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OpenEdition Books

Quatre ans de recherche urbaine 2001-2004. Volume 2

 | 
Émilie Bajolet
, 
Marie-Flore Mattéi
, 
Jean-Marc Rennes

V. Milieux physiques, ambiances urbaines et technologies

Bilan radiatif et flux de chaleur en climatologie urbaine : mesures et modélisation. Exemple : Strasbourg1

Nicolas Ringenbach

Texte intégral

  • 1 Thèse de doctorat sous la direction de Marc-Philippe Stoll, professeur ULP/ENSPS, soutenue le 23 s (...)
  • 2 Docteur en climatologie urbaine. Il est actuellement en Irlande où il fait du support technique ch (...)

1Note portant sur l’auteur2

OBJET ET PROBLÉMATIQUE

2Comment une zone urbaine étendue dense affecte-t-elle la circulation atmosphérique dans la basse troposphère ? Quels sont les facteurs qui conduisent à la formation de ce qu’il est convenu d’appeler l’îlot de chaleur urbain qui est la marque de la spécificité des échanges d’énergie entre la surface urbaine et la couche limite ? De quelle façon doit-on paramétrer les surfaces urbaines dans les modèles de circulation à l’échelle régionale ? Il n’est pas possible actuellement de donner des réponses claires à ces questions.

3Ce sont des questions d’actualité dont l’intérêt tient à l’importance socio-économique des manifestations de la pollution de l’air, dont la prévision et la prévention passe par une meilleure connaissance des mécanismes qui la relient à l’îlot de chaleur, et à la nécessité d’améliorer les performances des modèles de prévision météorologique à l’échelle régionale.

4Ce travail se propose de contribuer à l’approfondissement des connaissances des mécanismes d’échange d’énergie entre la canopée urbaine et la couche limite urbaine en suivant une démarche de mesures et de modélisation couplée à une utilisation de la télédétection pour la nécessaire validation à l’échelle spatiale du « segment » urbain des sorties de modèles testées à l’échelle locale du « canyon » urbain.

5Un élément clé du problème est le bilan radiatif dont la détermination précise conditionne l’accès aux autres termes du bilan d’énergie dont certains, comme le flux de chaleur dans le sol, ne sont pas mesurables directement. Ce travail de thèse a donc été focalisé en priorité sur le bilan radiatif, sa mesure et sa modélisation à différentes échelles, sa validation puis son intégration dans une première évaluation du bilan d’énergie global de la zone d’étude constituée par l’agglomération strasbourgeoise.

6Conséquence de la complexité et de l’hétérogénéité d’une zone urbaine, une approche phénoménologique, si elle est utile pour renseigner la climatologie, est néanmoins tout à fait insuffisante pour comprendre les mécanismes et envisager une possibilité de prévision. La démarche quantitative privilégiée dans ce travail conjugue alors un modèle physique capable d’appréhender la complexité tri-dimensionnelle d’une zone bâtie, et un ensemble de mesures réalisées dans le cadre d’une campagne intensive, mesures qui, soit en entrée, soit en sortie, constituent la vérité terrain pour la validation du modèle.

MISE EN ŒUVRE DU PROJET DE RECHERCHE

7La première partie du mémoire traite du projet de recherche et de sa mise en œuvre. Elle contient tout d’abord une synthèse bibliographique nécessaire pour situer la climatologie urbaine dans le contexte de la climatologie en général ; puis une rapide synthèse des modèles développés pour la climatologie urbaine, modèles répondant à des objectifs variés, et à différentes échelles, qui vont de l’échelle très locale aux modèles méso-échelle de circulation troposphérique incluant une paramétrisation schématique de couche urbaine ; enfin, une revue de l’activité, avec les justifications scientifiques et les objectifs, des principales campagnes intensives menée au plan international.

8Cette première partie introduit alors la campagne de mesures intensives organisée dans le cadre de cette thèse, campagne sur l’agglomération strasbourgeoise, site expérimental justifié par l’abondance des informations et données déjà disponibles grâce à des réseaux opérationnels de mesure et des campagnes préparatoires.

9Sont explicités les motivations scientifiques de cette campagne et les objectifs spécifiques assignés, à savoir : d’une part valider aussi complètement que possible le modèle SOLENE (École d’Architecture de Nantes) d’abord à l’échelle locale, dite du « canyon », ensuite à l’échelle du segment urbain (« quartier ») en conjuguant mesures locales et mesures acquises par télédétection ; d’autre part évaluer la marge d’incertitude associée à la mesure du bilan radiatif ; enfin tenter une première estimation du bilan d’énergie et de sa variabilité éventuelle en fonction des caractéristiques du milieu urbain.

RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET ANALYSE

10La deuxième partie du mémoire est consacrée aux résultats expérimentaux et leur analyse en liaison avec la modélisation à l’échelle locale du canyon. Elle fait une part significative à la présentation générale des résultats assortie de commentaires critiques et des premières conclusions que ces résultats, séparément ou en mode comparatif, amènent.

11L’objectif est alors de mettre en regard les mesures des paramètres et des grandeurs effectuées aux différents points du canyon instrumenté et les sorties du modèle. Il s’agit d’examiner si le modèle est capable de restituer exactement les grandeurs mesurées, et en particulier leurs variations temporelles. Cette comparaison doit permettre de valider la pertinence des paramètres mis dans le modèle, de même que sa conception elle-même le cas échéant. Cette analyse permet aussi d’éclairer le comportement observé de certaines grandeurs et de mieux comprendre l’origine et la signification de ce qui peut apparaître comme des anomalies.

