Les couches verticales des échelles spatiales :

La couche de la canopée urbaine est située entre le sol et le sommet des obstacles situés sur une surface. Sa hauteur est équivalente à la hauteur moyenne des éléments de rugosité tels que les bâtiments et les arbres. Les effets microclimatiques auront lieu à travers cette couche. La magnitude du microclimat urbain et de la vitesse du vent et sa stabilité conditionnent le passage d’effets microclimatiques à ceux de l’échelle locale.

L’échelle microclimatique L’échelle locale

L’échelle régionale

53

Ces effets s’étendent verticalement, de la canopée urbaine vers une couche appelée la sous- couche rugueuse qui commence au niveau des toits et atteint une hauteur où la canopée n’a plus d’effet sur la couche de l’échelle méso.

La rugosité à l’échelle de la ville et la stabilité des conditions atmosphériques affectent une autre couche appelée la couche limite urbaine, située au-dessus des deux autres, et à son tour est influencée par la surface urbaine.

Au-delà de cette couche on se retrouve dans les mêmes conditions climatiques que celles d’un

site rural non influencé par les conditions de rugosité103, c’est à dire celles de la couche limite

atmosphérique.

Figure 17: Représentation schématique des échelles climatiques et des couches verticales dans une surface urbaine.

Source : Time OKE 104, Elaboré par l’auteur.

103 _{Benzerzour, M. (2004). Transformations urbaines et variations du microclimat : application au centre ancien}

de Nantes et proposition d'un indicateur "morpho -climatique", thèse de Doctorat, Université de Nantes, p83.

104

Oke, T. R., & Cleugh, H. A. (1987). Urban heat storage derived as energy balance residuals . Boundary-Layer

54

- La canopée urbaine : c’est une couche qui correspond à la hauteur moyenne de bâtiments qui font obstacle à l’´écoulement d’air dans le tissu urbain intégrant le sol urbain (rue, espaces verts), les structures bâties (bâtiments, îlot ou quartier) et les espaces ouverts (cours ou places publiques).

A travers cette couche, les mouvements d’air sont souvent très perturbés par l'interaction des paramètres microclimatiques avec les structures urbaines, elle est traitée à une échelle micro. - La couche de surface : cette couche s’étend sur plusieurs dizaines de mètres au- dessus des bâtiments et se décompose en deux sous-couches d’écoulement:

 La sous-couche inertielle qui se caractérise par l'homogénéité des flux turbulents

verticaux et dépend essentiellement de la vitesse de frottement et de la hauteur des bâtiments105.

 La sous-couche rugueuse se situe à proximité immédiate de la surface et son épaisseur

varie entre 1,5 et 3,5 fois la hauteur des bâtiments environnants106 .

- La couche limite urbaine (CLU) : située au-dessus de la canopée urbaine, elle fait partie de la couche limite atmosphérique (CLA) et son épaisseur est très variable puisqu’ elle dépend de la rugosité du site.

A travers cette couche, les transferts d´énergie entre la surface et l’atmosphère auront lieu et causent des modifications qui sont d’une échelle locale au niveau d’un ensemble urbain. Ces changements climatiques sont généralement identiques dans la zone étudiée et elles varient en fonction du changement de la typologie urbaine.

Sa valeur est nulle en zones rurales.

Elle se traite dans une échelle locale comme une échelle méso107.

- La couche limite atmosphérique (CLA): Cette couche est associée à l’échelle méso- climatique.

Pendant le cycle diurne, son épaisseur présente une forte variation, de 1 à 2 km, en fonction de la rugosité des sols, de l’ensoleillement et de la saison. Pendant le cycle nocturne, elle varie

entre 100 et 300 m, en fonction du vent et du refroidissement en surface108.

105

Taha H, Bornstein, R. (1999). "Urbanization of meteorological models and implications on simulated heat islands and air quality". Proc. Int. Conf. on Urban Climatology (ICB-ICUC ’99), Sydney, Australia, Macquarie University, 431–435.

106

Rotach, M. (2000). "Review of atmospheric turbulence over cities". Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 126, 941– 990.

107 _{Bourbia, F. Building cluster and shading in hot dry climate. Thèse de Doctorat. University of reading.}

1999.p10.

108 _{CNRM. Description de la couche limite atmosphérique, version numérique, 2010. Centre National de}

Recherches météorologiques. Disponible sous le lien http://www.cnrm-game.fr [Dernière visite le 11 janvier

55

2.4. Le canyon urbain :

La surface urbaine se caractérise par le vide entre les bâtiments qui produisent des effets physiques spécifiques et ont des répercussions considérables à l’échelle locale et microclimatique.

A travers ces vides, le phénomène de canyon urbain se manifeste par l’effet de piégeage radiatif et de stagnation de l’air qui concerne à la fois les rayonnements solaires et les rayonnements de grande longueur d’onde provenant du sol en direction de l’atmosphère.

Figure 18: Canyon urbain.

