Rapport sur la caractérisation du bassin atmosphérique de Georgia Basin-Puget Sound 2014 : chapitre 11

11. Transport Transfrontalier

Roxanne Vingarzan, Bill Taylor, Sarah Hanna (Environnement Canada)

Les chapitres précédents précisaient dans quelle mesure la qualité de l’air ambiant à un emplacement donné est largement déterminée par les émissions atmosphériques provenant de sources locales et par celles des zones en amont du site. En général, les sources d’émission sont situées à l’échelle locale et régionale, mais à l’occasion, les polluants sont transportés sur des distances plus longues. Par exemple, on sait que la fumée issue des incendies de forêt en Caroline du Nord a eu une incidence sur la qualité de l’air dans le sud de la Colombie-Britannique. Il est également prouvé que les polluants provenant d’Asie sont transportés à travers l’océan Pacifique par les vents forts de l’ouest. Dans le présent chapitre, la qualité de l’air dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound est étudiée dans le contexte des écoulements transfrontaliers. Une attention particulière est accordée au transport des polluants entre la région de Georgia Basin et de Puget Sound, ainsi qu’au transport sur des distances moyennes en Amérique du Nord et au transport transpacifique sur de longues distances.

11.1 Transport transfrontalier à l’échelle locale

Les régimes climatiques à l’échelle synoptique et les influences à échelle moyenne jouent un rôle important dans le transport de polluants sur des distances relativement petites et dans les limites du bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound. Les trois méthodes utilisées pour déterminer les régions sources potentielles de polluants observés à un endroit donné sont décrites ci-dessous. L’une s’appuie sur les données d’observation des vents, tandis que les deux autres sont obtenues par le biais d’une modélisation du transport météorologique et chimique.

Pour les sites de surveillance de la qualité de l’air équipés d’un anémomètre, les données d’observation du vent sont analysées pour déterminer les fréquences des vents qui soufflent à partir des divers points cardinaux. Les configurations des vents dominants et saisonniers deviennent évidentes, ce qui indique des voies probables pour les polluants en amont. Les données sur les vents sont ensuite utilisées conjointement avec les concentrations de contaminants mesurées au site pour déduire la région source la plus probable d’émissions.

La deuxième méthode d’analyse implique une modélisation météorologique à échelle moyenne, par l’intermédiaire de laquelle les trajectoires des vents sont utilisées pour retracer le mouvement de l’air à travers l’atmosphère en trois dimensions. Les relations sources-récepteurs peuvent être établies en retraçant les rétrotrajectoires des parcelles d’air d’un récepteur particulier jusqu’à leur origine. Grâce à une technique appelée analyse typologique, un groupe de rétrotrajectoires prises au cours d’une période révèle les régimes climatiques typiques autour du site récepteur et peut fournir des données précieuses sur les voies de transport courantes et les régions sources possibles qui perturbent la qualité de l’air à un endroit donné.

La troisième méthode implique la modélisation photochimique de la qualité de l’air, selon laquelle les répercussions de l’introduction de contrôles des émissions sur la qualité de l’air ambiant dans la région sont reproduites par l’entremise de scénarios de politique; cette méthode est décrite en détail au chapitre 10. Ici, la simulation de la qualité de l’air comprend l’arrêt total (« annulation ») des émissions anthropiques du côté de la frontière internationale pour étudier les effets sur le bassin atmosphérique récepteur.

11.1.1 Étude du transport transfrontalier à Christopher Point

Vingarzan et al. (2007) ont examiné le transport transfrontalier des polluants à Christopher Point sur l’île de Vancouver, l’un des trois sites d’étude sélectionnés dans le cadre de la Stratégie sur la qualité de l’air transfrontalier. Christopher Point est situé sur la pointe la plus au sud du côté canadien du détroit de Juan de Fuca, qui est divisé par la frontière canado-américaine. Le détroit est une voie de transport maritime essentielle et occupée de l’océan Pacifique aux principales installations portuaires internationales à Vancouver, Seattle et dans les zones avoisinantes de la région de Georgia Basin et de Puget Sound.

Les sources d’émission qui peuvent contribuer à la dégradation de la qualité de l’air à Christopher Point sont nombreuses et variées et comprennent : le trafic habitation-travail et commercial et les activités industrielles dans la capitale provinciale avoisinante de Victoria; les sources de combustion du bois dispersées dans toute la région; un chantier naval à Esquimalt et un champ de tir naval situé immédiatement à l’ouest du site d’étude; un trafic maritime important à l’échelle du détroit de Juan Fuca; une usine de pâte et un port à Port Angeles et trois grandes raffineries dans la région nord de Puget Sound de l’État de Washington. De plus, le site est exposé à d’importantes sources mélangées, mais plus distantes, provenant de la vallée du bas Fraser de la Colombie Britannique et de la région de Seattle-Tacoma de l’État de Washington.

Pendant l’été, une concentration élevée d’ozone se produit pendant les périodes de stagnation; toutefois, pendant l’hiver, l’ozone est associé aux vents d’ouest et à une subsidence post-frontale, ce qui indique un apport d’ozone de fond en haute altitude. Des concentrations élevées de MP_2,5 à Christopher Point ont lieu pendant des conditions météorologiques stagnantes tout au long de l’année. Malgré des épisodes occasionnels de mauvaise qualité de l’air, Christopher Point n’a pas dépassé les normes et les objectifs sur la qualité de l’air pendant la période d’étude.

