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Le micro-climat urbain : état des lieux des connaissances
L’îlot thermodynamique urbain
L’îlot thermodynamique urbain désigne les modifications de certains paramètres des basses couches de l’atmosphère ou de la surface dans les paysages urbains en comparaison avec les paysages ruraux qui les entourent. Les principales grandeurs modifiées sont la température de l’air, la température de surface, qui sont en général plus élevées en zone urbaine qu’en zone rurale, ou encore l’humidité. L’îlot thermodynamique varie aussi selon la verticale (Oke, 1976). Ainsi, on décrira successivement l’îlot de chaleur dans la canopée urbaine, l’îlot de chaleur dans la couche limite urbaine, l’îlot de chaleur en surface, l’îlot d’humidité dans la canopée urbaine et les écoulements associés à l’îlot de chaleur.
L’îlot de chaleur urbain dans la canopée
Définition et méthodes d’observations
L’îlot de chaleur urbain dans la canopée (ICUC) désigne l’excès de la température de l’air que l’on observe régulièrement dans la canopée des zones urbaines par rapport aux zones rurales qui l’entourent. La canopée urbaine désigne la couche qui est comprise entre le sol et le sommet des bâtiments (voir section 1.2.2). Il s’agit de l’espace dans lequel vivent les populations et c’est pourquoi c’est celui qui a reçu le plus d’intérêt jusqu’ici. Historiquement, la température était mesurée au niveau des piétons. Plusieurs études ont par la suite démontré que le niveau de mesure de la température dans les rues importait peu puisque la température de l’air varie peu dans la rue lorsqu’on se place à plus d’un mètre des murs ou de la route (Nakamura et Oke, 1988, Eliasson, 1994). Dans la littérature, on relève cinq méthodes d’observation différentes :
– l’étude de la tendance de température pour une station dont l’environnement s’urbanise (Tarleton et Katz, 1995, Montávez et al., 2000, Tereshchenko et Filonov, 2001) ;
– la comparaison de la tendance de température observée pour plusieurs stations dont l’environnement évolue différemment (Magee et al., 1999, Philandras et al., 1999) ;
– construction de statistiques sur la différence de température entre des paires ou des groupes de stations urbaines et rurales (Ackerman, 1985, Nasrallah et al., 1990, Moreno-Garcia, 1994) ;
– observation à l’aide d’un réseau de stations fixes (Kuttler et al., 1996, Morris et al., 2001) ;
– les observations le long d’un trajet à l’aide de véhicules (Yamashita et al., 1986, Goh et Chang, 1999, Unger et al., 2001).
Toutes les études qui traitent de l’ICUC proposent une quantification de ce phénomène pour la ville à laquelle elles s’intéressent. Oke (1973) a rassemblé un grand nombre d’études afin d’étudier l’intensité du maximum de l’ICU et notamment en fonction de sa population. Les valeurs s’échelonnent entre 2 oC pour une ville de 1000 habitants et 12oC pour une ville de plusieurs millions d’habitants. Une actualisation des travaux de Oke (1973) paraît impossible et sans réelle portée. Comme le soulignent Stewart et Oke (2006), il est très difficile de comparer entre elles les études portant sur l’ICUC pour plusieurs raisons. Premièrement les méthodologies employées sont multiples. Ensuite, quelle que soit la méthode adoptée, chaque étude n’utilise qu’un échantillon restreint de l’espace urbain et de l’espace rural d’un site. La notion d’ICUC est intimement liée à une vision monocentrique de l’espace urbain avec un centre ville unique et bien défini et aussi à une vision historique pour laquelle la limite entre la ville et son environnement est très marquée. L’espace urbain, aujourd’hui, est en réalité plus diffus et plus complexe. Les grandes villes ont phagocyté les noyaux urbains plus modestes qui les entouraient et les limites de la zone urbaine sont floues. La définition d’un quantifiable unique pour l’ICUC semble alors inaccessible.
