Contribution `a l`analyse de la prise en compte du climat urbain dans

Contribution `a l`analyse de la prise en compte du climat urbain dans
Contribution à l’analyse de la prise en compte du climat
urbain dans les différents moyens d’intervention sur la
ville
Morgane Colombert
To cite this version:
Morgane Colombert. Contribution à l’analyse de la prise en compte du climat urbain dans les
différents moyens d’intervention sur la ville. Autre. Université Paris-Est, 2008. Français. .
HAL Id: tel-00470536
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Université Paris-Est
École Doctorale Ville et Environnement
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est
Spécialité : Génie urbain
présentée et soutenue publiquement par
Morgane Colombert
le 8 décembre 2008
Contribution à l’analyse de la prise en compte du climat
urbain dans les différents moyens d’intervention sur la ville
Contribution to the analysis of various means to take into account urban climate
in urban planning
Directeur de thèse
Youssef Diab
Jury
ACHARD Gilbert
ADOLPHE Luc
DIAB Youssef
MASSON Valéry
MORAND Denis
SALAGNAC Jean-Luc
TASSIN Bruno
© UMLV
Rapporteur
Rapporteur
Directeur de thèse
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Président du jury
Avant propos
Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre d’une thèse financée par une Convention
Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE).
Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), l’Ecole des Ingénieurs de la Ville
de Paris (EIVP) et le laboratoire de recherche Génie Urbain, Environnement et Habitat
(LGUEH) de l’Université Paris Est ont constitué avec l’Agence Nationale de la Recherche
Technique (ANRT) les partenaires de ce projet de recherche.
La thèse a été réalisée en majorité au sein du laboratoire Services, Process, Innovation (LSPI)
du département Economie et Sciences Humaines du CSTB.
1
2
Remerciements
Je souhaite exprimer ici toute ma reconnaissance et mon estime à Youssef Diab pour avoir
accepté de diriger ce travail de thèse.
Que Jean-Luc Salagnac, qui a co-encadré mon travail de thèse au CSTB, soit également
remercié pour sa disponibilité et ses relectures attentives durant ces trois années.
Que Denis Morand, qui a co-encadré pour l’université mon travail de thèse, soit également
convaincu de toute ma gratitude, et qu’il soit remercié pour ses nombreux conseils tout au
long de ma réflexion et de la rédaction.
Mes remerciements s’adressent également aux membres du jury qui ont accepté de participer
à mon jury de thèse : Gilbert Achard, Luc Adolphe, Valéry Masson et Bruno Tassin.
Je tiens également à remercier Patrick Lemoigne, Aude Lemonsu, et Grégoire Pigeon du
CNRM qui m’ont accueilli avec Valéry Masson à Toulouse pour m’initier à TEB et m’ont
apporté durant ces trois ans une aide précieuse pour mettre en œuvre mes modélisations
numériques.
Je remercie également les personnes ayant participé à mon comité de thèse et contribué ainsi à
m’ouvrir aux problématiques qui se posent dans leur métier : André-Marie Bourlon, Marc
Gillet, Jacques Rilling et Christian Thibault.
Durant cette thèse, j’ai eu l’occasion d’interagir avec de nombreuses personnes que je tiens
également à remercier : Vincent Becue, Benoit Bernard, Serge Bethelot, Nathalie Bintner,
Thomas Bonierbale, Daniel Cadé, Julien Desplat, Yann Françoise, Marc Gayda, Pierre
Kermen, Raphaëlle Kounkou-Arnaud, Frédéric Jacques, Sophie Labbouz, Sophie Morel,
Didier Olivry, Bertrand Riffiod, Claire Saint-Pierre, Serge Salat, Taoufik Souami, Nicolas
Texier, Nathalie Touze-Foltz, Damien Serre, François Wouts, et tous les autres que je ne cite
pas mais n’oublie pas.
Merci à l’ensemble de mes (ex)collègues du CSTB et du 4 avenue Recteur Poincaré, et tout
particulièrement Frédéric, Anne-Lyse et Nathalie, pour leur soutien de chaque instant et les
bons moments passés ensemble : Barbara Allen, Marguerite Bonnin, Michel Bonetti, Joël
Boutigny, Jean Bouvier, Jean Carassus, Orlando Catarina, José Carvalho, Marc Colombard3
Prout, Sophie Cruz, Claude Da Costa, Anne-Lyse Desnottes, Laurence Dubois, Hervé Duret,
Patrick Elias, José Fontan, Sophie Grillat, Haitham Joumni, Françoise Jovelet, Joëlle Laffitte,
Lydie Laigle, Mireille Lauffenburger, Marie Llorente, Emmanuelle Loyson, Dorothée
Marchand, Marinette Orlach, Pascale Pagliarini, Dominique Pompini, Nadine Roudil, Maëva
Sabre, Christian Sacré, José Sebbane, Samer Sliteen, Nicolas Taillefer, Nicole Tolle, Mélanie
Tual, Xavier Desjardin, Céline Varenio, Nathalie Weiss, et tous les autres.
Merci également à mes amis pour les moments de décompression. C’est essentiel !
Mes plus grands remerciements vont à ma famille, Colette, Delphine et Thierry, qui m’ont
encouragé à me lancer dans cette aventure et ont su m’apporter un soutien sans faille. Je
n’oublie pas non plus Jean-François, Marianne et Nicolas, ainsi que mes grands-parents
Aline, Elise, Jean et Yves.
Enfin, un immense remerciement à celui sans qui ces trois années auraient paru bien longues,
sans qui le courage m’aurait sans doute parfois manqué, avec qui j’ai pu partager les doutes et
les joies du travail de thèse : Antoine.
4
Résumé
Le milieu urbain est à l'origine de processus radiatifs, thermiques, dynamiques et hydriques
qui modifient le climat de la ville. La couche superficielle du sol, avec la présence plus ou
moins importante de surfaces végétales ou d’eau, les activités humaines qui induisent des
rejets de chaleur et de polluants, et la structure urbaine, avec des matériaux de construction et
une certaine morphologie du cadre bâti, sont les principaux facteurs de cette modification.
Le bilan d'énergie thermique permet d'appréhender la majorité des perturbations générées par
la ville. A l'aide du schéma Town Energy Balance, développé par Météo-France pour
paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l'atmosphère, nous
avons effectué des tests de sensibilité du bilan d'énergie à différents facteurs. Ces facteurs
appartiennent à cinq domaines d'actions : le bâtiment, l'espace public, l'organisation urbaine,
les activités industrielles et les transports.
Nos différentes simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres
radiatifs dans le bilan d'énergie de la ville en été. Durant l'hiver, ce sont d’autres paramètres
thermiques (isolation) qui ont la plus grande influence.
Les collectivités territoriales françaises ont à leur disposition plusieurs outils et moyens pour
agir en faveur de leur environnement climatique et intégrer des facteurs influant sur le climat
urbain : leurs domaines de compétence directe (voirie, bâtiments communaux, espaces verts,
etc.), les documents stratégiques d'orientation (SCOT et PLU), les procédures d'aménagement
(ZAC et lotissement), l'incitation et l'information de leurs citoyens et de leurs services
(Agenda 21 local, Plan Climat Territorial, Approche Environnementale de l'Urbanisme). Elles
ne peuvent cependant pas agir avec une liberté suffisante, compte tenu des limites
contraignantes entre droit de l’urbanisme et droit de la construction et de l’habitat.
Mots-clés
Climatologie urbaine, îlot de chaleur urbain, bilan d’énergie, Town Energy Balance,
modélisation numérique, urbanisme réglementaire, urbanisme opérationnel, Agenda 21, plan
climat.
5
Abstract
Urbanization, with artificial surfaces replacing natural land, more anthropogenic heat and
urban geometry, modifies the micro and meso scale climate. Such modifications do alter the
radiative, thermal, moisture and aerodynamics properties of the urban environment.
