Différentiation de températures intérieures et extérieures par type d'appartements pendant une canicule à Paris

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Submitted on 6 Mar 2017

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Différentiation de températures intérieures et extérieures par type d’appartements pendant une

canicule à Paris

Laura Pinson, Anne Ruas, Valéry Masson

To cite this version:

Laura Pinson, Anne Ruas, Valéry Masson. Différentiation de températures intérieures et extérieures par type d’appartements pendant une canicule à Paris. AIC2016, 29e colloque de l’Association Inter- nationale de Climatologie, Jul 2016, Besancon, France. 14p. �hal-01483623�

DIFFERENTIATION DE TEMPERATURES INTERIEURES ET EXTERIEURES PAR TYPE D’APPARTEMENTS PENDANT UNE

CANICULE A PARIS

PINSON L

, RUAS A

, MASSON V

1 IFSTTAR, laboratoire LISIS, Cité Descartes – 77447 Marne la vallée, laura.pinson@ifsttar.fr

2IFSTTAR, laboratoire LISIS, Cité Descartes – 77447 Marne la vallée,anne.ruas@ifsttar.fr

3Météo-France, laboratoire CNRM, Avenue Gaspard Coriolis – 31057 Toulouse, valery.masson@meteo.fr Résumé : Les villes sont en première ligne face aux effets du réchauffement climatique : celles situées le long des côtes ou sur les deltas feront face à l’augmentation de la montée des eaux et celles situées à l’intérieur des terres souffrent déjà de l’effet de l’îlot de chaleur urbain (ICUC). Cet effet est d’autant plus marqué et préjudiciable lors des périodes caniculaires comme celles qu’a connu la France en 2003, 2006, 2010 ou bien même en 2015. Des mesures réalisées pendant la canicule de 2015 sur Paris, dans le cadre du projet RepExtrem, ont mis en évidence par exemple les phénomènes d’accumulation et l’impact des configurations des appartements sur les températures intérieures et extérieures. Le modèle SURFEX est utilisé pour estimer les températures urbaines. Pour notre étude, les informations données par le modèle sont complétées par les campagnes de mesures afin de suivre l’évolution des températures dans la rue et dans des appartements types pour être en mesure de mieux estimer la dangerosité au fil des jours. L’objet de cette contribution est de présenter la vague de chaleur de 2015 par des cartographies différenciées spatialement et temporellement.

Mots-Clés : Canicule, représentation spatio-temporelle, assimilation, températures intérieures/extérieures Abstract: Differentiation of outside and inside temperatures by type of apartments during heat waves in Paris. Cities are on the front line enduring the consequences of global warming. Those located on the coast or on deltas will have to deal with the rise of the water level, while inlands towns already suffer from the Urban Heat Island (UHS) effect. This phenomenon is even more significant and detrimental during heat waves, as we have been able to observe in France in 2003, 2006, 2010 or 2015. The goal of the following article is to depict the 2015 heat wave through several cartographies differentiated both spatially and temporally. Measures realized during the heat wave of 2015 in Paris, in the RepExtrem project, highlighted for example the phenomena of accumulation and the impact of the configurations of apartments on the inside and outdoor temperatures. The SURFEX model is used to estimate urban temperatures. So for our study, the information given by the model is completed by measures of measures to follow the evolution of the temperatures in the street and in apartments type to be capable of estimating better the dangerousness in the course of days. The goal of the following article is to depict the 2015 heat wave through several cartographies differentiated both spatially and temporally.

Keywords: Heat wave, spatio-temporal representation, assimilation, indoor/outdoor temperatures

Introduction

Les projections climatiques, d’ici la fin du siècle, indiquent à la fois un réchauffement climatique global et une probable augmentation de la fréquence et de l’intensité d’événements extrêmes tels que les canicules, dans différentes régions du globe. Les conséquences de l’amplification des événements extrêmes et tout spécialement leurs impacts sur la ville vont être multiples et variées (Rosenzweig et Solecki, 2001) en termes de santé publique ou de pollution. Pour préparer les villes à ce changement, il est important de mieux comprendre les composantes spatiales et sanitaires des canicules afin d’élaborer des stratégies d’adaptation.

Cet article présente une proposition d’assimilation des données d’un modèle (SURFEX) et de

données capteurs en vue de mieux estimer les températures et leur variabilité dans le cœur

urbain de Paris. L’attention sera particulièrement focalisée sur la comparaison des

températures captées à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments. Cette recherche s’inscrit dans

le projet RepExtrem ( appel RDT du MEDDE) où nous souhaitons mieux cartographier la

canicule et sa dangerosité au niveau spatial et temporel.

