces statistiques. Ces méthodes sont appliquées sur des exemples concrets : tout d'abord un algorithme semi-automatique est proposé pour la surveillance opérationnelle d'un parc de centrales nucléaires. Un second cas d'étude est la reconstruction des termes sources de césium-137 et d'iode-131 consécutifs à l'accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi. En ce qui concerne la localisation d'une source inconnue, deux stratégies sont envisageables : les méthodes dites paramétriques et les méthodes non-paramétriques. Les méthodes paramétriques s'appuient sur le caractère particulier des situations accidentelles dans lesquelles les émissions de polluants sont généralement d'étendue limitée. La source à reconstruire est alors paramétrisée et le problème inverse consiste à estimer ces paramètres, en nombre réduit. Dans les méthodes non-paramétriques, aucune hypothèse sur la nature de la source (ponctuelle, localisée, ...) n'est réalisée et le système cherche à reconstruire un champs d'émission complet (en 4 dimensions). Plusieurs méthodes sont proposées et testées sur des situations réelles à l'échelle urbaine avec prise en compte des bâtiments, pour lesquelles les méthodes que nous proposons parviennent à localiser la source à quelques mètres près, suivant les situations modélisées et les méthodes inverses utilisées / Uncontrolled releases of pollutant in the atmosphere may be the consequence of various situations : accidents, for instance leaks or explosions in an industrial plant, or terrorist attacks such as biological bombs, especially in urban areas. In the event of such situations, authorities' objectives are various : predict the contaminated zones to apply first countermeasures such as evacuation of concerned population ; determine the source location ; assess the long-term polluted areas, for instance by deposition of persistent pollutants in the soil. To achieve these objectives, numerical models can be used to model the atmospheric dispersion of pollutants. We will first present the different processes that govern the transport of pollutants in the atmosphere, then the different numerical models that are commonly used in this context. The choice between these models mainly depends of the scale and the details one seeks to take into account.We will then present the general framework of inverse modeling for the estimation of source. Inverse modeling techniques make an objective balance between prior information and new information contained in the observation and the model. We will show the strong dependency of the source term estimation and its uncertainty towards the assumptions made on the statistics of the prior errors in the system. We propose several methods to estimate rigorously these statistics. We will apply these methods on different cases, using either synthetic or real data : first, a semi-automatic algorithm is proposed for the operational monitoring of nuclear facilities. The second and third studies concern the source term estimation of the accidental releases from the Fukushima Daiichi nuclear power plant. Concerning the localization of an unknown source of pollutant, two strategies can be considered. On one hand parametric methods use a limited number of parameters to characterize the source term to be reconstructed. To do so, strong assumptions are made on the nature of the source. The inverse problem is hence to estimate these parameters. On the other hand non-parametric methods attempt to reconstruct a full emission field. Several parametric and non-parametric methods are proposed and evaluated on real situations at a urban scale, with a CFD model taking into account buildings influence on the air flow. In these experiments, some proposed methods are able to localize the source with a mean error of some meters, depending on the simulated situations and the inverse modeling methods

L'évolution des polluants dans l'atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l'ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l'air. En particulier, les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l'air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles, deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu'une approche statistique de réduction d'échelle. Couplage de modèles L'une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu'il s'agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d'un panache émis par une cheminée est très inférieure à l'échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous-maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l'échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L'impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs passifs à l'échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l'échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l'incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l'influence de la résolution du maillage eulérien. Réduction d'échelle statistique Une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d'échelle. Il s'agit de corriger l'erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l'échelle de représentativité d'une station de mesure est souvent inférieure à l'échelle traitée par le modèle (échelle d'une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s'agit d'utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d'améliorer les prévisions aux stations. L'utilisation d'un ensemble de modèles permet de prendre en compte l'incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu'une technique nouvelle appelée "composantes principales ajustées". Les résultats sont présentés pour l'ozone à l'échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain).