12Un travail théorique approfondi a été mené sur la variation au cours du cycle diurne des températures de surface dont la dynamique est sous la dépendance directe du flux solaire incident mais en même temps de la géométrie 3D du système urbain ainsi que des propriétés thermiques et optiques des matériaux. Il est remarquable que l’accord entre les sorties du modèle et les mesures, que ce soit dans le domaine des courtes ou des grandes longueurs d’onde, est plus que satisfaisant en règle générale.

13L’analyse des mesures de flux de chaleur sensible et latente est restée limitée et préliminaire : on a néanmoins pu vérifier la validité de certaines hypothèses relatives à la distribution verticale des flux dans le canyon. Certains paramètres manquent encore pour une analyse quantitative approfondie qui porterait sur l’évaluation des coefficients d’échanges, en particulier entre le sommet du canyon et la couche limite urbaine.

TÉLÉDÉTECTION ET EXTENSION DE LA VALIDATION DU MODÈLE

14La troisième partie du mémoire traite de la télédétection et de son rôle pour l’extension spatiale de la validation du modèle, c’est-à-dire en premier lieu à l’échelle du segment.

15La télédétection est la seule technique permettant, en ce qui concerne les paramètres géophysiques de surface, d’assurer le changement d’échelle, de l’échelle locale jusqu’à celle englobant l’ensemble de l’agglomération dans son contexte régional ; c’est aussi, du fait d’une approche image, la seule méthode d’investigation d’un système hétérogène comme le milieu urbain. Les moyens de télédétection mis en œuvre comportent des séquences de couverture de l’agglomération à une résolution spatiale de quelques mètres et sur l’ensemble du domaine optique par un système imageur aéroporté, des cartographies par caméra thermique héliportée de la température de surface sur les sites tests à une résolution sub-métrique, les mesures terrain de validation et de caractérisation de l’atmosphère.

16L’exploitation à des fins quantitatives de ces images implique des opérations nombreuses, complexes et laborieuses. Les problèmes tiennent à la géométrie des images, à l’étalonnage radiométrique des instruments, aux effets atmosphériques sur les mesures et aux méthodes d’inversion du signal mesuré.

17Outre la validation directe de sorties de modèle, mais cette fois à l’interface entre la canopée urbaine et la couche limite atmosphérique urbaine, les efforts ont porté sur l’aspect méthodes impliquant l’usage de la télédétection. Il s’agit plus précisément de cerner la démarche permettant d’authentifier la validité des grandeurs déterminées par télédétection à une certaine échelle d’intégration spatiale et d’examiner si une relation déterministe existe entre ces grandeurs et les caractéristiques spécifiques d’une « unité » urbaine.

BILAN

18Au terme de ce travail, un premier bilan peut être dressé : il apparaît en premier lieu qu’une base de données conséquente et cohérente a été constituée pour la zone urbaine de Strasbourg, dont les mesures se sont avérées, pour la plupart, de très bonne qualité, sans pour autant dissimuler des problèmes instrumentaux et de protocole de mesures, qui devront être réglés à l’avenir.

19En second lieu, les analyses menées confirment la qualité de l’approche physique du modèle SOLENE, mais soulignent qu’il reste un travail important à faire pour ce qui concerne la modélisation des échanges d’énergie entre la canopée et la couche limite.

20En ce qui concerne le rôle de la télédétection comme outil pour la climatologie urbaine, le travail a mis en évidence la nécessité d’une cartographie à résolution fine des paramètres de surface pour, notamment, quantifier l’hétérogénéité. Et s’il n’a pas, tant s’en faut, résolu le problème de l’identification des paramètres intégrateurs, il a proposé des pistes pour des recherches ultérieures.

VALORISATION

21Najjar G., Kastendeuch P., Stoll M. P., Colin J., Nerry F., Ringenbach N., Bernard J., De Hatten A., Luhahe R., Viville D., (2004), « Télédétection, rayonnement et bilan d’énergie en climatologie urbaine à Strasbourg, le projet RECLUS », Revue La météorologie.

22Nerry F., Najjar G., Ringenbach N., Labed J., Stoll M. P., (2003), « Radiation balance in urban area (Strasbourg city) from Hysens 2002 DAIS data. Validation at test sites », Communication au 3rd EARSeL Workshop on Imaging Spectroscopy, Herrsching, Allemagne, 13-16 mai 2003.

23Ringenbach N., Najjar G., Stoll M. P., Nerry F., Labed J., (2003), « Combination of remote sensing, surface measurements and modeling to assess urban canyon energy balance », Communication au Fifth International Conference on Urban Climate (ICUC-5), Lodz, Pologne, 1-5 September 2003.

24Ringenbach N., (2002), Présentation des travaux de thèse, Séminaire des allocataires de thèse ACI-Ville, Tours, 24-25 octobre 2002.

Notes

1 Thèse de doctorat sous la direction de Marc-Philippe Stoll, professeur ULP/ENSPS, soutenue le 23 septembre 2004.

2 Docteur en climatologie urbaine. Il est actuellement en Irlande où il fait du support technique chez HP.

Auteur

Allocataire de recherche
mailto:nicolasringenbach@yahoo.fr
Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la Télédétection
LSIIT UMR 7005
Université Louis Pasteur Strasbourg I
Équipe Télédétection, Radiométrie et Imagerie Optique
4, bd Sébastien Brant
67400 Illkirch

© Presses universitaires François-Rabelais, 2006

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