Sauter l'index du livret et aller au contenu de la page

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

3. Qualité de l’air et activité météorologique

Bruce Thomson et Rebecca Saari (Environnement Canada)

Le vent transporte et disperse les substances chimiques en suspension, d’où l’importance critique de la circulation atmosphérique pour comprendre la qualité de l’air. Le mouvement à court terme (à l’échelle des heures ou des jours) des polluants atmosphériques dans le bassin de Georgia/Puget Sound est régi par la modification des systèmes météorologiques à grande échelle, la topographie locale et les écarts de température et de pression à la surface. Cette section présente les deux facteurs, d’abord les régimes climatiques à grande échelle (échelle synoptique), puis les effets à échelle locale (mésoéchelle).

3.1 Régimes climatiques dans le nord-ouest du Pacifique

3.1.1 Circulation saisonnière et trajectoire des tempêtes

La circulation atmosphérique générale dépend de la position relative de la Terre et de son orientation par rapport au soleil. Le réchauffement différentiel par le soleil soulève l’air chaud au niveau de l’équateur et abaisse l’air froid au niveau des pôles, établissant un écoulement de vent du sud au nord à des niveaux élevés et un flux compensateur du nord au sud près de la surface. Ce mouvement est dévié lorsque la Terre tourne sur son axe incliné, entraînant un mouvement général d’air d’ouest en est aux latitudes tempérées. L’air qui demeure sur une zone pendant une période prolongée et qui prend les caractéristiques distinctives de la température et de l’humidité est appelé une masse d’air. Par exemple, l’air qui traverse le Pacifique Nord en hiver prend les caractéristiques de l’« air arctique maritime ». L’air en mouvement à partir de la zone tropicale du Pacifique est connu sous le nom de « masse d’air tropical maritime ». Les lignes de démarcation entre ces masses d’air peuvent être assez abruptes; elles sont appelées des fronts froids ou chauds, selon que l’air froid avance ou recule. Les systèmes météorologiques sont souvent intégrés à une bande de vents bien définie dans les couches moyennes de l’atmosphère appelée « courant-jet » (parfois « trajectoire des tempêtes »). Cette vue très simpliste de la circulation atmosphérique est grandement compliquée par la topographie, les variations de propriétés de la surface, les températures de la surface de la mer et les saisons. Les systèmes météorologiques approchent le nord-ouest du Pacifique du sud-ouest au nord-ouest (Phillips, 1990), selon la saison. Le sens de l’approche et la fréquence des événements dépendent aussi de l’endroit où se trouve le courant-jet, qui se déplace vers le nord en été et vers le sud en hiver (figures 3.1 et 3.2). En général, le bassin atmosphérique est sous l’influence de la dépression des Aléoutiennes en hiver et de l’anticyclone subtropical en été. En été, les tempêtes sont rares, car le courant-jet se trouve généralement au nord du bassin atmosphérique, la dépression des Aléoutiennes est affaiblie, et l'anticyclone subtropical est fort et tend à s'étendre vers le nord, ce qui crée souvent une crête de haute pression au-dessus de la zone. Ce régime entraîne souvent des conditions stagnantes dans le bassin atmosphérique.

Figure 3.1 Masses d’air l’hiver et circulation au-dessus de l’Amérique du Nord (Phillips, 1990).

Figure 3.1 Masses d’air l’hiver et circulation au-dessus de l’Amérique du Nord (Phillips, 1990).

Description de la figure 3.1

La figure 3.1 est un dessin au trait d'une carte simple de l'Amérique du Nord qui montre l'influence de cinq différentes masses d'air sur le continent pendant l'hiver. Chaque masse d'air est représentée par une grande zone colorée avec des flèches s'étirant de la zone pour indiquer la région d'influence.

Une masse d'air importante au-dessus de l'Arctique influence les territoires du nord du Canada, les Prairies canadiennes, l'Ontario, le Québec, ainsi que le nord-est et le Midwest des États-Unis. Une masse d'air au-dessus du golfe du Mexique influence le sud des États-Unis. L'anticyclone du Pacifique Nord sur la côte ouest du Mexique influence la côte ouest du continent aussi loin au nord que l'État de Washington. La dépression des Aléoutiennes dans le golfe d'Alaska influence les côtes de la Colombie-Britannique et de Washington, y compris le bassin de Georgia et le bassin atmosphérique de Puget Sound. Une autre masse d'air au large de la côte ouest des États-Unis influence la côte ouest de la Californie à Haida Gwaii. Le courant-jet fait un crochet vers le sud à partir de la frontière sud de l'État de Washington jusqu'au golfe du Mexique. La figure montre de la pluie et de la neige le long de la chaîne Côtière. Une note indique qu'une pente produit des nuages et de la neige dans les Prairies canadiennes. Dans la région américaine au nord du courant-jet, on indique un temps dégagé, alors que dans la région américaine au sud du courant-jet, on indique un temps sec. La figure indique qu'il y a de la neige et des blizzards dans le nord de la Colombie-Britannique et de l'Alberta, s'étendant jusqu'au Nunavut et aux Territoires du Nord-Ouest.

Figure 3.2 Masses d’air l’été et circulation au-dessus de l’Amérique du Nord (Phillips, 1990).

