CLIMATOLOGIE URBAINE

CLIMATOLOGIE URBAINE

REVUE DE LITTÉRATURE

Climatologie urbaine

La croissance urbaine accélérée de ces derniers siècles a provoqué un changement significatif non seulement dans l’organisation de la superficie terrestre, mais aussi dans le milieu atmosphérique. Les altérations climatiques dues aux processus de l’urbanisation peuvent avoir des effets au-delà des limites de l’agglomération urbaine, affectant les régions dans la proximité des activités humaines (BRYSON & ROSS,1970). Selon Assis (2000), les études de climatologie urbaine ont été de plus en plus utilisées pour orienter la conception de l’aménagement urbain local même à l’échelle du projet urbain. Les principaux aspects considérés sont généralement liés à la pollution de l’air et au confort thermique humain.
Olgyay(1998) relate que pour l’homme, contrôler l’environnement physique et créer les conditions favorables au développement des activités humaines ont toujours été des questions liées à l’idée d’habiter. Selon Yoshino (1990), les premières études sur le climat urbain ou sur les conditions climatiques des villes datent d’avant Jésus Christ. Les civilisations grecques et romaines considéraient déjà les aspects climatiques pour établir leurs villes.
Colombert (2008) mentionne que Vitruve ou Marcus Vitruvius Pollio (75-26 avant Jésus Christ), architecte et ingénieur romain, a écrit sur les relations entre l’aménagement des villes et les conditions climatiques. Postérieurement, Alberti a démontré comment les problèmes de salubrité des villes devaient être intégrés dans l’aménagement urbain. Manasara Silpasatra (avant JC), un indien, a écrit sur la prise en compte des conditions de luminosité et de ventilation pour la conception de l’aménagement. L’étude du climat urbain est également très liée à l’intérêt pour la pollution de l’air. C’est à partir de la fin du XVIIIème siècle que nait vraiment la climatologie urbaine, avec l’arrivée progressive de mesures instrumentales.
Selon Landsberg (1981), l’étude systématique du climat urbain a été initiée à partir de la deuxième partie du XIXème siècle avec l’étude de Luke Howard sur la différence de température entre la ville de Londres et ses alentours. Colombert (2008) relate qu’en 1927, Schmidt et Peppler effectuent la première traversée en voiture avec un équipement de mesures mobile, et la même année, Geiger publie un ouvrage sur les microclimats en incluant la climatologie urbaine. Enfin, en 1937, Kratzer publie le premier ouvrage sur la climatologie urbaine. La recherche en climatologie urbaine va alors s’accélérer durant la deuxième partie du XXème siècle. Assis (2005) rapporte que les recherches se multiplient grâce à l’expansion des réseaux d’observation météorologique.
Le climat urbain est défini par Monteiro (2003, p.19) comme « un système qui englobe le climat d’un espace terrestre déterminé et son urbanisation ». Pour Andrade (2005, p.70), le climat urbain résulte des interactions des « facteurs urbains avec le climat régional et avec le milieu physique pré-existant ».
Yoshino (1990-1991) estime que les progrès effectués dans cette discipline s’expliquent et sont mis en évidence par l’apparition progressive des éléments et événements suivants :
1) Les observations se sont élargies à la troisième dimension au-dessus de la ville.
2) Les méthodes de télédétection et d’interprétation des photographies aériennes ont été introduites.
3) Les simulations numériques ou les études de modélisation ont été employées en utilisant un ordinateur.
4) Les analyses et la cartographie ont été mises en relation avec la pollution atmosphérique et les conditions topoclimatiques.
5) Des ouvrages, articles à comité de lecture, et bibliographies en climatologie urbaine ont été publiés.
6) Les effets de la ville sur les précipitations ont été étudiés avec l’îlot de chaleur urbain.
7) Les îlots de chaleur sont considérés en relation à la densité bâtie, le paramètre de rugosité, le facteur de vue du ciel2 (sky view factor), la population, etc.
8) La climatologie urbaine n’a plus été étudiée uniquement dans les pays développés, mais également dans les pays en développement.
