Modélisation et simulation des microclimats urbains

La morphologie urbaine et son impact sur l’atmosphère locale

Qu’est-ce qu’une morphologie urbaine ?

Le CERTU3 définit la morphologie urbaine comme étant le résultat des conditions historiques, politiques, culturelles et plus particulièrement architecturales dans lesquelles la ville a été créée et s’est agrandie. Elle est le fruit d’une évolution spontanée ou planifiée par la volonté des pouvoirs publics. Les notions voisines de « structure urbaine » et de « forme urbaine » ne sont pas toujours claires et les définitions varient souvent d’un auteur à l’autre. 3 Centre d’Etude sur les Réseaux, les Transports, l’Urbanisme et les constructions publiques. La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur Selon Lévy (2005), l’objet principal de la morphologie est de permettre la lecture de la ville en comprenant l’évolution de la forme urbaine. Cette dernière constitue un objet d’étude construit à partir d’une hypothèse de définition, d’une représentation et d’un point de vue sur la forme. Selon Lévy (2005), la forme urbaine est une notion polymorphe qui peut être saisie de différents aspects selon le point de vue pris par chaque urbaniste et la définition adoptée. En croisant les différents points de vue, Lévy (2005) a distingué cinq approches ou registres de la forme urbaine présentés ci-dessous. – L’approche de la forme urbaine comme forme des paysages urbains, pour laquelle l’espace urbain est saisi visuellement (couleur, style, etc.) dans sa tridimensionnalité (volumétrie et gabarits) et dans son style architectural (mouvement moderne ou hightech par exemple) (Lynch, 1960 ; Castex et al., 1980). – L’approche de la forme urbaine comme forme sociale, pour laquelle l’espace urbain est étudié dans son occupation par les divers groupes sociaux, démographiques, ethniques ou religieux (Grafmeyer et Joseph, 1984 ; Roncayolo, 1996). – L’approche de la forme urbaine comme forme des tissus urbains, qui consiste à étudier les corrélations entre les éléments composant l’espace urbain (parcellaire, voiries, rapport espaces libres/espaces bâtis et morphologie des îlots par exemple) (Panerai et langé, 2001). – L’approche de la forme urbaine comme forme des tracés (Pinon, 1994 ; Lévy, 1996). Cette approche renvoie à la forme géométrique du plan de la ville (plan organique, plan en damier ou plan radioconcentrique par exemple). – L’approche de la forme urbaine comme forme bioclimatique, pour laquelle la forme urbaine est traitée dans sa dimension environnementale, comme microclimat urbain, tant dans ses variations géographiques par quartier, que dans sa diversité liée aux types de tissu (ouvert, fermé, vertical), selon l’orientation (héliothermique), selon le site (eau, relief, végétation) (Escourrou, 1980 ; Escourrou, 1991) L’approche bioclimatique a conduit à un important débat sur les formes urbaines du futur (formes étalée ou compacte) initié autour de l’enjeu du développement durable, du surcroît de la consommation d’énergie et ses conséquences sur le climat et récemment avec l’optimisation des ambiances physiques dans les espaces urbains. Selon Lévy (2005), elle est en étroite relation avec les autres approches, notamment celle des tissus urbains. En effet, Les éléments composant les formes des tissus urbains et des tracés agissent comme des facteurs de variation du microclimat urbain et induisent une distribution fluctuante des paramètres de confort (température de l’air, vitesse du vent et rayonnement incident par exemple). La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur .La couche limite urbaine A l’échelle de la ville, l’interaction entre la forme urbaine et le climat produit différentes échelles de couches d’air superposées dans l’atmosphère. La stabilité de ces couches dépend de la stratification thermique. La couche limite de surface Cette couche s’étend sur plusieurs dizaines de mètres au-dessus des bâtiments et se décompose en deux sous-couches d’écoulement (Figure I. 1): la sous-couche inertielle et la sous-couche de rugosité. La première se caractérise par l’homogénéité des flux turbulents verticaux et dépend essentiellement de la vitesse de frottement et de la hauteur des bâtiments (Taha, 2000). Quant à la sous-couche de rugosité, elle se situe à proximité immédiate de la surface et son épaisseur varie entre 1,5 et 3,5 fois la hauteur des bâtiments environnants (Rotach, 2000). La canopée urbaine La canopée urbaine (Figure I. 1) correspond à l’échelle d’étude considérée dans notre travail. Cette échelle fait référence au tissu urbain intégrant le sol urbain (rue, espaces verts), les structures bâties (bâtiments, îlot ou quartier) et les espaces ouverts (cours ou places publiques). Elle est souvent très perturbée, en raison des mouvements turbulents engendrés par l’interaction des paramètres micro-météorologiques avec les structures urbaines. Figure I. 1 Répartition verticale des différentes couches de circulation d’air au-dessus d’un milieu urbain (Rotach, 2000). La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur

L’influence de la morphologie urbaine sur le microclimat

Le bilan énergétique urbain A l’échelle urbaine, la diversité des formes urbaines et celle des propriétés physiques des revêtements de surface rendent difficile le calcul du bilan d’énergie. Le bilan énergétique d’une surface urbaine est égal à la somme algébrique des flux énergétiques qu’elle échange avec son environnement. Ainsi, l’équation du bilan énergétique d’une surface urbaine (Figure I. 2 à droite) peut s’écrire en termes de flux (W/m²) (Oke, 1988 ; Arnfield et Grimmond, 1998 ; Masson et al., 2002) : (I .1) où est le bilan radiatif appelé aussi le rayonnement net, est le flux de chaleur anthropique, et correspondent respectivement aux flux turbulents de chaleur sensible et latente, est le stockage de chaleur et est le terme advectif. Ce dernier est souvent négligé à cause d’une part de la difficulté liée à sa mesure et d’autre part à sa valeur relativement faible à l’échelle urbaine (Eliasson et al., 1999). Ces différents flux sont explicités dans ce qui suit. Figure I. 2 A gauche : Bilan énergétique du quartier Tacubaya à Mexico pour 25 jours (du 3 Février au 31 Mars 1985) (Grimmond et al.,1991). A droite : Représentation des différents flux du bilan énergétique dans le milieu urbain (Oke, 1987).

Le bilan radiatif

Dans le bilan énergétique urbain, les échanges radiatifs représentent la composante la plus importante en valeur absolue (Figure I. 2 à gauche). Le bilan radiatif d’une surface urbaine représente la somme des flux solaires (direct, diffus et réfléchi) et infrarouge en provenance du ciel absorbés par la surface, à laquelle est soustraite son émission en flux de grandes longueurs d’onde. Il est donné par l’équation I. 2: La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur 24 Chapitre I ( ) (I .2) où est le flux solaire global incident (W/m²), est l’albédo4 moyen de la surface urbaine (-), représente le flux infrarouge atmosphérique (W/m²) et représente le flux infrarouge émis par la surface (W/m²).

Le flux solaire global incident

Le flux solaire global incident s’écrit comme la somme de trois composantes: (I .3) où est le flux solaire direct en provenance de la voûte céleste (W/m²), est le flux solaire diffusé par les particules atmosphériques (W/m²) et est le flux solaire réfléchi provenant des autres surfaces urbaines (W/m²). Les flux solaires direct et diffus peuvent être mesurés sur site ou estimés en utilisant des modèles théoriques ou des relations empiriques faisant notamment intervenir les propriétés optiques de l’air et la composition de l’atmosphère en aérosols (Aida, 1977). A l’échelle urbaine, le flux solaire incident mesuré est atténué de 2 à 20 % par rapport à un site rural. D’après Delaunay (1995), ce constat est dû aux particules polluantes émises par les bâtiments et les véhicules. La pollution se manifeste par une augmentation des aérosols et des noyaux de condensation. Ces derniers favorisent la création de nuages ou de brouillards réduisant la quantité d’énergie solaire incidente et augmentant ainsi l’énergie solaire diffuse. Par ailleurs, le rayonnement solaire réfléchi dépend des propriétés réflectives des matériaux de surface (albédo ), mais aussi de la forme du tissu urbain. Selon Miguet (1996), l’albédo équivalent d’une surface urbaine peut être calculé par : (I .4) où est le flux solaire absorbé après multi-réflexion (W/m²), représente le flux global incident (W/m²). Dans la littérature, l’albédo des villes européennes et américaines varie généralement entre 0,10 et 0,25 avec une valeur moyenne de 0,15, inférieure à celle d’une zone rurale de l’ordre de 0,42 (Taha, 1997). Cette différence peut s’expliquer par le piégeage radiatif observé dans les sites urbains, engendré par les inter-réflexions produites par les surfaces urbaines (Figure I. 3). 4 L’albédo d’une surface est le ratio entre le flux de courte longueur d’onde global réfléchi et le flux incident correspondant. La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur Figure I. 3 Flux radiatif au-dessus d’une zone urbaine et d’une zone rurale (Colombert, 2008).