Figure 3.2 Masses d’air l’été et circulation au-dessus de l’Amérique du Nord (Phillips, 1990). (Voir la description ci-dessous)

Description de la figure 3.2

La figure 3.2 est la même carte dessinée au trait de l'Amérique du Nord que celle de la figure 3.1, mais dans ce cas, elle montre l'influence générale de cinq différentes masses d'air sur le continent pendant l'été. Pendant l'été, une masse d'air au-dessus de l'Arctique influence les territoires canadiens, le nord des Prairies ainsi que le nord du Québec. Une masse d'air dans le golfe du Mexique influence les États-Unis à l'est d'une ligne entre les Grands Lacs et la frontière est du Mexique, et cette région est indiquée comme étant chaude et humide. Une petite masse d'air plane au-dessus de la frontière américano-mexicaine, à l'est de la mer de Cortez. L'anticyclone du Pacifique Nord se situe sur la côte de la Californie et de la Basse-Californie. Une cinquième masse d'air au large de la côte de la Colombie-Britannique envoie de l'air dans le nord de la Colombie-Britannique, au Yukon et en Alaska. Le courant-jet passe au-dessus de la pointe nord de l'île de Vancouver et vers le haut jusqu'à la frontière sud du Nunavut, avant de se diriger vers l'est, sur toute la partie nord de l'Ontario et du Québec.

La trajectoire des tempêtes est positionnée dans tout le bassin atmosphérique à l’automne, rendant les mois d’octobre, de novembre et de décembre les plus pluvieux de l’année. Les tempêtes les plus importantes et les plus fréquentes se produisent à l’automne, lorsque le courant-jet est très fort et en altitude et que la dépression des Aléoutiennes est forte.

Le courant-jet migre vers le sud de la région en janvier et février, laissant le bassin atmosphérique dans des masses d’air plus froid et généralement plus sec. Souvent, toute l’énergie des tempêtes est dirigée vers les régions situées au sud du bassin atmosphérique, ce qui peut entraîner une masse d’air arctique plus froid qui est poussée à l’occasion vers les régions côtières à partir de l’intérieur.

Le courant-jet retourne dans le bassin atmosphérique en mars et en avril. Le courant-jet, lors de son passage au printemps, traverse l’océan Pacifique Nord du sud-ouest au nord-est et il est à son plus fort. Cette orientation favorise le transport de la poussière et d’autres polluants en provenance d’Eurasie.

3.1.2 Impact des tendances météorologiques sur le transport à grande distance des polluants

Les écoulements de vents à l’échelle synoptique sont ceux qui transportent des polluants atmosphériques sur de longues distances. Par exemple, on a en effet observé que des substances chimiques en suspension dans l’air provenant d’Eurasie et de Californie viennent s’ajouter à l’ensemble général de polluants du Bassin (Belzer, 1997).

Comme il a été mentionné précédemment, le régime de circulation qui est le plus efficace pour transporter des polluants à travers l’océan Pacifique survient au printemps, particulièrement en avril et en mai.

Les émissions de polluants atmosphériques provenant du sud (p. ex. de l’Oregon et de la Californie) et du nord (p. ex. du nord de la Colombie-Britannique, du Yukon et de l’Alaska) sont également transportées vers le nord-ouest du Pacifique dans des conditions météorologiques précises. Le transport en provenance du sud en été est associé à la mousson du sud-ouest, un creux créé dans le Grand Bassin et à l’intérieur de la région du Pacifique Nord-Ouest par le réchauffement de la surface et la basse pression en altitude sur les États américains de la côte ouest. Ces conditions sont souvent accompagnées d’orages isolés ou occasionnels le long des versants est de la chaîne des Cascades et de l’intérieur des chaînes de montagnes. Cette situation météorologique est assez courante en été, particulièrement au mois de juin.

Les polluants provenant de ces sources éloignées sont généralement bien dispersés au moment où ils arrivent dans le bassin atmosphérique, ce qui ajoute des quantités faibles, mais mesurables, aux concentrations de fond d’ozone, de matières particulaires (MP) et autres polluants à l’état de traces. Ces polluants transportés sur de longues distances peuvent parfois entraîner une baisse de visibilité et enfreindre les normes et les objectifs sur la qualité de l’air. L’importance du transport à grande distance est expliquée au chapitre 11 qui porte sur le transport transfrontalier.

3.2 Circulation de l’air dans le bassin atmosphérique

La géographie du bassin englobe l’océan Pacifique, les détroits de Juan de Fuca et de Georgia et des chaînes de montagnes dont l’altitude dépasse largement les 1 500 mètres. En canalisant et en retenant les polluants atmosphériques, ces accidents naturels contribuent pour beaucoup au transport et au devenir des polluants atmosphériques.

Les vents à l’échelle synoptique sont modifiés dans les couches les plus basses de l’atmosphère (à partir de la surface à environ 1 500 mètres en altitude) par la topographie locale. Bien qu’elle dépende du régime météorologique synoptique actif, la circulation à mésoéchelle à travers et autour d’accidents topographiques détermine souvent les concentrations de pollution atmosphérique à des endroits particuliers du bassin atmosphérique.

3.2.1 Topographie du bassin atmosphérique

Le bassin de Georgia est dominé par l’axe ouest-est de la vallée du bas Fraser, l’axe nord-ouest/sud-est du détroit de Georgia et l’axe ouest-est du détroit de Juan de Fuca. Cet état de chose tranche nettement avec l’axe nord-sud bien défini du bassin atmosphérique du Puget Sound. La partie sud du bassin atmosphérique du Puget Sound est affectée par l’air arrivant du Pacifique par le passage de Chehalis. Les deux bassins atmosphériques subissent l’influence de l’air qui circule dans les vallées « tributaires » et des versants des montagnes.