9) Les problèmes environnementaux dans les villes sont réapparus.
10) Une importance a été donnée aux travaux portant sur les processus comme les études des bilans d’énergie et en eau.
Colombert (2008) résume que la connaissance en climatologie urbaine est issue à la fois des mesures sur sites, de la simulation en soufflerie ou en tunnel aéraulique et des simulations numériques. Ainsi, grâce à de nombreuses campagnes de mesures et à la modélisation plus ou moins fine des phénomènes physiques en jeu, les climatologues ont pu décrire et comprendre avec de plus en plus de précision la formation du climat urbain. L’auteur mentionne que si les premiers travaux étaient avant tout concentrés sur l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les climatologues se sont progressivement intéressés à des échelles inférieures mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine et des matériaux de construction. (AIDA et GOTOH,1982 ;OKE,1988 ;TAHA et al. ;1988).
Aujourd’hui les échanges d’énergie entre l’atmosphère et la surface urbaine sont au cœur de nombreuses recherches sur la modélisation du climat urbain. Par contre antérieurement, la relation entre le milieu urbain et sa température a été largement simplifiée par les climatologues et les modèles des différents chercheurs ont principalement estimé la différence de température maximales entre zones urbaines et zones rurales la nuit (c’est le moment où l’îlot de chaleur est le plus conséquent).

Echelles d’études

L’îlot de chaleur urbain peut être examiné à diffèrents niveaux au sein d’une ville (PIGEON, 2007). Il existe différentes façons de mettre en évidence les îlots de chaleur ainsi que leur intensité, en fonction de l’échelle d’étude. Il est nécessaire de comprendre les différentes échelles verticales et horizontales.Les échelles verticales « Urban Boundary Layer» et « Urban Canopy Layer» (figure 1) se réfèrent à la chaleur de l’atmosphère urbaine et l’îlot qui leur est associé est mis en évidence par mesure directe de la température de l’air urbain à différentes hauteurs. Le « Urban Boundary Layer » (Couche urbaine limitrophe) se situe au-dessus du niveau moyen des toits des bâtiments entre l’atmosphère et l’espace urbain ; et le « Urban Canopy Layer » ( Couche intra-urbaine) comprend la couche entre le sol et le niveau moyen des toits des bâtiments ; soit entre l’atmosphère et les éléments urbains (canyons). Cependant, la première échelle d’observation des îlots de chaleur peut être mise en évidence par thermographie infrarouge par satellite (RINGENBACH,2004). Parmetier (2010) remarque que l’utilisation d’images satellites permet de les observer à plus grande échelle, c’est-à-dire à l’échelle de la ville dans son ensemble et de sa banlieue, contrairement aux relevés de températures réalisés au sein des différents quartiers qui fournissent des données à plus petite échelle.
2 Le facteur de vue du ciel correspond à la portion de ciel observable à partir de la surface considérée. Ce facteur est égal à 1 dans le cas d’une surface plane sans obstacle et varie entre 0 et 1. (COLOMBERT, 2008)
Il semble aussi pertinent de s’attarder sur les îlots de chaleur à l’échelle de la canopée (ICUC), dans la mesure où les infrastructures urbaines et les activités humaines influençant l’intensité du phénomène appartiennent à cette échelle.
Selon Parmentier (2010), l’observation des ICUC demande l’étude de paramètres qui n’ont pas le même « rôle » dans la définition du phénomène des îlots de chaleur. A l’échelle horizontale, trois échelles d’étude peuvent être distinguées: micro-échelle, échelle locale et méso-échelle (OKE, 2004) (figure 1) :
(1) La micro-échelle est une échelle typique du microclimat urbain et est liée aux dimensions individuelles des éléments urbains (au niveau d’un bâtiment, d’une rue, d’une arbre, d’un jardin, d’une cour, etc.). En effet, à faible distance on peut observer des différences de température de quelques degrés et le flux d’air est également, perturbé par le moindre objet (COLOMBERT,2008).