Modélisation de la dispersion atmosphérique des métaux lourds émis par l'industrie énergétique polonaise.De nombreuses études ont mis en évidence les impacts néfastes de la contamination en métaux lourds de l'atmosphère. Une attention particulière est porté au mercure, au plomb et au cadmium qui font l'objet du protocole d'Aarhus sur les métaux lourds (1998). Les parties signataires (incluant la Pologne) s'obligent à réduire les émissions et à obsrver et suivre les niveaux de contamination dans l'environnement.La Pologne est un des plus gros émetteurs de mercure, de plomb et de cadmium en Europe du fait de l'exploitation de centrale à charbon pour la production d'énergie. Des efforts de recherche sont à réaliser pour étudier la contamination par les métaux lourds. Les objectifs de ce travail sont :• de développer et utiliser un modèle pour représenter la dispersion atmosphérique du mercure dans la plate-forme de modélisation numérique Polyphemus.• d'étudier la dispersion en Europe et en Pologne des émissions du secteur de l'industrie énergétique.Pour satisfaire ces objectifs un nouveau schéma chimique pour le mercure a été implémenté dans la plate-forme de modélisation numérique Polyphemus. Une revue de la littérature scientifique a montré que la chimie du mercure restait mal connue. Cela implique des différences dans les modèles établis jusqu'à présent. Ceux-ci diffèrent également de par leur façon de représenter les processus de retrait de l'atmosphère. Le mercure gazeux élémentaire (GEM) présente des concentrations relativement uniformes dans l'espace. Les concentrations des formes oxydées et les dépôts au contraire présentent de forts gradients dans l'espace.Ce travail a mis en évidence la sensibilité des résultats à plusieurs composantes du modèle. Dans le schéma chimique, les chemins d'oxydation du GEM par le radical hydroxyle, l'ozone et les composés bromés dominent en phase gazeuse. En phase aqueuse les réactions de réduction dominent. Toutes ces réactions ont un impact critique sur les concentrations et les dépôts des formes oxydées du mercure mais faible sur le GEM. Dans ce modèle, le dépôt sec du GEM est un des principaux processus de retrait du mercure atmosphérique. Ce relativement fort flux de dépôt de GEM diffère significativement des précédents modèles qui souvent néglige ce processus. Il a également était mis en évidence que les flux de dépôt humide sont sensibles aux paramètres du modèle de lessivage.Les résultats de simulation montrent que l'industrie énergétique est responsable de 80% des dépôts humides de mercure près des grosses sources ponctuelles. La contribution des émissions nationales sur l'ensemble du pays se limite toutefois à un peu plus de 21% pendant l'hiver, lorsque de grandes quantités de charbon sont brûlées. L'impact des émissions de cadmium et de plomb est comparativement plus faible. Les simulations montrent un impact maximal de 30% et 10% pour le cadmium et le plomb respectivement à proximité des sources.De manière générale de plus nombreuses observations de concentrations et de dépôt de métaux lourds seraient utiles pour une meilleure évaluation des modèles / Modelling of atmospheric transport of heavy metals emitted from Polish power sectorMany studies have been conducted to investigate the atmospheric heavy metals contamination and its deposition to ecosystems. The increasing attention to mercury pollution has been mainly driven by the growing evidence of its negative impacts on wildlife, ecosystems and particularly human health. Lead and cadium are also toxics which are being emitted into the atmosphere by anthropogenic as well as natural sources. The harmful influence of these three heavy metals was underlined in the Aarhus Protocol on Heavy Metals of 1998. The Parties of this protocol (including Poland) are obligated to reduce emissions, observe the transport and the amounts of lead, mercury and cadmium in the environment.Poland is one of the biggest emitter of mercury, lead and cadmium in Europe mainly due to emission from coal combustion processes. Therefore in Poland, research efforts to study the heavy metals emission, atmospheric transport, concentration and deposition are extremely important. The objectives of this work were twofold:• The practical objective was to develop and run a model to represent the atmospheric dispersion of mercury and to implement it in the air quality modelling platform Polyphemus.