La circulation de l’air au-dessus de la zone, et, par conséquent, le transport des polluants éoliens, est perturbée par les régimes climatiques synoptiques à grande échelle, les cycles de brise de terre et de mer et les effets de canalisation des détroits. Les données météorologiques acquises de la station météorologique d’Environnement Canada à Race Rocks (à environ 2,5 km au sud de Christopher Point) indiquent que les vents dominants viennent de l’ouest, avec des vents canalisés à travers le détroit de Juan des Fuca. Les vents secondaires soufflent du nord-est et du sud-ouest. En hiver, les vents viennent principalement du nord-est et en été, ils viennent presque exclusivement de l’ouest.

On a obtenu des mesures de concentrations ambiantes sur une année complète (septembre 2005-2006) pour l’oxyde nitrique (NO), le dioxyde d’azote (NO₂), le dioxyde de soufre (SO₂), l’ozone troposphérique (basse atmosphère) (O₃), le carbone noir (CN) et les aérosols à fine fraction (MP_2,5).

La principale composante et l’analyse du secteur éolien ont été utilisées pour déterminer les sources de polluants probables et les directions du transport. Quatre grands profils généraux de niveaux élevés de polluants atmosphériques ont été déterminés.

• Le premier a été associé aux niveaux élevés de NO_x, de O₃ et de SO₂ et aux vents correspondant aux zones sources au nord-ouest de l’État de Washington, dans la région de Puget Sound, dans le détroit de Juan de Fuca et à Port Angeles. Une combinaison des sources liées au trafic industriel, urbain et maritime a probablement influé sur ce profil.
• Le deuxième a été associé aux niveaux élevés de O₃ et aux vents plus forts provenant des régions plus dégagées telles que l’océan Pacifique, la péninsule olympique, le détroit de Juan de Fuca et l’ouest de l’île de Vancouver. Ce profil met en avant les contributions provenant de sources de fond.
• Le troisième profil a été associé aux concentrations élevées de NO₂, de CN et de MP_2,5 et aux directions du vent correspondant aux zones sources canadiennes, comme la ville de Victoria, le sud-est de l’île de Vancouver, Vancouver et la vallée du bas Fraser.
• Le quatrième profil a eu lieu dans des conditions calmes, qui étaient fortement associées au NO₂ et aux MP_2,5, mais également aux niveaux élevés de NO, de CNet de SO₂. Ce profil est probablement le résultat de la combustion du bois local, de la circulation dans la ville de Victoria et de la circulation maritime à proximité du site de l’étude.

À l’aide d’une approche sectorielle géographique, l’analyse globale du secteur éolien a été utilisée pour quantifier la contribution de chaque polluant mesuré dans les secteurs sources définis de matière générale pour déterminer le transport des polluants à travers la frontière canado-américaine. Quatre secteurs sources ont été définis en lien avec Christopher Point : Canada, États-Unis, océan Pacifique/Juan de Fuca et local (figure 11.1).

 

Comme l’indique la figure 11.2, sur une base annuelle, les concentrations de carbone noir (58 %) étaient plus importantes dans les secteurs canadiens (Canada + local), tandis que les concentrations de SO₂ (58 %) et de O₃ (49 %) étaient plus importantes dans le secteur source américain. Les contributions des secteurs canadiens et américains étaient relativement semblables pour les MP_2,5, le NO et le NO₂. Les contributions locales représentaient 10 à 16 % de la concentration totale de chaque polluant. Le secteur du Pacifique/Juan de Fuca est celui dont la contribution a été la moins importante, avec 13 % de la concentration, la contribution la plus élevée étant pour l’ozone. Les contributions de chaque secteur variaient selon les saisons; le secteur source américain dominait au printemps et les secteurs sources canadiens dominaient pendant l’hiver (Vingarzan et al., 2007).

 

Les résultats de cette étude indiquent que la pollution atmosphérique traverse la frontière internationale et qu’elle est étroitement liée aux régimes météorologiques et à la période de l’année. Globalement, l’incidence transfrontalière semble être relativement égale, car le Canada et les États-Unis contribuent tous deux aux polluants qui traversent la frontière internationale.

11.1.2 Analyse des rétrotrajectoires à l’île Saturna et dans la vallée du bas Fraser

En raison de la topographie variée de la côte ouest, les simulations du modèle météorologique à haute résolution (4 km) effectuées par Environnement Canada ont été utilisées pour calculer des rétrotrajectoires détaillées pour l’île Saturna, Abbotsford et Chilliwack en vue de déterminer la nature et l’ampleur du transport transfrontalier de l’ozone. Une analyse typologique a été effectuée pour déterminer les voies de transport privilégiées (Brook et al., 2011).

La figure 11.3 indique des types de rétrotrajectoires à méso-échelle sur une journée pour l’ozone au site du Réseau canadien d’échantillonnage des précipitations et de l’air (RCEPA) de l’île Saturna.

 

Remarques : La trajectoire moyenne (C1 - rouge, C2 - vert et C3 - bleu) pour trois types distincts de rétrotrajectoires à méso-échelle est illustrée ici. La hauteur d’arrivée de la masse d’air a été établie à 50 m. Les dimensions verticales ne sont pas présentées ici.

Les concentrations maximales d’ozone pendant l’été (moyennes sur six heures proches de 60 ppb) sont associées à un écoulement stagnant, à un déplacement lent, dans le sens horaire (C3), généralement associé à des conditions anticycloniques et à une stagnation régionale estivale. Par contre, les niveaux d’ozone élevés en automne, en hiver et au début du printemps (concentrations moyennes sur six heures dans la fourchette de 40 ppb) sont associés à un écoulement à déplacement rapide et à plus grande distance en direction du nord-ouest (Vingarzan et al., 2007). Les concentrations d’ozone au printemps à l’île Saturna ont été associées à des directions d’écoulement variables, à savoir des flux en direction du nord-ouest, au début du printemps, qui cèdent la place à des flux en direction du sud (C1) au-dessus de Puget Sound, dans l’État de Washington, et des flux stagnants locaux à l’approche de l’été. On a découvert un régime d’écoulement semblable pour Abbotsford (non illustré) (Brook et al., 2011).

