Changement climatique sur la ville par descente d’échelle statistico-dynamique

Changement climatique sur la ville par descente d’échelle statistico-dynamique

 Modélisation de la canopée urbaine avec TEB 

Les modèles de canopée urbaine (UCM pour Urban Canopy Model) ont été développés pour représenter les échanges de surface spécifiques au milieu urbain, principalement pour la modélisation météorologique à méso-échelle (Masson, 2006) et plus récemment pour la modélisation climatique à haute résolution (Masson et al., 2020). Ces modèles sont des paramétrisations qui ne résolvent pas de façon explicite tous les éléments composant le paysage urbain mais se basent sur certaines hypothèses simplificatrices. Leur niveau de sophistication varie d’un modèle à l’autre, quant à la description de la complexité de la géométrie urbaine et la résolution des échanges turbulents à l’intérieur des rues et avec l’air au-dessus. En outre, ils n’ont pas tous le même niveau de détail dans la représentation des processus physiques (Grimmond et al., 2010, 2011) : prise en compte de la végétation urbaine, échanges en eau, comportement énergétique des bâtiments, etc. Le modèle de canopée urbaine utilisé dans cette thèse est le modèle TEB qui fait aujourd’hui référence dans la communauté scientifique sur le climat urbain. Ce modèle existe dans différentes versions plus ou moins sophistiquées selon les cadres d’applications. Il présente, en particulier, l’avantage d’intégrer un ensemble de processus assez complets, décrits plus en détail par la suite, permettant de réaliser des études d’impacts en milieu urbain relatives au confort thermique et à la consommation d’énergie. 

2.1.1 Principe général et processus physiques 

Le modèle TEB a été développé par Masson (2000) et constitue le premier modèle basé sur l’approche de « canyon urbain » (figure 2.1) en référence au concept développé par Nunez et Oke (1977). Un canyon urbain est défini par les toits, murs et sols séparant deux unités urbaines (p. ex. des bâtiments), et le volume d’air à l’intérieur de ce canyon qui s’étend jusqu’à la hauteur des bâtiments qui le composent. Dans sa version historique, TEB ne tient compte que des surfaces artificialisées, le canyon étant composé exclusivement de bâtiments et routes, sans végétation. Il utilise cette approche bidimensionnelle (2D) en décrivant les rues comme étant de longueur infinie sans intersection, sans orientation particulière (selon une hypothèse d’orientations équiprobables) et en paramétrant une couche d’air unique à l’intérieur du canyon. Au sein d’une maille numérique de calcul du modèle (pouvant couvrir des résolution horizontales variables, de quelques kilomètres à la centaine de mètres), le tissu urbain est représenté par ce canyon moyen décrit par des caractéristiques géométriques, c.-à-d. la densité bâtie, la hauteur moyenne des bâtiments et la densité surfacique de murs (c.-à-d. la quantité de surface de murs en contact avec l’atmosphère), des propriétés de conductivité thermique  Figure 2.1. Représentation schématique du canyon urbain tel qu’utilisé dans la version historique de TEB. Les températures (T) et contenus en eau (W) sont calculés pour trois types de surface : le toit (R), le mur (W) et la route (r). Source et détails supplémentaires : Masson (2000). et capacité calorifique des matériaux constitutifs des bâtiments et des routes, et des propriétés réflectives des facettes externes. Malgré une géométrie simplifiée, une telle approche permet de prendre en compte les processus clefs qui gouvernent le développement du micro-climat urbain, et en particulier de l’ICU. TEB résout un bilan radiatif séparé pour chaque surface (toit, route, mur) en considérant les effets d’ombrage liés à la géométrie du canyon, et les inter-réflexions du rayonnement entre les différentes facettes du canyon. Il résout également un bilan d’énergie séparé par surface, ainsi qu’une équation d’évolution de la température pour les couches de matériaux constituant le toit, la route, et les murs, en fonction du bilan d’énergie en surface et des échanges de chaleur par conduction dans les matériaux. TEB traite également les échanges en eau en surface, en considérant une capacité d’interception des routes et des toits de l’eau issue des précipitations. Enfin, les conditions micro-climatiques de température et humidité de l’air, et de vitesse de vent sont calculées dans la rue (au milieu du canyon) en fonction des contributions énergétiques des surfaces environnantes par échanges de chaleur et de vapeur d’eau, et de l’effet de traînée moyen des bâtiments sur l’écoulement. 