• The scientific objective was to perform heavy metals dispersion studies over Europe and detailed studies of the impact of the polish power sector on the air quality regarding mercury, cadmium and lead.To meet the declared aim, a new mercury chemical model was implemented into the Polyphemus air quality system. The scientific literature was reviewed regarding mercury chemistry and mercury chemical models. It can be concluded that the chemistry of mercury is still not well known. The models also differ in the way of calculating the dry and wet deposition of mercury. The elemental gaseous mercury ambient concentrations are evenly distributed, on the contrary, high variations in the spatial gradients of reactive gaseous and particulate forms of mercury air concentrations and deposition fluxes were noted.This study shows that many components of the developed model have crucial impacts on the results. In the model of mercury chemistry, the most effective pathway in the gaseous phase are the oxidation of gaseous elemental mercury by hydroxyl radical, ozone and most of all bromine oxide radicals, while in the aqueous phase the reduction reactions of elemental mercury dominate. These reactions have a crucial influence on the mass balance of reactive mercury, but a rather low influence on gaseous elemental mercury (GEM). In this model, dry deposition of gaseous elemental mercury is the prevailing process for removing mercury from the atmosphere. Dry deposition of GEM over land is equally distributed, due to almost uniform ambient concentrations. The relatively high dry deposition flux of gaseous elemental mercury has a huge influence on the presented results and differs significantly from other models where the dry deposition of GEM is often not taken into account. It was also shown that a change in the calculation of the scavenging coefficients or representative raindrop diameter for in-cloud scavenging has a significant impact on the amount of wet deposited mercury.The detailed results show that the Polish power sector can be responsible for up to 80% of wet deposited mercury near large emission sources. The contribution from national sources over whole Poland reaches 21% during the winter heating season when large quantities of coal are burned in the domestic sector and additionally the power sector activity is at its highest. The impact of emissions of cadmium and lead from the power sector is lower compared to the obtained results for mercury. The modelling results showed maximal impacts of 30% and 10% for cadmium and lead near large power sector sources on the ambient concentrations and deposition. Wider measurements of heavy metals are very much needed

La surveillance des émissions de polluants dans l’atmosphère constitue pour les industriels une problématique environnementale de premier ordre. Qu’elles soient ponctuelles (rejet de polluant par une cheminée) ou fugitives (fuites accidentelles de canalisations ou de stockages), la connaissance et la maîtrise de ces émissions est aujourd’hui nécessaire pour quantifier et réduire les cas échéant leur impact environnemental. Dans ce contexte, la modélisation de la dispersion atmosphérique est un outil d’analyse intéressant, permettant la surveillance d’un site industriel et la cartographie des concentrations autour du site. L’objectif de cette thèse était de développer un code de calcul opérationnel assurant le suivi des polluants sur un site industriel, en champ proche (prise en compte de la complexité du bâti) et avec des temps de calcul avoisinant le temps réel. Nous avons, au cours de ce travail de recherche, développé une approche appeléeFlow’Air-3D basée sur la constitution, en amont de toute situation opérationnelle, d’une base de données de champs de vent CFD calculés sur le site industriel étudié. En situation opérationnelle, la dispersion des polluants est modélisée avec un code de dispersion lagrangien, SLAM, également développé dans le cadre de cette thèse. Pour pouvoir mettre en place cette approche Flow’Air-3D, nous avons développé une méthodologie et une paramétrisation spécifique du modèle RANS-k-e pour représenter une couche limite de surface diabatique. Nous avons ensuite identifié les paramètres nécessaires à la construction de la base de données, ainsi que l’influence de la discrétisation et de l’interpolation de ces paramètres sur les champs de vent déterminés par cette approche. Finalement un code de dispersion lagrangien stochastique à particules, utilisant les champs de vent de la base de données, a été développé et partiellement validé sur quelques cas académiques simples (condition de mélange homogène, comparaison à la dispersion d’une bouffée gaussienne, etc.)Des essais en soufflerie, une approche eulérienne (effectuée avec FLUENT 6.3) et une première application de la méthodologie Flow’Air-3D/SLAM ont été menés sur le site pétrochimique de la raffinerie de Feyzin. Les comparaisons effectuées entre ces trois approches montrent le bon comportement du modèle SLAM. Les temps CPU mis en œuvre pour réaliser les calculs de dispersion lagrangien sont encourageants et montrent la faisabilité de notre approche sur un cas applicatif réel. / The monitoring of pollutant’s emissions in the atmosphere constitutes for the industrialists a main