The study of energy balance could help understanding most of these changes. In this thesis,
we used the urban surface exchange parameterization of Météo-France: Town Energy
Balance, which computes water and energy exchanges between urban surfaces and
atmosphere. In order to study the significance of different factors, we made a sensivity study.
Factors are filed in five fields: building, public space, land use, industrial activities and
transports.
Our simulations showed that radiative parameters are the most influential during the summer.
During winter, other thermal parameters (insulation) are the most influential.
French local authorities could use several tools and means to act in favor of their climatic
environment: their fields of direct jurisdiction (roads, parks, buildings which are owned by the
community, etc.), guidance documents (SCOT and PLU), development procedures (urban
development zone and building plotting), and incitement and pieces of information for their
citizens and their agencies (local Agenda 21, Plan Climat, Approche Environnementale de
l'Urbanisme). They can not work completely freely because of the boundary between urban
planning law and building and dwelling law.
Keywords
Urban climatology, urban heat island, energy balance, numerical modelling, regulatory urban
planning, operational urban planning, Agenda 21.
6
Table des matières
Introduction
31
Première partie : Contexte et analyse bibliographique
37
I
Introduction
38
II
Climatologie urbaine : une science en évolution
40
II.1
Naissance et évolution de la climatologie urbaine
40
II.2
Climatologie urbaine : une science pluridisciplinaire ?
44
II.3
Prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture : quelques
exemples
45
II.4
Rafraichissement des villes : quelques exemples
49
II.5
La ville « idéale »
53
II.6
Conclusion
58
III
Préambule à l’explication des phénomènes physiques à l’origine de la formation du
climat urbain
60
IV
Phénomènes engendrés à l’échelle de la rue
64
IV.1
Impacts sur les écoulements de l’air
64
IV.2
Modification de l’évapotranspiration
65
IV.3
Apports anthropiques de chaleur
66
IV.4
Impacts radiatifs et thermiques
68
V
Phénomènes engendrés à l’échelle de la ville
V.1
Modification du bilan radiatif de la ville
V.1.1
V.1.2
V.1.3
V.1.4
V.1.5
V.2
Rayonnement solaire incident (K↓)
Rayonnement solaire réfléchi (αK↓)
Rayonnement thermique atmosphérique descendant de grande longueur d’onde (L↓)
Rayonnement thermique ascendant (L↑)
Rayonnement net (Q*)
Modification du bilan d’énergie thermique de la ville
V.2.1
V.2.2
V.2.3
V.2.4
V.2.5
V.2.6
Flux de chaleur d’origine anthropique (QF)
Variation de la quantité de chaleur stockée (∆QS)
Flux de chaleur sensible (QH)
Flux de chaleur latente (QE)
Flux de chaleur advectif (∆QA)
Synthèse
75
77
77
79
80
81
83
84
85
86
86
86
87
87
V.3
Modification du bilan hydrique de la ville
89
V.4
Mouvements des masses d’air et rugosité du milieu urbain
91
V.5
Précipitations et les averses orageuses
94
V.6
Variations journalières et saisonnières de l’intensité des modifications climatiques 99
VI
Rôle de différents facteurs dans la formation du climat urbain
104
7
VI.1
Couche superficielle du sol
VI.1.1
VI.1.2
VI.2
Activités humaines
VI.2.1
VI.2.2
VI.3
Activités polluantes
Sources de chaleur
Structure urbaine
VI.3.1
VI.3.2
VII
Surfaces végétales
Surfaces d’eau
Morphologie du cadre bâti
Matériaux de surface
Synthèse
106
106
109
109
109
110
112
112
114
124
Deuxième partie : Méthodes et modèles de simulation numérique
127
I
Déroulement de la recherche et méthodes utilisées
128
II
Modèles de simulation numérique du climat urbain
130
II.1
Modèles climatiques à échelle locale
II.1.1
II.1.2
II.2
ENVI-met (Environmental Meteorology)
SOLENE
Modèles climatiques de l’échelle locale à la méso-échelle
II.2.1
II.2.2
II.2.3
130
130
133
136
Modèles empiriques
Modèles d’espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées
Modèles de la canopée urbaine
136
139
143
Troisième partie : Quantification des effets de différents facteurs sur le climat urbain
151
I
Introduction
152
II
Proposition de domaines d’actions et de leviers pour agir sur le climat urbain
153
II.1
Bâtiment
153
II.2
Espace public
154
II.3
Organisation spatiale
155
II.4
Synthèse des leviers d’actions et des critères d’évaluation en relation avec la
climatologie urbaine
III
158
Choix d’un modèle de simulation numérique et analyse de sa portée et de ses limites
162
III.1
Choix d’un modèle de simulation numérique selon sa portée
162
III.2
Hypothèses et limites du modèle choisi
164
IV
Choix d’une ville-témoin : Paris ou ‘urbain dense’
168
IV.1
Paris, une ville très minérale
168
IV.2
Morphologie et géométrie de Paris
171
IV.2.1
IV.2.2
IV.2.3
Hauteur moyenne des bâtiments et longueur de rugosité dynamique du couvert urbain
Fraction occupée par les bâtiments
Facteur de forme
173
174
175
IV.3
Flux de chaleur liés aux différentes activités de Paris
176
IV.4
Matériaux de constructions parisiens
179
IV.4.1
IV.4.2
IV.4.3
IV.4.4
Hypothèses de calcul
Caractéristiques thermiques et radiatives des murs
Caractéristiques thermiques et radiatives de la voirie
Caractéristiques thermiques et radiatives des toits
179
180
183
185
8
IV.5
Description de Paris et comparaison avec les valeurs de l’urbain dense
189
IV.6 Comparaison des résultats des simulations pour les modèles Paris et urbain dense et
choix d’une ‘ville-témoin’
192
V
Présentation des différentes simulations
V.1
Etude de sensibilité du bilan d’énergie : variation simple des paramètres de SURFEX
197
V.1.1
V.1.2
V.1.3
V.1.4
Couverture du sol
Structure urbaine et tissu constructif
Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains
Activités humaines : les flux de chaleur anthropique
V.2
Etude de sensibilité du bilan d’énergie à la variation de multiples paramètres en
relation avec les domaines d’action identifiés
V.2.1
V.2.2
V.2.3
VI
VI.1
Bâtiment
Espaces publics
Organisation urbaine
VII
204
207
207
Cadre des simulations
209
Situations climatiques choisies
Conditions initiales
Forme des résultats
Variation simple des paramètres de SURFEX
Couverture du sol
Structure urbaine et tissu constructif
Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains
Activités humaines : les flux d’origine anthropique
Variation de multiples paramètres de SURFEX
VI.3.1
VI.3.2
VI.4
204
209
VI.2.1
VI.2.2
VI.2.3
VI.2.4
VI.3
197
198
200
203
Résultats des simulations
VI.1.1
VI.1.2
VI.1.3
VI.2
197
Bâtiment
Organisation urbaine
Conclusion
Synthèse
209
210
211
215
215
218
222
231
232
232
234
234
238
Quatrième partie : Réflexion sur les moyens à disposition des collectivités territoriales
françaises pour intégrer dans la conception urbaine des critères permettant d’influer sur
l’environnement climatique
241
I
Introduction
242
II Possibilités offertes par l’urbanisme réglementaire et opérationnel pour intégrer des
critères permettant d’améliorer l’environnement climatique
246
II.1
Généralités
248
II.2
Schéma de Cohérence Territoriale
253
II.3
Plan Local d’Urbanisme
255
II.4
Perspectives et limites du SCOT et du PLU
264
II.5
Urbanisme opérationnel : cas de la Zone d’Aménagement Concerté et du lotissement
267
II.6
Conclusion
269
III
Démarches incitatives et informatives à disposition des collectivités pour intégrer
des critères permettant d’améliorer l’environnement climatique
272
9
III.1
Une ville exemplaire dans son domaine de compétence
272
III.1.1
Infrastructures et parc immobilier
273
III.1.2
Les démarches d’accompagnement pour un urbanisme plus conscient de l’environnement : cas
de l’approche environnementale de l’urbanisme (AEU)
275
III.2
Démarches et documents incitatifs et informatifs
III.2.1
III.2.2
III.2.3
III.3
IV
Agenda 21 local
Plan Climat territorial
Regards sur les travaux de la Grande-Bretagne
Conclusion
Synthèse
280
281
282
288
290
292
Conclusion
297
Lexique
305
Bibliographie
315
Annexes
343
10
Liste des tableaux
Tableau 1 : Stratégies de diminutions de l’îlot de chaleur (Rosenzweig et al., 2006). ............ 52
Tableau 2 : Pourcentages pour chaque type de surface et potentiel pour intégrer des moyens
de diminuer l’îlot de chaleur urbain (Rosenzweig et al., 2006). .............................................. 52
Tableau 3 : Réduction de la température près du sol (en °F) pour différents scénarii de
réduction de l’îlot de chaleur urbain, en moyenne durant la journée et à 3h00 (Rosenzweig et
al., 2006). ................................................................................................................................. 53
Tableau 4 : Résumé des outils (diagonale en gris) utilisés aux échelles du bâtiment, du groupe
de bâtiment, de l’implantation urbaine, pour répondre aux objectifs climatiques à ces échelles
(Mills, 2003). ............................................................................................................................ 57
Tableau 5 : Chaleur anthropique (QF) et rayonnement net toutes longueurs d’onde comprises
(Q*) dans plusieurs villes dans plusieurs villes du Monde (D’après Oke (1978)). ................. 67
Tableau 6 : Albédos de différentes zones urbaines (Taha, 1997a)........................................... 80
Tableau 7 : Nombre d’arbres plantés dans chaque zone métropolitaine et leurs effets simulés
sur la réduction des températures ambiantes d’après Taha (1996) (Akbari, 2001)................ 107
Tableau 8 : Types de densité et indicateurs (Allain, 2004) .................................................... 156
Tableau 9 : Part du sol occupé par la voirie (%) (Allain (2004), d’après Métropolis, OCDE,
Banque Mondiale). ................................................................................................................. 156
