RepExtrem est un projet ARP dans le cadre de l’appel « Risque Décision Territoire » du MEDDE

La manifestation la plus connue du microclimat généré par les villes, en particulier lors de canicule (c’est-à-dire une absence de refroidissement pendant la nuit, lorsque l’on dépasse pendant 3j consécutifs la température de 31°C le jour et de 21°C la nuit) est l’excès des températures, appelé îlot de chaleur urbain (ICU). Ce dernier se caractérise par des hausses de températures parfois importantes dans le centre d’une ville par rapport à sa périphérie. Ce phénomène est généralement provoqué par l’accumulation de nombreux facteurs à l’instar d’un urbanisme dense, de chaleur anthropique, d’une imperméabilisation trop importante, d’un déficit de végétal et d’eau dans les espaces publics.

La connaissance et la modélisation des phénomènes physiques urbains sont devenues un enjeu important notamment pour l’aide à la décision environnementale. Ainsi, le développement sur les connaissances de la micro-climatologie urbaine est l’un des facteurs majeurs pour la maitrise de l’îlot de chaleur urbain et la gestion des risques sanitaires.

Il existe une multitude de modèles météorologiques travaillant à différentes échelles. Le modèle Town Energy Balance [TEB] (Masson, 2000), travaillant à l’échelle de la rue, intègre de nouveaux paramètres afin de simuler, avec plus de précision, les échanges entre les surfaces urbanisées et l’atmosphère (flux de chaleur, de vapeur d’eau et de quantité de mouvement). La géométrie urbaine y est simplifiée : le modèle ne vise pas à simuler explicitement tous les détails d’un bâtiment ou d’une rue donnée mais plutôt les processus à l’échelle d’un quartier. TEB prend en compte les paramètres de surface ayant une influence significative sur l’atmosphère. De plus, la température et l’humidité dans les rues, mais aussi à l’intérieur des bâtiments, sont calculées pour appréhender le microclimat urbain et l’inconfort thermique (issu d’un indice). Pour cela, le modèle (sur chaque maille) représente la ville par une rue-type où la largeur, la hauteur des bâtiments, les matériaux et la proportion des fenêtres sont connus et pris en compte.

Plusieurs études en bioclimatologie ont permis de comprendre la relation affectant l’organisme humain au climat. Les risques sanitaires sont une des conséquences de l’îlot de chaleur urbain. Le phénomène de l’ICU pose des questions sanitaires notamment lors de canicules. Les risques sanitaires dépendent principalement de l’intensité de la chaleur et de l’humidité relative de l’air, de la durée de l’exposition et de la vulnérabilité des personnes. Par rapport à d’autres phénomènes, la canicule prend sa dangerosité dans la durée.

Dans ce contexte, le projet a pour but de mieux évaluer et de mieux communiquer sur les risques de canicules en zones urbaines denses. En effet, l’accumulation de zones de fortes chaleurs produit des zones de dangerosité dues a la durée du phénomène et pouvant s’accentuer par la prévision de la continuité ou de l’aggravation du phénomène.

Par ailleurs, au niveau des représentations graphiques des phénomènes de canicule plusieurs points devraient être améliorées : les représentations focalisent sur la prévision des températures alors que la dangerosité devrait être intégrer à minima dans la durée du phénomène. Les représentations ne sont généralement pas assez précises et lissent la réalité : on ne voit les écarts locaux ni en planimétrie ni en altimétrie.

Le premier objectif du projet est de revisiter le modèle TEB en se concentrant sur les phénomènes de canicule, en exploitant mieux les sorties du modèle qui ne sont pas totalement exploitées. Ainsi, par exemple, des indices de confort ont été développés pour l’intérieur et l’extérieur des bâtiments, à l’ombre ou au soleil, mais ces indices sont globaux pour un quartier.

Le deuxième objectif, suite au premier, sera donc d’analyser la durée des phénomènes pour en déduire des zones de dangerosité (« hot spot ») à l’échelle de la rue. L’accumulation des zones de fortes chaleurs produit des zones de dangerosité dues à la durée du phénomène et pouvant s’accentuer par la prévision de la continuité ou l’aggravation du phénomène.