environmental issue. That they are punctual (emissions of pollutants by a chimney) or fugitive (accidental releases of drains or storages), the knowledge and the control of these emissions are important data to quantify and reduce their environmental impact. In this context, the modeling of atmospheric dispersion is an interesting tool of analysis for the monitoring of a site and this thesis has permitted the creation of an operational code ensuring the follow-up of pollutants on an industrial site, in close field and with computing times bordering the real time. We have, during this research, developed an approach called Flow'Air-3D consisting to create before any operational situation, a data base of CFD wind fields calculated on the studied industrial site. In operational situation a lagrangian code of dispersion, SLAM, developed in the thesis will ensure calculations of dispersion in a few seconds. To be able to set up this Flow' Air-3D approach, we have developed, during this thesis, a methodology and a specific parameterization of the k-e model to represent the atmospheric boundary layer with a CFD approach. Then, we have identified the parameters necessary to build the data base, as well as the influence of the discretization and the interpolation of these parameters on the wind fields resulting from this base. Finally a lagrangian code of dispersion (SLAM) using the precalculated wind fields of the data base was developed and partially validated on simple academic cases (well-mixed condition criteria, comparison with the dispersion of a Gaussian puff, etc.).Tests in wind tunnel, a eulerian approach (done with FLUENT 6.3) and a first application of the Flow' Air-3D/SLAM methodology were carried out on the petrochemical site of the refinery of Feyzin. The comparisons between these three approaches show the good behaviour of the model SLAM. The CPU times for the calculations of lagrangian dispersion are encouraging and show the feasibility of our approach on a real case.

Les circonstances pouvant conduire à un rejet incontrôlé de polluants dans l'atmosphère sont variées : il peut s'agir de situations accidentelles, par exemples des fuites ou explosions sur un site industriel, ou encore de menaces terroristes : bombe sale, bombe biologique, notamment en milieu urbain. Face à de telles situations, les objectifs des autorités sont multiples : prévoir les zones impactées à court terme, notamment pour évacuer les populations concernées ; localiser la source pour pouvoir intervenir directement sur celle-ci ; enfin déterminer les zones polluées à plus long terme, par exemple par le dépôt de polluants persistants, et soumises à restriction de résidence ou d'utilisation agricole. Pour atteindre ces objectifs, des modèles numériques peuvent être utilisés pour modéliser la dispersion atmosphérique des polluants. Après avoir rappelé les processus physiques qui régissent le transport de polluants dans l'atmosphère, nous présenterons les différents modèles à disposition. Le choix de l'un ou l'autre de ces modèles dépend de l'échelle d'étude et du niveau de détails (topographiques notamment) désiré. Différentes méthodes de modélisation inverse pour reconstruire des sources accidentelles sont ensuite présentées, de même que des méthodes d'estimations des erreurs a priori, auxquelles les résultats de l'inversion sont particulièrement sensibles. Plusieurs cas d'application, en utilisant des données synthétiques et des données réelles, sont proposés, notamment l'estimation de termes sources consécutifs à l'accident de Fukushima en mars 2011. Par nos méthodes, nous avons estimé que les rejets de césium-137 se situent en 12 et 19 PBq, avec une incertitude comprise en 15 et 65%, et que les rejets d'iode-131 se situent entre 190 et 380 PBq avec une incertitude comprise entre 5 et 10%. En ce qui concerne la localisation d'une source inconnue, deux stratégies sont envisageables : les méthodes dites paramétriques et les méthodes non-paramétriques. Les méthodes paramétriques s'appuient sur le caractère particulier des situations accidentelles dans lesquelles les émissions de polluants sont généralement d'étendue limitée. La source à reconstruire est alors paramétrisée et le problème inverse consiste à estimer ces paramètres, en nombre réduit. Dans les méthodes non-paramétriques, aucune hypothèse sur la nature de la source (ponctuelle, localisée, ...) n'est réalisée et le système cherche à reconstruire un champs d'émission complet (en 4 dimensions). Plusieurs méthodes sont proposées et testées sur des situations réelles à l'échelle urbaine avec prise en compte des bâtiments, pour lesquelles les méthodes que nous proposons parviennent à localiser la source avec une erreur moyenne de 20m (soit 10% de la taille du domaine d'étude), suivant les situations modélisées et les méthodes inverses utilisées.