Tableau 10 : Domaines, leviers d’actions et critères descriptifs des leviers. ......................... 158
Tableau 11 : Critères disponibles ou non pour différents modèles et schémas climatiques
(ENVI-met, SOLENE, NARP-LUMPS, SM2-U, TEB, FVM). ............................................ 163
Tableau 12 : Nombre et part de bâtiments parisiens selon la période de construction (APUR,
2007)....................................................................................................................................... 180
Tableau 13 : Résistance thermique des parois (APUR, 2007). .............................................. 181
Tableau 14 : Classification des matériaux en trois catégories en fonction de leur albédo
(Scudo et al., 2004). ............................................................................................................... 182
Tableau 15 : Valeurs de l’albédo des matériaux âgés ou non pour l’ensemble des longueurs
d’onde. .................................................................................................................................... 185
Tableau 16 : Conductivité et capacité thermiques de différents matériaux de toiture. .......... 188
Tableau 17 : Valeurs des critères de description de TEB et ISBA pour l’urbain dense de
Météo-France et notre proposition pour Paris. ....................................................................... 190
Tableau 18 : Initialisation des températures pour les modélisations (Ta1 est la température de
l’air du premier pas de temps du forçage utilisé) ................................................................... 211
Tableau 19 : Influence sur le bilan d’énergie de différents facteurs selon la saison (hiver et
été). ......................................................................................................................................... 236
Tableau 20 : Atouts et limites des SCOT, des PLU et des ZAC pour la prise en compte de
l’environnement climatique et la mise en œuvre de mesures pour influer sur le climat urbain.
................................................................................................................................................ 271
Tableau 21 : L’AEU, des modalités d’assistance diverses, adaptables à la nature et au rythme
des projets (ADEME, 2003). .................................................................................................. 279
Tableau A 1 : Tableau synthétique des modes d’intervention sur la forme urbaine visant la
régulation du microclimat urbain (Benzerzour, 2004). .......................................................... 353
11
Tableau A 2 : Evolution de différents paramètres climatiques, et plus particulièrement des
températures, durant le XXe siècle. ........................................................................................ 371
Tableau A 3 : Diminution en pourcentage du rayonnement solaire global et UV d’un site
urbain par rapport à un site rural proche à Saint-Louis (Missouri, Etats-Unis) (Peterson et
Flowers, 1977). ....................................................................................................................... 404
Tableau A 4 : Durée d’insolation par an (moyenne 1971-1980) (Cantat, 1986). .................. 405
Tableau A 5 : Moyennes des durées des précipitations durant la période 1961-1980
(Escourrou, 1990). .................................................................................................................. 406
Tableau A 6 : Diminution du nombre de degrés.jours chauffage et augmentation du nombre de
degrés.jours climatisation du fait de l’urbanisation et des effets d’îlot de chaleur (Taha, 1997).
................................................................................................................................................ 412
Tableau A 7 : Profils climatiques des principaux climats, problèmes associés, et réponses
architecturales ou urbaines offertes conseillées (Golany, 1996). ........................................... 419
Tableau A 8 : Classification en zone climatique de différentes formes urbaines triées de façon
décroissante selon leur capacité à influencer le vent local, la température et l’humidité (Oke,
2004(a), 2004(b)) ................................................................................................................... 424
Tableau A 9 : Formes distinctes des zones urbaines (Ellefsen, 1990/91) .............................. 425
Tableau A 10 : Identification et classification des différents types de zones urbaines trouvées
à Saint-Louis –Etats-Unis) (Auer, 1978)................................................................................ 426
Tableau A 11 : Paramètres descriptifs du cadre bâti dans TEB. ............................................ 430
Tableau A 12 : Les déplacements motorisés dans Paris, par mode, en 2000 (Prud’Homme et
al., 2005). ............................................................................................................................... 457
Tableau A 13 : Les déplacements sur le réseau viaire dans Paris, en 2000 (D’après les données
de Prud’Homme et al. (2005)). .............................................................................................. 458
Tableau A 14 : Part de différents types de véhicules dans le parc roulant urbain (d’après
Hugrel et Joumard (2004)). .................................................................................................... 459
Tableau A 15 : Répartition et kilométrages parcourus pour les différentes catégories de
véhicules durant une journée sur le territoire de la Ville de Paris.......................................... 459
Tableau A 16 : Consommation de carburant en circulation urbaine et énergie rejetée par
véhicule par kilomètre parcouru. ............................................................................................ 461
Tableau A 17 : Energie rejetée par véhicule par km parcouru et flux de chaleur rejetée. ..... 462
Tableau A 18 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la fraction
de végétation. ......................................................................................................................... 463
Tableau A 19 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la fraction
d’eau. ...................................................................................................................................... 463
Tableau A 20 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la largeur
des rues. .................................................................................................................................. 464
Tableau A 21 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la hauteur
des bâtiments. ......................................................................................................................... 464
Tableau A 22 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la
profondeur des bâtiments. ...................................................................................................... 464
Tableau A 23 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’isolation
des toits. .................................................................................................................................. 465
Tableau A 24 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie
des toits. .................................................................................................................................. 465
Tableau A 25 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’albédo
des toits. .................................................................................................................................. 466
Tableau A 26 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à
l’émissivité des toits. .............................................................................................................. 466
12
Tableau A 27 : Expérience avec des toits tous en tuile (données de G. Pigeon, CNRM) ou en
toiture terrasse (découpage de l’APUR et valeurs issues de la norme NF EN ISO 10456). .. 466
Tableau A 28 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’isolation
des murs.................................................................................................................................. 467
Tableau A 29 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie
des murs.................................................................................................................................. 467
Tableau A 30 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’albédo
des murs.................................................................................................................................. 467
Tableau A 31 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à
l’émissivité des murs. ............................................................................................................. 468
Tableau A 32 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie
des rues. .................................................................................................................................. 468
Tableau A 33 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’albédo
des rues. .................................................................................................................................. 468
Tableau A 34 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à
l’émissivité des rues. .............................................................................................................. 468
Tableau A 35 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de