Variabilité temporelle
Un phénomène nocturne L’ICUC a une variabilité journalière récurrente, son intensité est plus forte la nuit que le jour. Cette caractéristique a été mise en évidence dès les premières études portant sur ce phénomène (Renou, 1862, Hammon et Duenchel, 1902). Pendant la journée, l’ICUC a souvent un caractère résiduel, on peut même observer un îlot urbain froid le matin ou pendant la journée (Pearlmutter et al., 1999). Plus généralement, l’ICUC s’amplifie ou se forme lors de la période de refroidissement nocturne (Oke et East, 1971, Oke et Maxwell, 1974, Hage, 1975) pendant laquelle on observe un taux de refroidissement différentiel entre les zones urbaines et les zones rurales. La croissance de l’ICUC n’est pas systématiquement monotone (Haeger-Eugensson et Holmer, 1999). Afin de rendre les études comparables et les résultats plus généralisables, l’heure du maximum d’ICUC est souvent positionnée par rapport au coucher du soleil (Runnalls et Oke, 2000) plutôt qu’en horaire absolu. L’heure du maximum d’ICUC la plus répandue semble se situer quelques heures après le coucher du soleil (Kłysik et Fortuniak, 1999, Runnalls et Oke, 2000, Robaa, 2003). Ce positionnement peut varier avec les saisons–Runnalls et Oke (2000) observent que le maximum d’ICUC a lieu après le lever du soleil en automne–ou selon les sites d’étude puisque Montávez et al. (2000) le situent au moment où le minimum de température nocturne est atteint. Dans tous les cas, l’ICUC diminue rapidement après le lever du soleil (Kłysik et Fortuniak, 1999).
Un phénomène sensible aux conditions météorologiques et aux variations saisonnières Les conditions météorologiques influencent le développement de l’ICUC. Les paramètres les plus significatifs sont le vent (au moins 10 études) et la nébulosité (au moins 8 études). L’intensité de l’ICUC diminue avec la vitesse du vent. Ce résultat a été mis en évidence par Sundborg (1950) et confirmé par de nombreuses études (Duckworth et Sandberg, 1954, Ackerman, 1985, Park, 1986, Kidder et Essenwanger, 1995, Eliasson, 1996b, Ripley et al., 1996, Figuerola et Mazzeo, 1998, Magee et al., 1999, Montávez et al., 2000, Morris et al., 2001, Kim et Baik, 2002, Eliasson et Svensson, 2003). L’explication proposée est que l’augmentation de la vitesse du vent induit une augmentation du mélange horizontal. Dans une ville, les échelles de variation du couvert sont courtes (transition rapide de type de quartier, ville-campagne). Lorsque la vitesse du vent est non négligeable, un mélange s’effectue et efface les différences de température ou d’humidité qui pourraient exister entre les différentes unités de la ville. Park (1986) constate que l’ICUC disparaît pour des vents supérieurs à 11,1 m s−1 . La présence d’un vent modéré–3 à 6 m s−1– peut également modifier la forme de l’îlot de chaleur (Munn et al., 1969, Park, 1986, Unger et al., 2001). Dans ce cas, le champ de température prend la forme d’un panache étiré selon l’axe du vent. En cas de vent très faible (< 2 m s−1 ), l’ICUC peut être multicellulaire (Oke et East, 1971, Kłysik et Fortuniak, 1999). Le mode d’occupation des sols autour d’un point est alors le premier facteur d’explication de la variabilité spatiale de la température (Eliasson et Svensson, 2003). L’intensité de l’ICUC diminue lorsque la nébulosité augmente. Ce résultat a été avancé par Sundborg (1950) et confirmé par d’autres études par la suite (Duckworth et Sandberg, 1954, Ackerman, 1985, Moreno-Garcia, 1994, Kidder et Essenwanger, 1995, Eliasson, 1996b, Ripley et al., 1996, Figuerola et Mazzeo, 1998, Magee et al., 1999, Montávez et al., 2000, Morris et al., 2001, Runnalls et Oke, 2000, Kim et Baik, 2002, Eliasson et Svensson, 2003). Les nuages interviennent en modifiant le rayonnement infrarouge incident et donc le bilan net de la surface et le refroidissement radiatif nocturne pendant lequel se forme l’ICUC. Runnalls et Oke (2000) remarquent qu’il faut prendre en compte le type de nuages et que les nuages bas (plus chauds) diminuent plus fortement l’intensité de l’îlot de chaleur. Morris et al. (2001) ont noté que la nébulosité était un facteur de contrôle de l’ICUC plus important que le vent sauf en été. Des quantifications de l’intensité de l’ICUC en fonction de ces deux facteurs ont été proposées dans de nombreuses études (Sundborg, 1950, Duckworth et Sandberg, 1954, Oke, 1973, Runnalls et Oke, 2000).
