Proposition de Sujet de thèse 2020
(1 page recto maximum) Laboratoire (et n° de l’unité) dans lequel se déroulera la thèse : CNRM - UMR 3589
Titre du sujet proposé :
Modélisation de l'évolution du climat urbain dans un contexte de changements globaux : le cas des villes françaises
Nom et statut (PR, DR, MCf, CR, …) du (des) responsable (s) de thèse (préciser si HDR) : Aude Lemonsu (CR CNRS, HDR)
Coordonnées (téléphone et e-mail) du (des) responsable(s) de thèse : Tel : 05 61 07 97 52 - Email : aude.lemonsu@meteo.fr
Contexte
Les villes constituent un enjeu important dans les études liées au changement climatique (CC).
Elles concentrent les populations et les activités anthropiques, et contribuent donc aux émissions de gaz à effet de serre à l’origine du réchauffement global. En outre, elles sont le siège d'un microclimat spécifique qui se traduit en particulier par l’îlot de chaleur urbain (ICU). L'ICU peut être significativement amplifié par les effets locaux du CC, notamment lors d’évènements extrêmes comme les canicules. Au cours du 21ème siècle, l’évolution combiné du climat global et des villes pourrait exacerber des problématiques déjà existantes de stress thermique pour les populations urbaines et de dépendance énergétique.
Dans ce contexte complexe de changements climatiques, de croissance démographique et d'expansion urbaine, on cherche ainsi à étudier les interactions entre les villes, le climat urbain et le climat régional, à qualifier les impacts sur les populations, et à préparer l'adaptation. On développe pour cela un cadre de modélisation climatique intégrée et à haute résolution. Sur la France, la thèse de Maxime Daniel (2017) avait déjà montré la pertinence d'activer le modèle de canopée urbaine TEB (Masson 2000) dans le modèle de climat régional ALADIN (12 km) pour traiter de façon explicite la rétroaction des villes sur le climat régional, et simuler des ICUs nocturnes plus réalistes. Plus récemment, le modèle à convection profonde résolue AROME permet d'atteindre la résolution de 2.5 km pour la modélisation climatique régionale à haute résolution (Fumière et al. 2019) et de raffiner encore les études urbaines (Lemonsu et al. 2019).
Résumé du sujet de la thèse
Le sujet de thèse s’inscrit dans la continuité de ce travail déjà en cours pour mener des études d'impacts sur les villes françaises.
1. Analyse du signal urbain sur les villes françaises dans les simulations climatiques AROME de référence
La première étape de la thèse sera dédiée à un premier diagnostic du climat urbain et de son évolution au cours du siècle à partir de simulations AROME de référence (configuration par défaut). Pour cela, l'étudiant exploitera et analysera les simulations AROME déjà réalisées dans le cadre du projet européen EUCP (European Climate Prediction system) sur un domaine centré sur la France et couvrant une partie de l'Europe de l'Ouest. Il s'agira de calculer pour les grandes villes françaises (voire européennes) des indicateurs de climat urbain - notamment d'ICU - sur la base des travaux de Le Roy et al. (2019). Le modèle sera évalué sur la période de contrôle par comparaison à de longues séries d'observation. On étudiera ensuite l'évolution de ces indicateurs avec le changement climatique, pour différentes périodes du 21è siècle et deux scénarios RCP4.5 et RCP8.5.
2. Amélioration de la configuration de modélisation AROME(TEB) pour le calcul de nouveaux indicateurs d'impacts
La configuration initiale d'AROME intègre une version "simple" du modèle urbain TEB (Masson 2000). Dans une seconde partie, on cherchera à passer à une version plus récente de TEB (Pigeon et al. 2014, Lemonsu et al. 2012) intégrant notamment un module d'énergétique du bâtiment. Cette configuration permettra de de compléter les diagnostics d'impacts, notamment en calculant des consommations d'énergie associées à l'usage du chauffage et de la climatisation, et des indices de confort thermique. Des premiers tests pourront d'abord être réalisés sur un domaine restreint (région parisienne) afin de valider la meilleure configuration de TEB, les bases de données urbaines en entrée, et les diagnostics de sortie.