Source : Manuel NUNEZ109. Traité par l’auteur.

Le concept de piégeage radiatif consiste en la réflexion des rayonnements reçus par une surface vers d’autres surfaces voisines avant de se diriger vers l’atmosphère. (Figure 19. b)

Figure 19: Différents échanges radiatifs à travers une surface.

Source : Time OKE110.

109

Nunez. M, Oke T.R. (1977). The energy balance of an urban canyon, journal of applied meteorology, 16 :11- 19. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1977)016%3C0011:TEBOA U%3E2.0.CO;2.

56

De ce fait l’albédo des surfaces est réduit à cause de l’augmentation de l’absorption des rayonnements, et les émissions thermiques par le sol sont aussi réduites par la réduction du facteur de vue du ciel du fait que le ciel est obstrué par d’autres faces du canyon.

La température des espaces urbains limités par des constructions est augmentée par le piégeage des rayonnements solaires pendant le jour, et pendant la nuit les émissions

thermiques par le sol réduisent le refroidissement des surfaces et du sol111, voir l’espace par

conséquent.

Quant à l’écoulement du vent à travers ces espaces, il apporte des modifications microclimatiques. La hauteur des bâtiments et la distance qui les sépare conditionnent la configuration des mouvements d’air.

En climatologie urbaine, la ville est le plus souvent assimilée à des profils types canyons, définis par le paramètre hauteur (H)/largeur (L) du canyon.

3. L’ilot de chaleur urbain :

L’effet d’îlot de chaleur urbain est un phénomène largement étudié dans le cadre de la climatologie urbaine. Il est l’élément principal du microclimat des villes.

Le climat dans la ville se différencie de celui de sa périphérie112, en raison de la géométrie des

villes, des matériaux utilisés et des sources de chaleur artificielles qui contribuent à créer un

microclimat particulier113.

L’expression îlot de chaleur urbain caractérise un secteur urbanisé où les températures de l’air

et des surfaces sont souvent supérieures à celles de la périphérie rurale114.

Donc ce phénomène va accentuer le réchauffement climatique et aggraver les épisodes de canicules.

Certaines recherches ont montré que le phénomène d’îlot de chaleur urbain se présente sous

différentes formes dans les différentes saisons115. S. R. Gaffin et ses collaborateurs ont

effectué une étude sur l’lot de chaleur urbain de New York et ont conclu de la saison d’été et

110

Oke, T. R., & Cleugh, H. A. (1987). Urban heat storage derived as energy balance residuals. Boundary-Layer

Meteorology, 39(3), 233–245, https://doi.org/10.1007/BF00116120.

111

Benzerzour, M. (2004). Transformations urbaines et variations du microclimat : application au centre ancien de Nantes et proposition d'un indicateur "morpho -climatique", thèse de Doctorat, Université de Nantes, p84.

112

Givoni, B. (1998). Climate considerations in building and urban design, John Wiley & Sons, New York.

113

Santamoris M. (2001). Energy and Climate in the Urban Built Environment, James & James, London.

114 _{Ait-ameur K. (2002). Characterization of the microclimate in urban p ublic spaces through the validation of a}

morpho-climatic indicator system, Design with the Environment, Proceedings of PLEA (Passive Low Energy

Architecture), pp. 305-311.

115 _{Hart, M. A., & Sailor, D. J. (2008). Quantifying the influence of land-use and surface characteristics on}

spatial variability in the urban heat island. Theoretical and Applied Climatology, 95(3-4), 397– 406. doi:10.1007/s00704-008-0017-5.

57

d’automne étaient les plus fortes en terme d’ilot de chaleur urbain et qu’il se prononce

différemment pendant la nuit et le jour116.

Figure 20: L’îlot de chaleur urbain.

Source : Emmanuel BOZONNET 117.

Ces écarts de température peuvent aller de 2°C à 12°C pour les grandes agglomérations. On mesure essentiellement ces écarts la nuit, ce qui signifie que les tissus urbains emmagasinent de la chaleur durant la journée mais ne la libèrent que très peu durant la nuit contrairement aux zones rurales118 .

116 _{Gaffin, S., Rosenzweig, C., Khanbilvardi, R. et al. (2008). Variations in New York city’s urban heat island}

strength over time and space. Theoretical and Applied Climatology, 94(1-2), 1–11. doi:10.1007/s00704-007- 0368-3

117

E. Bozonnet. (2005). Impact des microclimats urbains sur la demande énergétique des bâtiments cas des rues canyons. Thèse de doctorat, Université de Rochelle.

118

Pigeon, G., Lemonsu, A., Masson, V., & Hidalgo, J. (2008). De l’observation du microclimat urbain à la modélisation intégrée de la ville. La Météorologie, 8(62), 39. doi:10.4267/ 2042/19174.

58

Figure 21: Évolution de la température en deux points de Toulouse, le 25 février 2005

Source : Grégoire PIGEON e al.119.