L’influence de la saison a été étudiée sur des villes du climat tempéré mais aussi d’autres types de climat (Jauregui, 1997, Kim et Baik, 2002, Robaa, 2003). Les études ont porté sur l’influence de la saison sur l’intensité de l’ICUC, sur sa fréquence d’occurrence, sur la variation du cycle journalier ou encore sur la variation des facteurs de contrôle. Ainsi, les ICUC sont plus faibles et moins fréquents en période pluvieuse aussi bien pour des villes des milieux tempérés (Vancouver pour Runnalls et Oke, 2000, Madrid pour Yagüe et Zurita, 1991, Séoul pour Kim et Baik, 2002) que des zones intertropicales (Mexico pour Jauregui, 1997). Tereshchenko et Filonov (2001) observent même fréquemment un îlot froid pendant la saison pluvieuse pour une ville de 1,6 millions d’habitants au Mexique. En suivant de plus près le cycle temporel, Jauregui (1997) observe quant à lui une fréquence importante d’ICUC le jour, juste après une averse. Parmi ces études, il est rapporté que les ICUC sont plus fréquents en été (Eliasson, 1996a). Concernant l’intensité de l’ICUC, les résultats sont plus . Un grand nombre d’études montrent que l’ICUC est plus intense en été (Sanderson et al., 1973, Eliasson, 1994; 1996a, Kłysik et Fortuniak, 1999, Philandras et al., 1999, Unger et al., 2001, Morris et al., 2001, Szegedi et Kircsi, 2003) alors que pour d’autres, c’est en hiver qu’il est plus intense (MorenoGarcia, 1994, Montávez et al., 2000). Le cycle de l’ICUC varie selon les saisons, il se forme plus tard en hiver et diminue moins vite le matin (Oke et Maxwell, 1974), en revanche le maximum de l’ICUC a lieu plus tôt en été (Runnalls et Oke, 2000).
Variabilité spatiale
Selon Oke (1976), et en considérant une vision monocentrique de la ville, la structure spatiale de l’ICUC est concentrique autour du centre ville et caractérisée par trois couronnes (Figure 1.1). Premièrement, une couronne étroite marquée par un intense gradient de température à la transition entre la ville et la campagne qu’il dénomme « cliff » que l’on traduit littéralement par falaise. Dans cette zone de transition, Eliasson (1996a) mesure des gradients de l’ordre de 0, 3 à 0, 4 oC par 100 m. La deuxième couronne dénommée « plateau » est la plus large. Elle est marquée par des gradients faibles et une tendance progressive au réchauffement au fur et à mesure que l’on s’approche du centre ville. Enfin, la zone centrale entoure le centre ville et s’appelle le « pic ».
Il s’agit ici d’une vision simplifiée de l’ICUC. Le champ de température peut varier fortement à l’intérieur d’une ville. Une première cause de variation est le mode d’occupation des sols et notamment la partition entre les surfaces imperméables (routes, parkings, bâtiments) qui sont propres au système urbain et les surfaces perméables (terrains nus, végétation). Il est fréquemment observé une bonne corrélation entre l’anomalie de température (en comparaison avec un site rural) et la fraction surfacique occupée par les matériaux urbains imperméables (Sundborg, 1950, Oke et East, 1971, Park, 1986, Yagüe et Zurita, 1991, Eliasson, 1994, Unger et al., 2001, Eliasson et Svensson, 2003, Baik et Kim, 2003, Fernández et al., 2003, Vicente-Serrano et al., 2003, Unger et al., 2003). A contrario, l’exemple le plus flagrant est celui des parcs urbains qui sont caractérisés par un îlot froid à l’intérieur de la ville (Eliasson et Upmanis, 2000). Une autre cause de variation est la structure géométrique tridimensionnelle de la surface urbaine. La rue « canyon » constitue l’unité de base récurrente du système urbain. On peut caractériser de manière quantitative sa structure par le rapport d’aspect (rapport entre la hauteur des bâtiments qui l’entourent et la largeur de la rue) qui est inversement proportionnel au facteur de vue du ciel des éléments d’une rue. Plusieurs études montrent que plus le rapport d’aspect d’un site de mesure est élevé (plus la rue est encaissée) plus la différence de température avec un site rural est grande. Oke (1981) montre cette relation sur la base d’une simulation physique utilisant une maquette de zone