La plate-forme inter-régionale de cartographie et de prévision de la qualité de l’air ESMERALDA fournit quotidiennement les cartographies des concentrations d’ozone et de dioxyde d’azote à 3 jours d’échéances sur le domaine inter-régional (441 x 468 km²) incluant intégralement les 5 régions partenaires du projet.

Ces cartographies sont le résultat de simulations numériques réalisées à l’aide d’un modèle déterministe dit de chimie-transport qui permet, pour des périodes de temps allant de quelques jours à plusieurs mois, de calculer l'évolution de la pollution photo-oxydante et particulaires dans les basses couches de l’atmosphère.

Ce type d’outil numérique simule les évolutions spatiales et temporelles des concentrations des polluants sur la base d’un système d’équations complexe qui traduit en termes mathématique l’ensemble des processus responsables de la production et de la destruction des polluants. Les principaux processus pris en compte dans ces modèles sont les suivants :

l’advection (ou transport horizontal) des polluants par les composantes horizontales du vent. Ce processus prend toute son importance pour une espèce chimique telle que l'ozone qui peut être transporté sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres.

la dispersion verticale des polluants qui résulte de la composante verticale du vent et de la convection sous l’effet du rayonnement solaire. Peu importante pendant la nuit, la convection verticale se développe au cours de la matinée, favorisant le développement de la couche de mélange et la dispersion des polluants.

le dépôt sec des polluants. L'importance de ce processus de dépôt dépend de l'espèce chimique considérée, du type de sol et des conditions atmosphériques. Il correspond à un processus de perte qui peut être prépondérant à grande échelle pour une espèce comme l'ozone.

les réactions chimiques. Les polluants présents dans l'atmosphère interagissent chimiquement entre eux au cours généralement de réactions d’oxydo-réduction initiées par le rayonnement solaire. C’est le cas de la chimie de l'ozone qui fait intervenir des espèces précurseurs telles que les oxydes d'azote (NOx) et les Composés Organiques Volatils (COVs). Les COVs regroupent plusieurs milliers d'espèces chimiques (éthane, butane, propène, benzène …). Toutes ces espèces ne peuvent être prises en compte de manière exhaustive lors de la mise en oeuvre opérationnelle d'un modèle de qualité de l'air et des hypothèses simplificatrices sont réalisées afin de réduire le nombre d'espèces et de réactions chimiques considérées et optimiser ainsi les temps de calcul.

le dépôt humide (à faire)

la diffusion (à faire)

De la prise en compte de ces processus de production et de destruction des polluants résulte un système complexe d’équations aux dérivées partielles qui est résolu numériquement sur un ordinateur à l’aide d’un schéma numérique adapté au système à traiter.
La résolution numérique de ce système d’équations suppose la discrétisation spatiale du domaine tridimensionnelle étudié et la discrétisation temporelle de la période simulée.
A l’issue de cette discrétisation spatiale, le domaine étudié est représenté à l’aide d’une superposition tri dimensionnelle de cubes (appelés « mailles ») caractérisés par leur dimension géométrique (dite « résolution spatiale »). Cette discrétisation définie la grille (ou maillage) du domaine. Le choix de la résolution spatiale dépend essentiellement de la taille du domaine considéré, des propriétés des polluants simulés (notamment de leurs durées de vie), des ressources informatiques (performances des ordinateurs) et des données d’entrée.
Le choix du pas de temps repose tout à la fois sur la discrétisation spatiale, la durée de la période simulée et, de la même façon, sur les ressources informatiques et les données d’entrée.

Compte tenu de ces discrétisations, les données d'entrée et les concentrations des polluants sont définies et calculées dans chacune des mailles de la grille du modèle. Elles correspondent à des moyennes qui seraient observées si un mélange parfait existait dans chaque maille.

Le modèle de chimie transport de la plate forme inter régionale ESMERALDA a été développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) du CNRS (IPSL). Ce modèle appelé CHIMERE simule les évolutions spatiales et temporelles des concentrations des polluants sur la base de données météorologiques issues du modèle MM5 alimenté par les données météorologiques AVN/NCEP, d'un inventaire inter-régional kilométrique des émissions des principaux polluants atmosphériques et de conditions aux limites issues du système national PREV'AIR.
La résolution spatiale est de 6 km sur le domaine inter régional (441 x 468 km²) et de 3 km sur les zooms régionaux.
De nombreuses publications témoignent des performances du modèle CHIMERE et décrivent son fonctionnement dans le détail. Son évolution à l’échelle continentale constitue depuis l’été 2003 le cœur de la plate-forme nationale de prévision PREVAIR.

Il convient de préciser que les prévisions de la qualité de l’air présentées ici constituent des sorties brutes des outils numériques de modélisation et doivent donc être considérées comme telles. Elles sont entachées d’incertitudes liées à l’état des connaissances scientifiques dans le domaine de la qualité de l’air ainsi qu’à la qualité des données d’entrée (inventaires des  émissions, données météorologiques, conditions aux limites) nécessaires aux fonctionnements des outils numériques.

Ces sorties brutes des outils de modélisation sont corrigées à l’aide des données observées sur les stations du domaine inter régional lors de la réalisation de l’indice cartographié de la qualité de l’air.