En cas d'accident impliquant des produits chimiques, il peut être fait appel à des experts pour évaluer les effets générés par cet accident. Ces experts fournissent des distances d'effets à l'aide de modélisations informatiques et sont confrontés à une difficulté majeure : peu d'éléments à leur disposition pour caractériser la situation.L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie permettant de prendre en compte les incertitudes relatives aux données d'entrée dans les modélisations effectuées en situation d'urgence tout en restituant de manière explicite cette incertitude au gestionnaire de la situation d'urgence.Une première phase a consisté à évaluer, pour une situation à même de générer un nuage toxique ou explosible, la dispersion des résultats des modélisations. Il a été établi une hiérarchisation des variables d'entrée en fonction de leur influence sur le résultat final. Cette phase a été réalisée au moyen d'une analyse de sensibilité dont la stratégie a été spécifiquement développée.Une seconde phase a eu pour but d'établir une méthodologie d'estimation des distances d'effets en situation d'urgence en tenant compte du niveau d'incertitude des variables d'entrée. Une méthodologie de classification opérationnelle des données d'entrée a été réalisée. Elle s'appuie sur deux critères : la sensibilité du modèle au paramètre d'entrée et l'incertitude sur sa valeur (imprécision ou variabilité). Sur cette base, une nouvelle manière d'utiliser ces variables a été proposée. Enfin, différentes façons de restituer de manière opérationnelle les résultats des modélisations ont été proposées.

La surveillance des émissions de polluants dans l'atmosphère constitue pour les industriels une problématique environnementale de premier ordre. Qu'elles soient ponctuelles (rejet de polluant par une cheminée) ou fugitives (fuites accidentelles de canalisations ou de stockages), la connaissance et la maîtrise de ces émissions est aujourd'hui nécessaire pour quantifier et réduire les cas échéant leur impact environnemental. Dans ce contexte, la modélisation de la dispersion atmosphérique est un outil d'analyse intéressant, permettant la surveillance d'un site industriel et la cartographie des concentrations autour du site. L'objectif de cette thèse était de développer un code de calcul opérationnel assurant le suivi des polluants sur un site industriel, en champ proche (prise en compte de la complexité du bâti) et avec des temps de calcul avoisinant le temps réel. Nous avons, au cours de ce travail de recherche, développé une approche appeléeFlow'Air-3D basée sur la constitution, en amont de toute situation opérationnelle, d'une base de données de champs de vent CFD calculés sur le site industriel étudié. En situation opérationnelle, la dispersion des polluants est modélisée avec un code de dispersion lagrangien, SLAM, également développé dans le cadre de cette thèse. Pour pouvoir mettre en place cette approche Flow'Air-3D, nous avons développé une méthodologie et une paramétrisation spécifique du modèle RANS-k-e pour représenter une couche limite de surface diabatique. Nous avons ensuite identifié les paramètres nécessaires à la construction de la base de données, ainsi que l'influence de la discrétisation et de l'interpolation de ces paramètres sur les champs de vent déterminés par cette approche. Finalement un code de dispersion lagrangien stochastique à particules, utilisant les champs de vent de la base de données, a été développé et partiellement validé sur quelques cas académiques simples (condition de mélange homogène, comparaison à la dispersion d'une bouffée gaussienne, etc.)Des essais en soufflerie, une approche eulérienne (effectuée avec FLUENT 6.3) et une première application de la méthodologie Flow'Air-3D/SLAM ont été menés sur le site pétrochimique de la raffinerie de Feyzin. Les comparaisons effectuées entre ces trois approches montrent le bon comportement du modèle SLAM. Les temps CPU mis en œuvre pour réaliser les calculs de dispersion lagrangien sont encourageants et montrent la faisabilité de notre approche sur un cas applicatif réel.

Un programme expérimental a été conçu afin d'étudier la dispersion des polluants sur un terrain complexe avec un accent mis sur des conditions stables qui restent délicates pour la modélisation numérique. Ce programme expérimental est mené sur le site du SIRTA dans la banlieue sud de Paris et consiste à mesurer en champ proche la turbulence et la dispersion des polluants. L'objectif de ce programme est de caractériser la structure fine de la turbulence et de la dispersion associée par des mesures à haute résolution temporelle et spatiale. Ensuite, ces mesures permettent de valider et d'améliorer la qualité de simulations CFD pour la turbulence et la dispersion sur un site fortement hétérogène. Le dispositif instrumental comprend 12 anémomètres ultrasoniques mesurant en continu la vitesse du vent et la température à 10 Hz, et 6 détecteurs à photo-ionisation (PID) mesurant la concentration de gaz à 50 Hz pendant des essais de traçage. Plusieurs périodes d’observations intensives (POIs) avec des rejets de gaz ont été réalisées depuis Mars 2012.Tout d'abord, une étude détaillée de l'écoulement du vent sur le site est réalisée, car l’écoulement doit être caractérisé et correctement simulé avant de simuler la dispersion des polluants. Cette étude est basée sur deux ans de mesures en continu et sur les mesures acquises durant les POIs. La forte anisotropie de la turbulence dans la couche de surface est caractérisée à l’aide du calcul des variances, des échelles de longueur intégrales et des spectres des trois composantes de la vitesse du vent. La propagation des structures turbulentes entre les capteurs est caractérisée en utilisant les corrélations de vitesse. Les spectres de vitesse montrent plusieurs pentes dans différentes zones de fréquence. En outre, l’analyse des données montre l’impact de l'hétérogénéité du terrain sur les mesures. La forêt au nord du site expérimental modifie la vitesse et la direction du vent pour un grand secteur nord. Il induit un fort cisaillement de la direction du vent et une décélération en dessous de la hauteur de la forêt. Les simulations numériques sont effectuées avec le code de CFD Code_Saturne en mode RANS avec une fermeture k-ε adaptée pour les écoulements atmosphériques et un modèle de canopée pour la forêt. Ces simulations reproduisent correctement les caractéristiques de l'écoulement moyen sur le site des mesures, en particulier l'impact de la forêt pour les différentes directions du vent et pour la stratification neutre et stable. Les résultats de simulation montrent aussi le cisaillement de direction du vent et l’augmentation de l’énergie cinétique turbulente induits par la forêt. Une étude de sensibilité montre que ces effets sur l'écoulement s’accentuent quand la densité foliaire augmente. L’étude de dispersion est réalisée pour plusieurs POIs. L’analyse des données de concentration montre la cohérence avec les mesures de campagnes précédentes réalisées dans des zones proches de la source. Les fluctuations de concentrations sont caractérisées à travers les séries temporelles, l'histogramme et l'analyse statistique des concentrations. Une zone inertielle peut également être identifiée dans les spectres de concentration. Ensuite, la dispersion des polluants est modélisée par les équations de transport pour la concentration et sa variance. La concentration moyenne est globalement en bon accord avec les mesures pour toutes les POIs étudiées. L’accord avec les mesures sur la position du maximum de concentration dépend de la précision de la rotation du vent simulée en-dessous de la hauteur de la forêt. Les fluctuations de concentration obtenues dans les simulations semblent être affectées de manière significative par la condition initiale et la modélisation du terme de dissipation. Une étude de sensibilité à la paramétrisation est ensuite présentée / An experimental program has been designed in order to study pollutants dispersion at a complex site with a focus on stable conditions, which are still challenging for numerical modelling. This experimental program is being conducted at the SIRTA site in a southern suburb of Paris and consists in measuring, in near field, the turbulence and the pollutants dispersion. The aim of this program is to characterize the fine structure of turbulence and associated dispersion through high temporal and spatial resolution measurements. Then, these measurements allow to validate and improve the performance of CFD simulation for turbulence and dispersion in a heterogeneous field. The instrumental set up includes 12 ultrasonic anemometers measuring continuously wind velocity and temperature at 10 Hz, and 6 photo-ionization detectors (PIDs) measuring gas concentration at 50 Hz during tracer tests. Intensive observations periods (IOPs) with gas releases have been performed since March 2012.First of all, a detailed study of flow on the site is made, because it must be characterised and properly simulated before attempting to simulate the pollutants dispersion. This study is based on two years of continuous measurements and on measurements performed during IOPs. Turbulence strong anisotropy in the surface layer is characterized by calculating variances, integral