La modélisation du climat urbain

Afin de pouvoir étudier et comprendre l’évolution du climat urbain, il est nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques. Les modèles urbains sont nombreux et afin de mieux les comparer,Masson(2006) les a classés en trois catégories principales. Plus récemment,Grimmond et al. (2010) ont affiné ces subdivisions en fonction de la géométrie et du degré de complexité

des processus pris en compte dans les modèles. On peut alors distinguer :

• les modèles empiriques,

• les modèlesslab ou modèles de végétation ’adaptés’,

• les modèles de canopée urbaine.

Les modèles empiriques

Ce sont les premiers modèles qui sont apparus. Ainsi, Oke (1973) établit dès les années 1970 une relation statistique entre la population des villes nord-américaines et l’intensité de l’îlot de chaleur urbain. Par la suite, il reliera cette intensité au rapport d’aspect (i.e. rapport entre la hauteur des bâtiments et la largeur des rues) de l’hyper-centre des villes considérées (Oke, 1981). Ces modèles statistiques se sont ensuite complexifiés afin de modéliser les flux d’échange de chaleur et de stockage dans les environnements urbains (Oke and Cleugh,1987;Grimmond and Oke,2002).

Ce type d’approche permet d’utiliser des schémas extrêmement simples. Cependant, puisque les paramétrisations statistiques sont basées sur des données observées, celles-ci sont limitées dans leur utilisation aux conditions météorologiques d’observation et ne peuvent être universelles. Ces types de modèles ne sont donc pas pertinents dans un contexte d’étude climatique régionale.

Les modèles slab

Cette approche consiste à adapter un modèle de Transfert Sol-Végétation-Atmosphère (SVAT) au comportement spécifique des environnements urbains. Les modifications appliquées unique-ment aux points de grille comportant des zones urbaines peuvent inclure tout ou partie des adaptations suivantes : une augmentation de la longueur de rugosité et/ou l’ajout d’un coeffi-cient de traînée (pour augmenter le mélange turbulent et diminuer la vitesse des écoulements), une modification des capacités calorifiques et conductivités thermiques des sols associée à une diminution de l’albédo (les surfaces urbaines stockant plus d’énergie que les surfaces naturelles), une modification du réservoir d’eau (les surfaces imperméables étant moins poreuses), l’ajout d’un flux de chaleur anthropique.

Ce type d’approche (Best,2005) est répandu dans les études climatiques. En effet, leur utilisation se justifie par leur coût de calcul très faible et la nécessaire perte d’information due à l’agréga-tion et l’interpolal’agréga-tion des paramètres de surface sur des grilles lâches (Taha,1999). Cependant puisque la ville est intégralement assimilée à un sol plat, la hauteur des bâtiments ainsi que les différences de températures entre la route et les bâtiments ne sont pas pris en compte. Ces modèles ne décrivent donc pas les processus fondamentaux qui permettent aux zones urbaines de modifier le climat local tels que le piégeage radiatif, l’effet dynamique ou l’inertie thermique (Piringer et al.,2002).

Les modèles de canopée urbaine

Plusieurs études ont souligné l’importance d’implémenter une paramétrisation précise des échanges urbains afin d’améliorer les performances des modèles numériques de méso-échelles (Flagg and Taylor, 2011; Chen et al., 2011). Des modèles spécifiques appelés modèles de canopée urbaine ont vu le jour. Ils représentent les bâtiments avec une forme 3D et traitent séparément les toits, les murs et les routes. Ce sont des modèles à base physique qui capturent l’essentiel du transport complexe d’énergie à l’intérieur de la canopée urbaine et représentent les échanges turbulents avec l’atmosphère. L’écoulement de l’air dans la canopée urbaine est simulé à partir de coeffi-cient de traînée propre aux bâtiments et à la route. Les échanges de chaleur et d’humidité sont calculés distinctement pour les toits, les murs et les routes tandis que les réflexions des flux radiatifs entre ces surfaces sont explicitement modélisées.

On peut néanmoins différencier deux niveaux de sophistication dans la représentation du volume d’air dans la rue (voir Figure 1.8) :

• Les modèles à une couche (Masson, 2000; Kusaka et al., 2001; Oleson et al., 2008) sont centrés sur le bilan d’énergie de la canopée urbaine et sont utilisés comme la condition aux limites pour la surface dans les modèles atmosphériques. Une température de l’air unique est attribuée au volume entier du canyon.

• Les modèles multi-couches (Martilli et al., 2002; Kondo et al., 2005; Hamdi and Masson, 2008) sont généralement inclus dans les premiers niveaux atmosphériques. En plus de représenter le bilan d’énergie, ils ont pour but de modéliser l’écoulement dynamique et les interactions avec les bâtiments. Une discrétisation pronostique des couches d’air dans le canyon est alors utilisée.

Figure 1.8: Schéma représentant les modèles à une couche (gauche) et les modèles multi-couches

(droite). Source : Masson (2006)

Malgré des hypothèses simplificatrices dans la description de la géométrie complexe de la ville, ces modèles, qui se concentrent sur les bilans d’énergie et la résolution de la dynamique dans les basses couches urbaines, sont performants dans le calcul de la température de surface moyenne et du bilan d’énergie moyen de la canopée urbaine servant de conditions aux limites pour les modèles atmosphériques de méso-échelle. Cependant,Grimmond et al.(2010,2011) ont

mis en évidence la mauvaise représentation de la dynamique du bilan d’eau et de chaleur latente à cause d’une absence de processus hydrologique ou d’une trop simple modélisation hydrologique dans la plupart des modèles. Des améliorations ont été récemment proposées par la communauté scientifique avec la prise en compte d’une végétation interactive dans l’environnement urbain (Lee and Park, 2008; Krayenhoff, 2015; Redon et al., 2017) et le développement de modèles hydrologiques dédiés aux zones urbaines (Wang et al.,2013).

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