1. Contexte et présentations des données météorologiques utilisées

1.1. Ilot de chaleur urbain

Les villes sont capables de transformer significativement les caractéristiques des basses couches de l’atmosphère avec lesquelles elles sont en contact. Elles donnent naissance à un microclimat, différent de celui que l’on peut observer dans les zones rurales et périphériques (Oke, 1987). Cet effet, additionné au taux d’humidité (plus faible en ville qu’à la campagne), devient critique pour le confort thermique à l’intérieur comme à l’extérieur des bâtiments.

Ainsi, l’îlot de chaleur urbain (ICU), processus majeur du climat urbain, s’ajoutera à une augmentation de l’intensité, de la durée et de la dangerosité des vagues de chaleur. Il est donc important de bien estimer les épisodes de canicules.

1.2. Risque caniculaire

En 2003, la France a connu une canicule exceptionnelle par son intensité, sa durée et son étendue spatiale. Les maximas quotidiens de température furent plus élevés de 2°C que les trois étés les plus chauds connus (1976, 1983 et 1994). A Paris, cette canicule a été caractérisée par des températures supérieures à 35°C pendant 9 jours, sans interruption (InVS, 2003). La France n’a pas été le seul pays touché, l’étendue de ce phénomène ayant été inaccoutumée, de nombreux autres pays européens ont été atteints dont l’Italie, l’Espagne, le Portugal. Ces caractéristiques ont eu des impacts sans équivoque sur la mortalité, mais de manière hétérogène selon les individus (les personnes âgées ont le plus souffert de la chaleur) et les lieux. Il est important de mieux cerner le phénomène de canicule en examinant les températures intérieures et extérieures des différents types d’appartements sur toute durée du phénomène. Cette meilleure connaissance des risques sanitaires permettra d’établir des recommandations visant à réduire la mortalité lors des prochains épisodes caniculaires.

1.3. Données SURFEX

La modélisation du climat urbain demande de coupler un modèle météorologique à des modèles de surface représentant les échanges thermiques des basses couches. Modéliser la surface et améliorer la représentation des interactions entre la surface et l’atmosphère ont une place importante dans les recherches du centre national de météorologie (CNRM). Le modèle SURFEX du CNRM intègre ainsi plusieurs surfaces spécifiques :

- les surfaces naturelles avec le modèle ISBA (Noilhan et Planton, 1989),

- l’urbain (échange entre la ville et l’atmosphère) avec le modèle TEB (Masson, 2000), - les lacs avec le modèle KLAKE (Mironov et al., 2010),

- les surfaces maritimes avec le modèle SEAFLUX (Gaspar et al., 1990).

Pour rendre disponible à un maximum d’applications ces divers modèles, les modèles météorologiques ont été externalisés et mutualisés. Ainsi SURFEX peut être couplé avec différents modèles météorologiques tel qu’AROME, ARPEGE-CLIMAT ou Meso-NH. Pour notre étude, SURFEX a été couplé avec le modèle météorologique de Meso-NH. SURFEX permet de calculer, entre autre, les températures estimées à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments sur des mailles pouvant aller aujourd’hui jusqu’à 250*250m, même si la plupart des calculs se font généralement avec des mailles plus grandes (1,4*1,4km).

1.4. Données issues des campagnes de mesures

Pour avoir une meilleure estimation et prédiction des températures et pouvoir différencier

les configurations, nous avons réalisé deux campagnes de mesures durant les étés 2014 et

2015. Nous présentons ici les seules mesures provenant de l’été 2015, bien plus chaud que

2014 et à tendance caniculaire en juillet. Le réseau, qui a fonctionné du 29 juin au 1

août, était composé de 21 capteurs de température Tinytag situés à l’intérieur et à l’extérieur de bâtiments au cœur de Paris. Chaque capteur enregistre deux mesures par heure ce qui permet d’étudier les vagues de chaleur, de jour, comme de nuit, par type d’appartement. Ces mesures nous permettent d’acquérir de nouvelles connaissances sur les températures intérieures et leurs variations. Ces données sont couplées au modèle SURFEX par assimilation afin de différentier les estimations par type d’appartement au cœur de Paris.