Le troisième objectif de ce projet est de proposer des représentations innovantes du risque canicule, à l’échelle des quartiers. Plusieurs éléments sont recherchés dans ces représentations. Au niveau de la communication de l’information il est important de montrer que les valeurs ne sont pas homogènes dans l’espace et ont une certaine durée. Au niveau sémiologique, il faut représenter différentes composantes du risque permettant de voir l’intensité, les zones vulnérables, la dangerosité et les incertitudes associées à ces informations. Ainsi, la conception de nouvelles représentations  a nécessité un développement de structures de données adhoc qui sera utilisé pour ce projet.

Dans ce travail de recherche, l’amélioration du calcul et la représentation du risque sont les deux résultats recherchés en priorité.

Le schéma suivant illustre le positionnement actuel du projet.

Le modèle TEB de Météo France que nous utilisons dans le projet prend en entrée

• des mailles morphologiques : des découpages de l’espace en maille qui sont caractérisées en fonction des bâtiments (type, agencement, hauteur, orientation), de la végétation, etc.

• de prévisions météorologiques calculées soit à partir d'une donnée d'une station météorologique d'observation (spatialisée ensuite avec un modèle conceptuel physique pour tenir compte de l'îlot de chaleur urbain) ou par Méso-NH (dans le cadre du projet), soit par le modèle opérationnel AROME sur la France (pour la prévision classique).

A partir de ces données et de données géographiques (type BDTopo 3D) le projet RepExtrem cherche à :

1. replonger les données de prévision dans l’espace pour mieux les mettre en valeur et faciliter les post-analyses contextuelles
2. représenter la dynamique de phénomène à partir d’une série de données et mettre en valeur les espaces critiques
3. compléter les prévisions faites à la maille par des estimations des variations locales des températures. Ce dernier point utilise des connaissances existantes sur la répartition de chaleur, complété par des campagnes de mesures faites pendant le projet.

Méteo France a simulé sur Paris la canicule de 2010. Ces nouvelles sorties du modèle TEB avec des mailles de (250m)² ont permis l’étude au niveau des quartiers. Cette nouvelle base de données des températures toutes les heures entre le 5 et le 11 juillet sur le centre de Paris (période durant laquelle la France a connu un phénomène de canicule) permet d’établir une cartographie des températures de la rue canyon à 2m du sol au centre de Paris via un SIG. On peut ainsi visualiser la répartition spatiale du phénomène de canicule mais aussi d’identifier la chronologie du réchauffement et de refroidissement de l’air. Ce traitement permet d’intégrer la temporalité pour identifier les zones critiques correspondant à des portions d’espace où la température est particulièrement élevée pendant un certain temps.

Un premier schéma de données est en cours de conception. L’objectif est de structurer les données de façon efficace pour pouvoir suivre en dynamique une canicule à l’aide de prévision et de mesures. La dangerosité étant fonction de l’intensité et la durée, il faut pouvoir passer d’états à des durées et suivre les températures au cours du temps à l’échelle de la maille pour voir si on rentre dans une situation de possible canicule et quelle est sa dangerosité et sa couverture spatiale. Dans la mesure où il s’agit d’un suivi, les indices sont calculés et mis à jour régulièrement.

• L’objet Maille-météo-durée décrit la température dans une maille pendant 7 heures d’affilées.

• L’objet Maille-suivi-canicule contrôle l’état de chaque maille en fonction des spécifications d’une possible canicule. L’objet maille-suivi-canicule est mis à jour toutes les 12h en intégrant les données fournies par la maille-météo-durée. Il met ainsi à jour ses indices dont les températures moyennes, minimales et maximales depuis le début de son existence ainsi que celui sur la durée et la dangerosité. Si par contre la maille-météo-durée n’est pas caniculaire, l’objet maille-suivi-canicule est reinitialisé. Une flexibilité est intégrée pour intégrer les retours de canicule.

