Using Back-Trajectories to Trace the Origins of Fine Particulate Matter (PM2.5)

– By Jean-Philippe Gilbert, Richard Leduc, and Nathalie Barrette, Geography Department, University of Laval –

Air pollution in the province of Québec, Canada is monitored daily to allow for a rapid response to public health issues. However, there are few studies concerning the long-distance trend of pollutants, and those studies that do exist focus on a small area of study. The objective of this paper is to determine the sources of certain pollutants coming in to Québec, across all of the borders to the north, south, east and west.

The back-trajectory method is used in order to analyse the great distances traveled PM_2.5. This method traces the path of an air mass in reverse, from the point of arrival to the point of departure. In this study, this method shows that the greatest source of PM_2.5 is the Great Lakes region.

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Introduction

La pollution atmosphérique est une problématique qui est grandement étudiée à travers le monde, sous divers angles, afin de mieux comprendre les défis des populations face à ce problème. Pour ce faire, l’une des techniques utilisées est la méthode des rétrotrajectoires [1-6]. Gilbert (2018) a récemment publié une analyse spatio-temporelle des concentration d’ozone et des matières particulaires mesurés sur la période 1974 à 2015. Cet article est un bref aperçu des résultats des rétrotrajectoires pour les particules fines (PM_2.5) mesurées à une station (Deschambault).

Méthodologie des rétrotrajectoires

Les rétrotrajectoires sont souvent utilisées pour illustrer la provenance probable d’un contaminant pouvant voyager sur de longues distances. Il s’agit d’une méthode permettant de déterminer le lieu probable d’une parcelle d’air de son point d’arrivée vers son point d’origine [7]. Cette méthode est de plus en plus utilisée dans les études sur la qualité de l’air et la dispersion des polluants atmosphériques [1]. Il existe plusieurs méthodes pour calculer les rétrotrajectoires. Pour notre étude, l’utilisation des données du modèle météorologique numériques d’Environnement Canada est préconisée. La méthode est plutôt simple, puisqu’elle assume que les parcelles d’air vont garder les mêmes propriétés tout au long de leur déplacement. Cette méthode est largement utilisée pour la détermination de l’origine des polluants sur une courte période de temps. Elle permet de calculer, avec les données de directions et de vitesses de vent, le déplacement d’une parcelle d’air, pour un pas de temps de 6 h [7-10]. Par la suite, à l’aide de la station météorologique la plus proche, un autre retour est calculé pour un pas de temps de 6 h, et ainsi de suite jusqu’à un retour de 36 h. Les masses d’air à une pression de 925 mb (ce qui correspond à environ 760 m d’altitude) sont utilisées, puisque, selon la littérature scientifique, ce sont les masses d’air qui représentent le mieux le transport des polluants dans le nord-est de l’Amérique [9, 11].

Ces rétrotrajectoires sont jumelées avec les moyennes journalières de PM_2.5 calculées entre 2006 et 2015, pour huit stations d’échantillonnages (Fig. 1). Ces stations ont été choisies pour leurs emplacements qui représentent l’ensemble du territoire à l’étude. Les données sur le polluant sont fournies par le ministère du Développement durable, Environnement et Lutte contre les Changements Climatiques. Le fichier des rétrotrajectoires est divisé en série de points représentant un quadrillage. Chaque point représente une coordonnée géographique et ce point correspond au sommet inférieur gauche d’une cellule d’un quadrillage. Il est donc possible de convertir ce quadrillage de point en une grille de cellule où chaque cellule représente 190 km par 190 km. Puis, selon la distribution statistique des concentrations, les rétrotrajectoires sont divisées pour créer trois cartes : la première avec le tiers des concentrations les plus basses (33 centiles), la deuxième avec le tiers des concentrations mitoyennes (entre 33 centiles et 66 centiles) et la dernière avec le tiers des concentrations les plus élevées (66 centiles). On peut ainsi obtenir la fréquence (ou probabilité empirique) d’origine des parcelles pour chacune des classes de concentration (faibles, intermédiaires, hautes) associée aux secteurs de la grille. Par exemple, pour Deschambault, la première classe comprend les cas avec une moyenne quotidienne de PM_2.5 inférieure à 4.63 µg/m³, la deuxième de 4.63 à 7.83 µg/m³ et la dernière les cas avec plus de 7.83 µg/m³. Chacun de ces seuils de concentrations est calculé par rapport à la distribution statistique de la station. Cela signifie que chaque station à des seuils différents, dépendamment des niveaux de concentrations à cet endroit.

On notera que les seuils des classes diffèrent pour chaque station au lieu de considérer des seuils fixes; cette procédure permet d’assurer que le nombre d’effectifs est le même pour chaque classe à chaque station.

Les Origines des PM_2.5

La Fig. 2 représente la station Deschambault, qui représente le patron de déplacement pour l’ensemble des huit stations des rétrotrajectoires. Les concentrations basses des PM_2.5 correspondent à des rétrotrajectoires originaires du nord, principalement au-dessus de la baie James. Plus les concentrations augmentent, plus l’origine des rétrotrajectoires se dirige vers le sud, particulièrement pour le tiers des concentrations les plus élevées. En effet, pour ce tiers, les rétrotrajectoires sont originaires principalement du sud-ouest du Québec, du sud-est de l’Ontario ainsi qu’au-dessus de la région des Grands Lacs.

