Open Access
Numéro
Climatologie
Volume 4, 2007
Page(s) 105 - 129
DOI https://doi.org/10.4267/climatologie.773
Publié en ligne 9 octobre 2015

© Association internationale de climatologie 2007

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Introduction

« L’échelonnement de l’effet de serre avec l’altitude et…la convection constituent les causes fondamentales de la décroissance assez régulière…de la température lorsqu’on monte suivant la verticale depuis la surface terrestre jusqu’à la tropopause » (www. meteofrance.com/FR/glossaire/designation/1323_curieux_view.jsp). Cependant, dans la réalité, la troposphère présente souvent « des régions…au sein desquelles la température augmente de quelques degrés Celsius…lorsque l’altitude va croissant…[Ces régions] abritent par définition un phénomène d’inversion de température et forment des couches d’inversion. » (http://www.meteofrance, op. cit.). Il en découle qu’une inversion thermique « se traduit par une augmentation de la température avec l’altitude » (Beltrando et Chémery, 1995).

Le plus souvent, les couches d’inversions thermiques se situent dans la couche limite planétaire qui représente une zone de contact entre la surface terrestre (océans et continents) et l’atmosphère. Les propriétés physiques de la couche limite planétaire en un lieu donné dépendent d’une part, des propriétés physiques de l’air et de ses mouvements et, d’autre part, des propriétés physiques de la surface terrestre en ce même lieu (www.meteofrance.com/FR/glossaire/designation/721_curieux_view.jsp). La couche limite planétaire représente donc une « zone de l’atmosphère entre la surface (terre ou mer), où la friction ralentit le déplacement de l’air, et l’atmosphère libre où cette dernière devient négligeable » (Turbelin, 2000). La rugosité de la surface terrestre détermine l’ampleur des forces de frottement, qui modifient « les déplacements horizontaux et verticaux et les échanges de matière et d’énergie à l’intérieur d’une couche limite planétaire » (www.meteofrance.com).

C’est donc la rugosité du substrat, très variable d’un endroit à l’autre selon les états de la surface terrestre, qui détermine l’épaisseur de la couche limite planétaire. Pour cette raison, des estimations différentes sont données de l’épaisseur de la couche limite planétaire. « Elle varie entre 0,5 et 3 km selon la stabilité de l’air … [et serait] en moyenne de 1500 mètres » (Turbelin, 2000). Un ordre de grandeur plus réduit est généralement accepté : 600 à 800 mètres. Cette dernière valeur est plus proche des faits dans la région de Tunis où l’inversion thermique de surface la plus épaisse rencontrée au cours de toute la période étudiée (1996-2000) est de 1050 mètres géopotentiel (mgp), enregistrée le 22/07/1997.

Pour cette raison, seules sont comptabilisées les inversions thermiques comprises dans les premiers 1000 mgp de la basse troposphère tunisoise. Elles représentent la plupart du temps un phénomène topothermique, quasi exclusivement nocturne, qui traduit les interactions thermiques du substrat et de l’atmosphère (Renaudin, 1991; Carréga, 1994; Paul, 1997). Au-delà du niveau 1000 mgp, les inversions thermiques rencontrées représentent des inversions frontales (limites de masses d’air) et/ou des couches de subsidence de la moyenne et de la haute troposphère. Ces inversions thermiques d’altitude, étant suffisamment éloignées du substrat, ne présentent pas de risques de surconcentrations de pollution près du sol. Ce sont surtout les inversions de surface qui « par le blocage qu’elles imposent à la diffusion verticale de l’air…constituent des “couvercles” qui souvent aggravent les effets de la pollution atmosphérique, particulièrement en cas de vent faible ou d’absence de vent » (www.meteofrance.com/FR/glossaire/designation/1323_curieux_view.jsp).

C’est à l’influence de cet « effet de couvercle » sur les concentrations de polluants atmosphériques dans la basse troposphère de Tunis que le présent travail porte son principal intérêt. De nombreuses études ont déjà établi ce genre de relation pour des métropoles nationales et régionales (Paris et Ile de France : AIRPARIF, 2001; New York City : Civerolo et al., 2007; Lota, Sougalhos et Covelo au Portugal : Evtyugina et al., 2006; Finokalia en Crète : Gerasopoulos et al., 2006…). Ce travail représente une recherche dans les caractères de la relation entre la fréquence et la persistance (en terme d’épisodes : nombre de jours successifs à inversions thermiques, uniquement, car ne possédant pas des données relatives aux durées horaires des inversions par individu) des inversions thermiques et entre les concentrations maximales ou « pics » de polluants atmosphériques dans la basse troposphère de Tunis.

Les données de base de cette étude sont :

  1. Les radiosondages de la station météo de Tunis-Carthage couvrant la période 1996-2000. Cette station est contrôlée par l’Institut National de la Météorologie (I.N.M.) de Tunisie. Elle se localise dans les banlieues nord de la capitale (figure 1). Un radiosondage, unique, est effectué chaque jour vers 23h30 TU.

    thumbnail Figure 1

    Site de la ville de Tunis et localisations de la station météo de Tunis-Carthage et de la station de la qualité de l’air de Ben Arous. Site of Tunis city and localisations of the weather station practicing the radiosonde explorations and the air quality station in Ben Arous (controlled by the National Agency for the Environment Protection: A.N.P.E.).

Le suivi de l’évolution temporelle des inversions thermiques au cours d’une journée, individu par individu, est très riche d’enseignements quant à la concentration des polluants (Hiroz, 1996). Malheureusement, un radiosondage unique par jour ne permet pas de réaliser cet objectif. D’autre part, à cette heure de la journée, le sol ne peut certainement pas toujours atteindre un degré de refroidissement suffisant pour déterminer une inversion thermique. Les températures minimales (Tn) sont le plus souvent enregistrées quelque temps avant le lever du soleil, généralement vers cinq à six heure du matin. Un intervalle de temps de six à sept heures environ (entre l’heure du radiosondage et l’enregistrement de la Tn) pourrait dans bien des cas produire des inversions thermiques. Ainsi, la fréquence des inversions thermiques dans la région de Tunis est certainement supérieure à celle révélée par les radiosondages. La comparaison de la température de l’air mesurée par la sonde au niveau 1000 hPa à la Tn enregistrée la même nuit permet de l’affirmer (figure 2). Effectivement, ce genre de situations représente une fréquence relative égale à 4% des journées de toute la période étudiée.

  1. Les relevés de la station de la qualité de l’air de Ben Arous du mois de mai 1998. Cette station fournit des relevés climatologiques horaires (températures, pressions atmosphérique, humidité relative de l’air, rayonnement global, vitesse et direction du vent) et des relevés horaires de différents polluants atmosphériques (poussières, méthane-CH4, monoxyde de carbone-CO, dioxyde de carbone-CO2, hydrocarbures-HC et ozone troposphérique-O3).

thumbnail Figure 2

Schéma d’une situation à inversion probable. Diagram of a probable inversion situation.

La station est située dans la banlieue sud de Ben Arous, en plein milieu d’une zone industrielle (figure 1). Elle est contrôlée par l’Agence Nationale de la Protection de l’Environnement (A.N.P.E.), organisme pivot du Ministère de l’Environnement. Le choix du mois de mai 1998 est dicté par l’état des données disponibles. D’une part, les radiosondages de Tunis sont inaccessibles pour la période postérieure à 2000 et, d’autre part, les données de la qualité de l’air pour la période de l’étude (1996-2000) sont soit totalement absentes soit très fragmentées. Elles sont disponibles uniquement pour la période allant du mois de mai 1998 au mois de décembre 1999 et pour la seule station de Ben Arous. Actuellement, le ‘Grand Tunis’ est doté de cinq stations de mesure de la qualité de l’air.