urbaine pour laquelle il fait varier le rapport d’aspect des rues. Aux résultats de cette simulation, s’ajoutent des mesures sur le terrain. Par exemple, Bärring et Mattson (1985) trouvent une bonne corrélation entre la variabilité spatiale de température de l’air dans une ville et le rapport d’aspect des rues. Ce résultat est confirmé par la suite pour d’autres sites (Johnson, 1985, Eliasson, 1990- 91; 1992, Montávez et al., 2000, Eliasson et Svensson, 2003, Szegedi et Kircsi, 2003). Cependant, dans ces cas, la variation du rapport d’aspect n’est pas indépendante de la variation d’autres facteurs. Pour éviter ce type de problèmes, d’autres études réduisent au maximum la distance entre deux sites de mesures afin que la seule différence ne concerne que le rapport d’aspect. Il apparaît alors que l’influence attribuée au rapport d’aspect est plus modérée (Eliasson, 1994; 1996a, Goh et Chang, 1999). Bien qu’une bonne corrélation existe entre la température et le rapport d’aspect, les écarts absolus en température de l’air sont faibles, autour de 1°C entre deux sites urbains pour lesquels le facteur de vue du ciel est respectivement de 0,5 et de 0,9 et séparés de quelques centaines de mètres (Eliasson, 1994). Par contre, l’influence du rapport d’aspect est plus importante sur la température de surface (Bärring et Mattson, 1985, Eliasson, 1996a). Les matériaux urbains utilisés ont aussi un impact sur l’ICUC. Oke (1981) montre à l’aide d’une simulation physique que l’écart de température entre un modèle réduit de ville et une surface en bois est plus fort lorsque le matériau utilisé pour son modèle est du béton. Enfin, Runnalls et Oke (2000) montrent que l’intensité de l’ICUC est anti-corrélée avec l’admittance thermique (voir définition équation 1.2.6.4) des sols ruraux qui varie en fonction de l’humidité du sol et donc de la saison. Le flux de chaleur dégagé par les activités humaines est souvent considéré comme une cause importante de l’ICUC pendant la période hivernale. Certaines études montrent une intensification de l’ICUC lors des périodes de pointe d’activité (Oke et Maxwell, 1974, Baik et Kim, 2003). Cependant, très peu d’études font une évaluation exhaustive du flux de chaleur anthropique sur l’ensemble de la ville, ce qui limite la possibilité d’évaluer les corrélations entre la structure spatiale du champ de température et celle de ce flux (cf section 1.2.8). Enfin, l’environnement régional modifie les caractéristiques de l’ICUC d’une ville. Les facteurs les plus connus sont la mer, les lacs et le relief. Le relief a très vite été mis en évidence comme un élément modifiant la structure de l’îlot de chaleur. Sundborg (1950) et Hutcheon et al. (1967) ont noté qu’en cas d’inversion de température importante au dessus des surfaces rurales aux alentours de la ville, les points élevés étaient plus chauds. Si bien qu’en évaluant l’ICUC avec une station rurale en hauteur par rapport à la ville, celui-ci s’en trouvait fréquemment réduit. Par la suite, d’autres études, en explorant la structure spatiale de la température au sein d’une ville, ont confirmé que les mesures étaient fortement dépendantes de l’altitude de la station (Eliasson et Svensson, 2003, Baik et Kim, 2003, Vicente-Serrano et al., 2003). Enfin, des différences de températures entre le centre ville et son environnement peuvent aussi résulter des phénomènes orographiques même lorsque le relief est peu marqué (Troude et al., 2002). La mer et les lacs modifient également la mise en place de l’îlot de chaleur. Munn et al. (1969) se sont par exemple intéressés à l’influence des brises du lac Ontario sur l’ICUC de la ville de Toronto. Ils notent que lorsque la brise se met en place, le coeur de l’ICUC est plus éloigné de la côte que pour un jour sans vent. Plus récemment, Eliasson et Svensson (2003) trouvent que la distance à la mer est le premier facteur d’explication du champs de température à Göteborg pour les nuits calmes et claires mais la généralisation de ce résultat est délicate dans la mesure où l’implantation de la ville et la côte sont très fortement liées.