Plus à l’est dans la vallée du bas Fraser, à Chilliwack (figure 11.4), deux directions d’écoulement ont été associées à une concentration d’ozone élevée en été (valeurs maximales moyennes sur six heures comprises entre 60 et 70 ppb) : un débit sortant vers le nord-est (C3) et un écoulement plus léger en direction du sud-ouest, approximativement (C1), qui traversent la région du comté de Whatcom, dans l’État de Washington, jusqu’en Colombie-Britannique (Brook et al., 2011).

 

Remarques : La trajectoire moyenne (C1 - rouge, C2 - vert et C3 - bleu) pour trois types distincts de rétrotrajectoires à méso-échelle est illustrée ici. La hauteur d’arrivée de la masse d’air a été établie à 50 m. Les dimensions verticales ne sont pas présentées ici.

On a comparé les types de trajectoires à méso-échelle de Saturna et Chilliwack pour l’ozone à des types obtenus à partir des trajectoires à plus faible résolution du Centre météorologique canadien (CMC) (non illustré), qui couvre des périodes plus longues. Dans les deux cas, les trajectoires du Centre météorologique canadien et les trajectoires à méso-échelles ont pu déterminer les mêmes régimes d’écoulement généraux dominants qui influencent les concentrations maximales d’ozone en été, même si les trajectoires à méso-échelle décrivaient de manière plus précise les écoulements autour des éléments géographiques (Brook et al., 2011).

Les trajectoires du Centre météorologique canadien à plus faible résolution ont été utilisées pour évaluer le transport des MP_2,5vers Chilliwack (figure 11.5). Ces dernières indiquaient que dans le cas de Chilliwack, les concentrations plus élevées de MP_2,5 au printemps, en été et en automne étaient liées à deux types de transport associés à des écoulements plus légers et plus stagnants. L’une de ces trajectoires venait de l’est sud-est (ESE), tandis que l’autre était un léger écoulement provenant de la direction ouest-nord-ouest (N-N-O : L) et passant au-dessus de la zone métropolitaine de Vancouver. Les niveaux plus faibles de MP_2,5étaient associés à des écoulements S-S-O et O-S-O (Brook et al., 2011).

 

Remarques : Le « L » accolé aux flux directionnels dans la figure (a) fait référence à des vents légers. Les répartitions saisonnières dans la figure (b) sont : mars-avril-mai (MAM), juin-juillet-août (JJA), septembre-octobre-novembre (SON) et décembre-janvier-février (DJF). Basé sur des données horaires.

Le Centre météorologique canadien a aussi réalisé des analyses typologiques pour plusieurs sites du réseau IMPROVEaux États-Unis, situés au sud de la frontière avec la Colombie-Britannique, dans l’État de Washington. Les résultats (non illustrés) indiquent que les sites des parcs nationaux avaient tendance à avoir les concentrations de MP_2,5 les plus élevées pendant la période estivale, tandis que les sites plus influencés par le milieu urbain, dans la région de Puget Sound, avaient des concentrations maximales de MP_2,5 pendant l’hiver. Ces dernières sont en accord avec la combustion du bois et les hauteurs de couche limite faibles pendant la saison froide. Dans certains cas, la direction de l’écoulement, associée à des concentrations maximales de MP_2,5, coïncidait avec un écoulement vers l’ouest dans la vallée du bas Fraser (parc national des North Cascades), alors que dans d’autres cas, elle coïncidait avec le transport de Puget Sound (parc national Olympique). Il convient toutefois de souligner que ces sites étaient limités à deux ou trois ans de données, et qu’à ce titre, le niveau d’incertitude est supérieur par rapport aux sites canadiens.

11.1.3 Analyse des rétrotrajectoires à Snoqualmie Pass

Le Département de l’Écologie de l’État de Washington a mené une analyse des rétrotrajectoires sur environ cinq ans sur des champs éoliens deux fois par jour à l’aide du modèle météorologique de cinquième génération (MM5) de Penn State/NCAR à une résolution de 12 km. Cette analyse a été effectuée à l’appui du Washington State Visibility Protection State Implementation Plan (SIP) (plan de mise en œuvre d’État dans le cadre de la protection et de la visibilité de l’État de Washington). Une analyse des trajectoires a été appliquée pour déterminer les zones de contribution sources probables pour deux sites de surveillance à long terme utilisés pour l’examen du Visibility SIP. On a examiné des trajectoires sur 12 heures se terminant à Snoqualmie Pass et à Mont Rainier concernant en particulier les meilleurs jours de visibilité, et les pires, de 1997, 1998 et 1999. L’étude a également examiné la répartition saisonnière des zones concernant lesquelles les émissions devraient contribuer à la qualité de l’air à ces deux sites (Van Haren, 2002).

Les rétrotrajectoires de Snoqualmie fournissent un bon exemple de transport transfrontalier. La figure 11.6 indique clairement les trajectoires qui entrent dans le bassin atmosphérique de Puget Sound à partir d’un certain nombre de régions sources, notamment le bassin canadien de Georgia Basin. L’analyse indique que les trajectoires transfrontalières en provenance de Georgia Basin sont plus fréquentes au printemps et à l’automne.

 

Remarques : Chaque trajectoire a une durée de 12 heures et se termine à environ 150 mètres au-dessus du site de surveillance. Les segments de trajectoires supérieurs à 500 m au-dessus de la surface sont ignorés.