Le mois de mai 1998 représente tout de même un échantillon qui répond bien aux objectifs de cette étude. Les données de la qualité de l’air sont complètes et les radiosondages révèlent pour ce mois une grande fréquence des inversions thermiques, avec la présence de deux épisodes distincts de six jours successifs chacun. En premier lieu, un dépouillement systématique des radiosondages de la période étudiée a été effectué. Cette première étape permet une étude fréquentielle des inversions thermiques en Tunisie aux échelles temporelles annuelle et saisonnière. En second lieu, l’accent est mis sur certains des caractères thermodynamiques des inversions thermiques dans la région de Tunis :

  • l’altitude de la base de l’inversion : ce paramètre permet de distinguer deux types d’inversions de la basse troposphère : des inversions tangentes au sol et des inversions non tangentes au sol (type différent des inversions d’altitude qui se situent dans la moyenne et haute troposphère). Les bases de ces inversions se situent à des altitudes très faibles, le plus souvent inférieures à une centaine de mgp. Pour ce second type d’inversions, la présente étude n’a comptabilisé que celles dont les bases sont situées à des altitudes égales ou inférieures à 200 mgp. Plus la base de l’inversion est proche du sol, plus la concentration des polluants est favorisée.

  • l’épaisseur de l’inversion : théoriquement du moins, plus l’inversion thermique est épaisse, plus elle est persistante. Le réchauffement de l’atmosphère s’opérant par sa base, et l’inversion bloquant la convection, les processus radiatifs mettent théoriquement plus de temps pour « détruire » l’inversion thermique.

  • le gradient thermique vertical de l’inversion : c’est la valeur de la variation moyenne des températures dans le plan vertical, calculée par 100 mgp.

Cette première étape permet d’aborder une typologie des inversions thermiques de la basse troposphère de Tunis combinant des critères physionomiques et des critères génétiques. Ensuite, l’analyse combinée des données issues des radiosondages et celles fournies par la station de la qualité de l’air de Ben Arous permet d’aborder la relation entre inversions thermiques et concentrations de polluants atmosphériques pendant le mois de mai 1998. Cette relation est envisagée en premier lieu, d’une manière purement descriptive : concordance des pics journaliers au cours du mois mai 1998 avec les journées à inversion. En second lieu, elle est abordée d’une manière analytique, par l’outil des régressions linéaires multiples et à travers l’exemple de l’ozone troposphérique. Les concentrations de ce gaz dépendent à la fois des conditions atmosphériques ambiantes et de la pollution primaire existante. Les variations des niveaux d’ozone reflètent certainement les variations des conditions atmosphériques photo-oxydantes. L’échantillon disponible pour l’étude de la qualité de l’air est relativement court, ne permettant pas la mobilisation d’un outil statistique plus élaboré. L’étude des régressions linéaires multiples est envisagée selon deux échelles temporelles : journalière et horaire. La première permet d’introduire dans l’analyse des variables climatologiques mesurées par la station de la qualité de l’air de Ben Arous, des variables environnementales relatives à la qualité de l’air et des variables issues des radiosondages. Ces dernières sont relatives aux variations de la couche limite planétaire (présence ou absence d’une inversion, altitude de la base de l’inversion, épaisseur de l’inversion et gradient thermique vertical de l’inversion). L’objectif est la mise en relief des facteurs d’échelle synoptique responsables des pics journaliers de pollution pour chaque jour du mois considéré, c’est-à-dire au sein de situations synoptiques différentes. L’analyse à l’échelle horaire permet de dégager les facteurs de l’évolution des concentrations des polluants atmosphériques au cours d’une seule journée, c’est-à-dire au sein d’une situation synoptique unique. Théoriquement, au cours d’une même journée, hormis l’évolution régulière due aux phénomènes radiatifs quotidiens, la couche limite planétaire n’est pas sensée connaître des changements importants, surtout au cours d’une situation anticyclonique typique.

1. Typologie et caractères thermodynamiques des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis

1.1. Typologie des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis

En général, les inversions thermiques sont classées selon des critères d’ordre physionomiques et/ou génétiques. Plusieurs types sont alors distingués (www.meteofrance.com/FR/glossaire/designation/1323_curieux_view.jsp). Sur le plan physionomique, les inversions de surface sont opposées aux inversions d’altitude, et les inversions réelles aux inversions apparentes. Dans les régions à relief contrasté, des inversions absolues sont distingués des inversions relatives (www.univ-savoie.fr/mse/ressources/rapports/rapports00/Benistant/température.html). Une inversion est dite relative quand la température relevée en hauteur et corrigée de l’effet d’altitude est plus forte que celle de la vallée, alors qu’une inversion est dite absolue quand la température vraie, non corrigée, est plus forte en montagne. Sur le plan génétique, la classification des inversions thermiques se base sur les facteurs de genèse de ces dernières. Une inversion au sol ou inversion de surface est tangente au substrat. Elle se caractérise par un gradient « anormal » immédiatement à partir de la surface du sol, et jusqu’à une certaine épaisseur de l’atmosphère. Ce type correspond fréquemment à des inversions de rayonnement. Ces dernières se forment la nuit, par temps calme et ciel clair, quant le substrat terrestre se refroidit par rayonnement infrarouge. Les couches de l’atmosphère tangentes à ce substrat cèdent de la chaleur et se refroidissent à leur tour. L’inversion se forme alors. Les inversions d’altitude ne sont pas tangentes au sol. Elles sont « situées vers 1000 à 2000 mètres de haut » (www.meteofrance.com). Elles sont liées à des phénomènes de subsidence ou à des manifestations frontales. Les inversions de subsidence « résultent du réchauffement suscité par la compression adiabatique d’une zone de subsidence anticyclonique » (www.meteofrance.com). Les inversions frontales sont dues, quant à elles, à la superposition de deux masses d’air de températures différentes, la plus chaude se trouvant au-dessus. Des phénomènes de turbulence peuvent aussi créer des inversions d’altitude. Car en fait, « une couche atmosphérique où l’air se meut en écoulement turbulent peut être séparée de la région qui la surmonte par une couche d’inversion transitoire », dite inversion de turbulence. Tous ces types représentent des inversions thermiques réelles. Ces dernières sont définies par opposition aux inversions thermiques apparentes (www.u-picardie.fr/~beaucham/ mbg6/atmos.htm). Une inversion thermique s’apparente à un changement du gradient vertical de température, qui accuse une certaine diminution sans se transformer pour autant en gradient «anormal ». Le cas des isothermies s’apparente beaucoup à celui des inversions et se caractérise par l’absence d’un gradient.

Les inversions thermiques étudiées sont, sur le plan physionomique, des inversions réelles et absolues. Elles sont totalement comprises, de par leurs altitudes, dans les premiers 1050 mgp de la basse troposphère tunisoise. Selon les grandeurs d’altitude proposées par Météo France, elles correspondent, a priori, à des inversions de surface. Cependant, du point de vue de l’altitude par rapport au substrat, elles se divisent en deux catégories (figure 3) : des inversions de surface (ordinaires) « tangentes au sol » et des inversions « non tangentes au sol » (masse d’air convective entre le sol et l’inversion).

thumbnail Figure 3

Types d’inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis : 1) inversion de surface de rayonnement (en bas) et inversion de limite de masse d’air (en altitude); 2) inversion de surface de subsidence; 3) inversion de basse altitude. Types of temperature inversions in the low troposphere of Tunis: 1) surface inversion of radiance (at the bottom) and inversion of air mass limit (in altitude); 2) surface inversion of subsidence; 3) low altitude inversion.

L’altitude de la base des inversions « tangentes au sol » correspond au niveau de la station météo de Tunis-Carthage (4 mgp). Les bases des inversions thermiques « non tangentes au sol » sont éloignées du sol, à une certaine altitude au dessus du niveau de la station (parfois uniquement à quelques dizaines de mètres). Dans ces conditions, ce type d’inversions ne peut pas s’apparenter aux inversions d’altitude (ordinaires) définies par Météo France.

Sur le plan génétique, les inversions thermiques de la basse troposphère de Tunis sont de deux types : des inversions de rayonnement et des inversions de subsidence (figure 3). Les inversions de rayonnement sont des inversions de surface qui accompagnent des masses d’air d’origines géographiques différentes, polaire ou tropicale. Les inversions de subsidence associées à l’air polaire maritime constituent, en Tunisie, des inversions d’altitude uniquement. Cet air est généralement plus froid que le substrat et a tendance à se réchauffer par la base (figure 3 : masse d’air convective entre l’inversion de surface et l’inversion frontale en altitude). Par ailleurs, l’arrivée de ce type d’air est généralement associée à des situations instables ne favorisant pas la stagnation. Par contre, les inversions de subsidence associées à l’air tropical continental saharien (Tcs) constituent un phénomène de surface très fréquent. En Tunisie, pays de l’Afrique du nord, les trajectoires de l’air Tcs, très chaud et sec, sont exclusivement continentales. Cette masse d’air se forme dans l’aire des anticyclones subtropicaux (AST). Elle est très stable et détermine souvent et en toutes saisons, des inversions de subsidence en surface qui peuvent perdurer toute la journée.