(2) L’échelle locale inclue les effets climatiques qui découlent de la forme du paysage, c’est-à-dire les caractéristiques de la zone étudiée, comme la topographie, mais exclue les effets micro climatiques. Dans le cas d’une zone urbaine, l’échelle locale correspond à un quartier pour lequel on peut observer une unité dans le développement urbain (unité architecturale, taille et espacement des bâtiments, activité, etc.) (COLOMBERT,2008).
(3) La méso-échelle correspond à l’influence intégrée de la ville dans le climat urbain. Une seule station ne peut pas représenter cette échelle car elle s’étend sur des dizaines de kilomètres.
Pour l’aménagement des villes d’un point de vue bioclimatique, la compréhension des altérations qui ont lieu à l’échelle de la canopée (ICUC) est fondamentale, étant donné que l’îlot de chaleur est la manifestation la plus significative du climat urbain.
Figure 1 : Représentation schématique de la couche limite urbaine (CLU) à méso-échelle(a), à l’échelle locale (b) et à micro-échelle (c)
Nous aborderons dans ce travail différentes échelles d’étude. A l’échelle méso, nous utiliserons une carte des températures de surface de la ville de São Paulo (Brésil) obtenue à partir d’une image satellite pour identifier les endroits les plus chauds et ceux de températures plus basses. A l’échelle locale, nous analyserons la géométrie urbaine de deux quartiers avec des températures distinctes. La recherche englobe aussi la récolte des données micro-climatiques.
La morphologie urbaine de la ville est un facteur essentiel de la particularité climatique du milieu urbain. Les rues et les hautes parois verticales forment ce que l’on nomme les canyons urbains (NUNEZ et OKE, 1977 ;OKE,1978) et constituent de véritables pièges radiatifs. Selon Santamouris (2001), la distribution de la température de l’air dans la couche intra-urbaine est affectée en grande partie par le bilan d’irradiation. Minella (2009) remarque que la géométrie urbaine et quelque autre élément qui obstrue la vue du ciel influent sur le contrôle de la température de superficie (Ts) et de la température de l’air. La perte d’irradiation est plus lente dans les surfaces urbaines que dans les surfaces rurales, donc il y a effectivement plus de gain solaire que de perte. Cet effet est considéré comme la principale cause des îlots de chaleur urbains (CHAPMAN ;THORNES ;BRADLEY,2001).

Ilot de chaleur urbain

L’apparition d’un îlot de chaleur3 (ICU) est la manifestation climatique la plus connue de l’influence du milieu urbain sur son climat. Les îlots de chaleur urbains désignent des élévations localisées de températures, particulièrement des températures maximales diurnes et nocturnes, enregistrées en milieu urbain par rapport aux zones rurales ou forestières voisines PARMENTIER(2010). De manière générale, l’ICU est défini lorsque la température au sol est plus élevée de 5 à 10 C en ville que dans la zone rurale environnante (CAMILLONI et BARRO,1997 ;CHARABI,2001). La différence de température atmosphérique entre les villes et les campagnes est un phénomène connu depuis le XIXème siècle. Selon Minella(2009), la différence maximale de température entre les superficies urbaines et rurales est nommée l’intensité de l’îlot de chaleur (∆Tu-r ). Parmentier (2010) remarque que cette différence présente à tout moment de la journée et de l’année, est généralement beaucoup plus perceptible le soir et la nuit sous un ciel clair. En effet, sous ce type de ciel, c’est en majorité du rayonnement direct (rayonnement solaire principalement) qui « frappe » les surfaces. Ce type de rayonnement selon Parmentier se caractérise par une plus grande intensité que le rayonnement diffus (BESSEMOULIN et OLIVIERI, 2000).
Les mécanismes à l’origine des îlots de chaleur urbains sont relativement bien connus4 et il est possible d’en estimer l’amplitude en fonction de la morphologie urbaine et des caractéristiques thermo-hydriques des surfaces, à l’aide de modèles de bilan énergétique des surfaces à l’échelle d’un quartier. L’atteinte verticale de l’îlot de chaleur est de trois à cinq fois la hauteur moyenne des bâtiments, de hauteur proche de la voûte urbaine (GIVONI ;1998). Selon Oke (1973), l’intensité d’un îlot de chaleur est influencée par la densité de la population de la zone d’étude.