chaleur sensible dû au trafic. .................................................................................................. 469
Tableau A 36 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de
chaleur latente dû au trafic. .................................................................................................... 469
Tableau A 37 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de
chaleur sensible d’origine industrielle.................................................................................... 469
Tableau A 38 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de
chaleur latente d’origine industrielle. ..................................................................................... 469
Tableau A 39 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à
différentes améliorations thermiques. .................................................................................... 470
Tableau A 40 : Simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à
différentes orientations d’aménagement. ............................................................................... 471
Tableau A 41 : Résultat de la simulation du bilan d’énergie pour Paris (janvier 2006). ....... 473
Tableau A 42 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la fraction de végétation (janvier 2006). ............................................................. 474
Tableau A 43 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la fraction d’eau (janvier 2006). .......................................................................... 475
Tableau A 44 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la largeur des rues (janvier 2006). ....................................................................... 476
Tableau A 45 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la hauteur des bâtiments (janvier 2006). ............................................................. 477
Tableau A 46Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan d’énergie
à la profondeur des bâtiments (janvier 2006). ........................................................................ 478
Tableau A 47 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’isolation des toits (janvier 2006). ...................................................................... 479
Tableau A 48 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des toits (janvier 2006). ......................................................................... 480
Tableau A 49 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des toits (janvier 2006). ......................................................................... 481
Tableau A 50 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des toits (janvier 2006). ................................................................... 482
Tableau A 51 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à un changement de types de toits (janvier 2006). ................................................. 483
13
Tableau A 52 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’isolation des murs (janvier 2006). ..................................................................... 484
Tableau A 53 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des murs (janvier 2006). ........................................................................ 485
Tableau A 54 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des murs (janvier 2006). ........................................................................ 486
Tableau A 55 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des murs (janvier 2006). .................................................................. 487
Tableau A 56 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des routes (janvier 2006). ...................................................................... 488
Tableau A 57 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des routes (janvier 2006). ...................................................................... 489
Tableau A 58 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des rues (janvier 2006)..................................................................... 490
Tableau A 59 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie au flux de chaleur sensible lié au trafic (janvier 2006). ......................................... 491
Tableau A 60 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie au flux de chaleur latente lié au trafic (janvier 2006). ........................................... 492
Tableau A 61 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie aux flux de chaleur sensible et latente d’origine industrielle (janvier 2006). ........ 493
Tableau A 62 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la structure du bâtiment (janvier 2006). .............................................................. 494
Tableau A 63 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’organisation urbaine (janvier 2006). ................................................................. 495
Tableau A 64 : Résultat de la simulation du bilan d’énergie pour Paris (juin 2006). ............ 496
Tableau A 65 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la fraction de végétation (juin 2006). .................................................................. 497
Tableau A 66 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la fraction d’eau (juin 2006). ............................................................................... 498
Tableau A 67 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la largeur des rues (juin 2006). ............................................................................ 499
Tableau A 68 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la hauteur des bâtiments (juin 2006). .................................................................. 500
Tableau A 69 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la profondeur des bâtiments (juin 2006).............................................................. 501
Tableau A 70 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’isolation des toits (juin 2006). ........................................................................... 502
Tableau A 71 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des toits (juin 2006). .............................................................................. 503
Tableau A 72 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des toits (juin 2006). .............................................................................. 504
Tableau A 73 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des toits (juin 2006). ........................................................................ 505
Tableau A 74 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à un changement de types de toits (juin 2006). ...................................................... 506
Tableau A 75 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’isolation des murs (juin 2006)........................................................................... 507
Tableau A 76 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des murs (juin 2006). ............................................................................. 508
14
Tableau A 77 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des murs (juin 2006). ............................................................................. 509
Tableau A 78 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des murs (juin 2006). ....................................................................... 510
Tableau A 79 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’inertie des routes (juin 2006). ........................................................................... 511
Tableau A 80 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des routes (juin 2006). ........................................................................... 512
Tableau A 81 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’émissivité des rues (juin 2006). ........................................................................ 513
Tableau A 82 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie au flux de chaleur sensible lié au trafic (juin 2006). .............................................. 514
Tableau A 83 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie au flux de chaleur latente lié au trafic (juin 2006). ................................................ 515
Tableau A 84 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie au flux de chaleur sensible et latente d’origine industrielle (juin 2006). ............... 516
Tableau A 85 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à la structure du bâtiment (juin 2006). ................................................................... 517
Tableau A 86 : Résultats des simulations effectuées pour tester la sensibilité du bilan
d’énergie à l’organisation urbaine (juin 2006). ...................................................................... 518
Tableau A 87 : Critères de la grille RST02 (CERTU, 2006). ................................................. 533
Tableau A 88 : Questions et recommandations associées au critère ‘impact sur
l’environnement’ dans la RST02 (CERTU, 2006). ................................................................. 534
Tableau A 89 : Exemple du tableau des performances pour les neuf premiers critères de la
grille RST02. Cas d’une grange requalifiée en logements locatifs et en café de pays (CERTU,
2006)....................................................................................................................................... 534
Tableau A 90 : Exemple d’une courbe de température avec la grille RST02. Cas d’une grange