3.2.2 Circulation de l’air dans le Puget Sound

Le Puget Sound a une orientation nord-sud; il est bordé à l’est par la chaîne des Cascades, qui peut atteindre entre 2 000 et 2 500 mètres et constitue un obstacle significatif parallèle au Sound, et par à l’ouest et au nord les monts Olympus, qui atteignent entre 1 500 et 2 000 mètres d’altitude. Les principales voies d’accès de l’air qui pénètre dans le Sound et qui le quitte sont le passage de Chehalis au sud-ouest et le détroit de Haro au nord. Les vallées tributaires qui entaillent la chaîne des Cascades jouent également un rôle important dans la circulation générale de l’air dans le Sound. L’air y circule en effet du nord au sud ou sud au nord, régi par des caractéristiques météorologiques à grande échelle, la topographie locale et les écarts de température entre le centre et le sud du Sound. Les perturbations de ce régime d’écoulement sont dues à l’influence des grands systèmes météorologiques qui permettent à l’air maritime des bas niveaux de s’engouffrer vers l’intérieur de l’ouest de l’État de Washington par le passage de Chehalis et le détroit de Juan de Fuca. Le relief montagneux présente des pentes et des vallées qui contribuent à la complexité des flux d’air à mésoéchelle (Cokelet, 1991).

Ce sont les grands systèmes météorologiques qui s’approchent du littoral de l’État de Washington qui déterminent la circulation de l’air dans le Puget Sound. Les perturbations qui passent au nord de la région entraînent un flux d’air du sud dans le Puget Sound, l’air sortant par le détroit de Haro. Même si la principale partie d’un système météorologique se dirige vers le sud, les vents soufflent souvent en direction du sud avant un front et en direction de l’ouest après un front, en raison de la forte influence de la dépression des Aléoutiennes sur les vents régionaux. L’affaiblissement de la dépression des Aléoutiennes dans l’est du Pacifique et le déplacement d’une tempête vers le sud entraîne des vents du nord dans le Puget Sound.

Arrivant de l’ouest, les systèmes météorologiques, en particulier au printemps, créent des flux d’air de l’ouest qui s’engouffrent par le passage de Chehalis et le détroit de Juan de Fuca. Les monts Olympus font converger ces flux dans le Puget Sound, créant ainsi une zone de concentration de nuages et de précipitations appelée la « zone de convergence et de Puget Sound » (Chien et al., 1997).

Les vents d’ouest à sud-ouest s’engouffrent dans le bassin atmosphérique par le passage de Chehalis et se conjuguent aux vents du sud qui prédominent dans la région du Puget Sound. Des vents sortants d’est provenant des vallées tributaires soufflent sur l’est du Sound. À mesure que le système poursuit sa route vers l’est, les vents dans le Sound tournent au nord et au nord-ouest et, dans les vallées tributaires, les vents sont d’ouest.

3.2.3 Flux d’air dans le bassin de Georgia

La partie du bassin atmosphérique concernant le bassin de Georgia englobe une portion de la côte est et de l’extrémité sud de l’île de Vancouver, le détroit de Haro, le détroit de Georgia et la vallée du bas Fraser. Celle-ci est délimitée à l’ouest par le détroit de Georgia, au nord par la chaîne Côtière (montagnes du North Shore) et à l’est et au sud par la chaîne des Cascades. Le triangle formé par ces accidents géographiques renferme les districts régionaux de Vancouver et de la vallée du Fraser, et le comté de Whatcom dans l’État de Washington.

Le bassin de Georgia subit l’influence du passage des perturbations météorologiques en provenance du Pacifique d’une façon analogue à ce qui se passe dans le Puget Sound. Les systèmes météorologiques qui passent au nord de la région provoquent de forts vents dans les vallées de l’île de Vancouver, comme les « vents Qualicum ». Dans le détroit de Georgia, les vents soufflent du sud-est et sont alimentés par les courants provenant de la baie Howe et de la vallée du bas Fraser.

Un système météorologique gagnant la côte par le nord-ouest aura un impact différent sur les vents locaux dans le bassin de Georgia et dans le Puget Sound. Dans le Puget Sound, le flux demeurera d’est à sud-est dans beaucoup des vallées alors que, dans le bassin de Georgia, les vents soufflant dans le détroit de Georgia seront du sud-est, tournant à l’ouest dans le détroit de Juan de Fuca. On trouvera une analyse plus fouillée de ces régimes de circulation du vent dans Lange (1998) ou Mass (2008).

Une perturbation météorologique qui gagne le sud de la région provoquera des vents sortant de la baie Howe et de la vallée du bas Fraser, alors que les vents dans le détroit de Georgia seront du nord-ouest. De même, les systèmes qui arrivent du sud-ouest font que les vents sortent de la vallée du bas Fraser et des secteurs maritimes en direction du système qui arrive. Cela provoque des vents sortants d’est dans de nombreux secteurs, qui sont accompagnés de vents de nord-ouest à nord-est dans le détroit de Georgia. À mesure que le système se déplace de la côte vers l’intérieur, les vents tournent alors à l’ouest et au nord-ouest. Une description détaillée de ces configurations de vents se trouvent dans Lange (2003).