En effet, en général, plus un quartier est dense, plus les bâtiments sont proches les uns des autres, plus les surfaces sont imperméabilisées (asphaltées), et plus la morphologie du milieu est modifiée. Il est observer que les villes denses sont plus vulnérables aux fortes chaleurs que les villes vertes. Ceci ne serait pas dû majoritairement à l’activité industrielle ou à la circulation automobile, mais à la faible place que nos cités accordent aux zones humides et aux végétaux, lesquels ont la propriété d’évacuer par « évapotranspiration » la chaleur du soleil emmagasinée dans les sols. Les îlots de chaleur ont des conséquences sur la qualité de l’air, ainsi que sur la santé et le bien-être des populations.
Selon Assis (2007), dû à la quantité d’énergie consommée, les villes constituent les principales sources indirectes de gaz à effet de serre. En échelle réduite, les altérations climatiques se traduisent soit par des îlots de chaleur, soit par des différences de température entre les centres plus concentrés et leurs alentours. De manière générale, la configuration de l’espace des régions plus concentrées est marquée par des bâtiments implantés le long de l’axes des rues, nommée canyon urbain, terme défini par Oke (1978). Les canyons urbains sont représentés par la relation entre la hauteur des bâtiments (H) et la largeur de la rue (W). Dans ce cas, les changements micro-climatiques dûs aux altérations dans le bilan énergétique, hydrique et thermique et dans les flux aérodynamiques de l’environnement urbain sont beaucoup plus perceptibles.
Les altérations dans le bilan de radiation sont dues à la décroissance de radiation reçue en zones d’ombres, à l’augmentation de radiation solaire reçue et au reflet interne dans les canyons urbains, à la captation et au stockage de chaleur par les matériaux de construction et à la réduction de l’onde longue émise par les régions urbaines dans l’atmosphère due à l’obstruction locale (OKE,1978, SOUZA ;RODRIGUES,MENDES,2003). En relation à ces obstructions, la quantité de ciel visible d’un point déterminé, soit le ciel disponible pour la dispersion d’énergie thermique, peut être déterminé par le facteur de vue du ciel (FVC). Par conséquent, la forme des canyons affecte aussi bien le confort interne que le confort externe aux bâtiments.
Johanson (2006) affirme que, en climat chaud et sec, les canyons assurent le confort thermique des piétons, en apportant de l’ombre. Sous l’aspect climatologique, Ali-Toudert (2005) affirme que la principale difficulté pour établir le dessin des rues est le conflit des besoins à différentes époques de l’année, comme fournir la protection adéquate pendant l’été et garantir l’accès solaire en hiver. Souza et al. (2008) mentionne qu’il est nécessaire d’établir une limite maximum à la diminution du facteur de vue du ciel, sans qu’il y ait une intensification des îlots de chaleur, en profitant de la propre masse bâtie des édifices pour pourvoir de l’ombre dans les zones piétonnes.
Plusieurs études ont été réalisées afin de relier l’intensité de l’îlot de chaleur nocturne avec les éléments météorologiques suivants : la nébulosité, la vitesse du vent, la température et l’humidité spécifique. Oke (1981) a établi une corrélation entre l’intensité maximale de l’îlot de chaleur urbain et la géométrie du canyon urbain, exprimée en fonction de la hauteur des bâtiments et de la distance entre les bâtiments. Il a également utilisé le facteur de vue du ciel (sky view factor) pour caractériser cette géométrie. Ainsi, l’auteur suppose en quelque sorte que l’îlot de chaleur urbain est principalement lié à une perte de chaleur moindre dans les rues étroites et encaissées par rapport à des milieux plus ouverts. Selon Givoni (1998), Taha (1988) a également essayé de corréler l’îlot de chaleur urbain avec le facteur de vue du ciel.