requalifiée en logements locatifs et en café de pays (CERTU, 2006).................................... 535
15
Liste des figures
Figure 1 : Evolution de l’intensité maximale de l’îlot de chaleur urbain en fonction de la
population (Escourrou (1991) d’après les données de Oke (1973)). ........................................ 42
Figure 2 : Représentation schématique de la couche limite urbaine (CLU) à méso-échelle (a),
à l’échelle locale (b) et à micro-échelle (c) (Leroyer (2006), d’après Oke (1987)). ................ 61
Figure 3 : Cartographie européenne des rejets de chaleur d’origine anthropique (Chirkov,
2003)......................................................................................................................................... 66
Figure 4 : Le piège radiatif des rues (Griffiths, 1976). ............................................................ 68
Figure 5 : Rayonnement solaire et rayonnement infrarouge en milieu urbain. ........................ 69
Figure 6 : Représentation du facteur de vue du ciel dans une rue canyon décrite par sa largeur
(W) et les hauteurs des bâtiments l’encadrant (H1 et H2) (Oke, 1988). .................................. 70
Figure 7 : Facteurs de vue du ciel de différents sites à Hong Kong (Chine) (Giridharan et al.,
2007)......................................................................................................................................... 70
Figure 8 : L’albédo de l’environnement urbain (http://www.espere.net). ............................... 71
Figure 9 : Vue en plan du canyon (Nakamura et Oke, 1988)................................................... 73
Figure 10 : Elévation de la section du canyon avec les dimensions de ce dernier et la
localisation des instruments de mesures (Nakamura et Oke, 1988). ........................................ 73
Figure 11 : La brise de terre et la brise de mer (Météo-France). .............................................. 76
Figure 12 : Bilan radiatif au-dessus d’une ville. ...................................................................... 77
Figure 13 : Température moyenne de surface à partir d’images infrarouge lors de la canicule
de 2003 (du 4 au 13 août) pour deux intervalles de temps (en journée de 12h à 15h et de nuit
de 20h à 23h) (Dousset et al., 2007). ........................................................................................ 82
Figure 14 : Classification de la nature de la surface de Paris à partir d’une image satellite
(SPOT-4 HRV) le 13 juillet 2003. (Dousset et al., 2007). ....................................................... 82
Figure 15 : Rayonnement thermique (W.m-2) produit par le LIS (Land Information System)
pour le 11 juin 2001 au niveau du nord-est des Etats-Unis (NASA/Goddard Space Flight
Center). ..................................................................................................................................... 83
Figure 16 : Schéma descriptif du bilan énergétique pour une zone urbaine (Duchêne-Marullaz,
1980)......................................................................................................................................... 85
Figure 17 : Les flux de chaleur en milieux urbain et rural (D’après Cantat (1993)). .............. 87
Figure 18 : Cycle journalier moyen des flux mesurés du bilan énergétique de surface de
Marseille pour les jours 183 à 192 de l’année 2001 (début juillet) (Roberts et al., 2003). ...... 88
Figure 19 : Schématisation des différents flux d’énergie et de rayonnement au-dessus d’une
zone urbaine et rural pour une journée avec un ciel dégagé (Gill (2004), d’après Bridgman et
al. (1995)). La largeur des flèches permet d’approcher l’importance des flux. ....................... 89
Figure 20 : Schéma descriptif du bilan hydrique pour une zone urbaine, d’après Oke
(Duchêne-Marullaz, 1980) ....................................................................................................... 90
Figure 21 : Représentation schématique des basses couches troposphériques et profil de la
vitesse du vent selon les différentes couches troposphériques (Leroyer, 2006). ..................... 93
Figure 22 : Profil de la vitesse du vent pour différentes surfaces (Chatelet et al., 1998). ....... 93
Figure 23 : Relations entre mouvements horizontaux et verticaux avec convergence des
masses d’air (Vigneau, 2005). .................................................................................................. 94
Figure 24 : La classification des nuages (Vigneau, 2005). ...................................................... 95
Figure 25 : Du nuage à la pluie : les mécanismes (Vigneau, 2005). ........................................ 96
16
Figure 26 : Le « dôme » urbain : structure verticale de l’atmosphère pour des vents inférieurs
à 3 m/s (Ringenbach (2004), d’après Mestayer et Anquetin (1995)). ...................................... 99
Figure 27 : Turbulence thermique au contact d’une surface surchauffée. ............................. 100
Figure 28 : Le « panache » urbain : structure verticale de l’atmosphère urbaine pour des vents
supérieurs à 3m/s (Ringenbach (2004), d’après Mestayer et Anquetin (1995)). ................... 101
Figure 29 : Distribution décadaire de l’intensité de l’îlot de chaleur urbain nocturne entre
1990 et 1999 (différences des températures minimales entre Paris-Saint-Jacques et Melun
moyennées pour chaque décade) (Cantat, 2004). ................................................................... 102
Figure 30 : Formation de l’îlot de chaleur urbain (D’après Rizwan et al. (2008)). ............... 104
Figure 31 : Relation empirique entre la géométrie du canyon urbain (H/W dans le centre
urbain) et l’intensité maximale de l’îlot de chaleur (∆Tu-r(max)) (Oke, 1988). ........................ 112
Figure 32 : Influence de la géométrie urbaine, décrite par le ratio W1/W2, et de l’angle du
soleil θ sur l’albédo global. Fondée sur des simulations avec H/W2 = 1,0 (Oke (1988), d’après
Aida et Gotoh (1982)). ........................................................................................................... 113
Figure 33 : Relation entre le facteur de vue du ciel et la température de surface (Eliasson,
1990/91). ................................................................................................................................ 114
Figure 34 : Températures de surface de chaussées en béton bitumineux en fonction de l’heure
pour deux albédos différents, Concord (Californie, Etats-Unis), le 17 septembre 1998
(Pomerantz et al., 2000). ........................................................................................................ 116
Figure 35 : Température de surface d’une chaussée, insolation et température de l’air en
fonction de l’heure à San José (Californie, Etats-Unis) le 17 septembre 1997 (Pomerantz et
al., 2000). ............................................................................................................................... 116
Figure 36 : Eléments composants l’expérience de Asaeda et al. (1996). ............................... 118
Figure 37 : Distribution des températures au sein des différents types de sol (observations de
1990) (Asaeda et al., 1996). ................................................................................................... 119
Figure 38 : Bilan d’énergie à la surface du sol. (a) asphalte, (b) béton, (c) sol nu sec (Asaeda
et al., 1996)............................................................................................................................. 119
Figure 39 : Flux de chaleur de conduction à 20cm de profondeur pour une surface en asphalte
et une autre en béton (Asaeda et al., 1996). ........................................................................... 120
Figure 40 : Différence entre la température de surface et celle de l’air en fonction de l’albédo
des peintures ou des matériaux de toits exposés au soleil (Rosenfeld et al., 1995). .............. 121
Figure 41 : Un exemple de l’éditeur utilisé pour créer les fichiers nécessaire à la simulation
pour ENVI-met (Bruse, 2004). ............................................................................................... 131
Figure 42 : Trois scenarii et leurs profiles des températures (limite basse : 303.45 K; limite
haute : 301.8 K) pour z = 2m à 06:00 h. (a) forêt d’origine, (b) pas de forêt, (c) des bâtiments
(Yu et Hien, 2006). ................................................................................................................. 133
Figure 43 : Températures et flux solaires calculés sur les surfaces des bâtiments, des arbres et
sur le sol (UMR 1563 Ambiances architecturales et urbaines, 2002-2005)........................... 134
Figure 44 : De la structure urbaine à la maille de simulation (Groleau et al., 2003). ............ 135
Figure 45 : Fonctionnement d’un couplage entre un modèle atmosphérique et un modèle de
surface. ................................................................................................................................... 136
Figure 46 : Structure de NARP-LUMPS (d’après Grimmond et Oke, 2002). ....................... 138
Figure 47 : Schéma représentant les modèles de bilan d’énergie et hydrique de SM2-U avec
huit types de surface (pav, cova, bare, nat, roof, vega, vegn, wat) et 3 couches de sols
(Mestayer et al., 2004). .......................................................................................................... 140
Figure 48 : Bilan d'énergie sur les 4 différents quartiers de la ville (a) : zone pavillonnaire,
(b) : centre ville, (c) : quartier des grands ensembles, (d) : zone industrielle & commerciale.