Dans certaines configurations synoptiques dépressionnaires (dépressions méditerranéennes ou sahariennes) ou de marais barométriques, l’air Tcs dirigé vers la Tunisie par des flux de SW (figures 4 et 5) est soulevé en altitude par une masse d’air polaire maritime (Pm) acheminée par des flux de secteur NW, ou par une masse d’air tropical maritime (Tm) en provenance du Sahara Libyque et acheminée par des flux de secteur SE (unique source d’air Tm pour la Tunisie; El Melki, 1997). Dans ces deux cas, les inversions de subsidence associées constituent des subsidences d’altitude dues à des facteurs d’ordre synoptique, situées généralement à des altitudes supérieures à 1000 mgp.

thumbnail Figure 4

à gauche, champ barométrique de surface du 09-10-1998 (flux de secteur NW); à droite, géopotentiel 500 hPa (flux de secteur SW). On the left, surface barometric field (NW sector flow) and on the right, 500 hPa geopotential barometric field (SW sector flow) for October the 10th 1998.

thumbnail Figure 5

à gauche, champ barométrique de surface à gauche (flux de SE) du 13-05-1997; à droite, géopotentiel 500 hPa (flux de SW). On the left, surface barometric field (SE flow) and on the right, 500hPa geopotential barometric field (SW flow) for May the 13th 1997.

L’altitude des bases des inversions « non tangentes au sol » considérées dans cette étude est inférieure ou égale à 200 mgp. Cette altitude correspond à celle des sommets de l’amphithéâtre topographique encadrant la ville de Tunis. Dans ces conditions, ces inversions constituent un phénomène interne de la couche limite planétaire et engagent des facteurs d’échelle locale, notamment des facteurs topoclimatiques. Elles sont donc différentes des inversions d’altitude définies par Météo France.

Topographiquement, le site de la ville de Tunis est complexe : topographie ondulée de petites collines dans la ville, amphithéâtre de hautes collines et de petits Jbels aux alentours, lac (de Tunis) et sebkhas (Ariana et Es-Sijoumi), position littorale au creux d’un golfe. Les éléments naturels d’un paysage de ce genre, combinés à la présence d’une nébuleuse urbaine, peuvent provoquer un enchevêtrement d’interactions topothermiques indépendantes de la circulation d’échelle synoptique. Tel est le cas de la ville de Nice par exemple (Carréga, 1994). La comparaison des structures aérologiques et des roses des vents associées à ces deux types d’inversions apporte certains renseignements.

Les radiosondages montrent que les structures aérologiques de la basse troposphère associées aux inversions de surface sont simples. La basse troposphère est constituée par un seul type de masse d’air : Polaire maritime ou Tropical continental saharien/sec (figure 3). Par contre, les structures aérologiques associées aux inversions « non tangentes au sol » révèlent une basse troposphère présentant une superposition de deux masses d’air. Une masse d’air Tcs qui surplombe une mince couche d’air maritime frais et humide est qualifiée de « pied maritime » (Vialar, 1962). Cette couche mince se forme suite à une stagnation ou à un parcours assez prolongé sur les surfaces aquatiques de la région. La stabilité originelle affirmée de l’air Tcs empêche la propagation des effets thermiques de la Méditerranée vers des altitudes importantes. La comparaison des roses des vents associées aux inversions « non tangentes au sol » (niveaux du sol et des géopotentiels 1000 et 925 hPa) confirme cette superposition (figure 6). La rose des vents au sol (4 mgp) montre une nette domination des directions du secteur SE favorable aux influences maritimes. Ces flux de composantes Est, représentent l’aspect d’une circulation azonale liée à des effets locaux. Au niveau 1000 hPa (160 mgp), une déviation nette vers le secteur Sud est amorcée. Au niveau 925 hPa (850 mgp), des flux de composantes Sud et Ouest dominent. Ces flux sont compatibles avec la circulation synoptique zonale d’ouest de la zone tempérée méditerranéenne. Ils dirigent vers la Tunisie les masses d’air Pm (composantes Nord-Ouest) et Tcs (composantes Sud et Ouest).

thumbnail Figure 6

 Roses des vents de la basse et de la moyenne troposphère associées aux inversions de basse altitude à Tunis (totaux interannuels des directions : 1996-2000). De gauche à droite : rose des vents de surface, rose des vents du géopotentiel 1000 hPa et rose des vents du géopotentiel 925 hPa. Winds directions in the low and middle troposphere of Tunis associated to low altitude inversions (interannual directions’ totals for 1996-2000). From the left to the right: surface directions, 1000hPa geopotential and 925hPa geopotential directions.

Ces inversions « non tangentes au sol » seront dénommées « inversions de basse altitude ». Leurs faibles altitudes, combinées à la topographie de Tunis, ne favorisent pas la dispersion des polluants. L’effet de « blocage » qu’elles imposent « à la diffusion verticale de l’air » est aussi efficace que celui des inversions de surface. En revanche, la rose des vents au sol associée aux inversions « de surface» ne montre aucune préférence nette pour une direction donnée (figure 7).

thumbnail Figure 7

Roses des vents de surface associées aux inversions de surface dans la basse troposphère de Tunis (totaux interannuels de directions, 1996-2000). Surface winds’ directions associated to the surface temperature inversions in the low troposphere of Tunis, interannual totals of directions for 1996-2000.

D’allure globalement circulaire, toutes les directions sont plus ou moins équitablement représentées. Ces inversions ne sont pas associées à un type de circulation atmosphérique spécifique ou à un type de masses d’air particulier.

1.2. Quelques caractères thermodynamiques des inversions thermiques dans la région de Tunis

Les vitesses des vents de surface associées aux inversions thermiques sont généralement faibles (figure 8). Ce fait est parfaitement compatible avec les conditions atmosphériques indispensables à la formation de ces dernières : anticyclones et marais barométriques. En fait, il s’agit peut-être plus de brises thermiques que de vents d’échelle synoptique.

thumbnail Figure 8

Fréquences des vents de surface associés aux inversions de surface (en haut) et de basse altitude (en bas) par tranches de vitesses (1996-2000). Frequencies of surface winds associated to surface inversions (top) and low altitude inversions (bottom) by sections of speed (1996-2000).

Les vitesses sont réduites, puisque inférieures à 5 m/s. Les cas de vent nul associés aux inversions de surface représentent 10,9% des cas. Les vents de vitesses égales ou supérieures à 7 m/s représentent uniquement 5,9% des cas. Les situations d’inversion de basse altitude sont un peu plus agitées avec des calmes moins fréquents : 5,2% du total avec des vents de vitesses égales ou supérieures à 7 m/s qui représentent 14,8% des cas. Les inversions de basse altitude correspondent à des situations de stabilité moins affirmée que celle des inversions de surface, la formation de ces premières nécessitant des conditions atmosphériques particulières, avec la superposition de deux masses d’air.

Les inversions thermiques présentent des épaisseurs variables, mais souvent assez importantes (figure 9). Les épaisseurs minimales et les épaisseurs moyennes des inversions de basse altitude sont plus importantes que celles des inversions de surface. C’est l’effet du caractère thermodynamique des premières et du caractère essentiellement thermique des secondes.

thumbnail Figure 9

Variation des épaisseurs des inversions de surface (à gauche) et de basse altitude (à droite) dans la basse troposphère de Tunis (1996-2000). Thickness variation of surface inversions (left) and low altitude inversions (right) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

La formation des inversions de basse altitude dépend de l’ampleur des subsidences affectant les masses d’air Tcs qui les produit. Ces subsidences, intenses, représentent un caractère permanent de l’air Tcs. Les épaisseurs moyennes et les épaisseurs minimales des inversions de surface, en partie d’origine topothermique, dépendent de la valeur et de la persistance de l’écart de température entre le sol et l’atmosphère. Cet écart n’est pas toujours suffisamment important et persistant pour créer des inversions vigoureuses. Les épaisseurs maximales des inversions de basse altitude sont, au contraire, moins importantes que celles des inversions de surface. La couche d’inversion a tendance à être comprimée par la subsidence qui l’a créée. Les épaisseurs maximales des inversions de surface sont en contre partie plus importantes. Elles sont le résultat de la combinaison des effets des facteurs thermodynamiques et thermiques : la subsidence et le rayonnement nocturne.