Park (1987, cité par Nakagawa,1996) a analysé les données de 20 villes japonaises, prenant en compte la relation entre l’intensité maximum observée des îlots de chaleur urbains locaux et la population, ainsi que le facteur de vue du ciel dans le centre de chaque ville et l’indice d’ imperméabilisation de la superficie urbaine. On observe que l’augmentation de la population, la réduction du facteur de vue du ciel et l’augmentation de l’imperméabilisation urbaine ont provoqué une croissance soudaine de l’intensité de l’ îlot de chaleur, mais à des niveaux plus bas que ceux registrée dans les villes américaines et européennes (OKE,1982). Park (1987, cité par Nakagawa,1996) a aussi découvert des développements différents des îlots de chaleur, en fonction des diverses conditions topographiques et climatiques.
Les premières recherches sur les îlots de chaleur urbains au Brésil été développées par Danni (1987). Il a étudié les variations de température de l’air dans la ville de Porto Alegre et leur relation avec l’îlot de chaleur. Il a analysé 15 jours de mesures dans l’été entre 9h, 15h et 21h. Les résultats ont indiqué des îlots de chaleur avec une intensité moyenne de 5ºC, liée aux zones les plus urbanisées. Lombard (1985), dans son travail sur la ville de São Paulo, a constaté des différences de température de l’air moyennes de 10ºC entre la zone urbaine et la zone rurale. Son travail englobe l’analyse des images des satellites NOAA-6 et 7 pour le traitement du champ thermique et des images Landsat pour l’identification de l’usage du sol, ainsi que des mesures fixes et mobiles. On a sélectionné 18 points de monitorage, les résultas indiquent que la formation des îlots de chaleur était liée à la superficie la plus polluée et la plus bâtie.
Oliveira (1988) a étudié, dans une approche conceptuelle liée au projet urbain, les caractéristiques de morphologie urbaine qui conditionnent le climat. Ce travail est la première recherche au Brésil qui a pris en compte les caractéristiques morphologiques de la ville et ses variables climatiques comme base pour l’aménagement urbain.
Sakamoto (1995) a analysé la relation entre la température de l’air et la configuration du ciel dans la ville de São Paulo (Brésil). Il a utilisé des photos « fisheye » pour le calcul du pourcentage de ciel obstrué. Les points de mesure ont été choisis en prenant en compte la structure urbaine, la géomorphologie et le plan directeur de la ville. Les résultats ont démontré que la relation entre la configuration du ciel et la température de l’air varie selon l’horaire, et est influencée par d’autres variables comme le vent, l’orientation du système routier, le degré d’urbanisation, la situation topographique et la nébulosité.
La recherche de Dines (1991) dans la ville de São Paulo (Brésil) englobe une approche selon les unités géoclimatiques, c’est-à-dire les superficies urbaines homogènes par rapport à la densité d’occupation et l’affectation du sol, et les caractéristiques du relief et des espaces verts liées aux valeurs de température de l’air et aux conditions de circulation du vent. Selon l’auteur, cette approche permettrait une analyse plus détaillée des conditions environnementales locales et l’identification des interventions prioritaires, ayant un impact dans l’équilibre de la relation entre les espaces verts et la superficie bâtie densément occupée.
Les recherches sur les îlots de chaleur urbains montrent l’influence de la morphologie urbaine sur le confort thermique. Les études indiquent qu’il est fondamental de prendre en compte les facteurs qui modifient le climat urbain comme outils de l’aménagement du territoire.

Variables du phénomène de l’îlot de chaleur

Différentes variables sont à la source du phénomène d’îlot de chaleur au sein d’un milieu urbain. Rizwan et al. (2007) signale qu’un îlot de chaleur urbain est le résultat combiné de plusieurs facteurs qui peuvent être répartis entre ceux qui sont contrôlables et ceux qui ne le sont pas (figure 2). « Les facteurs contrôlables et incontrôlables peuvent également être classés comme des variables à effet temporaire, comme la vitesse du vent et la couverture nuageuse, des variables à effet permanent comme les espaces végétalisés, les matériaux des bâtiments et le facteur de vue du ciel, et des variables à effet cyclique comme le rayonnement solaire et les sources de chaleur anthropique » (RIZWAN et al.,2007).