3.2.4 Régimes de circulation locaux

Il y a des périodes où le nord-ouest du Pacifique ou certaines parties de la région ne subissent pas l’influence des systèmes météorologiques qui suivent la trajectoire des tempêtes. À ces moments-là, la configuration à mésoéchelle des courants atmosphériques devient très importante. Les vents de pente ascendants et descendants et les brises soufflant de la mer vers la terre sont deux types de courants locaux provoqués par la conjonction de la topographie locale et à des variations de température. La majeure partie de Georgia Basin/Puget Sound subit l’influence des terrains montagneux où le vent est canalisé dans les vallées. Le mouvement diurne du soleil crée des écarts de température qui font que l’air s’élève dans une région et descend dans une autre.

3.2.5 Circulation de l’air entre le Puget Sound et le bassin de Georgia

Le régime des vents dans le bassin atmosphérique varie continuellement en réaction au passage des systèmes météorologiques. Des changements rapides dans le régime des vents peuvent transporter les polluants atmosphériques depuis le bassin atmosphérique de Georgia Basin jusqu’à celui du Puget Sound, et vice-versa. Les vents qui transportent le mieux les polluants sont ceux des couches inférieures de l’atmosphère à une altitude inférieure à environ 1 500 mètres. Cette circulation permet le libre mouvement des polluants depuis les sources d’émissions jusqu’aux régions réceptrices, et n’est limitée que par la topographie locale.

Si l’on revient à la figure 1.1, le secteur situé à l’extrémité nord du Puget Sound, délimité au nord par le détroit de Haro et à l’est et à l’ouest par un relief élevé (supérieur à 1 500 mètres), constitue un important portail de l’échange de polluants atmosphériques entre les bassins atmosphériques du Puget Sound et du Georgia Basin.

La topographie locale et les conditions météorologiques à grande échelle sont connues pour avoir une incidence sur l’échange des polluants atmosphériques entre les bassins atmosphériques de Georgia Basin/Puget Sound. Souvent, les concentrations de polluants s’élèvent dans leurs bassins atmosphériques d’origine pendant des conditions stagnantes, pour ensuite se déplacer vers des bassins atmosphériques adjacents lorsque ces conditions se décomposent. Les mécanismes et les répercussions du transport transfrontalier sont abordés au chapitre 11 : Transport transfrontalier.

3.3 Régimes de temps propices à la mauvaise qualité de l’air

Chaque régime de temps joue son propre rôle dans la qualité de l’air du bassin atmosphérique. Certains régimes sont particulièrement propices à l’accumulation de polluants atmosphériques dans le bassin atmosphérique. Les périodes de mauvaise qualité de l’air sont les plus susceptibles de se produire lorsque les conditions météorologiques, comme des vents légers et des inversions de subsidence, se combinent pour piéger les polluants dans le bassin atmosphérique ou lorsque certains courants forts génèrent des poussières éoliennes.

Ce sont les régimes de temps provoquant des vents très légers dans le bassin de Georgia/Puget Sound qui sont les plus importants sur le plan de la pollution atmosphérique. Une zone de haute pression se formera au-dessus du nord-ouest du Pacifique, généralement alimentée par une très faible circulation d’air en altitude. L’absence d’une bonne circulation d’air favorise le développement de brises de terre/mer et de vents de pente. Les brises de terre/mer, causées par les écarts de température entre la terre et l’eau, créent un afflux d’air provenant de l’eau qui débute au milieu de la matinée et se poursuit jusqu’en début de soirée, avant de se transformer en une sortie d’air pendant la nuit. Le flux d’air le long des pentes des vallées est un autre important régime de circulation attribuable au réchauffement différentiel des pentes. Ces vents légers et variables peuvent durer plusieurs jours.

Il y a fréquemment des périodes de stagnation l’été et l’hiver, d’où la plus grande importance de ces saisons en ce qui concerne les épisodes d’ozone, de particules fines et de visibilité. Durant ces deux saisons, il se peut que les vents soient légers et variables, lorsque la trajectoire des tempêtes se trouve soit au nord soit au sud de la région. L’hiver, ces périodes de relative accalmie permettent aux masses d’air arctique froid de se déplacer de l’intérieur vers l’ouest. L’air arctique froid provoque des conditions de stagnation avec de fortes inversions thermiques dans beaucoup des vallées. Lorsque ces conditions se conjuguent au déplacement d’un système météorologique plus important en provenance du Pacifique, de forts vents d’est peuvent se lever. L’été est dominé par des anticyclones sur l’est de l’océan Pacifique et souvent sur le nord-ouest du Pacifique. C’est au cours de ces périodes, lorsque le bassin de Georgia et le Puget Sound sont sous l’influence de hautes pressions atmosphériques, que l’écoulement de l’air dans les deux bassins atmosphériques est réduit à des circulations localisées. Les inversions thermiques sont alors courantes. La trajectoire des tempêtes est loin au nord et fait dévier les systèmes météorologiques vers l’Alaska et le nord de la Colombie-Britannique. Ce sont ces périodes de vents légers et de fortes inversions thermiques qui provoquent les phénomènes les plus extrêmes de pollution atmosphérique dans le nord-ouest du Pacifique.