Les épaisseurs maximales des inversions thermiques de surface et des inversions de basse altitude sont importantes, globalement comprises entre 550 et 1050 mgp. Des inversions aussi vigoureuses déterminent certainement d’importantes surconcentrations de polluants dans l’atmosphère tunisoise.

2. Fréquence et variabilité des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis

Les inversions thermiques sont très fréquentes à Tunis (figure 10). Les inversions de surface représentent 40% des cas (i.e. jours) de la période étudiée (1996-2000).

thumbnail Figure 10

Fréquences interannuelles des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis (1996-2000). Interannual frequencies of temperature inversions in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

Les inversions de basse altitude en représentent 8%. Compte tenu des jours sans données et des situations à inversions probables, les inversions thermiques couvrent plus de 50% des jours de la période étudiée. Cette haute fréquence des inversions thermiques reflète bien les conditions de stabilité atmosphérique prédominante dans la basse troposphère de Tunis. Une étude de la fréquence et de la persistance des situations anticycloniques en Tunisie confirme ces faits puisque « 72% des jours de l’année, soit en moyenne presque trois jours sur quatre sont…marqués en Tunisie par des hautes pressions à un ou plusieurs niveaux de l’atmosphère » (Henia, 1998).

2.1. Fréquence et variabilité interannuelles des inversions thermiques

Les inversions thermiques sont très fréquentes et assez variables à l’échelle interannuelle (figure 11). Les coefficients de variation (variabilité relative) et les écarts types (variabilité absolue) sont importants pour les deux catégories. Les inversions de surface qui représentent la catégorie la plus fréquente, sont quand même moins variables. Elles présentent un coefficient de variation de l’ordre de 15,8% (tableau 1), pratiquement inférieur à celui des inversions de basse altitude. Cette variabilité reflète bien l’irrégularité climatique du domaine méditerranéen.

thumbnail Figure 11

Fréquences annuelles des types d’inversion thermique et des situations sans inversion dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Annual frequencies of temperature inversions’ types and of the situations without inversion in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

Tableau 1

Variabilité interannuelle, absolue et relative des inversions thermiques à Tunis (1996-2000). Interannual absolute and relative variability of temperature inversions in Tunis (1996-2000).

En termes de risques environnementaux, la notion d’épisode (nombre de jours successifs) à inversion thermique (les deux types confondus) est plus importante que la simple notion de fréquence. Car théoriquement au moins, les risques de surconcentration des polluants sont plus grands au cours d’un épisode prolongé à inversion thermique qu’au cours d’une inversion isolée. Les épisodes courts (1 et 2 jours) sont les plus fréquents certes (figure 12), mais des épisodes longs (à partir de quel seuil ?) et répétitifs ne sont pas rares non plus. Des épisodes d’une semaine (5 à 6 jours) se manifestent deux à quatre fois par an. Des épisodes plus longs sont encore plus rares mais ne sont pas totalement absents, des épisodes de 10 jours se produisant une ou deux fois par an. Des épisodes exceptionnellement longs (12 à 16 jours) ne sont pas absolument exclus non plus. Ils ne représentent pas un phénomène d’occurrence annuelle, mais ils sont présents tout de même.

thumbnail Figure 12

Fréquences annuelles des épisodes d’inversions (de surface et de basse altitude groupées) dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Annual frequencies of inversions’ episodes (all types gathered) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

2.2. Fréquence et variabilité inter-saisonnières des inversions thermiques

La répartition saisonnière (DJF; MAM; JJA; SON) globale des inversions thermiques est assez équilibrée. Néanmoins, le printemps et l’été sont un peu moins affectés (figure 13).

thumbnail Figure 13

Fréquences inter-saisonnières des inversions de surface (à gauche), de basse altitude (au milieu) et des deux types groupés (à droite) à Tunis (1996-2000). Inter-seasonal frequencies of surface (left) and low altitude (medium) inversions, and both types gathered (right) in Tunis (1996-2000).

Cette répartition paraît un peu contradictoire avec l’état des conditions de stabilité atmosphériques de l’été méditerranéen où la durée théorique du jour est plus longue. Trois heures environ séparent le coucher du soleil (19h44, le 22 juin) des lancées des radiosondes. L’intervalle temporel n’est pas suffisant pour que les processus topothermiques produisent des inversions aussi fréquemment qu’en hiver où le coucher du soleil se produit à une heure plus avancée (17h05, le 21 décembre). D’autre part, la surchauffe estivale du continent crée des conditions d’instabilité relative (marais barométriques et dépressions pelliculaires) qui favorisent le brassage de l’air et gênent la formation des inversions thermiques. De ce fait, les inversions de surface enregistrent les fréquences saisonnières les plus basses en été, contrairement aux inversions de basse altitude. Ce dernier type est essentiellement formé par une masse d’air Tcs très subsident soulevé par une mince couche d’air Tm. En outre, les inversions thermiques sont déterminées par des situations presque exclusivement anticycloniques en hiver, contrairement à l’été où les inversions thermiques s’associent principalement à des marais barométriques (figure 14).

thumbnail Figure 14

Fréquences inter-saisonnières des inversions de surface et des inversions de basse altitude (à gauche) et des conditions atmosphériques associées (à droite). Inter-seasonal frequencies of surface and low altitude inversions (left) and associated atmospheric conditions (right).

Plus l’échelle temporelle est fine, plus la variabilité s’accentue. Tout de même, la variabilité inter-saisonnière des inversions de surface, catégorie la plus fréquente, reste toujours moins accentuée. Les indices de la variabilité absolue et relative de cette catégorie opposent les saisons principales, l’été à l’hiver (tableau 2).

Tableau 2

Variabilité inter-saisonnière, absolue et relative des inversions thermiques à Tunis (1996-2000). Inter-seasonal absolute and relative variability of temperature inversions in Tunis (1996-2000).

Les conditions (de stabilité) atmosphérique estivale ont tendance à se ressembler d’une année à l’autre, beaucoup plus que celles au sein de l’hiver. C’est un caractère bien connu du climat méditerranéen. L’été se caractérise par l’installation des influences tropicales : les AST sont connus par leur persistance. Même s’ils sont rejetés en altitude par des dépressions pelliculaires et des marais barométriques, les AST dominent fermement en altitude (Henia, 1998) et imposent des conditions de stabilité absolue, généralement à partir des premiers 1000 mgp. En conséquence, la variabilité des inversions de surface est moins accentuée au cours de cette saison.

L’hiver est connu, quant à lui, par la haute fréquence des perturbations atmosphériques (types de temps variés et plus ou moins instables). Au cours de cette période de l’année, le domaine méditerranéen est le théâtre d’influences diverses, tropicales et tempérées. Si dans l’esprit des méditerranéens de la rive sud surtout, les années se suivent sans vraiment bien se ressembler, c’est principalement à cause de la variabilité des conditions aérologiques de la saison froide. Les saisons intermédiaires s’apparentent, du point de vue des caractères de la circulation atmosphérique régionale, à l’une des saisons principales. Bien que moins chaud que l’automne, le printemps s’apparente plus à l’été. Les conditions atmosphériques qui le caractérisent évoluent vers la stabilité estivale. Par contre, les conditions atmosphériques de l’automne évoluent vers l’instabilité hivernale. Pour ces raisons, la variabilité printanière des inversions de surface est nettement moins accentuée que celle de l’automne. Pour ces mêmes raisons, les inversions de basse altitude présentent les caractères opposés : une variabilité (cœfficient de variation surtout) nettement plus accentuée en hiver.