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Table des matières
Introduction
1 Le micro-climat urbain : état des lieux des connaissances
1.1 L’îlot thermodynamique urbain
1.1.1 L’îlot de chaleur urbain dans la canopée
1.1.1.1 Définition et méthodes d’observations
1.1.1.2 Variabilité temporelle
1.1.1.2.1 Un phénomène nocturne
1.1.1.2.2 Un phénomène sensible aux conditions météorologiques et aux variations saisonnières
1.1.1.3 Variabilité spatiale
1.1.2 L’îlot de chaleur dans la couche limite
1.1.2.1 Méthode d’observation
1.1.2.2 Le jour
1.1.2.3 La nuit
1.1.3 L’îlot de chaleur urbain de surface
1.1.3.1 Objectifs de l’étude de la température de surface
1.1.3.2 Problèmes méthodologiques d’étude de l’ICU de surface
1.1.3.3 Résultats sur l’îlot de chaleur urbain de surface
1.1.4 Les zones urbaines et l’humidité
1.1.4.1 Un excès urbain d’humidité la nuit
1.1.4.2 Une situation variable le jour
1.1.4.3 Formation de l’îlot urbain d’humidité la nuit
1.1.4.4 Et dans la couche limite
1.1.5 Convergence associée à l’îlot de chaleur
1.2 Les processus conduisant à l’îlot thermodynamique urbain
1.2.1 Conceptualisation du bilan d’énergie en ville
1.2.2 Grandeurs caractérisant un paysage urbain
1.2.3 Le bilan radiatif
1.2.3.1 Rayonnement incident : l’effet de la couche limite urbaine
1.2.3.1.1 Le rayonnement global incident
1.2.3.1.2 Le rayonnement atmosphérique infrarouge
1.2.3.2 Rayonnement montant : l’effet de la géométrie et des matériaux urbains
1.2.3.2.1 Le rayonnement global
1.2.3.2.2 L’infrarouge
1.2.3.3 Le bilan net au sommet de la canopée
1.2.3.4 Bilan sur la contribution radiative à l’îlot de chaleur
1.2.4 Le flux turbulent de chaleur sensible
1.2.4.1 Méthode de mesure
1.2.4.2 Caractéristique au dessus d’une zone urbaine
1.2.5 Le flux de chaleur latente
1.2.5.1 Définition
1.2.5.2 Méthode de mesure
1.2.5.3 Caractéristiques au dessus d’une zone urbaine
1.2.6 Le terme de stockage
1.2.6.1 Définition
1.2.6.2 Méthode de mesure
1.2.6.3 Ordre de grandeur et évolution caractéristiques
1.2.6.4 Cause de perturbations en comparaison avec un environnement rural
1.2.7 L’advection
1.2.7.1 Définition
1.2.7.2 Caractéristiques
1.2.8 Le flux de chaleur anthropique
1.2.8.1 Estimation du terme anthropique par inventaire de la consommation d’énergie
1.2.8.1.1 Evaluation de l’apport de chaleur par le trafic
1.2.8.1.2 Evaluation de la consommation d’énergie par les sources fixes
1.2.8.1.3 Evaluation du dégagement de chaleur par le métabolisme
1.2.8.2 Estimation du terme anthropique à partir de mesure du bilan d’énergie
1.2.8.3 Résultats sur le flux anthropiques
1.2.8.3.1 Ordre de grandeur des différentes sources
1.2.8.3.2 Variabilité spatiale
1.2.8.3.3 Variabilité temporelle
1.3 Conclusion de l’état des lieux des connaissances
1.3.1 Bilan des processus conduisant à l’îlot de chaleur dans la canopée
1.3.2 Objectifs de la thèse
2 Variabilité spatio-temporelle de l’îlot thermodynamique urbain à Marseille
2.1 Présentation de la campagne CLU-ESCOMPTE
2.2 Présentation de l’article
3 Impact de la brise marine sur la mesure du bilan d’énergie en centre ville de Marseille
4 Le flux de chaleur anthropique sur Toulouse
4.1 La campagne CAPITOUL
4.1.1 Objectifs de la campagne
4.1.2 Dispositif expérimental et stratégie d’observation
4.2 L’îlot thermodynamique à Toulouse
4.3 Estimation du flux anthropique pendant CAPITOUL
4.4 Evaluation de la paramétrisation du flux anthropique dans TEB sur une période hivernale
4.4.1 Le modèle TEB
4.4.2 Caractéristiques de la simulation
4.4.3 Résultats
Conclusion
Références bibliographiques