Les régimes stagnants influencent souvent simultanément les bassins atmosphériques de Georgia Basin/Puget Sound. Une crête en altitude se déplace au-dessus du bassin, créant des vents légers en surface attribuables à des gradients de pression très faibles dans tout le bassin. Les périodes de stagnation estivales sont associées à un « creux thermique » à l’ouest de la chaîne des Cascades qui s’établit sous un ciel dégagé et par fort réchauffement solaire. Ce phénomène de surface élimine les brises de terre/mer dans la vallée du bas Fraser et le Puget Sound. La brise caractéristique qui souffle du nord au sud dans le Puget Sound s’interrompt elle aussi, créant une situation de calme quasi total (Steenburgh, 1996) qui permet une élévation des températures de surface. Un gradient de pression vers la mer attire l’air au-dessus de la chaîne des Cascades, ce qui provoque une inversion de subsidence au-dessus du bassin atmosphérique du Puget Sound et piège les polluants. Dans la vallée du bas Fraser, un ensemble analogue de phénomènes météorologiques interrompt les brises de terre/mer, mais, du fait de l’orientation est-ouest de la vallée, l’inversion de subsidence est contrôlée par la crête en altitude. Ces régimes de temps presque identiques ont pour effet d’isoler l’un de l’autre les deux bassins atmosphériques. Les régimes de vent qui s’établissent durant ces périodes de stagnation ne permettent pas aux polluants atmosphériques de passer d’un bassin à l’autre. L’interruption des brises de terre/mer dans le détroit de Georgia a également pour effet de dissocier le flux d’air en provenance de l’est de l’île de Vancouver.

3.4 Influence des régimes de temps sur l’ozone et les particules

Les conditions atmosphériques propices à la formation photochimique d’ozone sont bien connues dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin/Puget Sound. Les épisodes d’ozone où la concentration atteint des niveaux nettement supérieurs aux objectifs nationaux en matière de pollution atmosphérique sont documentés. Leur occurrence dépend de certaines conditions météorologiques, comme il est décrit précédemment. Alors que les émissions des précurseurs de l’ozone (NOx et composés organiques volatils) demeurent inchangées, un régime de temps stagnant qui donne un ciel dégagé et des températures élevées peut très vite produire des concentrations d’ozone élevées.

3.4.1 Incidences de la qualité de l’air liées aux conditxions météorologiques dans la vallée du bas Fraser (adapté d’Environnement Canada, 2010).

Plusieurs études récentes ont permis de documenter les incidences de la qualité de l’air liées aux conditions météorologiques dans la partie de la vallée du bas Fraser du bassin atmosphérique. Les périodes de stagnation estivales qui durent plusieurs jours sont liées à des épisodes de concentrations élevées d’ozone et de MP2,5 ainsi qu’à une dégradation de la visibilité. Les dépassements de l’objectif national de qualité de l’air sur l’ozone, fixé à 82 ppb à l’aéroport international côtier de Vancouver, ont été associés à des vents côtiers du nord-ouest et du sud-ouest dans des conditions de brise de mer (Ainslie et Steyn, 2007).

Un examen des types de courants au cours du cycle des brises de mer et des brises de terre aide à expliquer le transport des polluants dans les collectivités situées dans la vallée du bas Fraser et l’apparence des concentrations élevées dans la partie est de la vallée. Les vents légers associés aux conditions d’une brise de mer canalisent et concentrent efficacement les polluants primaires et secondaires provenant de régions urbaines émettrices plus peuplées dans l’ouest vers l’étendue est de la vallée qui se rétrécit et les collectivités telles que Chilliwack et Hope.

Pendant des conditions de brise de mer, les polluants sont entraînés vers l’intérieur de la région le jour, et ce phénomène peut être renforcé par une circulation qui remonte les pentes le long des montagnes bordant l’extrémité nord de la vallée de l’ouest vers l’est et le nord. Par conséquent, le soir, des panaches de polluants peuvent se déplacer vers le haut des pentes des montagnes et dans des vallées tributaires en altitude, où ils s’accumulent. Ce régime d’écoulement engendre également des couches de polluants concentrés en altitude, surtout vers les portions supérieures des vallées (Strawbridge et Snyder, 2004). Pendant la nuit, le drainage et les écoulements des brises de terre ainsi que la formation d’une couche limite nocturne superficielle entraînent une concentration d’aérosols et de polluants primaires près de la surface et dans des couches élevées au-dessus de la couche limite. À de nombreuses stations de surveillance, l’ozone chute à de très faibles concentrations. En fin de nuit et tôt le matin, la brise de terre transporte les aérosols de la partie est de la vallée du bas Fraser et des vallées tributaires en direction de l’ouest vers le détroit de Georgia, ce qui augmente les aérosols et les polluants primaires (p. ex. NOx) au-dessus de l’eau. Le matin, la couche limite nocturne se désagrège, et les couches élevées qui contiennent encore de l’ozone, des matières particulaires primaires et secondaires et certaines espèces de précurseurs (p. ex. NOx) sont mélangées vers la surface (McKendry et al., 1997; Pisano et al., 1997).