• La zone-canicule, correspond à des objets de la classe maille-suivi-canicule connexes. Il s’agit d’une agrégation spatiale.

• L’historisation-canicule a pour but de stocker les objets et informations pertinentes pour décrire les zones de canicules.

Les recherches en cours sont centrées sur l’amélioration de ce modèle et des fonctions associées dont le calcul des indices en intégrant les recommandations de l’InVS.

Pour pouvoir détailler plus précisément les variations locales des températures nous avons réalisé deux séries de mesures sur une zone dense de Paris. L’objectif est d’étudier les écarts de température entre l’intérieur et l’extérieur, sur les zones nord et sud et en fonction des étages pour regarder les variations de température. En effet la dangerosité concernant les personnes, il est indispensable d’estimer les températures extérieures et intérieures pendant les périodes de canicules. Tous les bâtiments n’ayant pas les mêmes caractéristiques (orientation, nombre d’exposition, étage, isolation, ventilation), il s’agit d’estimer les scénarios de températures possibles pour différentes situations.

En 2014, nous avons positionné 14 capteurs de type Tynitag (dont certains extérieurs placés dans des abris naturellement ventilés) sur un bâtiment non climatisé au centre de Paris se situant dans une rue canyon. Ces capteurs ont été placés faces Nord et Sud, à l’intérieur et extérieur de l’immeuble sur 4 étages différents (du 3ème au 6ème étage). Les mesures ont été faites toutes les 30min pendant 8 jours (du 9 aout au 14 aout 2016).

Afin de compléter les analyses, en 2015 20 capteurs ont été placés dans 5 appartements et à proximité (intérieur et extérieur) entre le 29 juin et le 1ier Aout 2015. Les températures de météo-France à Montsouris ont également été relevées.

La figure suivante illustre la température intérieure et extérieure dans deux appartements parisiens non climatisés. Une première analyse montre que pour deux appartements parisiens du même quartier, les températures intérieures ont été sensiblement différentes. Le graphique d’en haut correspond aux températures extérieures (bleue) et intérieures (rouge et orange) d’un appartement dans un rue canyon, au 4ème étage, ayant double exposition (une sud, une nord). Le graphique du dessous correspond aux températures extérieures (orange) et intérieures (bleus) d’un appartement au 3ième étage donnant sur cours, jamais ensoleillé et ayant une seule exposition. Si les amplitudes thermiques sont plus fortes dans le premier appartement, le deuxième connait des températures très élevées de jour comme de nuit, et le refroidissement fin juillet apparait plus tard que l’autre appartement. Ces graphiques illustrent que le phénomène de canicule n’est pas ressenti de la même façon dans les deux appartements. Pour l’appartement orienté cours, la température ne parvient pas à baisser la nuit.

Sur les températures extérieures, le graphique suivant illustre les écarts entre les températures relevées dans un parc au bord de Paris (Station de Météo-France à Montsouris) avec celles prises dans les rues, au centre de la capitale. Les journées les plus chaudes, ces écarts peuvent atteindre 6 degrés selon les configurations.

Pinson L., Ruas A. Apport de la géomatique pour le risque caniculaire SAGEO 2014, Grenoble

Pinson L , Ruas A. Chancibault K., Masson V. Une meilleure connaissance et estimation du risque caniculaire en zone urbaine dense. Conférence AIC (Association internationale de climatologie) 1-3 juillet 2015 (Liège - Belgique)

Pinson L , Ruas A. Chancibault K., Masson V.  Reconstruction de l'objet canicule : modélisation et représentation graphique. Actes de la conférence SAGEO (2015)

Pinson L. Représentations des mesures urbaines en période caniculaire. Intervention lors du colloque de l’université Diderot sur la Variabilité et changements climatiques : impact sur les sociétés (2015)

Pinson L . Changement climatique et santé : Quels risques? Quels remèdes? De la donnée climatique à un indice de dangerosité pour le risque caniculaire. Intervention lors du congrès SFSE (2015)