Le flux infrarouge atmosphérique

L’atmosphère émet un rayonnement infrarouge appelé le flux infrarouge atmosphérique . Il est produit essentiellement à partir du rayonnement émis par les particules de vapeur d’eau, par le gaz carbonique et par les aérosols en suspension dans la couche limite atmosphérique. Le flux solaire atmosphérique peut être mesuré sur site par des capteurs appropriés (Pyrgéomètre par exemple) ou calculé par le biais de formules empiriques (Delaunay, 1995 ; Vinet, 2000).

Le flux infrarouge émis par les surface urbaines

Les surfaces urbaines se comportent comme un corps gris5. Lorsqu’elles reçoivent l’énergie solaire et infrarouge atmosphérique, elles en absorbent une partie et en réfléchissent une autre. L’intensité du flux émis par chaque surface obéit à la loi de Stefan-Boltzmann donné par (I. 5) où R est l’intensité du rayonnement infrarouge émis (W/m²), est la température des surfaces (K), est leur émissivité (-) et est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 10-8 W m2K-4). En général, la température des surfaces est plus élevée en ville qu’à la campagne, induisant ainsi un flux infrarouge émis plus important en zone urbaine et en milieu de journée. Selon Delaunay (1995), des mesures effectuées aux Etats-Unis ont indiqué que le flux infrarouge émis par les surfaces en ville est supérieur de 20 % à celui enregistré en rase campagne. Par ailleurs, comme le flux est en partie absorbé par les polluants contenus dans l’atmosphère urbaine, il y a une élévation de la température de l’air et donc une augmentation du flux . 5 Un corps gris ne peut pas absorber ou réémettre toute l’énergie radiative incidente, il en réfléchit une partie. La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur 

Le flux de chaleur sensible

La convection est un phénomène dynamique engendré par des gradients thermiques. On distingue deux types de mouvements de convection: naturelle, lorsque la différence entre la masse volumique de l’air chaud et froid engendre un courant d’air et forcée, lorsque l’air est aussi mis en mouvement sous l’action d’une force mécanique comme la force de pression par exemple. En milieu urbain, en raison de la différence entre la température de surface ( ) et la température de l’air ( ), une partie de l’énergie thermique est transportée par convection turbulente dans l’atmosphère sous forme de chaleur sensible. Cette dernière s’exprime par : ( ) (I. 6) où représente un coefficient d’échange convectif (W m-2 K-1). Celui-ci dépend du régime d’écoulement (laminaire ou turbulent), du type de convection (naturelle, forcée ou mixte) et de la disposition spatiale et géométrique des surfaces (horizontales, verticales ou inclinées). De nombreuses corrélations empiriques, dépendant généralement de la température de l’air et de la vitesse du vent, sont proposées dans la littérature en fonction des configurations considérées (Rowley et al., 1930 ; Allard, 1987 ; Inard, 1988 ; Hénon, 2008). 