Il s’est avéré que le transport des polluants était aussi influencé par un processus connu sous le nom d’effet de stagnation produit par un sillage (Wake-Induced Stagnation Effect [(WISE)]) (Brook et al., 2004). Ce processus est un résultat de la convergence de vents légers provenant du détroit de Georgia et du détroit de Juan de Fuca, combinée à un effet de « sillage » produit par les caractéristiques géographiques des îles de Vancouver, Gulf et de San Juan. Lors de l’étude sur la qualité de l’air Pacifique 2001, on a associé l’effet de stagnation produit par un sillage à l’advection et à la formation de couches d’aérosols concentrées au-dessus des îles Gulf/San Juan (Strawbridge et Snyder, 2004). À l’intérieur de ces couches d’aérosols, les polluants ont subi un traitement photochimique et ils ont ensuite été remis en circulation par le cycle des brises de mer/terre. On a observé que l’advection des vieux aérosols et gaz (ozone, composés d’azote oxydé) de la zone de l’effet de stagnation produit par un sillage avait des incidences sur la vallée du bas Fraser et sur la région adjacente du comté de Whatcom du nord-ouest de l’État de Washington, un phénomène répété sur plusieurs jours qui a entraîné la formation de polluants concentrés et de plus en plus vieux.

Au cours de ces conditions anticycloniques stagnantes estivales, accompagnées d’une brise de terre/mer, les concentrations diurnes de MP10 peuvent atteindre 50 à 75 μg/m3, et des concentrations records de MP2,5 de 20 à 30 μg/m3 ne sont pas rares. Même si ces conditions stagnantes de brise de mer favorisent également de hautes concentrations d’ozone, il n’existe qu’une faible corrélation entre l’ozone troposphérique et les concentrations de MP10(McKendry, 2000). La formation de particules secondaires, qui a été liée à une dégradation de la visibilité (Pryor et Barthelmie, 1999), devient très active durant les inversions de subsidence l’été et s’amplifie durant les épisodes de stagnation prolongés et les phénomènes de flux entrants/sortants.

Bien que les conditions stagnantes puissent entraîner des concentrations élevées de polluants gazeux, les vents violents peuvent mener à des périodes de poussière. Dans l’est de la vallée du bas Fraser, les vents sortants sont suffisamment forts pour soulever des particules de sol et de sable, créant des concentrations de MP10 qui dépassent les normes de pollution atmosphérique. Ces conditions de vents sortants se développent lorsqu’une crête de haute pression se forme sur l’intérieur de la Colombie-Britannique et de l’État de Washington, créant un gradient de pression en surface qui entraîne un vent sortant qui peut durer de deux à trois jours. De plus, quelques fois par hiver, ces vents sortants provoquent un afflux d’air arctique froid des régions de l’intérieur vers les régions côtières via les vallées des montagnes. Comme la masse d’air arctique est peu profonde, de fortes inversions thermiques se forment, créant des conditions stagnantes sur la vallée du bas Fraser et les vallées tributaires lorsque les gradients de pression et les vents s’affaiblissent. Les inversions thermiques se renforcent davantage avec le refroidissement prolongé de la surface pendant les longues nuits d’hiver. Ces conditions peuvent donner lieu à des concentrations élevées de matières particulaires dans le bassin atmosphérique de la vallée du bas Fraser.

Ampleur et fréquence des conditions de stagnation

Environnement Canada a examiné l’importance des tendances de stagnation sur le plan de l’ampleur et de la fréquence dans le cadre d’une étude. Celle-ci a ciblé les régimes de temps et les concentrations de pollution atmosphérique (O3etMP) en utilisant des méthodes statistiques pour déterminer les types de régimes qui causent des conditions de stagnation et une élévation des concentrations de polluants (Cannon et al., 2002). L’analyse a permis de déterminer la fréquence de survenue des divers « types de cartes » synoptiques. La figure 3.3 et la figure 3.4 illustrent respectivement les régimes en surface et en altitude, à des moments où les concentrations d’ozone étaient élevées et les concentrations de particules fines supérieures à la moyenne régionale. Ces régimes de temps concordent avec d’autres analyses mentionnées plus haut, qui ont décelé la présence d’une crête barométrique en altitude et des gradients de pression en surface très faibles. Ce régime de temps estival s’est produit à neuf reprises au cours des onze ans qu’a duré la période étudiée. L’analyse a examiné séparément les fortes concentrations d’ozone et de matières particulaires. Les régimes de temps étaient analogues à ceux des figure 3.3 et figure 3.4, mais leur fréquence d’occurrence ne l’était pas. Les fortes concentrations d’ozone durant les mois d’été étaient attribuables à des régimes de temps qui se sont produits à 78 reprises durant la période étudiée.

Sur tout le bassin atmosphérique, on a constaté que, 46 % du temps, les conditions sont propices à des concentrations élevées de matières particulaires. Le régime qui a donné des matières particulaires, qui ne s’est produit que six fois, montre un centre de basse pression en surface qui se déplace vers l’ouest au large de la côte et d’un gradient vers la mer beaucoup plus puissant en altitude. Les régimes qui donnent le plus souvent des concentrations élevées de matières particulaires se sont produits surtout au printemps et en hiver. Les concentrations élevées de matières particulaires pendant l’été étaient souvent associées à la météorologie stagnante qui produit des concentrations élevées d’ozone. Les régimes qui donnent des concentrations élevées de matières particulaires et des concentrations d’ozone supérieures à la moyenne régionale (soit l’inverse du premier cas décrit ci-dessus) se sont produits à 12 reprises, surtout au printemps et à l’automne.

Figure 3.3 Configuration de la pression à la surface (contours en millibars) lorsque les concentrations d’ozone sont élevées et les concentrations de matières particulaires supérieures à la moyenne régionale.