Les épisodes courts à inversion thermique (1 à 2 jours) caractérisent surtout la période chaude de l’année : été et automne. Les épisodes prolongés (les deux types confondus) s’échelonnent sur toute l’année, presque uniformément, avec une certaine préférence cependant pour la saison froide (figure 15). Bien que la stabilité estivale soit affirmée en altitude, la surchauffe du substrat crée souvent des marais barométriques persistants et parfois des dépressions thermiques pelliculaires, provoquant des turbulences suffisantes pour empêcher la formation et/ou la persistance des inversions aussi fréquemment qu’en hiver.

thumbnail Figure 15

Fréquences inter-saisonnières des épisodes d’inversions (groupées) dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Inter-seasonal frequencies of the inversions’ episodes (all types gathered) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

3. Inversions thermiques et concentrations des polluants à Tunis : exemple du mois de mai 1998

Par le « blocage » qu’elle impose à la convection, une inversion de température constitue un « couvercle » atmosphérique qui favorise la concentration des polluants près du sol. Les inversions représentent de la sorte des situations à grands risques pour la santé des êtres vivants. Une distinction entre les niveaux de pollution atmosphérique relatifs aux différents types d’inversion n’est pas envisagée, bien qu’intéressante, parce que l’échantillon est court. Le mois de mai 1998 représente un exemple très intéressant sur le plan aérologique. Il a enregistré 17 inversions thermiques, avec 13 inversions de surface et 4 inversions de basse altitude dont les bases sont comprises entre 44 et 157 mgp (six autres inversions ne sont pas comptabilisée parce que très hautes, leur base se situant entre 353 et 829 mgp).

Ces dix sept inversions sont réparties sur trois épisodes, dont deux épisodes longs formés de six journées chacun et un épisode court formé de deux jours seulement :

  • Le premier épisode s’étend du 8 au 13 mai,

  • Le second épisode s’étend du 18 au 23 mai.

  • Le troisième comporte les deux derniers jours du mois.

3.1. Inversions thermiques et concentrations maximales des polluants au cours du mois de mai 1998 à Tunis

Les mesures de la qualité de l’air effectuées par la station de Ben Arous (banlieue sud de Tunis) pendant ce mois de mai 1998 montrent différents éléments (figure 16) :

  • Les concentrations journalières maximales de pollution correspondent presque toutes (7 pics sur 10), sauf les poussières, S02 et NCH4, à des situations à inversion thermique (les deux premiers histogrammes de gauche sont égaux).

  • Les concentrations moyennes des polluants pendants les jours à inversion sont souvent supérieures (6 cas sur 10) ou égales (2 cas sur 10) aux concentrations moyennes des polluants pendant les jours sans inversion (les deux derniers histogrammes de droite).

  • De même, les concentrations moyennes des polluants pendant les jours à inversion de température sont supérieures (6 cas sur 10) ou égales (2 cas sur 10) aux concentrations moyennes du mois entier (4ème histogramme à partir de la gauche), sauf les poussières et le S02.

thumbnail Figure 16

Concentrations des polluants dans la basse troposphère de Tunis au cours du mois de mai 1998, mesurées par la station de la qualité de l’air de Ben Arous. Légende : 1 : Valeurs maximales de l’ensemble des jours à inversions; 2 : Valeurs maximales de l’ensemble du mois; 3 : Valeurs maximales de l’ensemble des jours sans inversions; 4 : Moyennes mensuelles; 5 : Moyennes de l’ensemble des jours à inversions (tous les types confondus); 6 : Moyennes de l’ensemble des jours sans inversion. Pollutants concentrations in the low troposphere of Tunis during May 1998, data from the air quality station of Ben Arous. Legend: 1: maximum values of all the days with inversions; 2: Whole month maximum values; 3: maximum values of all the days without inversions; 4: Month averages; 5: All days with inversions (all types gathered) averages; 6: All the days without inversions averages.

Ces exemples confirment le rôle des inversions dans la création des surconcentrations atmosphériques polluées dans la ville de Tunis.

En terme d’épisodes, le premier épisode monopolise 7 des pics mensuels de pollution atmosphérique sur un total de 10. Il confirme le fait que les inversions thermiques favorisent les surconcentrations de polluants. Il pose maintes interrogations : pourquoi les deux autres épisodes, surtout le second de même durée que le premier, sonts-il dépourvus de pics de pollution atmosphérique ? Pourquoi les valeurs des concentrations des polluants au cours des deux derniers épisodes sont-elles très faibles comparées à celles du premier épisode ?

Les configurations barométriques de surface apportent des éléments de réponse (figure 17). Le 07 mai, une dorsale barométrique s’installe suite à la situation dépressionnaire du 06 mai. Au cours des 08 (1020 hPa), 09 (1025 hPa) et 10 mai (1020 hPa), les valeurs du géopotentiel sont très élevées sur la Tunisie. Parmi les sept pics relatifs au premier épisode, six ont eu lieu au cours de ces trois journées. Du 11 au 13 mai, le champ barométrique s’organise en marais barométrique. Durant les six journées du second épisode, c’est la même situation de marais barométrique. Ces faits apportent un nouvel élément d’explication : le degré de stabilité d’une situation à inversion thermique intervient pour beaucoup quant à la détermination des niveaux des concentrations polluées.

thumbnail Figure 17

Champs barométriques de surface des 8, 9, 12 et 20 mai 1998 (successivement, de gauche à droite et du haut vers le bas). Surface barometric fields for the 8th, 9th, 12 th and 20 th of May 1998 (successively from the left to the right and from the top to the bottom).

D’autre part, l’exemple de l’ozone confirme que les inversions de température ne représentent pas le facteur unique déterminant des surconcentrations de pollution atmosphériques (figure 16).

La formation de l’ozone troposphérique est certes plus importante au cours des journées ayant connu des inversions de température, mais aussi, elle reste très importante pendant les jours sans inversion. La formation de ce gaz nécessite des processus photochimiques qui ne fonctionnent qu’en présence du rayonnement solaire. Or, le réchauffement diurne induit par l’irradiation du substrat entraîne, dans la plupart des cas, la disparition des inversions de température.

L’analyse par régressions linéaires multiples des facteurs de la pollution par l’ozone permettra de déterminer le poids respectif de chaque facteur, y compris les facteurs relatifs aux caractères thermodynamiques, précédemment déterminés, des inversions de température.

3.2. Prévision statistique de la pollution atmosphérique à l’ozone au cours du mois de mai 1998 à Tunis

La pollution atmosphérique est très variable dans le temps est dans l’espace. Ses niveaux dépendent à la fois des sources polluantes fixes et/ou mobiles et des agents de transport qui conditionnent la dispersion ou la concentration des polluants. L’ozone est un polluant secondaire très dépendant des facteurs météorologiques ambiants aussi bien dans sa formation que dans sa répartition spatiotemporelle. C’est la raison de l’intérêt porté à son égard dans cette étude. Sa formation nécessite l’existence préalable d’une « pollution primaire » abondante et d’un rayonnement solaire intense, c’est-à-dire des conditions de stabilité atmosphérique affirmées.

L’ozone peut être produit naturellement dans l’atmosphère terrestre, dans la basse troposphère et dans la stratosphère. Une partie mineure de l’ozone troposphérique provient de la stratosphère, uniquement « 10% du contenu en ozone de l’atmosphère aux altitudes inférieures à 12 kilomètres » (Airparif, 2001). L’essentiel de l’ozone troposphérique est d’origine anthropique. La comparaison des niveaux de concentration dans l’atmosphère libre montre une multiplication par quatre entre le début et la fin du dernier siècle dans l’hémisphère boréal, et par un peu moins de deux dans l’hémisphère austral (Airparif, op. cité).

La production d’ozone troposphérique directement par des sources humaines ou naturelles est pratiquement nulle. C’est pourquoi l’ozone est qualifié de polluant secondaire. Il se forme dans l’atmosphère à partir d’autres « polluants primaires » ou précurseurs chimiques. Les principaux polluants précurseurs sont le monoxyde et le dioxyde de carbone (CO et CO2), les oxydes d’azote (NOx) comme le monoxyde d’azote et le dioxyde d’azote (NO et NO2), le méthane (CH4), les Composés Organiques Volatiles (COV) issus de la combustion des énergies fossiles (hydrocarbures surtout) consommées par les industries et les transports. Certains NOx et COV peuvent provenir de sources biologiques (www.ozone-poitou-charentes.org/ozone-pollution.html) : élevage des ruminants et céréalicultures, en particulier l’été. Le rayonnement solaire fournit l’énergie nécessaire aux réactions photochimiques responsables de la formation d’O3. La pollution par l’ozone dépend aussi des agents de transport et de la dispersion par le vent synoptique (Cristofanellia, 2007), les brises marines (Evtyugina et al., 2006; Dudouit-Fichet, 2006; Margarita et al., 2006) ou les brises de reliefs (Salmond et al., 2002).

