The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

Cette thèse porte sur l’étude de l’évolution de la qualité de l’air en Europe et en France dans les prochaines décennies à l’aide de simulations numériques. Dans les études des impacts de l’évolution du climat sur la qualité de l’air, les modèles de chimie atmosphérique utilisent des sorties de modèles climatiques globaux ou régionaux qui fournissent les « forçages », c’est-à-dire les conditions météorologiques simulées pour les périodes futures. Contrairement aux analyses météorologiques, qui représentent la variabilité jour à jour du temps, les sorties des modèles de climat doivent nécessairement être interprétées de manière statistique : elles ne représentent la météorologie que dans un sens climatologique. Afin de pouvoir commenter utilement les simulations futures de qualité de l’air, il est nécessaire d’évaluer au préalable et pour le climat présent, la qualité des simulations calculées avec des forçages climatiques par rapport aux références que constituent les simulations calculées avec des forçages analysés et, bien entendu, les observations. Trois simulations pluri-annuelles (6 ans) ont été lancées pour la période actuelle (2000-2010) et ont été comparées ; elles différent par l’utilisation d’analyses météorologiques ou de forçages de modèle de climat (pour les paramètres atmosphériques seuls et par ailleurs, pour les paramètres atmosphériques et le calcul des échanges en surface) en entrée du modèle de chimie-transport tridimensionnel de Météo-France, MOCAGE. Nous avons évalué ces différentes simulations par comparaison aux observations de la base de données européenne AirBase. Nous avons ensuite comparé les performances de ces simulations pour un grand nombre de scores quantitatifs, en analysant d’une part les effets liés aux champs météorologiques (température, vent, humidité, etc.) et d’autre part, ceux liés aux échanges en surface (comme les vitesses de dépôts, les émissions biogéniques) qui dépendent également de la météorologie. Nous avons ainsi évalué comment ces changements affectent les distributions horizontales et verticales des polluants. In fine, nous avons caractérisé la fiabilité des simulations de qualité de l’air reposant sur des forçages issus de modèles climatiques pour le climat présent : des indicateurs (biais moyens, biais moyens normalisés, RMSE, déviations standards) et des index de qualité de l’air (comme le dépassement de seuils) se distinguent et peuvent donc servir de base fiable pour l’interprétation des résultats pour les simulations du futur. Enfin dans une troisième partie, ces indicateurs considérés comme pertinents ont été utilisés pour étudier des simulations de qualité de l’air aux horizons 2030 et 2050 (5 ans). Comme attendu, l’évolution des paramètres météorologiques (température, précipitation, vent) modifie les quantités et la dispersion des polluants dans l’atmosphère, mais l’évolution des émissions en Europe et dans le reste du monde joue aussi un rôle important. Ainsi, face à l’évolution du climat et la hausse des émissions dans certains pays du monde, en Asie notamment, les effets des politiques Européennes pour réduire les émissions anthropiques sont mitigés selon les régions et les polluants, dépendant de l’influence relative des phénomènes locaux et du transport de polluant à longue distance. / This thesis aims at predicting how European and French air quality could evolve over the next decades using numerical modeling. In order to study the impacts of climate change up on regional air quality, atmospheric chemistry models rely on global or regional climate models to produce “forcings”, i.e. meteorological conditions for future periods. Unlike meteorological analyses, which can represent specifically each date and hour thanks to the assimilation of observations, climate model outputs need to be averaged and can only be interpreted in a climatological sense. And so are air quality hindcasts relying on them for their forcings. In order to properly interpret air quality simulations in a future climate, it is a pre-requisite to assess how realistic air quality hindcasts are when driven by forcings from climate models for the current period in comparison to the references, which are simulations with the same set-up but relying on meteorological analyses and observations. Three six-year simulations for the current climate (2000-2010) have been run with the three-dimensional chemistry transport model of Météo-France, MOCAGE. These simulations only differ by the meteorological forcings used, either operational meteorological analyses or outputs from climate simulations (for atmospheric parameters only ; for atmospheric parameters as well as surface exchanges, which depend also on the weather). We compared the three simulations and evaluated them against the European air quality database of the European Environment Agency, AirBase. Further, we investigated how statistical skill indicators compare in the different simulations, assessing the effects of meteorology on atmospheric fields (temperature, wind, humidity,...) and on the dependent emissions and deposition processes (such as deposition velocities, volatile organic compound emissions, ...) that depend upon meteorology. We have in particular studied how these factors affect the horizontal and vertical distributions of species. In the end, we have estimated how reliable are skill indicators for the simulations run with “climate” forcings : some indicators (mean bias, mean normalized bias, RMSE, deviation standards, number of exceedance days) are sufficiently close to the ones obtained with the reference configuration (relying on analysed meteorological forcings) to be considered reliable. They can thus be used to interpret simulations for future periods. We have run simulations of European air quality in the 2030s and 2050s (5 years for each period). They are discussed using the indicators previously indentified. As expected, the changes in meteorological parameters (temperature, precipitation, wind, ...) affect the quantities and distributions of pollutants in the atmosphere, but the future evolutions in European and global emissions also play a significant role. Faced with climate change and increased emissions in some countries in the world, as in Asia, the impacts of European policies for reducing anthropogenic emissions are mitigated, depending on the regions and the pollutants due to the respective influence of local emission and of long-range transport of pollutants.