Figure 3.3 Configuration de la pression à la surface (contours en millibars) lorsque les concentrations d’ozone sont élevées et les concentrations de matières particulaires supérieures à la moyenne régionale. (Voir la description ci-dessous)

Description de la figure 3.3

La figure 3.3 est une carte des contours de la pression qui s'étend de 32,50° N à 62,50° N et de 192,50° E à environ 247,5° E. La région où la pression est la plus élevée (1 030 hPa) se situe au large de la côte des États-Unis et s'étend d'un peu sous 37,50° N jusqu'à presque 47,50° N et entre 192,5° E et 207,5° E. Le prochain contour (1 026 hPa) s'étend d'un peu sous 32,50° N jusqu'aux eaux du large de Haida Gwaii et à partir de l'ouest de 192,5° E jusqu'à environ 215° E. Le contour à 1 022 hPa se rend aussi loin au nord que le golfe d'Alaska et aussi loin à l'est que 222,5° E. Le contour à 1 018 hPa s'étend du nord au sud sur toute la carte, et traverse l'enclave de l'Alaska et passe juste au large de Haida Gwaii. Le contour à 1 014 hPa s'étend de l'intérieur du nord de la Colombie-Britannique jusqu'à la pointe nord de l'île de Vancouver, et vers le sud, juste au large de la côte des États-Unis. Le dernier contour est à 1 010 hPa et englobe l'intérieur du sud de l'état de Washington ainsi que des États de l'Oregon et de la Californie.

 

 

Figure 3.4 Configuration en altitude (contours de la pression à 500 hPa, en mètres) lorsque les concentrations d’ozone sont élevées et les concentrations de matières particulaires supérieures à la moyenne régionale.

Figure 3.4 Configuration en altitude (contours de la pression à 500 hPa, en mètres) lorsque les concentrations d’ozone sont élevées et les concentrations de matières particulaires supérieures à la moyenne régionale. (Voir la description ci-dessous)

Description de la figure 3.4

La figure 3.4 est la même carte des contours de la pression que celle de la figure 3.3 (s'étendant de 32,50° N jusqu'à 62,50° N, et de 192,50° E à environ 247,5° E). Cette carte montre l'altitude des contours de la pression à 500 hPa, en mètres. Les contours suivent une tendance sinusoïdale : la plupart des contours ont deux crêtes et un creux dans la zone cartographiée. Une seule crête est visible pour le contour à plus faible altitude (5 640 m) et elle se trouve dans l'intérieur de l'Alaska, à 60° N et à 205° E. Le contour à 5 680 m a une crête dans les îles Aléoutiennes à environ 56° N et 200° E, un creux dans le golfe d'Alaska à environ 55° N et une deuxième crête dans l'intérieur du territoire du Yukon à 62,50° N et à environ 230° E. Le contour à 5 720 m a une crête au sud des îles Aléoutiennes à environ 53° N et une autre dans le sud-est du Yukon, à environ 60° N. Le contour à 5 760 m a une crête juste à l'ouest de 207,5° E à environ 50° N et une autre à 237,5° E, près de la frontière de la Colombie-Britannique et du Yukon. Le contour à 5 800 m a une crête juste à l'ouest de 207,5° E à environ 48° N, et une autre à 237,5° E, juste au-dessus de 52,50° N. Son point le plus bas se situe à environ 35° N et 222,5° E. Le contour à 5 840 m a une crête dans les eaux du large à 45° N et à 200° E, et également près de la frontière de la Colombie-Britannique et de l'État de Washington à environ 50,0° N et 240° E. Son creux se situe sous le bord inférieur de la carte. Pour le contour à 5 880 m, une seule crête est visible à 42,50° N et à 200° E; l'autre se trouve quelque part dans l'intérieur de la Californie.

3.5 Résumé du chapitre

La qualité de l’air est fortement touchée par les régimes météorologiques, qui subissent l’influence de la topographie locale et des écarts de température et de pression à la surface. Une fois que les polluants sont en suspension dans l'air, la voie par laquelle ils se déplacent est déterminée par des processus mondiaux, régionaux et locaux, et peut jouer un rôle important en déterminant l'importance des concentrations de pollution atmosphérique à des endroits particuliers du bassin atmosphérique.

Dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin/Puget Sound, les périodes de mauvaise qualité de l’air sont plus susceptibles de se produire lorsque les conditions météorologiques caractérisées par des vents légers et des inversions de subsidence se combinent pour piéger les polluants dans le bassin atmosphérique. Au cours de ces périodes de vents légers, l’absence d’une bonne circulation d’air favorise le développement de processus locaux, tels que des brises de terre/mer et des vents de pente. Les vents légers associés aux conditions d’une brise de mer peuvent canaliser et concentrer efficacement les polluants provenant de régions urbaines émettrices plus peuplées dans l’ouest vers l’étendue est de la vallée qui se rétrécit et les collectivités telles que Hope et Chilliwack. Ce phénomène peut être renforcé par une circulation qui remonte les pentes le long des montagnes, où des panaches de polluants se déplacent vers le haut des pentes des montagnes et s’accumulent dans des vallées tributaires en altitude.

Il y a fréquemment des périodes de stagnation l’été et l’hiver, d’où la plus grande importance de ces saisons en ce qui concerne les épisodes d’ozone, de particules fines et de visibilité. Durant ces deux saisons, les régimes de circulation du vent peuvent être légers et variables, et l’écoulement de l’air dans les deux bassins atmosphériques est réduit à des circulations localisées, en raison de l’influence des hautes pressions atmosphériques au cours de l’été et du déplacement des masses d’air arctique froid et d’un système météorologique plus important en provenance du Pacifique en hiver. De fortes inversions thermiques sont alors courantes. Les phénomènes les plus extrêmes de pollution atmosphérique dans le nord-ouest du Pacifique sont provoqués par des périodes de vents légers associés à de fortes inversions thermiques.