Rn le rayonnement net, LE le flux de chaleur latente, Hs le flux de chaleur sensible et G la
quantité de chaleur stockée (Leroyer, 2006). ......................................................................... 142
17
Figure 49 : Les résistances aérodynamiques, les flux de chaleurs sensibles et latentes et les
paramètres climatiques intervenant au sein du schéma TEB (Masson et al., 2002). ............. 145
Figure 50 :Représentation schématique de la grille numérique du module urbain (Martilli et
al., 2002).. .............................................................................................................................. 147
Figure 51 : Effets thermiques et mécaniques pris en compte dans le module urbain du Finite
Volume Model (Krpo et al., 2006).......................................................................................... 148
Figure 52 : Simulation de la température au-dessus de la ville de Bâle (Suisse) sans (gauche)
et avec (droite) une représentation de la ville par le biais du Finite Volume Mode. (Krpo et al.,
2006). La résolution est de 1km x 1km. ................................................................................. 149
Figure 53 : Profils et domaines urbains (Allain (2004), d’après J.-P. Paulet, Géographie
urbaine, Armand Colin, 2000)................................................................................................ 157
Figure 54 : Volumétrie générale et éléments de façade (Allain, 2004).................................. 157
Figure 55 : Schématisation du canyon urbain dans TEB - avec W la largeur moyenne des rues,
abât la fraction de bâtiment et zbât la hauteur moyenne des bâtiments (Lemonsu, 2003)..... 165
Figure 56 : Représentation des flux de surfaces moyens. D’après Lemonsu (2003). ............ 166
Figure 57 : Flux du bilan d’énergie calculé par SURFEX (Q* + QF = QH + QE + ∆QS). ...... 167
Figure 58 : Les espaces verts parisiens et leurs aires d’influence. (Atelier parisien
d’urbanisme, 2004)................................................................................................................. 169
Figure 59 : Estimation de la nature des surfaces et de la forme urbaine pour obtenir des
données d’entrée nécessaire à SURFEX. ............................................................................... 172
Figure 60 : Plan des hauteurs indiquant les hauteurs plafonds fixées pour l'application de
l'article 10 du règlement du PLU de Paris (Ville de Paris). ................................................... 174
Figure 61 : Vue du ciel d’un quartier du 5ème arrondissement de Paris (Ville de Paris). ....... 186
Figure 62 : Vue du ciel d’un quartier du 20ème arrondissement de Paris (Ville de Paris). ..... 186
Figure 63 : Coupe de toit correspondant à un bâtiment typique parisien, avec toiture zinc et
comble (A Paris le terrasson est recouvert de zinc et généralement le brisis d’ardoises)
(L’ANAH et le Ministère de l’Urbanisme et du Logement, 1984). ....................................... 187
Figure 64 : Dessin d’un voligeage jointif (DICOBAT). ........................................................ 189
Figure 65 : Bilans d’énergie pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ le 30 juin 2006. ......................... 192
Figure 66 : Bilans énergétiques des toits pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006. ....................................................................................................................................... 194
Figure 67 : Bilans énergétiques des murs pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006. ....................................................................................................................................... 195
Figure 68 : Bilans énergétiques des routes pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006. ....................................................................................................................................... 195
Figure 69 : Représentation des fractions de ville (TEB), de végétation (ISBA) et d’eau selon
les différentes expériences modélisées. .................................................................................. 198
Figure 70 : Représentation des fractions de ville (TEB), de végétation (ISBA) et d’eau selon
les différentes expériences modélisées. .................................................................................. 198
Figure 71 : Schématisation du canyon urbain dans TEB - avec W la largeur moyenne des rues,
abât la fraction de bâtiment, zbât la hauteur moyenne des bâtiments et zbât la profondeur
moyenne des bâtiments (D’après : Lemonsu, 2003). ............................................................. 199
Figure 72 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la largeur moyenne des rues W. ................................................... 199
Figure 73 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la hauteur des bâtiments zbât......................................................... 200
Figure 74 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la profondeur des bâtiments Pbât. ................................................. 200
Figure 75 : Les standards Minergie et Minergie-P (MINERGIE). ........................................ 205
18
Figure 76 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 juin 2006. ........................................................................................ 209
Figure 77 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 janvier 2006. ................................................................................... 210
Figure 78 : Variations journalière de la température de l’air dans chaque ville (°C)
(comparaison des résultats simulés avec les mesures) : (a) températures simulées et (b)
températures mesurées (Sasaki et al., 2008). ......................................................................... 212
Figure 79 : Mécanisme du bilan d’énergie au sein du milieu urbain (Sasaki et al. (2008),
d’après Murakami et al. (2003)) ............................................................................................ 212
Figure 80 : Comparaison du bilan d’énergie au sol des trois villes (W/m2) (Sasaki et al.,
2008)....................................................................................................................................... 213
Figure 81 : Variations journalières du bilan de chaleur sensible du C.V. par advection,
diffusion turbulente et rejet de chaleur anthropique, et bilan de chaleur total (inclus la chaleur
entrante pour le C.V.) : (a) centre de Tokyo, (b) centre de Sendai et (c) centre de Haramachi.
................................................................................................................................................ 214
Figure 82 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. .................................................................. 216
Figure 83 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés arrosés pour la journée du 30 juin 2006............................................................... 216
Figure 84 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés très arrosés pour la journée du 30 juin 2006. ....................................................... 217
Figure 85 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents pourcentages d’eau le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006...................................... 218
Figure 86 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes largeurs de rues le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. ........................................ 219
Figure 87 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes hauteurs de bâtiments le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. ............................... 220
Figure 88 : Coordonnées solaires et courbes solaires en projection cylindrique (Paris).
(Liebard et De Herde, 2006). ................................................................................................. 220
Figure 89 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes profondeurs de bâtiments le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. ......................... 221
Figure 90 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents albédos de toit le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. ............................................ 224
Figure 91 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes émissivités de toit le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. ..................................... 225
Figure 92 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et ses toits en zinc et les
modélisations avec différents types de toit (tuiles ou terrasses) le 30 juin 2006 et le 30 janvier
2006. ....................................................................................................................................... 226
Figure 93 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes isolations des murs le 30 janvier 2006. ................................................................ 227
Figure 94 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents albédos de murs le 30 juin 2006. ........................................................................... 228
Figure 95 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes émissivités de mur le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. .................................... 229
Figure 96 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur sensible dû au trafic le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006. .......... 231
Figure 97 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur sensible d’origine industrielle le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
................................................................................................................................................ 232
19
Figure 98 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur latente d’origine industrielle le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
................................................................................................................................................ 232
Figure 99 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et les modélisations
‘Bâtiments Minergie’ et ‘Bâtiments Minergie Plus’ le 30 janvier 2006. ............................... 233
Figure 100 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et les modélisations avec
différents types de bâtiments (Minergie, Minergie Plus, Bâtiments très clairs et Bâtiments
Minergie Plus très clairs) le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006............................................. 234
Figure 101 : Les relations entre les documents d’urbanisme réglementaires et incitatifs en lien
avec l’aménagement du territoire, l’urbanisme, le foncier, l’habitat, la gestion de la qualité de
l'air, des déchets et de l'eau, l’environnement, les paysages, le patrimoine et le développement
durable. ................................................................................................................................... 251
Figure 102 : Les relations entre les outils opérationnels, les procédures à disposition des
collectivités et le PLU et le SCOT, deux documents d’urbanisme réglementaires et incitatifs.
................................................................................................................................................ 251
Figure 103 : Les documents du PLU. ..................................................................................... 259
Figure 104 : Influences permettant de favoriser la réflexion autour de problématiques telles
que le changement climatique ou le climat urbain. ................................................................ 275
Figure 105 : Ensemble des actions et techniques disponibles pour augmenter la capacité
d’adaptation d’une ville aux fortes températures (Shaw et al., 2007).................................... 289
Figure A 1 : Habitat traditionnel selon les régions du Monde (Griffiths, 1976). ................... 345
Figure A 2 : Interactions traditionnelles entre le climat (intérieur comme extérieur), les
personnes et les bâtiments qui influencent nos besoins énergétiques (D’après Roaf et al.,
2005)....................................................................................................................................... 348
Figure A 3 : La cité jardin circulaire d’Ebenezer Howard
(www.library.cornell.edu/Reps/DOCS/howard.htm) ............................................................. 351
Figure A 4 : Les projets de Le Corbusier. .............................................................................. 352
Figure A 5 : Le triangle du risque (Crichton, 2008)............................................................... 356
Figure A 6 : Les inondations de Nîmes du 3 octobre 1988 : un sinistre exceptionnel pour une
inondation en France, 9 morts, 4 milliards de francs de dégâts (http://www.prim.net/). ....... 357
Figure A 7 : Excès de décès observé quotidiennement en France pendant le mois d’août 2003
et relevé des températures extérieures (Hémon et Jougla, 2003). .......................................... 363
Figure A 8 : Nombre de décès observés sur nombre de décès attendus au cours de la période
du 1er au 20 août 2003 en France en fonction de la tranche d’unité urbaine (D’après Hémon et
Jougla, 2003). ......................................................................................................................... 365
Figure A 9 : Excès de risque (%) liés à l’ozone et à la température et représentation des parts
relatives de chaque facteur pour la population tous âges. Période du 3 au 17 août 2003.