Bien que le processus de formation de l’ozone soit complexe, les principaux éléments sont bien connus et peuvent être résumés comme suit (d’après www.ozone-poitou-charentes.org/ozone-pollution.html) :

L’oxyde nitrique (NO) émis dans l’atmosphère réagit rapidement avec l’ozone (O3) pour former du dioxyde d’azote (NO2), soit la réaction R1 :

(R1)

Le NO2 absorbe efficacement l’énergie du rayonnement solaire pour se dissocier en atomes d’oxygène (O) et en (NO), soit la réaction R2 :

(R2)

Ces atomes d’oxygène réagissent rapidement à leur tour avec l’oxygène moléculaire (O2) pour reformer de l’ozone, soit la réaction R3 :

(R3; M = O2 ou bien N2)M représente une troisième molécule qui absorbe l’énergie excédentaire libérée au cours de cette réaction, stabilisant ainsi la molécule d’ozone nouvellement formée.

Ces réactions décrivent un état d’équilibre photochimique qui s’établirait dans l’atmosphère, s’il n’y avait pas d’autres gaz que NO et NO2. Autrement dit, la quantité d’ozone dépendrait du rapport entre NO2 et NO dans l’atmosphère et de l’intensité du rayonnement solaire. Cependant, les concentrations d’ozone mesurées dans la troposphère sont nettement plus élevées que celles qui pourraient exister dans des conditions d’équilibre et révèlent l’existence de réactions chimiques plus complexes. En effet, l’atmosphère polluée contient toujours des espèces chimiques capables d’interférer avec les réactions présentées dessus.

Dans une atmosphère polluée, les hydrocarbures en phase gazeuse (RH, connus comme les Composés Organiques Volatiles) et les NOx participent à la formation de l’ozone.

D’autres réactions (différentes de R1) produisent du NO2 sans détruire de molécules d’ozone, et sont suivies des réactions R2 et R3 donnant naissance à une autre molécule d’ozone. Ce mécanisme aboutit à une hausse des concentrations d’ozone troposphérique polluée. Dans certaines conditions où des radicaux hydroxyles (HO) sont formés par réaction photochimique, les hydrocarbures (RH) sont transformés en radicaux peroxyles (HO2 et RO2), qui réagissent avec le NO pour produire du NO2. Le schéma suivant résume l’ensemble de ces réactions (figure 18) :

thumbnail Figure 18

Mécanismes simplifiés des réactions mises en oeuvre dans la production d’ozone (d’après Millard-Moreto, source : Erpurs, 2003). Simplified process of ozone production’ reactions (according to Millard-Moreto, source : Erpurs, 2003).

Le résultat net de cette série de réactions est la formation de deux molécules d’ozone par molécule d’hydrocarbure transformée. Dans les faits, les réactions en jeu sont beaucoup plus complexes, et certaines produisent également des molécules d’ozone. De plus, le rendement des réactions varie selon le type d’hydrocarbure en cause. De nombreux travaux ont abordé cette question de chimie complexe de l’ozone troposphérique (Bronnimann et al., 2001; Gerasopoulos et al., 2006; Khan et al., 2007). Une synthèse exhaustive et très détaillée est fournie par Airparif (2001).

L’ozone est éliminé de l’atmosphère par divers processus : des réactions chimiques en phases gazeuse ou liquide et par dépôt au sol. En atmosphère polluée, la réaction R2 cesse pendant la nuit, le rayonnement solaire faisant défaut. Par conséquent, R1 prédomine durant la nuit, et tout l’ozone peut être éliminé si les quantités de NO sont suffisantes, ce qui est souvent le cas dans les régions urbaines. Par contre, dans les régions rurales, les concentrations de NO sont généralement trop faibles pour éliminer l’ozone d’une manière sensible. Pour toutes ces raisons, la pollution par l’ozone est souvent qualifiée de « pollution rurale ». Le cycle journalier de l’ozone dépend de ces facteurs. Il est globalement simple. Il comprend deux phases : une phase diurne de production accompagnée du « pic » de la journée se produisant le plus souvent l’après-midi, et une phase nocturne de destruction caractérisée par une baisse des proportions dans la basse troposphère. Ce schéma simple n’est pas toujours valide. Des « pics » nocturnes secondaires ou majeurs peuvent avoir lieu (Corsmeier et al., 1997; Salmond et al., 2002).

A Ben Arous, banlieue de la ville de Tunis, des pics nocturnes sont assez fréquents. Au cours du mois de mai 1998, dix pics ont eu lieu en phase nocturne entre 21h00 TU et 02h00 TU de la journée suivante, au cours de la même nuit (figure 19).

thumbnail Figure 19

Heures des pics journaliers de pollution à l’ozone à Ben Arous au cours du mois de mai 1998. Les gros points indiquent les journées à inversion de température. Hours of daily ozone pollution’ peaks during May 1998. The large points indicate the days with temperature inversions.

Trois de ces pics ont accompagné des inversions de températures. Dans la majorité des cas, les niveaux d’ozone enregistrés à 23h00 TU aux cours des journées à inversion de température ne sont pas très éloignés, en terme de concentration, du pic maximal de la journée en question (figure 20).

thumbnail Figure 20

Niveaux de pollution à l’ozone à 23h00 TU et valeurs des pics journaliers de pollution à l’ozone à Ben Arous au cours du mois de mai 1998. Les symboles indiquent les journées à inversion de température. Levels of ozone pollution at 11 p.m and values of daily ozone pollution’ peaks during May 1998. The patterns indicate the days with temperature inversions.

3.2.1. Prévision statistique de la pollution atmosphérique à Tunis : exemple des valeurs maximales journalières instantanées de l’ozone du mois de mai 1998

Deux régressions linéaires multiples à des pas de temps différents sont entreprises. A l’échelle journalière, l’analyse concerne les valeurs maximales journalières instantanées de l’ozone (pics relatifs à chacun des jours du mois). Elle permettra de déterminer le rôle des variables météorologiques d’ordre thermodynamique et caractérisant les inversions de température (épaisseur de l’inversion, gradient vertical de température,…) pouvant déterminer, éventuellement, des concentrations d’ozone.

Pour le mois de mai 1998, des pics nocturnes d’ozone sont assez fréquents à Ben Arous, et il est intéressant de voir s’il y a une relation, statistique au moins, entre ces variables et les concentrations journalières. Ces variables sont supposées ne pas beaucoup changer au cours d’une même journée, hormis l’évolution liée au rayonnement solaire. L’échelle horaire permettra donc de déterminer le poids des variables météorologiques et environnementales au cours d’une même journée.

La matrice des données analysées comprend 31 modalités représentant les différents jours du mois de mai 1998, une variable dépendante, l’ozone, ainsi qu’une valeur maximale horaire instantanée pour chaque journée et des variables indépendantes :

  • les variables météorologiques mesurées par la station de la qualité de l’air de Ben Arous : vitesses du vent (m/s), température ambiante instantanée (°C), humidité relative (%), rayonnement solaire global (en milliers de w/m²), pression atmosphérique ambiante instantanée (hPa);

  • les précurseurs chimiques de l’ozone mesurés par la station de la qualité de l’air de Ben Arous : NO2, NOx, SO2, CO, HCT (Total Hydrocarbures), NCH4 (Hydrocarbures non méthaniques) et CH4;

  • les variables météorologiques issues des radiosondages : présence ou absence d’une inversion de température, altitude de la base de l’inversion (mgp), température de la base de l’inversion (°C), épaisseur de l’inversion (mgp), gradient thermique de l’inversion (°C).

Les résultats de la régression linéaire multiple (incrémentielle ascendante pas à pas) au seuil de 95% révèle un degré de liaison (r) de 0,84 et une variance expliquée (r2) de 70,5%. Les variables indépendantes retenues par la régression sont résumées dans le tableau 3.

Tableau 3

Poids des variables indépendantes de la régression linéaire multiple incrémentielle ascendante pas à pas du mois de mai 1998 à Ben Arous. Weight of the independent variables of linear regression for May 1998 in Ben Arous

Le nuage de point de la régression multiple linéaire est relativement dispersé autour de la droite de régression (figure 21).

thumbnail Figure 21

Nuage des points de la régression linéaire multiple de l’ozone (en ppb) à Ben Arous au cours du mois de mai 1998, au pas de temps journalier. Cloud of points of ozone (in ppb) linear multiple regression in Ben Arous during May 1998, by daily time step.