length scales and power spectra of the three wind velocity components. Propagation of turbulent structures between sensors has been characterized with velocity correlations. Energy spectra show several slopes in different frequency regions. Also, data analyses show impact of terrain heterogeneity on the measurements. The forest to the north of experimental field modifies wind velocity and direction for a large northerly sector. It induces a strong directional wind shear and a wind deceleration below the forest height. Numerical simulations are carried out using the CFD code Code_Saturne in RANS mode with a standard k-ε closure adapted for atmospheric flows and a canopy model for the forest. These simulations are shown to reproduce correctly the characteristics of the mean flow on the measurements site, especially the impact of the forest for different wind directions, in both neutral and stable stratification. Simulations results also show the directional wind shear and the turbulent kinetic energy increase induced by the forest. A sensitivity study has been made for various values of forest density and shows that the typical features of canopy flow become more pronounced as canopy density increases. Pollutants dispersion study are made for several IOPs. Concentration data analysis shows a consistency with previous measurements made in a near-source region where the plume scale is smaller than the large-scale turbulence eddies. Concentration fluctuations are characterized through concentration time series, histogram and statistical analysis. The internal subrange can be observed in the concentration spectra. Next, pollutants dispersion are modelled by transport equations for concentration and its variance. The mean concentrations show a good agreement with measurements in values for all the IOPs studied, except that the position of the concentration peak depends on the accuracy of simulated wind rotation below the forest height. The concentration fluctuations obtained from simulations seem to be affected significantly by the initial condition and the modelling of the dissipation term. A sensitivity study to the parameterisation is then presented

En cas d’accident impliquant des produits chimiques, il peut être fait appel à des experts pour évaluer les effets générés par cet accident. Ces experts fournissent des distances d’effets à l’aide de modélisations informatiques et sont confrontés à une difficulté majeure : peu d’éléments à leur disposition pour caractériser la situation.L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie permettant de prendre en compte les incertitudes relatives aux données d’entrée dans les modélisations effectuées en situation d’urgence tout en restituant de manière explicite cette incertitude au gestionnaire de la situation d’urgence.Une première phase a consisté à évaluer, pour une situation à même de générer un nuage toxique ou explosible, la dispersion des résultats des modélisations. Il a été établi une hiérarchisation des variables d’entrée en fonction de leur influence sur le résultat final. Cette phase a été réalisée au moyen d’une analyse de sensibilité dont la stratégie a été spécifiquement développée.Une seconde phase a eu pour but d’établir une méthodologie d’estimation des distances d’effets en situation d’urgence en tenant compte du niveau d’incertitude des variables d’entrée. Une méthodologie de classification opérationnelle des données d’entrée a été réalisée. Elle s’appuie sur deux critères : la sensibilité du modèle au paramètre d’entrée et l’incertitude sur sa valeur (imprécision ou variabilité). Sur cette base, une nouvelle manière d’utiliser ces variables a été proposée. Enfin, différentes façons de restituer de manière opérationnelle les résultats des modélisations ont été proposées. / During accidents involving chemicals, experts can be asked to assess the effects generated. These experts provide distance effects using computer modeling and are faced with a major difficulty: little (or no) information available in order to assess the situation.The objective of this thesis is to suggest a methodology able to take into account uncertainties in the input data for the modeling carried out in emergency situations and to return explicitly these uncertainties to the manager of the crisis.A first step was to evaluate, for a given situation generating a toxic or flammable cloud, the dispersion of modeling results. A ranking of the input variables according to their influence on the final result was established. This phase was carried out on the basis of a sensitivity analysis with a specifically developed strategy.A second phase aimed to establish a methodology for estimating distance effects (in crisis situations), which takes into account the level of uncertainty in the input variables. A methodology for the classification of input operational data was carried out. This methodology is based on two criteria: the sensitivity of the model to the input parameter and the uncertainty about its value (imprecision or variability). On this basis, a new way of using these variables was suggested. Finally, several methods aimed to restore explicitly the results of this modeling were suggested.