(INVS, 2004). ......................................................................................................................... 366
Figure A 10 : Evolution du front d'expansion de la chenille processionnaire du pin dans le
Bassin Parisien entre 1972 et 2004 (ONERC, d’après INRA – Orléans). ............................. 374
Figure A 11 : Impacts fondamentaux en fonction de l’accroissement de température moyenne
planétaire (les impacts varieront en fonction de l’étendue de l’adaptation, du rythme de
variation de température, du scénario socio-économique) (GIEC (2007(b)). ........................ 377
Figure A 12 : Intensité de l’îlot de chaleur de Londres aujourd’hui et dans le futur (Roaf et al.
(2005), d’après R.L. Wilby, The Environment Agency). ...................................................... 379
Figure A 13 : Changement climatique et îlot de chaleur urbain (Best et Betts, 2004). ......... 380
Figure A 14 : Changements climatiques — un cadre intégré (GIEC). .................................. 383
20
Figure A 15 : Les horizons d’influence, d’attention et de responsabilité dans le temps et
l’espace. Les points indiquent la distance dans le temps et l’espace de différents intérêts
humains (Bossel (1999), d’après Meadows et al. (1972)). .................................................... 385
Figure A 16 : Série des températures moyennes annuelles à la station de Montsouris à Paris
(Dettwiller, 1978). .................................................................................................................. 395
Figure A 17 : Evolution des minima de température depuis 1946 au centre de Paris, station de
la tour Saint-Jacques (Escourrou, 1991). ............................................................................... 396
Figure A 18 : Valeur de l’îlot de chaleur maximum à Columbia en 1967, 1970, 1972 et 1974
en fonction de la population, avec une extrapolation pour anticiper la taille « finale »
(Landsberg, 1979). ................................................................................................................. 397
Figure A 19 : Nombre d’évènements de pluie intense (>20mm.h-1) au sein de Mexico de
juillet à septembre pour la période 1939-1989 (D’après Jauregui et Romales (1996)). ........ 398
Figure A 20 : Profil d’un îlot de chaleur (http://www.espere.net, mars 2006). ..................... 400
Figure A 21 : Températures saisonnières minimales en région parisienne (1971-1980)
(D’après Cantat (1986)). ........................................................................................................ 401
Figure A 22 : Thermographie infrarouge de New-York. ....................................................... 402
Figure A 23 : Différences moyennes des humidités absolue et relative entre la zone urbaine et
la zone rurale à Edmonton (Canada) en fonction du mois pour les années 1961-66 et 1967-73.
A gauche durant la nuit (23h à 5h) et à droite en journée (11h à 17h) (Hage, 1975)............. 403
Figure A 24 : Précipitations par masses d’air instable dans l’agglomération parisienne en juin
1983 (Escourrou, 1991). ......................................................................................................... 406
Figure A 25 : Résultats de l’étude de Shepherd et al. (2002) sur les villes américaines
d’Atlanta (Georgie), de Montgomery (Alabama) et de San Antonio, Waco et Dallas (Texas).
................................................................................................................................................ 407
Figure A 26 : Phénomène d’amplification de l’îlot de chaleur urbain et système de
climatisation (Bozonnet, 2005). ............................................................................................. 412
Figure A 27 : Relation entre la température et la mortalité journalière dans le Grand Londres
entre 1991 et 1996 (Roaf et al. (2005) d’après San Kovats). ................................................. 416
Figure A 28 : Relation entre la mortalité et la température moyenne (le ratio de mortalité
correspond au nombre de morts observés un jour i divisé par le nombre moyen de morts sur
toute la période étudiée) (Huynen et al., 2001). ..................................................................... 416
Figure A 29 : Les domaines d’action pour influer sur le climat urbain. ................................ 427
Figure A 30 : Graphe arborescent. ......................................................................................... 428
Figure A 31 : Schématisation du canyon urbain dans TEB - avec W la largeur moyenne des
rues, abât la fraction de bâtiment et zbât la hauteur moyenne des bâtiments (Lemonsu, 2003).
................................................................................................................................................ 429
Figure A 32 : Représentation des couches de matériaux constituant les surfaces du canyon
(Lemonsu, 2003) .................................................................................................................... 431
Figure A 33 : Représentation des échanges en eau dans le canyon urbain (Lemonsu, 2003).
................................................................................................................................................ 433
Figure A 34 : Rayonnement solaire incident (Lemonsu, 2003). ............................................ 435
Figure A 35 : Représentation du système de résistances aérodynamiques associées au canyon
urbain (Lemonsu, 2003). ........................................................................................................ 439
Figure A 36 : Représentation du vent au-dessus et à l’intérieur du canyon urbain (Lemonsu,
2003)....................................................................................................................................... 440
Figure A 37 : Les résistances aérodynamiques, les flux de chaleurs sensibles et latentes et les
paramètres climatiques intervenant au sein de du schéma TEB. (Masson et al., 2002) ........ 442
Figure A 38 : Représentation des flux de surfaces moyens. D’après Lemonsu (2003). ........ 444
Figure A 39 : Comparaison entre la température du forçage et la température moyenne à 2m
pour la modélisation de Paris le 30 juin 2006. ....................................................................... 447
21
Figure A 40 : Comparaison entre la température du forçage et la température moyenne à 2m
pour la modélisation de Paris le 30 juin 2006 pour urbain dense, Paris avec un albédo de toit à
0,90 et Paris avec 50% d’espaces végétalisés. ....................................................................... 448
Figure A 41 : Comparaison entre les températures moyenne à 2m au-dessus de la végétation
(T2M_ISBA), au-dessus de la surface minérale (T2M_TEB) et au-dessus de l’eau
(T2M_WAT) pour Paris les 30 janvier et 30 juin 2006. ........................................................ 449
Figure A 42 : Comparaison entre les températures moyenne à 2m au-dessus de la végétation
(T2M_ISBA) très arrosé, au-dessus de la surface minérale (T2M_TEB) pour Paris les 30
janvier et 30 juin 2006. ........................................................................................................... 450
Figure A 43 : Représentation des échanges dans le schéma de surface ISBA (Lemonsu, 2003).
................................................................................................................................................ 453
Figure A 44 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 janvier 2006. ................................................................................... 472
Figure A 45 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 juin 2006. ........................................................................................ 472
Figure A 46 : Domaines environnementaux pouvant concernés l’évaluation environnementale
(Ministère de l’équipement et Ministère de l’Ecologie et du développement Durable, 2007).