Bien que les conditions stagnantes puissent entraîner des concentrations élevées de polluants gazeux, les vents violents peuvent mener à des périodes de poussière. De forts vents sortants soulèvent parfois des particules de sol et de sable, créant des concentrations élevées de MP10 qui peuvent dépasser les normes de pollution atmosphérique. De plus, au cours de l’hiver, ces vents sortants provoquent périodiquement un afflux d’air arctique froid des régions de l’intérieur vers les régions côtières via les vallées des montagnes, créant des conditions stagnantes sur la vallée du bas Fraser avec de fortes inversions thermiques dans les vallées tributaires. Ces conditions peuvent provoquer des épisodes de matières particulaires en hiver dans le bassin atmosphérique la vallée du bas Fraser.

Environnement Canada a examiné l’importance des tendances de stagnation sur le plan de l’ampleur et de la fréquence à Vancouver, en Colombie-Britannique. Les résultats ont permis de déceler la présence d’une crête barométrique en altitude et des gradients de pression en surface très faibles, lorsque les concentrations d’ozone sont élevées et les concentrations de matières particulaires supérieures à la moyenne régionale. Des régimes de temps semblables ont été observés pour des cas de concentrations élevées d’ozone et de matières particulaires, séparément. La fréquence de survenue était plus élevée dans le cas des concentrations d’ozone que dans celui des concentrations de matières particulaires pendant les mois d’été. Les régimes qui donnent le plus souvent des concentrations élevées de matières particulaires se sont produits au printemps et en hiver; tandis que ceux qui donnent des concentrations élevées de matières particulaires et des concentrations d’ozone supérieures à la moyenne régionale se sont produits surtout au printemps et à l’automne.

3.6 Références

Ainslie, B. and D.G. Steyn, 2007. Spatio-temporal Trends in Episodic Ozone Pollution in the Lower Fraser Valley, British Columbia, in Relation to Mesoscale Atmospheric Circulation Patterns and Emissions. Journal of Applied Meteorology and Climatology 46: 1631 – 1644.

Belzer, W., Poon, A., and Evans, C., 1997. Atmospheric Concentrations of Agricultural Chemicals in the Lower Fraser Valley. Fraser River Action Plan, Report 1997-31. Environment Canada, 1997, 20 pp.

Brook, J., Strawbridge, K., Snyder, B., Boudries, H., Worsnop, D., Anlauf, K., Sharma, S., Lu, G., and Hayden, K., 2004. Towards an understanding of the fine particle variations in the LFV: integration of chemical, physical and meteorological observations. Atmospheric Environment 38: 5775-5788.

Cannon, A., Whitfield, P., and Lord, E., 2002. Synoptic map-pattern classification using recursive partitioning and principal component analysis. Monthly Weather Review 130(5): 1187-1206.

Chien, F., Mass, C., Kuo, Y., 1997. Interaction of a warm-season frontal system with the coastal mountains of the western United States. Part I: Prefrontal onshore push, costal riding and alongshore southerlies. Monthly Weather Review 125(8): 1730-1752.

Cokelet, E, 1991. Axial and Cross-axial winter winds over Puget Sound. Monthly Weather Review 120: 826-834.

Environnement Canada. 2010. The 2008 National Smog Report. Rapport interne préliminaire.

Lange, O., 1998. The wind came all ways: a quest to understand the winds, waves and weather in the Georgia Basin. Environment Canada. ISBN 0-660-17517-7, 122 pp.

Lange, O., 2003. Living with weather along the British Columbia coast: the veil of chaos. Environment Canada. ISBN 0-660-18984-4, 198 pp.

Mass, C., 2008. The Weather of the Pacific Northwest. University of Washington Press: Seattle, 2008.

McKendry, I.G., 2000. PM10 Levels in the Lower Fraser Valley, British Columbia, Canada: An Overview of Spatiotemporal Variations and Meteorological Controls. Journal of the Air & Waste Management Association 50: 443-445.

McKendry, I., Steyn, D., Lundgren, J., Hoff, R., Strapp, W., Anlauf, K., Froude, F., Martin, J., Banta, R., Olivier, L., 1997. Elevated ozone layers and vertical down-mixing over the Lower Fraser Valley, BC. Atmospheric Environment 31: 2135-2146.

Phillips, D., 1990. The Climates of Canada. Environment Canada. ISBN 0-660-13459-4, 159 pp.

Pisano, J., McKendry, I., Steyn, D., Hastie, D., 1997. Vertical nitrogen dioxide and ozone concentrations measured from a tethered balloon in the Lower Fraser Valley. Atmospheric Environment 31: 2071-2078.

Steenburgh, W., and Mass, C., 1996. Synoptic and mesoscale circulations during high ozone episodes over western Washington: An evaluation of the Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5). Report to the Puget Sound Air Pollution Control Agency, 67 pp.

Strawbridge, K. and Snyder, B., 2004. Daytime and nighttime aircraft measurements showing evidence of particulate matter transport into the northeastern valleys of the Fraser Valley, B.C. Atmospheric Environment 38: 5873-5886.

Date de modification :