Les trajectoires en été (non illustrées) sont plus courtes par rapport aux autres saisons, ce qui sous-entend des contributions moins importantes des sources transfrontalières. Ce n’est pas le cas pour les trajectoires en automne indiquées dans la figure 11.6, qui sont plus longues; on constate également une augmentation marquée du nombre de parcelles d’air qui pénètrent dans le bassin atmosphérique par le portail du détroit de Haro.

Une analyse des trajectoires associées aux 20 % des cas où la visibilité était la plus défavorable à Snoqualmie est indiquée dans la figure 11.7. Les trajectoires pendant les jours les plus défavorables ont passé une bonne partie du temps sur les zones peuplées de Puget Sound (Van Haren, 2002).

 

Remarques : Chaque trajectoire a une durée de 12 heures et se termine à environ 150 mètres au-dessus du site de surveillance. Les segments de trajectoires supérieurs à 500 m au-dessus de la surface sont ignorés.

Les trajectoires de 12 heures pendant les jours les plus défavorables sont remarquablement plus courtes que toute autre trajectoire saisonnière ou pendant les journées les plus favorables. Les journées les plus favorables (non illustrées) sont caractérisées par des vitesses de vent plus élevées qui viennent de l’ouest ou du sud ouest. Dans le cas de Snoqualmine, l’analyse des trajectoires laisse entendre que les sources locales dominent, même s’il existe aussi une série de trajectoires associées à la faible visibilité qui descendent à partir du détroit de Haro (Van Haren, 2002).

11.1.4 Études de modélisation des émissions - « Annulation »

L’une des manières d’estimer le transport transfrontalier des polluants est d’effectuer des simulations d’« annulation », grâce auxquelles les émissions d’une région source sont remises à zéro; les résultats sont ensuite comparés à une simulation non perturbée. Il convient de noter que dans le cas des polluants qui subissent des transformations chimiques, les simulations d’annulation n’indiquent pas une détermination réaliste de la source en raison de la nature dynamique des transformations chimiques atmosphériques; néanmoins la différence entre les deux simulations fournit une estimation des effets des émissions provenant de la région source sur le bassin atmosphérique récepteur. Le système de modélisation CMAQ a été appliqué à une résolution de 12 km pour une simulation d’annulation dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound, où les émissions anthropiques canadiennes et américaines ont été, chacune leur tour, remises à zéro pour déterminer les effets des écoulements transfrontaliers d’ozone et de MP_2,5sur l’autre pays (RWDI, 2003). Les scénarios de base utilisés dans cette étude sont les mêmes que ceux décrits dans le chapitre précédent, à savoir le chapitre 10 : Modélisation de la qualité de l’air à l’échelle régionale, incluant un scénario en été (du 9 au 31 août 2001) et un scénario en hiver (du 1^er au 13 décembre 2002). Le scénario de référence de l’été 2001 se compose d’une variété de conditions météorologiques estivales, y compris plusieurs jours d’air chaud et stagnant accompagné d’épisodes de mauvaise qualité de l’air. Le scénario d’hiver couvre également une période au cours de laquelle des conditions stagnantes propices à des concentrations élevées de MP_2,5 ont été observées. Il convient de noter que les résultats concernant l’ozone n’ont pas été présentés pour le scénario hivernal, car les basses températures et le rayonnement solaire atténuent la production photochimique.

Émissions américaines - « Annulation » (adapté de RWDI, 2003)

Pour le scénario de référence en été, les concentrations d’ozone ont fortement augmenté dans la région de Seattle et de Puget Sound en raison de l’affaiblissement du titrage de l’ozone (O₃) par l’azote (NO) pendant les conditions météorologiques stagnantes. En aval de ces zones urbaines et industrialisées, les concentrations d’ozone étaient beaucoup plus faibles en raison de l’absence d’émissions de NO_x précurseurs; toutefois, une certaine production d’ozone (O₃) et de MP_2,5s’est poursuivie en raison des sources biosynthétiques de NO_x, de composés organiques volatils (COV) et d’ammoniac (NH₃) sur la partie américaine du domaine. Les concentrations maximales d’ozone dans la vallée du bas Fraser étaient inférieures d’environ 10 ppbv par rapport aux émissions américaines qui subsistent, tandis que les concentrations maximales de MP_2,5 dans la région du Grand Vancouver étaient inférieures d’environ 14 µg/m³. En raison des écoulements au large en direction de l’ouest, les panaches d’ozone (O₃) et de MP_2,5 qui se sont formés sur la vallée du bas Fraser et le détroit de Georgia se sont généralement déplacés vers l’est parallèlement à la frontière canado-américaine plutôt que d’aller et venir d’un côté à l’autre de la frontière. Ces résultats laissent entendre que dans des conditions météorologiques stagnantes, les émissions américaines contribuent aux précurseurs canadiens d’ozone et de matières particulaires. En général, les répercussions du transport transfrontalier des polluants et des précurseurs sont cependant de courte distance et sont limitées à des dizaines de kilomètres de chaque côté de la frontière. Lorsque le vent souffle en provenance du sud-ouest, on n’observe aucun transport important de l’ozone du Canada vers les États-Unis (RWDI, 2003).

Pour la simulation de l’hiver 2002, les concentrations de MP_2,5étaient très faibles pendant la phase stagnante dans les environs de Seattle, de Tacoma et de Puget Sound. Lorsque les vents d’est se sont transformés en vents du nord pendant une certaine période, le panache de MP_2,5 s’est déplacé de la vallée du bas Fraser et du détroit de Georgia vers la pointe nord de la péninsule olympique et Seattle. D’autres intrusions mineures aux États-Unis se sont produites le long des vallées qui bordent la frontière canado-américaine pendant ces périodes. En revanche, les niveaux de MP_2,5 sur l’île de Vancouver étaient plus faibles par rapport au scénario de référence, ce qui indique que les niveaux élevés de MP_2,5provenant des États-Unis se déplaçaient généralement vers le nord sur l’île de Vancouver. Pendant les autres jours lors de cet épisode, on a constaté peu de répercussions transfrontalières, voire aucune, du Canada vers les États-Unis en raison des écoulements de vents qui se font principalement de l’est au sud (RWDI, 2003).

Émissions canadiennes - « Annulation » (adapté de RWDI, 2003)

Avec les émissions canadiennes établies à zéro, on a observé une augmentation de l’ozone pendant la période de référence estivale dans la région du Grand Vancouver et dans les voies de circulation maritime en raison des effets de l’affaiblissement du titrage de l’azote. Des diminutions de l’ozone se sont produites en aval de ces régions. Des réductions à grande échelle des MP_2,5 ont été constatées aux alentours de la région du Grand Vancouver et sur la côte est de l’île de Vancouver. Une certaine formation d’ozone et de MP_2,5 s’est produite dans toute la partie canadienne du domaine en raison des émissions biosynthétiques de composés organiques volatils (COV) et de NO_x. En raison des écoulements au large en direction de l’ouest qui dominaient les régions côtières aux États-Unis et au Canada pendant cet épisode, les panaches d’ozone et de MP_2,5 qui se sont formés sur les régions urbaines de Seattle et de Portland se sont généralement déplacés sur l’est, parallèlement à la frontière canado-américaine, ce qui entraîne un transport transfrontalier relativement négligeable dans la vallée du bas Fraser et la partie sud du détroit de Georgia. Parfois, les niveaux de MP_2,5 dans le centre-nord de Washington étaient inférieurs de 15 à 20 µg/m³ par rapport aux résultats du scénario de référence. Cela laisse entendre qu’une masse d’air pollué en provenance du côté canadien de la frontière, probablement associée aux émissions marines, s’est déplacée vers le sud et est entrée aux États-Unis. On a constaté un transport relativement faible et de courte distance de l’ozone et de ses précurseurs depuis les États-Unis vers la vallée du bas Fraser et les parties sud du détroit de Georgia du 11 au 15 avril. (RWDI, 2003). Par la suite, lorsque des écoulements de vents importants provenaient du sud-ouest, les répercussions transfrontalières sur les niveaux d’ozone étaient plutôt faibles en raison des vitesses du vent assez élevées et de la ventilation subséquente (RWDI, 2003).

Comme pour l’épisode estival, on a observé une forte réduction des MP_2,5 aux alentours du Grand Vancouver et de l’est de l’île de Vancouver pendant la phase stagnante. Lorsque les écoulements vers l’est dominent l’ensemble du domaine, les panaches de MP_2,5 qui se sont formés sur les régions de Seattle et de Portland se déplacent au large vers l’ouest sur l’océan Pacifique, ce qui n’entraîne aucune répercussion transfrontalière importante des États-Unis sur le Canada. Du 6 au 10 décembre, les régimes d’écoulement de vent bifurquent vers le sud-est, ce qui entraîne le déplacement du panache de MP_2,5 de la région de Seattle en direction du nord-est à travers les détroits de Georgia et de Juan de Fuca et sur la côte sud de l’île de Vancouver. Par rapport au scénario de référence hivernal, les concentrations de MP_2,5 issues des simulations canadiennes d’« annulation » dans ces régions sont plutôt élevées avec des pics situés à 24 µg/m³, ce qui signifie qu’environ 50 à 60 % des niveaux des scénarios de référence peuvent être attribués au transport depuis les États-Unis (RWDI, 2003).

Conclusions des simulations d’« annulation » du modèle CMAQ

Les scénarios d’annulation ont indiqué des répercussions transfrontalières limitées sur les concentrations d’ozone et de MP_2,5pendant l’épisode estival de 2001. L’une des raisons est que la majorité des écoulements de vent de faible niveau pendant cet épisode sont de nature est-ouest, de telle manière que les polluants atmosphériques sont transportés plus ou moins parallèlement à la frontière canado-américaine plutôt que d’aller et venir d’un côté à l’autre de la frontière. En outre, les brises de mer et de terre et les écoulements de montagne et à travers les vallées peuvent provoquer des répercussions transfrontalières locales, mais empêchent généralement le transport à longue distance de la pollution pendant cet épisode.

Le scénario d’hiver indique davantage un problème de transport à longue distance. Par exemple, lorsque le régime d’écoulement de vent venait du sud-est, la masse d’air s’est déplacée sur des distances plus grandes vers le nord, de la région de Seattle vers l’île du Vancouver, le détroit de Georgia et le sud de l’île de Vancouver (RWDI, 2003).

Les résultats de ces simulations d’annulation ont déterminé différents régimes de transport transfrontalier des polluants dans la région et ont indiqué que ces derniers sont régis par la géographie et des conditions météorologiques précises. Tandis qu’on observe un transport à longue distance, ce phénomène se produit vraisemblablement moins souvent que les effets transfrontaliers observés à une échelle plus locale qui se produisent le long de la frontière de la Colombie-Britannique et de Washington et en particulier près de la vallée du bas Fraser et du sud de l’île de Vancouver (RWDI, 2003).

Autres simulations de modélisation des « annulations »

Deux autres études de modélisation des annulations utilisant les modèles CHRONOS et AURAMS à plus faible résolution ont simulé le transport transfrontalier de MP_2,5 pendant les mois d’été. Le modèle CHRONOS (pas de grille de 21 km) a été appliqué à l’échelle nationale pour examiner les répercussions des émissions américaines de MP_2,5 sur le Canada, et vice versa, pendant les étés 2003 et 2004. La figure 11.8 indique que l’influence maximale des émissions canadiennes sur le niveau des MP_2,5dans la région de Puget Sound est comprise entre 0,2 et 1,0 μg/m³. De même, l’influence des émissions américaines sur les niveaux ambiants canadiens de MP_2,5 était comprise entre 0,2 et 1,0 μg/m³, avec un pic allant de 1,0 à 2,5 μg/m³ à la frontière entre le bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound en Colombie-Britannique (Bouchet et al., 2011).

 

Remarques : Ces cartes permettent de déterminer les régions américaines sensibles aux changements dans les émissions canadiennes (et vice versa) et fournissent une première estimation de leur niveau de sensibilité.

Le modèle AURAMS (42 km) (non indiqué) a également indiqué que les répercussions prévues des émissions canadiennes sur les niveaux ambiants américains de MP_2,5 et les répercussions prévues des émissions américaines sur les niveaux ambiants canadiens de MP_2,5 pour 2015 n’étaient pas tellement différents du scénario de référence de 2004, bien que cette étude particulière n’ait pas tenu compte des règlements proposés en cours d’évaluation dans le cadre du Cadre réglementaire sur les émissions atmosphériques au Canada (Bouchet et al., 2011).

Les résultats de ces études transfrontalières indiquent que le transport de l’ozone et des MP_2,5 se produit entre les deux bassins atmosphériques tout au long de l’année, selon les régimes météorologiques dominants. Un transport de polluants atmosphériques considérable semblait avoir lieu dans les parties canadiennes et américaines de la vallée du bas Fraser, dans une bande de 100 km de large le long de la frontière, et se déplacer occasionnellement vers l’ouest, vers l’île de Vancouver.

11.2 Transport transfrontalier sur des distances moyennes

Les études décrites dans la section précédente ont indiqué dans quelle mesure les conditions météorologiques peuvent influer sur le transport des polluants au sein des bassins atmosphériques de Georgia Basin et de Puget Sound, et entre ces derniers. Toutefois, des preuves démontrent que les polluants peuvent se déplacer depuis des lieux éloignés de cette région et avoir un effet sur la qualité de l’air local. La prochaine étude documente le transport sur des distances moyennes de la fumée issue des incendies de forêt en Californie.

11.2.1 Panaches des incendies de forêt californiens sur le sud-ouest de la Colombie Britannique

Une saison des feux particulièrement sévère en Caroline du Nord au cours de l’été de 2008 a entraîné deux cas documentés de fumée transportée vers l’Oregon, Washington et le sud-ouest de la Colombie-Britannique. McKendry et al.(2011) ont utilisé une technologie LIDAR au sol et par satellite, l’héliophotométrie et des observations de la chimie en haute altitude à Whistler, en Colombie-Britannique et au mont Bachelor, en Oregon, pour caractériser les propriétés optiques, physiques et chimiques des panaches de fumée issus des incendies de forêt en Caroline du Nord. Les vents du sud ont transporté des fumées denses en direction du nord au début du mois de juillet, puis au début du mois d’août. Les mesures par satellite ont révélé une fumée brumeuse dense s’étendant au sud de la Colombie-Britannique du 30 juin au 3 juillet et du 4 au 7 août. Les conditions météorologiques à cette période étaient constituées d’une couche stable dans la troposphère basse à moyenne en raison d’une inversion de température qui a agi en tant que barrière verticale sur les panaches de fumée tout en remontant vers le nord.

Pendant ces deux événements, les concentrations au sol de MP_2,5 à l’aéroport international de Vancouver ont atteint environ 15 μg/m³, soit environ trois fois les concentrations de fond. Les concentrations les plus élevées de MP_2,5 ont été enregistrées à Hope le 2 juillet 2008 (environ 40 μg/m³). Toutefois, les 6 et 7 août, les concentrations de MP_2,5 à travers la vallée du bas Fraser n’ont pas dépassé 15 μg/m³ (McKendry et al., 2011).

Cette étude met en évidence le fait que la mauvaise qualité de l’air dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound peut être touchée par des événements qui se déroulent dans des régions éloignées bien au-delà du contrôle des autorités locales. L’étude précise également l’importance du transport sur des distances moyennes de la fumée dans la région à la lumière des augmentations prévues concernant la fréquence et la gravité des incendies de forêt dans l’ouest de l’Amérique du Nord dans le cadre des scénarios futurs liés aux changements climatiques.

11.3 Transport transfrontalier à longue distance

Les sources locales et régionales ont, de loin, les répercussions les plus importantes sur les concentrations de polluants atmosphériques dans toute région. Toutefois, les contaminants provenant d’une région du globe peuvent être balayés à des altitudes plus élevées et transportés à travers les océans et les continents par des vents forts en altitude. Les masses d’air transportées au-dessus de la Colombie-Britannique proviennent généralement de l’océan Pacifique et sont habituellement relativement propres, en manifestant les caractéristiques des concentrations naturelles de l’hémisphère Nord. Les événements de polluants transportés à grande échelle sont épisodiques par nature et ont tendance à être relativement peu fréquents.

