Etat de l’art des modélisations couplées climat régional / climat urbain

permet de représenter plus finement les processus de surface des zones urbaines désormais primor-diaux aux échelles spatiales appréhendées par les modèles de climat régionaux, mais aussi de mener des études d’impact à l’échelle régionale et de pouvoir étudier les rétroactions potentielles des villes sur le climat.

Lamptey et al. (2005) ont étudié, avec un RCM (MM5) à une résolution de 36 km et pour la période 1990-1995, les effets sur le climat de la modification de l’occupation des sols relative à l’ur-banisation et à l’agriculture. Ils ont mis en évidence des augmentations de 0.8°C (en été) et de 1.0°C (en hiver) des températures de l’air proche de la surface.

Plus récemment, Kusaka et al. (2012b) et Yang et al. (2016) ont étudié avec des RCMs (WRF) l’impact de l’urbanisation sur le stress thermique en climat futur à Tokyo et sur les températures et précipitations à Phoenix.Kusaka et al.(2012b) prévoient pour les mois d’août des années 2070-2079 une augmentation, par rapport aux années 2000, de 50 % des nuits chaudes (c’est-à-dire avec une température supérieure à 26°C). Yang et al.(2016) montrent une augmentation de la température minimale journalière mais n’ont pas trouvé de résultat significatif concernant une éventuelle modi-fication des précipitations.

et al. (2011) ont utilisé des RCMs pour évaluer le climat futur de la ville de Francfort. Leur ap-proche consiste à appliquer une méthode de descente d’échelle statistique ou dynamique aux sorties des RCMs afin de pouvoir forcer un modèle de surface à très fine résolution spatiale. Ainsi, bien qu’une partie de l’interaction entre la ville et l’atmosphère soit prise en compte, cette méthode reste centrée sur une ville particulière et ne traitent donc pas les échelles régionales.

Pour résoudre ce problème, Trusilova et al. (2008) ont utilisé le modèle de canopée urbaine TEB couplé au RCM COSMO sur l’Europe occidentale afin d’évaluer l’impact de l’urbanisation pour les mois de juillet et décembre sur la période 2000-2005. Ils ont comparé une expérience urbanisée à une expérience non urbanisée (entièrement végétalisée) et ont constaté que dans les plus grandes villes d’Europe occidentale, l’urbanisation entraîne une augmentation des précipitations (+8 % en hiver et +19 % en été). En outre, un changement de température minimale journalière est apparu au-delà de la délimitation des villes, soulignant un effet régional des villes sur leurs environnements respectifs (voir Figure 1.8). De la même manière, McCarthy et al. (2012) ont utilisé une modéli-sation climatique régionale pour évaluer l’impact du climat régional et du changement climatique sur l’îlot de chaleur urbain de Londres. Ils ont utilisé HadRM3 piloté par le Hadley Center GCM pour simuler le climat sur le Royaume-Uni à une résolution spatiale de 25 km au cours de la période passée 1970-1990 et de la période future 2040-2060. Ils ont constaté que l’ICU à Londres (de 2°C en été et 1°C en hiver) pourrait être affecté par une variation inférieure à 0.1°C à l’avenir.

Figure 1.8: Anomalies de la température minimale journalière entre l’expérience urbanisée et l’ex-périence non-urbanisée pour les mois de décembre (à gauche) et de juillet (à droite) dans l’étude de

Trusilova et al. (2008). Source : Trusilova et al.(2008).

On peut noter que les simulations climatiques dans ces études se concentrent sur une courte période, ou utilisent une résolution grossière (à l’échelle des phénomènes urbains). De plus, aucune de ces études n’étudie les besoins d’un modèle de canopée urbaine détaillée. Kusaka et al. (2012a) ont

abordé cette question et ils ont constaté que pour les mois d’août (2004-2007), la distribution des intensités de l’îlot de chaleur urbain à Tokyo est plus réaliste avec un modèle de canopée urbaine qu’avec un simple modèle slab.

Finalement, à l’échelle régionale, Hamdi et al. (2014b) ont également comparé pour 30 étés consé-cutifs l’apport du modèle de canopée urbaine TEB par rapport à un modèle slab. L’utilisation du modèle ALARO à 4km de résolution sur la période 1960-1990 a mis en lumière une augmentation des températures minimales et maximales de 0.4 °C avec l’utilisation du modèle TEB. Cette augmen-tation de température permet une meilleure représenaugmen-tation des îlots de chaleur urbains nocturnes et diurnes. Les études complémentaires en climat futur (scénario A1B) réalisées par Hamdi et al.

(2014b) etHamdi et al.(2015) montrent que les villes de Paris et Bruxelles devraient se réchauffer de plus de 1.5 °C d’ici 2050. Ces études concluent également que les îlots de chaleur urbains nocturnes associés à ces villes ne devraient pas être significativement modifiés mais que les intensités des ICU diurnes pourraient être limitées.

A la lecture des travaux mentionnés ci-dessus, l’étude des interactions entre les agglomérations urbaines et le climat ainsi que l’impact des villes aux échelles locales et régionales restent des ques-tions de recherche nouvelles. Cet état de l’art met en évidence le faible nombre d’études climatiques couplées traitant de ces problématiques. Les questions scientifiques abordées dans ce travail de thèse et présentées en introduction tenteront d’étayer les études déjà réalisées et de parfaire la connaissance du système ville-atmosphère. Ces travaux s’appuieront sur des simulations climatiques réalisées avec les modèles de climat régionaux ALADIN et AROME. Ces modèles présentent l’avantage de pouvoir être couplés à la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX. Cette plateforme permet en effet d’activer le modèle de canopée urbaine TEB pour une représentation explicite des villes, ce qui n’avait encore jamais été testé avant cette thèse pour des simulations climatiques avec ALADIN et AROME.

Présentation des modèles numériques

utilisés

Sommaire

2.1 Modèles de climat régionaux . . . . 29