Le poids de la relation de chacune des variables déterminée par régression linéaire simple avec les concentrations maximales journalières d’ozone permet de tirer les remarques suivantes :

  • Les températures ambiantes, la vitesse du vent et l’altitude de la base de l’inversion fournissent l’essentiel de la variance expliquée.

  • La relation entre vitesses du vent et concentrations d’ozone est positive. Or, un vent fort est un agent efficace de dispersion. Deux éléments peuvent enrayer cette apparente contradiction : premièrement, l’ozone est un gaz relativement lourd, de densité 1,66 par rapport à l’air normal, d’où la nécessité d’une certaine turbulence atmosphérique pour empêcher son dépôt au sol. Deuxièmement, les vitesses du vent concernées par cette régression linéaire multiple sont comprises entre 3,4 et 8,1 m/s.

  • La relation entre l’altitude de la base de l’inversion et l’ozone doit être appréhendée dans ce sens. Elle est positive, c’est-à-dire qu’à des inversions plus élevées correspondent des concentrations d’ozone plus élevées. Deux faits sont également à rappeler : dans une inversion de surface, la turbulence est théoriquement faible et la densité d’ozone, combinée à la stagnation, entraîne son dépôt. D’autre part, toutes les bases des inversions concernées par cette étude se situent à des altitudes égales ou inférieures à 200 mgp. Dans ces conditions, les inversions de température ne sont pas vraiment éloignées du sol, compte tenu de l’amphithéâtre topographique de la ville de Tunis.

  • La relation entre ozone et températures ambiantes de l’air est positive. Il est tout à fait normal qu’à des températures plus élevées correspondent des concentrations d’ozone plus importantes. Les températures de l’air représentent une expression indirecte du rayonnement solaire nécessaire à la formation de ce polluant.

Le modèle de régression issu de cette corrélation à finalement la forme suivante :

La courbe des valeurs de l’ozone prévues par le modèle ne suit pas très fidèlement celle des valeurs mesurées (figure 22). Les valeurs prévues pour le premier épisode d’inversions (du 8 au 13 mai) sont sensiblement plus proches des valeurs mesurées que celles du second épisode (du 18 au 23 mai). Les conditions météorologiques et environnementales relatives à ce second épisode paraissent plus propices à la production d’ozone.

thumbnail Figure 22

Valeurs journalières maximales mesurées et prévues de la pollution par l’ozone au cours du mois de mai 1998 à Ben Arous. Daily maximum values measured and forecast of ozone pollution in Ben Arous May 1998.

3.2.2. Prévision statistique de la pollution atmosphérique à Tunis : exemple des valeurs maximales horaires instantanées d’ozone

Si une relation de causalité directe entre inversion de température et concentrations maximales journalières d’ozone n’est pas évidente ou suffisamment significative, une relation indirecte est cependant observée. Les inversions thermiques qui ne perdurent pas toute la journée, disparaissent généralement en fin de matinée. Les conditions de stabilité atmosphérique qu’elles imposent avant de disparaître favorisent la formation d’importants réservoirs de précurseurs chimiques de l’ozone. L’épisode d’inversion de température du 8 au 13 mai 1998 en représente un exemple très éloquent.

Cet épisode se divise en deux périodes. Une première période de forte stabilité atmosphérique qui caractérise les trois premières journées : le 08 (1020 hPa), le 09 (1025 hPa) et le 10 mai (1020 hPa), avec une dorsale barométrique qui se trouve sur le pays (figure 17). Du 11 au 13 mai, le champ barométrique s’organise en marais. La première période a connu tous les pics de l’épisode, et la majorité de ceux du mois (7 pics sur un total de 10), y compris celui de l’ozone. La journée du 09 mai en a enregistré quatre, y compris celui de l’ozone. Toutes les conditions optimales pour la réalisation des concentrations polluées maximales sont réalisées pour cette journée.

La matrice des données comprend une variable dépendante (les valeurs horaires d’ozone), des relevés horaires de variables météorologiques (vitesses du vent en m/s, température ambiante de l’air en °C, humidité relative en %, rayonnement solaire global en W/m² et pression atmosphérique en hPa) et des relevés horaires de variables environnementales (NO2, NOX, O3, SO2, CO, HCT, CH4, NCH4 - hydrocarbures non méthaniques - et CH4). La régression linéaire multiple (incrémentielle ascendante pas à pas) au seuil de 95% aboutit à un degré de liaison (r) de 0,99 et à une variance expliquée (r2) de 99,7%. La vitesse du vent est la variable indépendante la plus déterminante (tableau 4).

Tableau 4

Poids des variables indépendantes de la régression multiple incrémentielle ascendante pas à pas du 09-05-1998 à Ben Arous. Weight of the independent variables of the incremental ascending step by step multiple linear regression for May 9th 1998, in Ben Arous.

Le nuage de points est très compact autour de la droite de régression (figure 23).

thumbnail Figure 23

Nuage des points de la régression linéaire multiple de l’ozone (en ppb) à Ben Arous au cours du 9 mai 1998, au pas de temps horaire. Cloud of points of ozone (ppb) linear multiple regression in Ben Arous during May 1998 by hourly time step.

Le poids de la relation entre les concentrations maximales journalières d’ozone pour cette journée du mois de mai et entre chacune des variables indépendantes retenues par la régression linéaire multiple et évaluées par régression linéaire simple, permet de tirer les remarques suivantes :

  • Les relations entre vitesse de vent (positive) et pression atmosphérique (négative) sont à interpréter comme dans le paragraphe précédent (relation entre densité de l’ozone et nécessité d’une certaine turbulence qui empêche son dépôt). Les vitesses du vent concernées par cette régression linéaire multiple sont comprises entre 0,4 et 5,5 m/s.

  • De grandes quantités de rayonnement global déterminent des températures élevées. Ces deux conditions sont indispensables à la production d’ozone.

  • La production (augmentation) d’ozone détermine automatiquement une réduction de ses précurseurs chimiques (N02, NOx, SO2 et NCH4).

La prévision des concentrations horaires d’ozone par le biais du modèle statistique issu de cette régression multiple permet une validation des résultats. L’équation de ce modèle de régression a la forme suivante

Cet exemple du 09 mai 1998 peut être qualifié de didactique. La courbe des valeurs prévues par le modèle reproduit quasi parfaitement celle des valeurs mesurées (figure 24).

thumbnail Figure 24

Valeurs instantanées horaires mesurées et prévues de la pollution par ozone au cours de la journée du 09 mai 1998 à Ben Arous. Instantaneous hourly values measured and forecast of ozone pollution of May 9th 1998 in Ben Arous.

Conclusion

Les inversions thermiques représentent un phénomène très fréquent de la basse troposphère de la ville de Tunis. Elles s’observent presque uniformément toutes les saisons et se caractérisent par leur variabilité modérée et leur persistance : des épisodes prolongés sont fréquents. La fréquence et la persistance des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis sont deux caractères qui représentent un grand risque pour la santé des êtres vivants. La concentration des polluants sous l’effet des inversions de température influence les polluants primaires. La présente étude en fournit un exemple supplémentaire. Les polluants primaires sont des précurseurs chimiques de l’ozone troposphérique. Ce dernier est connu par un cycle journalier caractéristique.

Cette étude a montré, à travers le cas de la ville de Tunis, que le comportement de ce dernier, connu pour son augmentation maximale en phase diurne en présence du rayonnement solaire, peut enregistrer des augmentations et même des pics nocturnes. La chimie complexe de ce polluant n’a certainement pas encore révélé tous ses secrets. L’outil des régressions multiples permet d’évaluer statistiquement le poids des différentes variables météorologiques ambiantes et des principaux polluants précurseurs de l’ozone dans la banlieue de ben Arous. Cependant, si intéressant que soit l’apport scientifique de cette étude, elle concerne uniquement une partie de la ville de Tunis et reste limitée dans le temps, avec des mesures de pollution ne couvrant qu’un seul mois. Le Grand Tunis (toute l’agglomération) abrite deux millions d’habitants et s’étale sur un diamètre de plus de 30 km. Une étude de la pollution atmosphérique à des échelles spatiotemporelles fines, dans un espace aussi vaste et aussi hétérogène s’impose donc.