Figure 2 : Génération de l’îlot de chaleur urbain
Givoni (1998) a également effectué cette distinction soulignant ainsi que certains des facteurs qui influencent l’îlot de chaleur urbain sont météorologiques et ne peuvent donc a priori pas être modifiés par des interventions humaines. Parmi les variables incontrôlables se trouvent :
– les conditions atmosphériques ;
– la saison
– les conditions nocturnes ;
– la vitesse du vent ;
– le couvert nuageux.
Les paramètres les plus significatifs sont le vent et la nébulosité. Tout d’abord, l’intensité d’un îlot de chaleur urbain diminue avec la vitesse du vent (ELIASSON et SVENSSON,2003). Ce phénomène est dû au fait que l’augmentation de l’intensité du vent induit une augmentation du mélange horizontal. Selon les auteurs, en ce qui concerne la nébulosité, l’intensité de l’îlot de chaleur diminue lorsqu’elle augmente. En effet, les nuages interviennent en modifiant le rayonnement infrarouge incident et, par conséquent, influencent le bilan net de la surface et le refroidissement radiatif nocturne pendant lequel se forme l’îlot de chaleur urbain.
En revanche, selon Colombert (2008), d’autres facteurs liés à certaines pratiques dans l’aménagement urbain et l’architecture peuvent être améliorés. Il s’agit de facteurs urbains dits variables contrôlables. Ces facteurs incluent les couleurs des bâtiments (qui déterminent en partie la fraction de rayonnement solaire réfléchi), la quantité et la distribution de la végétation urbaine, l’utilisation d’énergie pour le chauffage et l’air conditionné (influencés par l’architecture des bâtiments et le comportement des occupants), la densité construite et les forme, type et nature des bâtiments (qui influencent la quantité de rayonnement solaire atteignant le sol et la perte radiative nocturne), ainsi que l’orientation des rues (qui influence, avec la direction prédominante du vent, la vitesse du vent près du sol). Le rôle relatif de ces facteurs dans la formation de l’îlot de chaleur dépend par ailleurs du climat (sec ou humide), de la saison, et de la nature des activités de la ville. Ainsi, les facteurs urbains contrôlables dans la formation du climat urbain comprennent à la fois :
– La nature de la surface urbaine : bâtiments, pavage, taux de végétation, sol naturel ou surface d’eau.
– Les activités humaines, sources de pollution atmosphérique et de rejets de chaleur ;
– La structure urbaine ou encore le tissu constructif dans lesquels sont inclus la morphologie du cadre bâti, la géométrie urbaine (facteur de vue du ciel, hauteur et largeur des bâtiments, espacement entre ces derniers, largeur des rues, etc) et les matériaux de construction.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1. CLIMATOLOGIE URBAINE
1.2. ECHELLES D’ÉTUDES
1.3. ILÔT DE CHALEUR URBAIN
1.4. VARIABLES DU PHÉNOMÈNE DE L’ILÔT DE CHALEUR
1.4.1. Facteur de vue du ciel
1.4.2. Méthodes d’obtention du facteur de vue du ciel
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1. ETUDE DE CAS: LA VILLE DE SÃO PAULO, BRESIL
2.1.1. Planification de la ville de São Paulo
2.1.2. Choix des quartiers d’étude
2.2. MONITORAGE IN LOCO
2.3. PROCESSUS D’ANALYSE
2.3.1. 3D Sky View
2.3.2. Simulation avec 3D SkyView
2.3.3. Elaboration et analyse de la maquette virtuelle 3D
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1. MONITORAGE IN LOCO
3.2. 3D SKY VIEW ET MAQUETTE 3D
CHAPITRE 4 DISCUSSION
CONCLUSION ET PERSPECTIVES FUTURES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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