2. Méthodologie : un modèle de données pour le suivi des canicules

Afin de pouvoir estimer la dangerosité et insérer la notion de durée, un modèle conceptuel de données a été proposé (Figure 1). Ce diagramme intègre les deux types de données météorologiques utilisées et présentées en section précédente. Ces données représentent les températures intérieures et extérieures entre le 1

juillet et le 1

août, extrapolées à la maille de 250*250m (Maille-météo). La différentiation de la température intérieure et extérieure est importante dans les villes où la température intérieure, souvent sous évaluée, joue un rôle sanitaire primordial en période de canicule. Pour les données issues des capteurs, 5 types d’appartements ont été créés par analyses statistiques et bibliographiques (cf section 3).

Chacun est caractérisé par des attributs (Appart-type). La maille-météo-durée, contrairement à la maille-météo, représente une agrégation temporelle sur 8h, centrée sur les périodes les plus chaudes de jour (1pm-8pm heure solaire) et de nuit (1am-8am heure solaire). Afin de passer à la notion de dangerosité, la

de canicule, basé sur des seuils. Cette maille est primordiale puisqu’elle prend en compte la durée et les seuils de confort thermique. Par comparaison avec l’état précédent, on peut définir la canicule comme période ascendante, stagnante ou descendante. La

représente une agrégation spatiale de la

zones les plus exposées au risque caniculaire. Enfin

résume l’information afin de pourvoir comparer les canicules et les zones entre elles. L’historisation permettra d’avoir une vision d’ensemble sur la dynamique du phénomène et de son évolution.

Figure 1. Modèle conceptuel de données pour le suivi des canicules

Ce modèle de données permet la création d’une série de cartographies sur la visualisation

différenciée des températures (intérieures et extérieures) en fonction des configurations

spatiales (type d’appartement), du temps et de la durée.

3. Résultats : différentiation des températures

3.1. Différenciation spatiale par type d’appartement

Qualifier et quantifier les variations de températures permet de montrer une différenciation dans les comportements thermiques en fonction du type d’appartement. Ainsi, à partir d’analyses bibliographiques et de données mesurées, nous avons créé 5 types d’appartement, basés sur différents critères tels que la ventilation et l’orientation, adaptés au cœur de Paris et qui mettent en valeur les variations de température:

- Type 1 ancien bâti <1850, rez-de-chaussée, très peu ventilé, isolé, non ensoleillée.

- Type 2 bâti haussmannien, isolé et bien ventilé, 6

étage, orientation N/S

étage, orientation N

-

n’est pas dissociée par étage mais correspond à la température moyenne de l’ensemble du bâtiment. Il a une double exposition avec une orientation Nord/Sud.

Chaque type d’appartement a, par conséquent, une configuration spatiale mais aussi des caractéristiques thermiques spécifiques renvoyant à des cartographies de température très différentes. Si on regarde la figure 2 représentant les températures intérieures moyennées (13h-20h heure solaire) du 1

juillet 2015 au cœur de Paris, on constate de fortes différenciations spatiales en fonction des types d’appartements. De plus, les températures montrent des écarts de plus de 12°C entre les différents types d’appartement. Il est donc important de prendre en compte les configurations spatiales et thermiques des bâtiments. On constate que certains types ont des températures bien inférieures à celles estimées par SURFEX (type 6) ; c’est le cas des appartements de type 1 et 5. D’autres au contraire ont des températures intérieures sensiblement supérieures (type 2). Les températures du type 3 sont analogues aux sorties SURFEX.

Figure 2. Différenciations spatiales en fonction du type d’appartement au cœur de Paris

Afin de compléter cette analyse, la description des températures nocturnes est essentielle puisque le corps a besoin de températures plus fraiches la nuit pour récupérer. Les températures pendant la nuit descendent plus ou moins selon les capacités thermiques des bâtiments. Ainsi un appartement très chaud le jour mais bien ventilé peut mieux se rafraichir la nuit que des appartements moins chauds mais peu ventilés, à simple orientation. Pour comprendre ces phénomènes, les analyses doivent être faites sur la durée.

La durée est une composante essentielle pour étudier le risque caniculaire qui dépend

notamment du nombre de jours et nuits consécutives au dessus de certains seuils. Il est donc

important d’intégrer la notion de temporalité. On constatera d’ailleurs que chaque type

d’appartement ne passera pas en même temps au dessus du seuil de canicule (de 31°C de jour

et de 21°C de nuit, pour Paris) et ni restera pas la même durée.