Le flux de chaleur latente

L’effet d’une zone urbaine sur l’humidité atmosphérique est plus difficile à prédire. Généralement, l’air des villes est souvent plus sec le jour et plus humide la nuit. Ce phénomène apparaît le plus nettement en été. Un îlot d’humidité nocturne se crée dans la ville, son intensité diminue avec l’augmentation de la vitesse du vent. L’humidification de l’air apparait généralement dans les zones urbaines à forte densité végétale comme les parcs publics ou dans les opérations d’aménagements d’éco-quartiers présentant une faible minéralisation par rapport aux quartiers traditionnels Pour caractériser l’état de l’humidité d’un site urbain, un nombre adimensionnel appelé le nombre de Bowen est utilisé, correspondant au rapport entre le flux de chaleur sensible et celui de chaleur latente dans la direction verticale. (I. 7) Lorsque le rapport est supérieur à 1 ( ) , la disponibilité en eau est limitée. La chaleur est donc transportée dans l’air par convection sous forme de chaleur sensible. Cette situation caractérise principalement un climat chaud. A contrario, lorsque le rapport est inférieur à 1 ( ) , la disponibilité de l’eau est abondante. Dans ce cas, la chaleur transportée vers l’air est La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur majoritairement sous forme latente. Ce transfert de chaleur ne contribue pas forcément au réchauffement de l’air, mais il augmente le niveau d’humidité (Robitu, 2005).

Le terme de stockage de la chaleur

Les surfaces urbaines sont constituées de matériaux de revêtements variés (asphalte, béton, briques, bois, verre, etc.) et de géométries hétérogènes (parois verticales ou horizontales, toits plats ou inclinés par exemple). De plus, l’ensoleillement de ces surfaces est très variable en fonction des paramètres météorologiques et morphologiques. Il est donc très difficile de mesurer avec précision le flux de chaleur absorbé par une surface urbaine. Pour cela, différentes corrélations empiriques ont été proposées, notamment par Oke (1981) et Grimmond et al., (1991), pour des échelles de travail allant de l’îlot urbain au quartier. Tout d’abord, un paramétrage du stockage de la chaleur en milieu urbain pendant la journée et la nuit a été formulé par Oke (1981). L’enquête a été réalisée sur un quartier présentant des formes pavillonnaires homogènes dans la banlieue sud de Vancouver. Ce paramétrage s’appuie sur une relation linéaire entre le bilan radiatif net et le terme de stockage de la chaleur par les surfaces urbaines . Des coefficients d’occupation de sol pour les espaces verts et les surfaces bâties ont été considérés. Les équations I. 8 et I. 9 correspondent aux formulations définies pour la journée et pour la nuit, respectivement. (I. 8) (I. 9) où représente le flux radiatif net, et correspondent respectivement aux fractions des espaces verts et des espaces bâtis. Notons que dans cette étude, les flux ( ) ont été obtenus de façon indépendante. La performance générale de ce modèle linéaire est satisfaisante, surtout s’il est utilisé pour des périodes d’une journée ou plus. Toutefois, il n’est pas en mesure de prédire l’évolution temporelle de stockage de chaleur car la forme linéaire du modèle ne permet pas d’observer de déphasage dans le temps entre et (Figure I. 4). Afin d’améliorer le modèle linéaire, notamment en prenant en compte les déphasages observés, Grimmond et al., (1991) ont établi un nouveau modèle, appelé OHM (Objective Hystérésis Model), permettant de prédire les flux de stockage de chaleur précisément et instantanément. Il s’écrit par l’équation non linéaire I. 10 entre le stockage de chaleur dans les zones urbaines et le bilan radiatif net. = (I. 10) La morphologie urbaine et ses interactions avec le microclimat et le confort extérieur 28 Chapitre I où représente la dérivée temporelle de flux radiatif. et correspondent respectivement aux fractions des espaces verts et des espaces bâtis. correspond au coefficient d’hystérésis (Figure I. 4). Un développement du modèle est suggéré par Grimmond et al., (1991) afin d’inclure la chaleur anthropique et la forme tridimensionnelle des surfaces bâties.