Le transport de la poussière et des polluants en provenant d’Asie de l’Est et de Sibérie a été bien documenté au cours des dernières années. Le transport de polluants de l’Asie vers l’ouest de l’Amérique du Nord prend environ 5 à 6 jours (Jaffe et al., 1999; McKendry et al., 2001) et se produit principalement dans la troposphère libre avec une subsidence faisant redescendre l’air près de l’Amérique du Nord. Bien que la variation soit importante d’une année à l’autre, en moyenne, la contribution continue des matières particulaires en Asie aux niveaux de MP_2,5 sur 24 heures dans l’ouest de l’Amérique du Nord est de l’ordre de 0,2 à 1,0 µg/m³, avec la plus grande influence se produisant à des altitudes supérieures à 500 m (Van Curen et Cahill, 2002). Une étude de l’Environmental Protection Agency sur le transport transpacifique effectuée à l’aide de la modélisation avec le modèle CMAQ a donné des résultats semblables, ce qui signifie que l’Asie contribue avec 0,6 à 1,6 μg/m³ aux niveaux moyens mensuels de MP_2,5 dans l’ouest des États-Unis (Keating et al., 2005).

Bien que les matières particulaires asiatiques aient des répercussions sur l’Amérique du Nord tout au long de l’année, le transport est généralement élevé au printemps lorsque les conditions météorologiques sont propices à la formation de panaches turgescents au-dessus de la couche limite en Asie et au transport subséquent à travers le Pacifique (Fischer et al., 2009). Les mesures effectuées au mont Whistler dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin ont indiqué que les contributions au niveau moyen de sulfate au printemps à ce site élevé étaient de l’ordre de 0,31 μg/m³, avec des niveaux allant jusqu’à 1,5 μg/m³ pendant des épisodes de transport importants (van Donkelaar et al., 2008). D’autres mesures réalisées au mont Whistler par Leaitch et al. (2009) ont associé le sulfate, le nitrate et les matières organiques aux grosses particules de poussière d’origine asiatique.

Les événements de poussière très importants en Asie sont moins fréquents et ne se produisent que tous les trois à cinq ans (Keating et al., 2005). En 1998, d’importantes tempêtes de poussière dans le désert de Gobi ont contribué à 50 % de la charge totale de MP_2,5 mesurée dans la vallée du bas Fraser, une charge qui a atteint une valeur maximale de 44 μg/m³ (McKendry, 2006). En 2001, un autre événement important de poussière a provoqué l’augmentation de la concentration moyenne de MP₁₀ à 110 sites du réseau IMPROVEà l’échelle du continent américain de 9 μg/m³ en moyenne (Jaffe et al., 2003).

Bien qu’ils soient rares, la formation de panaches de poussière sur l’Amérique du Nord a été observée dans des régions aussi éloignées que le désert du Sahara. Par l’intermédiaire des extrants du modèle, de l’imagerie satellitaire, des observations de surveillance de surface et des données de l’héliophotomètre, McKendry et al. (2007) ont confirmé que la poussière véhiculée par la tempête de poussière du désert du Sahara en mars 2005 a traversé l’Asie et le Pacifique, puis a progressivement perdu en intensité le long de la côte ouest de l’Amérique du Nord environ 14 jours après. Bien que l’événement n’ait eu qu’un effet mineur sur les concentrations ambiantes de matières particulaires en Colombie-Britannique, c’était la première fois qu’une voie intercontinentale de transport à longue distance (environ 19 000 km) de polluants depuis le Sahara a été documentée.

Outre les matières particulaires et leurs précurseurs, d’autres polluants atmosphériques sont transportés à travers le Pacifique lorsque les conditions météorologiques sont favorables. Des études sur l’ozone de fond dans le nord-ouest du Pacifique indiquent une contribution mesurable des sources asiatiques. La contribution maximale à l’ozone de surface a lieu au printemps et elle est de l’ordre de 3 à 10 ppb (Vingarzan, 2004; Weiss-Penzias, 2004). Une étude portant sur la pollution de l’ozone transpacifique effectuée à l’aide du modèle GEOS-Chem (modèle de transport chimique en trois dimensions à l’échelle mondiale) a donné des résultats semblables, ce qui indique une contribution de l’Asie de 5 à 7 ppbv à la surface au printemps sur l’ouest de l’Amérique du Nord (Zhang et al., 2008). La hausse des émissions anthropiques en Asie entre 2000 et 2006 ont augmenté cette influence de 1 à 2 ppbv. Bien que cette contribution générale soit relativement petite, des épisodes individuels peuvent fortement renforcer les niveaux d’ozone de fond et contribuer aux dépassements des normes régionales et nationales. Les grands incendies de forêt en Sibérie au cours de l’été 2003 semblent avoir eu un impact important sur les niveaux d’ozone en Colombie-Britannique et dans l’État de Washington. À Enumclaw, des concentrations d’ozone moyennes sur huit heures ont atteint 96 ppb le 6 juin 2003, dont 15 ppb étaient attribués au panache des incendies sibériens. Dans la vallée du bas Fraser, les concentrations ambiantes d’ozone ont atteint 80 ppb au cours du même événement et ont été probablement renforcées selon une ampleur semblable par les panaches des incendies canadiens (Jaffe et al., 2004).

Les simulations de sensibilité basées sur les scénarios de changement dans les émissions pour les précurseurs d’ozone indiquent qu’une augmentation de 10 % en Asie provoquerait une hausse de l’ozone de surface dans la région américaine de 0,1 à 0,2 ppbv à la surface et de 0,2 à 0,4 ppbv à 650 et 200 hPa (Wild et Akimoto, 2001). Des contributions plus importantes ont été constatées pendant le printemps et l’automne. Les résultats du modèle GEM-AQ/EC ont indiqué que même si le renforcement de l’ozone (O₃) par les émissions d’Asie pouvait aller jusqu’à 10 ppbv de manière épisodique, une diminution de 20 % dans les précurseurs de l’ozone entraînerait uniquement une réduction de 0,3 à 0,5 ppbv de l’ozone dans la partie ouest du Canada.