3.2 Différenciation temporelle par type d’appartement

En intégrant la durée pour estimer la dangerosité de la canicule, on remarque que le ressenti et la durée varient selon le type d’appartement. Le vécu est différencié spatialement et temporellement (Figure 3). En effet, sur les 5 jours présentés ici, les températures intérieures associées au type 1 ne dépassent jamais le seuil des 30°C et sont en moyenne comprises entre 24 et 27°C. Le type 2, en opposition au type 1, présente des températures intérieures de jour très élevées, pouvant atteindre plus de 37°C sur 2 jours consécutifs et sont en moyenne comprises entre 34 et 37°C. Les types 3 et 4 sont similaires même si le type 4 a des températures légèrement plus chaudes surtout à partir du 3 juillet. Le type 3 est intermédiaire entre les types 2 et 4. Si on prend en considération la durée, on constate que c’est le type 2 qui est plus proche du modèle SURFEX surtout en période de forte chaleur, ce qui s’explique puisque les caractéristiques de ces 2 types sont proches.

Ainsi, par ces différentes cartographies, on constate, tant au niveau spatial que temporel, une différenciation

des comportements

thermiques par type d’appartements. Les mesures issues des capteurs mettent en évidence l’impact des configurations sur les températures intérieures.

Figure 3. Cartographie des températures intérieures par type d’appartements (de jour)

3.3 Différenciation des températures intérieures/extérieures

Les cartes de vigilance météorologique sur les risques caniculaires sont basées sur la prévision de dépassement de seuils. Ces seuils sont déterminés par l’analyse des chroniques climatologiques issues des stations météorologiques placées, majoritairement à l’extérieur des centres urbains. Elles ne prennent donc pas intégralement l’effet du microclimat urbain et de l’effet de l’ICU, à l’exemple de la station de Montsouris (dans Paris mais à son extrémité sud). Les sorties SURFEX, tout comme les mesures issues des campagnes de mesures, permettent une meilleure représentation des températures à l’intérieur d’un tissu urbain dense.

Une comparaison entre les températures intérieures et extérieures tant spatialement que temporellement est primordiale.

La figure 4, présente les températures intérieures et extérieures (moyennées 13-20h, heure

solaire) des sorties SURFEX, entre le 1

et le 7 juillet, avec un pas de 250*250m. On constate

que les températures intérieures fluctuent spatialement davantage (mais se différent, aussi,

avec une plus grande l’amplitude thermique) que les températures extérieures en raison

notamment de l’effet d’inertie thermique, important à prendre en considération. En effet, si les

températures extérieures baissent la nuit, cela ne signifie pas que les températures intérieures

subiront la même tendance. Au contraire, en raison de l’inertie thermique et des caractéristiques des bâtiments (matériaux, ventilation, etc), les températures ne vont pas diminuer mais rester stables, voire augmenter. Ce phénomène est encore plus visible après une journée de forte chaleur. Par exemple le 3 juillet, journée de forte chaleur, présente des températures de plus de 33°C sur la zone étudiée. Les températures intérieures sont par conséquent élevées. Cependant, avec l’effet de l’inertie thermique, même si le 4 juillet la température extérieure diminue de plusieurs degrés, la température intérieure, elle, va rester élevée voire localement sera plus chaude que les jours précédents. Cet exemple illustre l’importance de considérer aussi les températures intérieures et leurs fluctuations au cours du temps. L’effet est tout aussi marquant de nuit.

Figure 4. Cartographie des températures intérieures et extérieures du modèle SURFEX au cœur de Paris

Conclusion

Dans le cadre du projet RepExtrem, des représentations de la canicule de juillet 2015 sont proposées sur Paris. Elles sont obtenues par assimilation de mesures dans différents appartements et des données provenant du modèle SURFEX. Les premiers résultats en fonction du type d’appartement sont très éclairants. Ils montrent que des différences notables existent par rapport aux sorties SURFEX en fonction des types d’appartements, dont les répercussions se font sentir sur les températures aussi bien intérieures qu’extérieures. Les résultats montrent que la ville n’est pas un bloc homogène mais comporte des différences saisissantes en période de canicule selon la localisation, le type d’appartement et la durée. Les parcs urbains mais aussi la Seine constituent de véritables îlots de fraicheur. Ces résultats confirment l’importance de considérer autant les températures extérieures qu’intérieures. Des tests sur la conception d’indices de dangerosité sont actuellement en cours afin de mieux identifier les hot-spot.

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