3. Nouvelles études d'impacts sur les villes françaises dans un contexte de changement climatique et d'expansion urbaine
Aux changements climatiques s'ajoutent les dynamiques urbaines liées aux évolutions démographiques et au phénomène d'expansion urbaine, et qui peuvent elles-mêmes avoir un impact significatif sur le climat urbain et sur le climat régional. L'objectif final sera de traiter dans la configuration de modélisation climatique cette évolution des villes au cours du 21è siècle. On se basera pour cela sur des simulations d'expansion urbaine réalisées avec le modèle d'économie urbaine NEDUM (Viguié et al. 2014) en fonction des scénarios macroéconomiques et démographiques. Une autre option serait de travailler sur la base des scénarios proposés par Seto et al. sur le globe (2012). Ces projections devront être traduites en donnée d'entrée pour le modèle TEB et associées à des hypothèses sur l'évolution du bâti et des pratiques énergétiques.
On pourra alors réaliser de nouvelles simulations permettant d'évaluer l'impacts des changements globaux sur le climat des villes et les conditions environnementales des populations urbaines.
Nature du travail attendu et compétences souhaitées L'étudiant devra couvrir plusieurs aspects au cours de la thèse :
• Étude bibliographique sur les bases de données disponibles pour la prise en compte de l'évolution de l'occupation du sol et en particulier l'expansion urbaine, et réflexion sur les approches les plus pertinentes pour l'étude proposée.
• Travail de traitement et d'analyse de données de modèles de climat qui nécessite la prise en main des logiciels type Python ou R.
• Modélisation numérique à partir du modèle atmosphérique AROME, et modélisation du climat urbain avec le système de modélisation des surfaces continentales SURFEX (incluant le modèle urbain TEB).
L'étudiant doit avoir une formation en physique de l'atmosphère et/ou études des processus de surface et des interactions surface/atmosphère, ou en géographie physique avec une expertise en modélisation numérique. Il devra se familiariser avec la thématique urbaine, et se former plus spécifiquement aux outils de modélisation et de traitement des données utilisés en interne (formations SURFEX, R prévues au cours de la thèse).
Références bibliographiques
Daniel M (2017) Ville, climat urbain et changement climatique sur la France : étude des interactions et évaluation de stratégies d’adaptation par une approche de modélisation climatique couplée. Thèse de doctorat de l'Université de Toulouse.
Fumière Q, Déqué M, Nuissier O, Somot S, Alias A, Caillaud C, Laurantin O, Seity Y (2019). Extreme rainfall in Mediterranean France during the fall: added value of the CNRM-AROME Convection-Permitting Regional Climate Model. Climate Dynamics. https://doi.org/10.1007/s00382-019-04898-8.
Le Roy B,Lemonsu A, Kounkou-Arnaud R, Brion D, Masson V (2019) Long time series spatialized data for urban climatological studies : a case study of Paris, France. International Journal of Climatology,
https://doi.org/10.1002/joc.6414.
Lemonsu A, Le Roy B, Caillaud C (2019) High-resolution regional climate modelling with CNRM-AROME to study the urban climate of Paris (France) area and its evolution with climate change. International Conference on Regional Climate CORDEX 2019, Beijing (China).
Lemonsu A, Masson V, Shashua-Bar L, Erell E, Pearlmutter D (2012) Inclusion of vegetation in the Town Energy Balance model for modelling urban green areas. Geoscientific Model Development, 5:1377-1393.
Masson V., 2000 : A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric models, Bound.-Lay.
Meteorol., 94, 357-397.
Pigeon G, Zibouche K, Bueno B, Le Bras J, Masson V (2014) Evaluation of building energy simulations with the TEB model against EnergyPlus for a set of representative buildings in Paris. Energy and Buildings, 76:1-14.
Seto KC, Güneralp B, Hutyra LR (2012) Global Forecasts of Urban Expansion to 2030 and Direct Impacts on Biodiversity
and Carbon Pools. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (40):16083-88.
Viguié V, Hallegatte S, Rozenberg J (2014) Downscaling long term socio-economic scenarios at city scale: A case study on Paris. Technological Forecasting and Social Change, 87:305-324.