 Développements du modèle adaptés aux études d’impacts 

Depuis sa version initiale, TEB a connu un nombre important de développements visant à améliorer la modélisation de certains processus et ajouter de nouveaux modules pour une description plus complète du fonctionnement de la canopée urbaine. Ces avancées ont été motivées, en grande partie, par des projets de recherche antérieurs  pour évaluer des stratégies d’aménagement et d’adaptation des villes sur la base de diagnostics adaptés et d’indicateurs d’impacts. La liste de ces développements est présentée dans le tableau 2.1, par thématiques. En particulier, deux sujets majeurs ont été traités : Représentation plus réaliste des systèmes végétaux en milieu urbain – Le nouveau module de végétation permet de représenter les interactions à fine échelle entre différents types de végétation urbaine et le bâti alentour, alors qu’à l’origine les deux types de surfaces étaient traitées de manière séparée (approche par « mosaïque », figure 2.2.a). Le but est de pouvoir étudier la réponse des conditions micro-climatiques du canyon sous l’influence de la végétation (e.g. ombrage des arbres de rues, ou rafraîchissement par évapotranspiration des végétaux). Ces développements ont permis d’étudier et évaluer des stratégies de végétalisation de l’espace urbain, à l’échelle de la ville, et les effets sur le confort, la demande énergétique et la ressource en eau (Daniel et al., 2018 ; De Munck et al., 2018a). Fonctionnement énergétique des bâtiments – Le module d’énergétique du bâtiment (BEM) a été implémenté dans TEB pour tenir compte de la façon dont les conditions météorologiques extérieures peuvent influer sur la température à l’intérieur des bâtiments, que ce soit directement en fonction de la température de l’air dans le canyon mais également en fonction du rayonnement incident par l’ajout de surfaces vitrées (figure 2.3). De plus, BEM simule le fonctionnement de systèmes de chauffage et de climatisation dans le bâtiment, en intégrant certaines hypothèses sur les comportements humains (choix des températures de consigne, calendriers d’usage etc.) (Schoetter et al., 2017). Ce module produit des diagnostics de consommations énergétiques liées à ces différents systèmes, et simule également leur impact sur les conditions extérieures par rejet de chaleur dans le canyon (p. ex. en période de vague de chaleur ; projet VURCA ; Viguie et al., 2020). 

Table des matières

Introduction
1 État de l’art sur le Climat Urbain, les Îlots de Chaleur Urbains et leurs impacts
Avant-propos
1.1 Processus de surface et interaction avec l’atmosphère
1.1.1 Spécificités du milieu urbain
1.1.2 Bilan radiatif et bilan d’énergie
1.1.3 Couche limite atmosphérique urbaine
1.2 Îlot de chaleur urbain
1.2.1 Îlot de chaleur de canopée urbaine
1.2.2 Îlot de chaleur urbain de surface
1.2.3 Facteurs de variabilité de l’îlot de chaleur urbain .
1.3 Impacts environnementaux et sociétaux
1.3.1 La biosphère
1.3.2 L’hydrosphère
1.3.3 L’atmosphère
2 Modèles numériques et données utilisés
Avant-propos
2.1 Modélisation de la canopée urbaine avec TEB
2.1.1 Principe général et processus physiques
2.1.2 Développements du modèle adaptés aux études d’impacts
2.1.3 Configurations de modélisation et données d’entrée .
2.2 Modélisation météorologique couplée et à haute résolution avec Meso–NH
2.3 Climatologie de référence d’épisodes d’îlot de chaleur urbain
2.3.1 Principe de la classification en types de temps spécifiques
2.3.2 Base de données de simulations urbaines à haute résolution .
2.3.3 Application à la région parisienne
2.4 Projections climatiques régionales EURO–CORDEX .
3 Climatologie urbaine et tendances climatiques sur la région parisienne
Avant-propos
3.1 Climatologie urbaine passée de la région parisienne
3.1.1 Résumé de l’article et informations complémentaires
3.1.2 Article
3.2 Changements climatiques attendus sur la région parisienne
3.2.1 Projections EURO–CORDEX futures sur la région parisienne
3.2.2 Évolution attendue des vagues de chaleur
3.3 Conclusion
4 Méthode de descente d’échelle statistico-dynamique pour études d’impacts en milieu urbain
Avant-propos
4.1 Introduction sur les méthodologies de descente d’échelle
4.2 Présentation de la descente d’échelle statistico-dynamique
4.2.1 Principe général
4.2.2 Attribution d’évènements passés analogues par analyse en types de temps
4.2.3 Spatialisation de l’effet urbain sur le signal climatique régional . 81
4.3 Évaluation de la méthodologie pour la reconstruction des îlots de chaleur urbains
4.3.1 Principe et objectifs de l’évaluation
4.3.2 Résumé de l’article et informations complémentaires
4.3.3 Article
4.4 Préparation des données climatiques pour le modèle TEB
4.4.1 Données climatiques requises pour forcer TEB
4.4.2 Résolution temporelle des forçages atmosphériques
4.4.3 Niveau atmosphérique des forçages
4.5 Conclusion
5 Évaluation des apports de la méthode de descente d’échelle statistico-dynamique pour des études d’impacts sur la ville de Paris
Avant-propos
5.1 Présentation des configurations des différentes expériences
5.1.1 Projection climatique CNRM–CM5/ALADIN63
5.1.2 Description des différents jeux de forçages atmosphériques
5.1.3 Caractéristiques de la configuration SURFEX (TEB)
5.1.4 Choix des indicateurs d’impacts
5.2 Évaluation des températures et des îlots de chaleur urbains selon SDD
5.2.1 Températures et îlots de chaleur urbains nocturnes
5.2.2 Températures et îlots de chaleur urbains diurnes
5.3 Sensibilité des résultats aux configurations de forçage
5.3.1 Différences de conditions de forçage atmosphérique
5.3.2 Températures et îlots de chaleur urbains
5.3.3 Indicateurs d’impacts
5.4 Évolution de l’impact du climat urbain parisien en changement climatique
5.4.1 Températures et îlots de chaleur urbains
5.4.2 Confort thermique des habitants (UTCI)
5.4.3 Consommation d’énergie
5.5 Conclusion
Conclusions et perspectives
Sigles et acronymes
Bibliographie
Table des figures
Table des tableaux
Annexes
A Types de temps spécifiques et simulations urbaines à haute résolution
A.1 Sélection des jours à simuler avec Meso-NH pour chaque type de temps spécifique
A.2 Caractéristiques moyennes des types de temps spécifiques parisiens
B Distributions saisonnières des températures simulées par SURFEX
C Correction des biais des modèles régionaux de climat

projet fin d'etudeTélécharger le document complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *