État de l’art sur le Climat Urbain, les Îlots de Chaleur Urbains et leurs impacts
Avant-propos
Dans le domaine des géosciences, le climat est défini comme l’ensemble moyen des états de l’atmosphère et des conditions météorologiques d’une zone d’étude donnée. Là où la météorologie s’intéresse aux processus physiques, essentiellement atmosphériques, de temps courts (pouvant aller de la seconde jusqu’à quelques semaines), la science du climat, c.-à.-d. la climatologie, a pour but d’extraire un signal de fond moyen de la variabilité météorologique. Pour cela, la climatologie repose sur des temporalités beaucoup plus longues : l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) définit une « normale climatologique standard » comme étant « la période de 30 ans la plus récente dont la dernière année se termine par le chiffre 0 » (OMM, 2019). À l’instar de la météorologie, la climatologie recouvre toutes les échelles spatiales. Lorsqu’elle porte sur la planète toute entière on parle de climat global, et de climat régional lorsqu’elle se concentre sur un continent ou un pays. Ces différentes échelles sont influencées par des processus tout aussi multiples. Le climat global est animé par des processus de « grande échelle » dits synoptiques (plusieurs milliers de kilomètres), comme les cellules de circulation générale ou les courants océaniques. À l’échelle régionale, le climat est gouverné conjointement par les processus de grande échelle, mais également par des processus plus fins (d’une centaine de kilomètres) liés à la surface, comme les effets orographiques ou les brises de mer. La dernière échelle, la plus fine, est l’échelle locale qui couvre les processus allant d’une dizaine de kilomètres jusqu’à la centaine de mètres. Comme les échelles supérieures, elle est en partie influencée par les mouvements de l’atmosphère, mais avec cette fois un impact encore plus important de la surface.
Les spécificités des micro-climats (c.-à.-d. les climats locaux) sont en grande partie dues aux processus de surface. L’un des micro-climats les plus emblématiques est celui des zones urbaines dont les spécificités (décrites par la suite) sont très différentes des milieux naturels. Comme pour les climatologies des échelles citées précédemment, le climat urbain représente l’état moyen de l’atmosphère, cette fois pour une ville donnée, et est souvent caractérisé par opposition au climat local de l’environnement « naturel » environnant. Les premières observations documentées des différences de conditions climatologiques entre la ville et la campagne alentours ont été faites par Luke Howard entre 1806 et 1830 sur la ville de Londres au Royaume-Uni (Howard, 1833 résumé par Stewart, 2019). Dans son livre « The climate of London : deduced from meteorological observations made in the metropolis and at various places around it », l’auteur décrit une anomalie positive de la température de l’air entre la ville de Londres et sa campagne – phénomène qui sera par la suite appelé l’îlot de chaleur urbain (ICU ; présenté en section 1.2) – et propose les premières analyses des processus qui entrent en jeu dans ce que l’on nomme aujourd’hui la météorologie et la climatologie urbaines.
Depuis, la recherche s’est très largement développée, permettant de mieux comprendre les phénomènes physiques qui interviennent notamment dans l’établissement de l’ICU et dans sa variabilité spatio-temporelle, mais aussi qui interagissent avec la météorologie et avec le climat local (Arnfield, 2003). En outre, les scientifiques cherchent aussi à mieux appréhender les conséquences multiples sur les conditions de vie en ville, et les impacts et risques potentiels sur l’environnement local et les sociétés.
Processus de surface et interaction avec l’atmosphère
Spécificités du milieu urbain
L’environnement urbain est le résultat d’une transformation du milieu naturel par l’être humain liée au phénomène d’urbanisation (Douglas, 1983). Cette urbanisation s’accompagne d’une artificialisation des sols qui se fait en grande partie avec des matériaux ayant des propriétés radiatives, énergétiques et hydrologiques différentes de celles des milieux naturels (Oke, 1982). Les réflectances sont variables, selon les types de surfaces, leurs couleurs et leurs matériaux (Taha, 1997). Les capacités de stockage de chaleur sont très souvent plus importantes pour les matériaux urbains en raison de leurs diffusivités thermiques plus élevées. Enfin, les matériaux sont principalement imperméables. Cette imperméabilisation, combinée à la faible densité de végétation, favorise le ruissellement de surface, et limite la quantité d’eau présente dans le sol ou en surface en milieu urbain.
Outre les propriétés particulières des matériaux qui lui sont associés, le milieu urbain tient aussi sa spécificité de sa géométrie très complexe (Nunez et Oke, 1977, figure 1.1). Il résulte d’un agencement hétérogène d’éléments différents qui composent le paysage. Cette morphologie particulière perturbe, comme on le verra par la suite, les écoulements d’air, la turbulence, ainsi que les échanges de rayonnement et d’énergie. Cette zone spécifique, où se jouent les processus clefs du micro-climat urbain, est appelée la couche de canopée urbaine (CCU). Elle s’étend de la surface jusqu’au sommet des bâtiments et intègre l’ensemble des éléments du paysage urbain et l’air ambiant. Elle tire son nom de l’influence que peuvent avoir les bâtiments sur les conditions en surface, par analogie aux effets d’une canopée forestière.
Bilan radiatif et bilan d’énergie
Les conditions climatiques locales en milieu urbain (comme dans tout autre type de milieu) sont très largement gouvernées par les échanges de rayonnement, d’énergie, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces et l’atmosphère (Dickinson, 1983). Les processus physiques et physiologiques, dont relèvent ces échanges et qui entrent en jeu classiquement dans un environnement naturel et végétalisé, sont modifiés en milieu urbain en raison des propriétés des surfaces et de la géométrie complexe de l’environnement (Oke, 1988).
Sur une surface naturelle plane idéalisée (c.-à-d. homogène et sans obstacles ; figure 1.2.a), le bilan d’énergie de surface (BES) s’exprime sous la forme :
Q∗ = QH + QE + QG (1.1)
— Q∗ est le rayonnement net toutes longueurs d’onde décrivant l’énergie absorbée par la surface ;
— QH et QE sont les flux turbulents de chaleur sensible et de chaleur latente, respectivement, qui traduisent les échanges d’énergie liés au transfert de chaleur sensible entre la surface et l’atmosphère et au changement de phase de l’eau liquide en vapeur d’eau depuis le sol vers l’atmosphère (ou inversement) ;
— QG est le flux de chaleur dans le sol qui transfère de la chaleur sensible par conduction sous la surface selon le gradient de température dans le sol.
Le terme Q∗ , qui constitue l’énergie nette disponible pour le système, résulte du bilan radiatif en surface, à savoir la différence entre les rayonnements de courtes et longues longueurs d’onde reçus par la surface (SW ↓ et LW ↓, respectivement) et montants, c.-à-d. réfléchis et émis par la surface vers l’atmosphère (SW ↑ et LW ↑) :
Q∗ = SW ↓ +LW ↓ −(SW ↑ +LW ↑) (1.2)
En milieu urbain, le BES des différentes surfaces prises indépendamment les unes des autres (murs, toits, routes, etc.) s’exprime comme celui d’une surface naturelle, si ce n’est que les propriétés radiatives et énergétiques des matériaux diffèrent. Toutefois, le bilan d’énergie d’un milieu urbain complet (par exemple, à l’échelle d’un quartier homogène) n’est pas la somme des BES de ses surfaces constituantes mais s’exprime pour un volume idéalisé (figure 1.2.b) correspondant à une portion de la CCU contenant l’ensemble des éléments (bâtis ou non) et le volume d’air :
Q∗ + QF = QH + QE + ∆QS + ∆QA (1.3)
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Table des matières
Introduction
1 État de l’art sur le Climat Urbain, les Îlots de Chaleur Urbains et leurs impacts
Avant-propos
1.1 Processus de surface et interaction avec l’atmosphère
1.1.1 Spécificités du milieu urbain
1.1.2 Bilan radiatif et bilan d’énergie
1.1.3 Couche limite atmosphérique urbaine
1.2 Îlot de chaleur urbain
1.2.1 Îlot de chaleur de canopée urbaine
1.2.2 Îlot de chaleur urbain de surface
1.2.3 Facteurs de variabilité de l’îlot de chaleur urbain
1.3 Impacts environnementaux et sociétaux
1.3.1 La biosphère
1.3.2 L’hydrosphère
1.3.3 L’atmosphère
2 Modèles numériques et données utilisés
Avant-propos
2.1 Modélisation de la canopée urbaine avec TEB
2.1.1 Principe général et processus physiques
2.1.2 Développements du modèle adaptés aux études d’impacts
2.1.3 Configurations de modélisation et données d’entrée
2.2 Modélisation météorologique couplée et à haute résolution avec Meso–NH
2.3 Climatologie de référence d’épisodes d’îlot de chaleur urbain
2.3.1 Principe de la classification en types de temps spécifiques
2.3.2 Base de données de simulations urbaines à haute résolution
2.3.3 Application à la région parisienne
2.4 Projections climatiques régionales EURO–CORDEX
3 Climatologie urbaine et tendances climatiques sur la région parisienne
Avant-propos
3.1 Climatologie urbaine passée de la région parisienne
3.1.1 Résumé de l’article et informations complémentaires
3.1.2 Article
3.2 Changements climatiques attendus sur la région parisienne
3.2.1 Projections EURO–CORDEX futures sur la région parisienne
3.2.2 Évolution attendue des vagues de chaleur
3.3 Conclusion
4 Méthode de descente d’échelle statistico-dynamique pour études d’impacts en milieu urbain
Avant-propos
4.1 Introduction sur les méthodologies de descente d’échelle
4.2 Présentation de la descente d’échelle statistico-dynamique
4.2.1 Principe général
4.2.2 Attribution d’évènements passés analogues par analyse en types de temps
4.2.3 Spatialisation de l’effet urbain sur le signal climatique régional
4.3 Évaluation de la méthodologie pour la reconstruction des îlots de chaleur urbains
4.3.1 Principe et objectifs de l’évaluation
4.3.2 Résumé de l’article et informations complémentaires
4.3.3 Article
4.4 Préparation des données climatiques pour le modèle TEB
4.4.1 Données climatiques requises pour forcer TEB
4.4.2 Résolution temporelle des forçages atmosphériques
4.4.3 Niveau atmosphérique des forçages
4.5 Conclusion
Conclusion