Références

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http://www.ozone-poitou-charentes.org/ozone-pollution.html

Liste des tableaux

Tableau 1

Variabilité interannuelle, absolue et relative des inversions thermiques à Tunis (1996-2000). Interannual absolute and relative variability of temperature inversions in Tunis (1996-2000).

Tableau 2

Variabilité inter-saisonnière, absolue et relative des inversions thermiques à Tunis (1996-2000). Inter-seasonal absolute and relative variability of temperature inversions in Tunis (1996-2000).

Tableau 3

Poids des variables indépendantes de la régression linéaire multiple incrémentielle ascendante pas à pas du mois de mai 1998 à Ben Arous. Weight of the independent variables of linear regression for May 1998 in Ben Arous

Tableau 4

Poids des variables indépendantes de la régression multiple incrémentielle ascendante pas à pas du 09-05-1998 à Ben Arous. Weight of the independent variables of the incremental ascending step by step multiple linear regression for May 9th 1998, in Ben Arous.

Liste des figures

thumbnail Figure 1

Site de la ville de Tunis et localisations de la station météo de Tunis-Carthage et de la station de la qualité de l’air de Ben Arous. Site of Tunis city and localisations of the weather station practicing the radiosonde explorations and the air quality station in Ben Arous (controlled by the National Agency for the Environment Protection: A.N.P.E.).

Dans le texte
thumbnail Figure 2

Schéma d’une situation à inversion probable. Diagram of a probable inversion situation.

Dans le texte
thumbnail Figure 3

Types d’inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis : 1) inversion de surface de rayonnement (en bas) et inversion de limite de masse d’air (en altitude); 2) inversion de surface de subsidence; 3) inversion de basse altitude. Types of temperature inversions in the low troposphere of Tunis: 1) surface inversion of radiance (at the bottom) and inversion of air mass limit (in altitude); 2) surface inversion of subsidence; 3) low altitude inversion.

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thumbnail Figure 4

à gauche, champ barométrique de surface du 09-10-1998 (flux de secteur NW); à droite, géopotentiel 500 hPa (flux de secteur SW). On the left, surface barometric field (NW sector flow) and on the right, 500 hPa geopotential barometric field (SW sector flow) for October the 10th 1998.

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thumbnail Figure 5

à gauche, champ barométrique de surface à gauche (flux de SE) du 13-05-1997; à droite, géopotentiel 500 hPa (flux de SW). On the left, surface barometric field (SE flow) and on the right, 500hPa geopotential barometric field (SW flow) for May the 13th 1997.

Dans le texte
thumbnail Figure 6

 Roses des vents de la basse et de la moyenne troposphère associées aux inversions de basse altitude à Tunis (totaux interannuels des directions : 1996-2000). De gauche à droite : rose des vents de surface, rose des vents du géopotentiel 1000 hPa et rose des vents du géopotentiel 925 hPa. Winds directions in the low and middle troposphere of Tunis associated to low altitude inversions (interannual directions’ totals for 1996-2000). From the left to the right: surface directions, 1000hPa geopotential and 925hPa geopotential directions.

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thumbnail Figure 7

Roses des vents de surface associées aux inversions de surface dans la basse troposphère de Tunis (totaux interannuels de directions, 1996-2000). Surface winds’ directions associated to the surface temperature inversions in the low troposphere of Tunis, interannual totals of directions for 1996-2000.

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thumbnail Figure 8

Fréquences des vents de surface associés aux inversions de surface (en haut) et de basse altitude (en bas) par tranches de vitesses (1996-2000). Frequencies of surface winds associated to surface inversions (top) and low altitude inversions (bottom) by sections of speed (1996-2000).

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thumbnail Figure 9

Variation des épaisseurs des inversions de surface (à gauche) et de basse altitude (à droite) dans la basse troposphère de Tunis (1996-2000). Thickness variation of surface inversions (left) and low altitude inversions (right) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 10

Fréquences interannuelles des inversions thermiques dans la basse troposphère de Tunis (1996-2000). Interannual frequencies of temperature inversions in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 11

Fréquences annuelles des types d’inversion thermique et des situations sans inversion dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Annual frequencies of temperature inversions’ types and of the situations without inversion in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 12

Fréquences annuelles des épisodes d’inversions (de surface et de basse altitude groupées) dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Annual frequencies of inversions’ episodes (all types gathered) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 13

Fréquences inter-saisonnières des inversions de surface (à gauche), de basse altitude (au milieu) et des deux types groupés (à droite) à Tunis (1996-2000). Inter-seasonal frequencies of surface (left) and low altitude (medium) inversions, and both types gathered (right) in Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 14

Fréquences inter-saisonnières des inversions de surface et des inversions de basse altitude (à gauche) et des conditions atmosphériques associées (à droite). Inter-seasonal frequencies of surface and low altitude inversions (left) and associated atmospheric conditions (right).

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Fréquences inter-saisonnières des épisodes d’inversions (groupées) dans la basse troposphère tunisoise (1996-2000). Inter-seasonal frequencies of the inversions’ episodes (all types gathered) in the low troposphere of Tunis (1996-2000).

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thumbnail Figure 16

Concentrations des polluants dans la basse troposphère de Tunis au cours du mois de mai 1998, mesurées par la station de la qualité de l’air de Ben Arous. Légende : 1 : Valeurs maximales de l’ensemble des jours à inversions; 2 : Valeurs maximales de l’ensemble du mois; 3 : Valeurs maximales de l’ensemble des jours sans inversions; 4 : Moyennes mensuelles; 5 : Moyennes de l’ensemble des jours à inversions (tous les types confondus); 6 : Moyennes de l’ensemble des jours sans inversion. Pollutants concentrations in the low troposphere of Tunis during May 1998, data from the air quality station of Ben Arous. Legend: 1: maximum values of all the days with inversions; 2: Whole month maximum values; 3: maximum values of all the days without inversions; 4: Month averages; 5: All days with inversions (all types gathered) averages; 6: All the days without inversions averages.

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thumbnail Figure 17

Champs barométriques de surface des 8, 9, 12 et 20 mai 1998 (successivement, de gauche à droite et du haut vers le bas). Surface barometric fields for the 8th, 9th, 12 th and 20 th of May 1998 (successively from the left to the right and from the top to the bottom).

Dans le texte
thumbnail Figure 18

Mécanismes simplifiés des réactions mises en oeuvre dans la production d’ozone (d’après Millard-Moreto, source : Erpurs, 2003). Simplified process of ozone production’ reactions (according to Millard-Moreto, source : Erpurs, 2003).

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thumbnail Figure 19

Heures des pics journaliers de pollution à l’ozone à Ben Arous au cours du mois de mai 1998. Les gros points indiquent les journées à inversion de température. Hours of daily ozone pollution’ peaks during May 1998. The large points indicate the days with temperature inversions.

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thumbnail Figure 20

Niveaux de pollution à l’ozone à 23h00 TU et valeurs des pics journaliers de pollution à l’ozone à Ben Arous au cours du mois de mai 1998. Les symboles indiquent les journées à inversion de température. Levels of ozone pollution at 11 p.m and values of daily ozone pollution’ peaks during May 1998. The patterns indicate the days with temperature inversions.

Dans le texte
thumbnail Figure 21

Nuage des points de la régression linéaire multiple de l’ozone (en ppb) à Ben Arous au cours du mois de mai 1998, au pas de temps journalier. Cloud of points of ozone (in ppb) linear multiple regression in Ben Arous during May 1998, by daily time step.

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thumbnail Figure 22

Valeurs journalières maximales mesurées et prévues de la pollution par l’ozone au cours du mois de mai 1998 à Ben Arous. Daily maximum values measured and forecast of ozone pollution in Ben Arous May 1998.

Dans le texte
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Nuage des points de la régression linéaire multiple de l’ozone (en ppb) à Ben Arous au cours du 9 mai 1998, au pas de temps horaire. Cloud of points of ozone (ppb) linear multiple regression in Ben Arous during May 1998 by hourly time step.

Dans le texte
thumbnail Figure 24

Valeurs instantanées horaires mesurées et prévues de la pollution par ozone au cours de la journée du 09 mai 1998 à Ben Arous. Instantaneous hourly values measured and forecast of ozone pollution of May 9th 1998 in Ben Arous.

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