Pour les basses concentrations, les rétrotrajectoires sont originaires du nord du pays. Il s’agit de secteurs peu occupés et n’ayant peu d’industries[12]. Les sources naturelles sont donc responsables des faibles concentrations de particules fines pour le territoire à l’étude. Puis, lorsque les concentrations augmentent, les origines des rétrotrajectoires se trouvent principalement dans le sud du pays, à la frontière entre le Canada et les États-Unis. Ce secteur jouit d’un écoumène continu, particulièrement dans la portion sud de l’Ontario [12]. De plus, il y a un large bassin de population de part et d’autre de la frontière, bassin contenant autour de 42 millions de personnes [13]. Les Grands Lacs sont une région fortement industrialisée par l’industrie automobile, chimique, papetière et sidérurgique [13]. Puisque les industries font partie des émetteurs des particules fines [14], il est donc possible de dire que les industries des Grands Lacs contribuent aux hautes concentrations des particules fines pour ces deux stations. Ces résultats sont semblables pour les huit stations à l’étude.

En conclusion, une analyse détaillée de la qualité de l’air relativement à l’ozone et aux particules au Québec sur la période 1974 à 2015 a été réalisée par Gilbert (2018) et sont présenté ici les résultats combinant les particules fines et les rétrotrajectoires pour la station de Deschambault. Les sources des rétrotrajectoires permettent de mettre en lumière des phénomènes qui permettent de déterminer les possibles causes de la pollution atmosphérique sur un territoire, qui à première vue, ne comporte pas nécessairement des sources de polluants à proximité. De plus, cela permet de voir l’importance de l’être humain sur la pollution atmosphérique, particulièrement pour les particules fines.

Remerciements

Nous désirons remercier le MDDELCC, division qualité de l’air et ainsi qu’Environnement et Changements climatiques Canada pour avoir fourni les données nécessaires pour ce projet.

Bibliographies

1. Saylan, L., H. Toros, and O. Sen, Back Trajectory Analysis of Precipitation Chemistry in the Urban and Forest Areas of Istanbul, Turkey. CLEAN – Soil, Air, Water, 2009. 37(2): p. 132-135.

2. Hondula, D.M., et al., A back‐trajectory and air mass climatology for the Northern Shenandoah Valley, USA. International Journal of Climatology, 2010. 30(4): p. 569-581.

3. Lu, Z., et al., A novel back‐trajectory analysis of the origin of black carbon transported to the Himalayas and Tibetan Plateau during 1996–2010. Geophysical Research Letters, 2012. 39(1)

4. Lin, Z.Q., et al., Airborne metal pollutants in high elevation forests of southern Quebec, Canada, and their likely source regions. Agricultural and Forest Meteorology, 1997. 87(1): p. 41-54.

5. Owega, S., et al., Long-range sources of Toronto particulate matter (PM2.5) identified by Aerosol Laser Ablation Mass Spectrometry (LAMS). Atmospheric Environment, 2004. 38(33): p. 5545-5553.

6. Gilbert, J.-P., La qualité de l’air au Québec évolution spatio-temporelle de l’ozone troposphérique et des matières particulaires. 2018, Université Laval: Québec. p. 1 ressource en ligne (xvii, 194 pages).

7. Leduc, R., Pollution atmosphérique et impacts sur la santé et l’environnement dans la grande région de Montréal, Regroupement montréalais pour la qualité de l’air, Editor. 1998. p. 382 pages.

8. Dion, J., Pollution atmosphérique et impacts sur la santé et l’environnement dans la grande région de Montréal, R.m.a.p.l.q.d. l’air, Editor. 1998. p. 382 pages.

9. Johnson, D., et al., Characterization and identification of trends in average ambient ozone and fine particulate matter levels through trajectory cluster analysis in eastern Canada. Journal of the Air & Waste Management Association (1995), 2007. 57(8): p. 907.

10. Environnement Canada and E.P.A.d. États-Unis, Rapport sur la caractérisation du bassin atmosphérique de Georgia Basin – Puget Sound, 2014, E.C.e.E.P. Agency, Editor. 2014. 354 pages.

11. Brook, J.R., et al., Regional Transport and Urban Contributions to Fine Particle Concentrations in Southeastern Canada. Journal of the Air & Waste Management Association, 2002. 52(7): p. 855-866.

12. Statistique Canada. Écoumène. 2017 [cited 2017 26 octobre]; Available from: http://www.statcan.gc.ca/pub/92-195-x/2011001/other-autre/ecumene-ecoumene/ec-fra.htm.

13. Beauchemin, M., Microplastiques dans les grands lacs : Pistes de réflexion pour des solutions adaptées à la réalité canadienne, in Centre universitaire de formation en environnement et en développement durable. 2015, Université de Sherbrooke: Sherbrooke. p. 11

14. Berner, E.K. and R.A. Berner, Global environment : water, air, and geochemical cycles. 2012, Princeton University Press: Princeton, N.J. p. xiv, 444 p.

À propos d’auteur

Jean-Philippe Gilbert est un étudiant au doctorat en sciences géographiques de l’Université Laval, plus particulièrement en climatologie. Ses champs d’expertises sont la climatologie, la pollution atmosphérique (particulièrement l’ozone et les particules) et les changements climatiques. Ses champs d’intérêts (autres que ses champs d’expertises) sont le traitement des bases de données massives, les SIG, la programmation et les problématiques environnementales (air, eau, sol).