En termes de moyenne maximale quotidienne d’ozone sur huit heures conforme aux politiques, les simulations de sensibilité (Reidmiller et al., 2009), dans lesquelles les émissions de précurseurs de l’ozone anthropiques ont diminué de 20 % dans quatre régions sources (Asie de l’Est, Asie du Sud, Europe et Amérique du Nord), indiquent que la réponse la plus importante de la moyenne maximale quotidienne d’ozone sur huit heures aux réductions des émissions étrangères additionnées a lieu au printemps dans l’ouest à 0,9 ppbv. L’Asie de l’Est s’est avérée être le contributeur le plus important à la moyenne maximale quotidienne d’ozone sur huit heures dans toutes les fourchettes de répartition de l’ozone pour la plupart des régions (environ 0,45 ppbv de manière générale), suivie de près par l’Europe. Même si les répercussions des émissions étrangères sur l’ozone de surface aux États-Unis ne sont pas négligeables et qu’elles sont de plus en plus préoccupantes, les réductions des émissions nationales de précurseurs de l’ozone restent un bien meilleur moyen de réduire la moyenne maximale quotidienne d’ozone sur huit heures par un facteur de 2 à 10 environ par rapport aux réductions des émissions étrangères.

Les tendances liées au transport de MP_2,5 en provenance de l’Asie ne sont pas claires. Un certain nombre d’études n’ont indiqué aucune tendance claire (CNRC, 2009; McKendry, 2006); toutefois, il semble raisonnable de penser qu’une croissance économique rapide et des augmentations des émissions en Asie mèneront à une hausse des concentrations de polluants dans les masses d’air transportées à travers le Pacifique (Keating et al., 2005). De même, une augmentation continue des émissions anthropiques provenant d’Asie devrait accroître le niveau de fond de l’ozone (Vingarzan, 2004; Zhang et al., 2008). Certaines indications précisent que les niveaux d’ozone de fond au-dessus des latitudes moyennes de l’hémisphère Nord ont continué d’augmenter de 0,5 à 2 % par ans au cours des trois dernières décennies (Vingarzan, 2004). Une meilleure compréhension de ces processus mènera, on l’espère, à une image plus complète du transport à longue distance à l’avenir. Toutefois, à l’heure actuelle, il est difficile de caractériser avec précision la manière dont la pollution transportée en altitude altère, au final, la qualité de l’air ou les écosystèmes au niveau du sol, ainsi que de répartir la pollution observée dans les composants nationaux et étrangers (CNRC, 2009).

11.4 Résumé du chapitre

Plusieurs études basées sur les observations du vent et sur la modélisation des rétrotrajectoires indiquent que les polluants traversent la frontière internationale du bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound et que cela peut se produire à n’importe quel moment de l’année. L’étude sur Christopher Point a lié des niveaux élevés de contaminants à leurs régions sources probables par le biais d’une analyse des vents de surface révélant une forte dépendance saisonnière sur les régimes météorologiques. L’analyse des rétrotrajectoires à trois endroits dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin a précisé que les concentrations élevées de l’ozone sont associées à des conditions météorologiques stagnantes pendant l’été. Pendant les autres saisons, la concentration élevée d’ozone peut être le résultat d’un mélange vertical descendant et du transport depuis la troposphère supérieure résultant du passage des fronts météorologiques à l’échelle synoptique. Les concentrations élevées de MP_2,5 peuvent se produire à tout moment de l’année dans des conditions stagnantes et les matières particulaires fines peuvent être transportées dans des conditions de vents légers.

La modélisation des résultats a indiqué un transport transfrontalier régulier, mais très localisé, en particulier à travers la frontière internationale dans la vallée de bas Fraser même dans des conditions stagnantes. D’autres régimes d’écoulement en automne, en hiver et au printemps et pendant des périodes instables de l’été, peuvent transporter des polluants et des précurseurs à travers la frontière internationale de façon plus épisodique.

Un scénario de modélisation d’« annulation » des émissions dans lequel les émissions d’un pays sont coupées, suivi par celles de l’autre pays, a été dirigé pour estimer les effets sur la qualité de l’air ambiant dans le bassin atmosphérique. Pendant l’été, les simulations d’annulation indiquent que, dans le cas de régimes météorologiques et synoptiques précis pendant le scénario de référence sélectionné, les répercussions sur la qualité de l’air à l’échelle locale et urbaine liées au transport transfrontalier se produisent le long de la frontière (dans un rayon d’environ 50 km) avec une certaine fréquence. Toutefois, l’incidence du transport à longue distance et régional (sur plus de 100 km) était faible. Les simulations en hiver indiquent un problème plus important de transport à longue distance. Par exemple, avec une configuration des vents venant du sud-est, on a observé le déplacement des panaches de la région de Seattle vers l’île de Vancouver. En général, les régions canadiennes et américaines du bassin atmosphérique présentent un degré d’influence semblable les unes sur les autres en termes de transport de polluants.

La qualité de l’air dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound peut également être influencée par un transport des polluants sur des distances moyennes qui proviennent de l’extérieur du bassin atmosphérique. Lors des incendies de forêt dévastateurs en Caroline du Nord pendant l’été 2008, le déplacement de panaches de fumée piégés sous une inversion de température dans la troposphère inférieure à moyenne a été observé sous l’influence des vents en direction du sud dans la région sud-ouest de la Colombie-Britannique, entraînant ainsi des niveaux élevés de MP_2,5 dans la vallée du bas Fraser.

Le transport à longue distance des polluants à travers le Pacifique contribue aux niveaux de fond de l’ozone et des MP_2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. De façon périodique, les événements de poussière en Asie et les grands incendies de forêt peuvent avoir des effets locaux à court terme sur la qualité de l’air ambiant.

11.5 Références

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