................................................................................................................................................ 531
Figure A 47 : Exemple d’un escalier de la gouvernance avec la grille RST02. Cas d’une grange
requalifiée en logements locatifs et en café de pays (CERTU, 2006).................................... 535
22
Liste des annexes
Annexe 1 Prise en compte du climat dans la conception des villes
344
Annexe 2 Perturbations climatiques : sources d’instabilité à gérer par la ville
355
Annexe 3 Modifications climatiques engendrées par la présence d’un milieu urbain
393
Annexe 4 Conséquences économiques, environnementales et humaines du climat urbain 409
Annexe 5 Proposition de Golany (1996) pour prendre en compte les particularités de certains
climats dans l’architecture et l’urbanisme
419
Annexe 6 Ecoulement de l’air autour d’un ou plusieurs bâtiments
421
Annexe 7 Classification en zone climatique
423
Annexe 8 Graphe arborescent : Diminution de la température en milieu urbain
427
Annexe 9 Présentation du schéma de ville TEB
429
Annexe 10 Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère (ISBA)
452
Annexe 11 Calcul du flux de chaleur dû au trafic pour Paris
456
Annexe 12 Paramètres de SURFEX modifiés pour chacune des modélisations réalisées
463
Annexe 13 Courbes de résultats des simulations numériques effectuées les 30 janvier et 30
juin 2006
472
Annexe 14 Contexte législatif et juridique encadrant la protection et l’amélioration de
l’environnement
519
Annexe 15 Grille RST02
532
Annexe 16 Dépliant ‘Pour ma santé, pour mon milieu de vie, je verdis’
536
23
Nomenclature
Lettres latines
Symbole
∆A
abât
Cd
Nom
Variation du bilan net de la vapeur d'eau transportée par
advection
Fraction occupée par les bâtiments sur une parcelle, un quartier
ou la ville
Coefficient de trainée
Unité
m3
J.m-3.K-1
Cm, Cr, Ct
Capacité thermique volumique du mur, de la route et du toit
dm, dr, dt
Epaisseur du mur, de la route et du toit
m
E
Quantité de vapeur d'eau échangée dans les processus
d'évaporation, d'évapotranspiration et de condensation
m3
G
Quantité d'énergie reçue du soleil
hi et he
Coefficient de convection intérieur et extérieur
kWh.m-2
W.m-2.°C-1
I
Quantité d'eau apportée artificiellement par les canalisations
m3
K↓
Rayonnement globale solaire reçu sur une surface horizontale
W.m-2
L↑
Rayonnement de grande longueur d'onde émis par le sol
W.m-2
L↓
Rayonnement atmosphérique descendant de grande longueur
d'onde
W.m-2
Lm*, Lr*, Lt*
Rayonnement infrarouge net reçu par le mur, la route et le toit
W.m-2
Chaleur latente de vaporisation
J.kg-1
MmS↑
Rayonnement solaire total réfléchi par le mur lors des réflexions
sur la route et les murs
W.m-2
MrS↑
W.m-2
N
Rayonnement solaire total réfléchi par la route lors des réflexions
sur la route et les murs
Nébulosité
P
Quantité de précipitations
pS
Pression près de la surface
Q*
Rayonnement net
W.m-2
Variation du flux de chaleur advectif
W.m-2
Lv
∆QA
qa
qcan
QE ou QLE
kg.m-2.s-1
ou mm ou
mm.h-1
Pa
Humidité spécifique de l'air au premier niveau atmosphérique
-
Humidité spécifique de l'air à l'intérieur du canyon
-
Flux turbulent de chaleur latente
W.m-2
24
Qf ou QF
QH
Flux de chaleur d'origine anthropique (chaleur artificiel due aux
processus de combustion, au métabolisme et aux rejets
thermiques)
Flux turbulent de chaleur sensible
W.m-2
W.m-2
Flux de chaleur sensible d'origine industrielle
W.m-2
QHm
Flux turbulent de chaleur sensible entre le mur et l’air du canyon
W.m-2
QHr
Flux turbulent de chaleur sensible entre la route et l’air du canyon
W.m-2
QHt
Flux turbulent de chaleur sensible entre le mur et l’atmosphère
W.m-2
Flux de chaleur sensible dû au trafic
Flux de chaleur sensible issus des zones urbaines vers
l’atmosphère
Flux de chaleur latente d'origine industrielle
W.m-2
W.m-2
QLEm
Flux turbulent de chaleur latente entre le mur et l’air du canyon
W.m-2
QLEr
Flux turbulent de chaleur latente entre la route et l’air du canyon
W.m-2
QLEt
Flux turbulent de chaleur latente entre le mur et l’atmosphère
W.m-2
Flux de chaleur latente dû au trafic
Flux de chaleur latente issus des zones urbaines vers
l’atmosphère
Variation de la quantité de chaleur stockée / flux de chaleur
stockée
Humidité spécifique de saturation
Variation du flux de chaleur par conduction à l'intérieur du mur,
de la route et du toit
Quantité d'eau perdue par ruissellement et évacuation
W.m-2
RESm, RESr, RESt Résistance aérodynamique du mur, de la route et du toit
Rg
Rayonnement globale solaire horaire
Rican
Nombre de Richardson calculé les parois et l’air dans le canyon
s.m-1
J.cm-2
-
QHindus
QHtrafic
QHville
QLEindus
QLEtrafic
QLEville
∆QS
qsat
∆QSm, ∆QSr, ∆QSt
R
Ritop
Nombre de Richardson calculé entre le toit et l’atmosphère
Rr, Rt
Ruissellement de surface pour la route et pour le toit
W.m-2
W.m-2
W.m-2
W.m-2
m3
m3
K.m2.W-1
Rth
Résistance thermique
∆S
S↓
Sm*
Variation de la quantité d'eau emmagasinée
Rayonnement solaire direct
Rayonnement solaire net reçu par le mur
m3
W.m-2
W.m-2
Sm↓
Rayonnement solaire direct reçu par le mur sans réflexion
préalable par les différentes surfaces
W.m-2
Rayonnement solaire net reçu par la route et par le toit
W.m-2
Sr*, St*
Sr↓, St↓
T
Ta
Rayonnement solaire direct reçu par la route et par le toit sans
réflexion préalable par les différentes surfaces
Température
Température de l'air au premier niveau atmosphérique
W.m-2
°C, K ou °F
°C, K ou °F
25
Tcan
Température au milieu du canyon
°C, K ou °F
Tm, Tr, Tt
Température intérieure du mur, de la route et du toit
°C, K ou °F
Tmi, Tri, Tti
Ts
U
Température de la ième couche du mur, de la route et du toit
Température de surface
Coefficient de transmission thermique surfacique
°C, K ou °F
°C, K ou °F
W.m-2.K-1
u*
Vitesse de frottement
m.s-1
Ua
Vitesse du vent au premier niveau atmosphérique (zref)
m.s-1
Ucan
Composante horizontale de la vitesse du vent dans le canyon
m.s-1
Ueff
Vent effectif dans le canyon
m.s-1
Utop
Vent à l’altitude zbât
m.s-1
V
W
Wcan
Vitesse du vent
Largeur de la rue
Composante verticale de la vitesse du vent le long des murs
m.s-1
m
m.s-1
wr
wrmax
wt
wtmax
z
z0
Quantité d'eau se trouvant sur la route
kg.m-2
Capacité maximale d'interception en eau de la route
kg.m-2
Quantité d'eau se trouvant sur le toit
kg.m-2
Capacité maximale d'interception en eau du toit
Hauteur, altitude
Longueur de rugosité
kg.m-2
m
m
z0h
Longueur de rugosité thermique
m
z0m
Longueur de rugosité dynamique
m
zbât
Hauteur du bâti
m
Longueur de rugosité thermique du canyon, de la route et du toit
Longueur de rugosité dynamique de la route et du toit
Niveau d'altitude de référence
m
m
m
zohcan, zohr, zoht
zomr, zomt
zref
Lettres grecques
Symbole
α
δt
ε
θ
θ0
λ
λm, λr, λt
Nom
Albédo
Fraction de toit humide
Emissivité
Angle entre la direction du soleil et l’axe du canyon
Angle critique d’orientation du canyon au-delà duquel la rue passe
dans l’ombre
Longueur d'onde
Conductivité thermique du mur, de la route et du toit
Unité
degrés (°)
degrés (°)
m
W.m-1.K-1
26
ρa
Densité de l'air au premier niveau atmosphérique
kg.m-3
σ
φ
φ0
Constante de Stefan-Boltzmann
Angle zénithal limite des rayons du soleil
Angle zénithal au-deçà duquel la rue est illuminée
W.m-2.K-4
degrés (°)
degrés (°)
Ψciel
Ψm, Ψr
Facteur de vue du ciel
-
Facteur de vue du ciel relatif aux murs et à la route
-
27
Abréviations
ADEME
Agence De l'Environnement et de la Maitrise de l'Energie
AEU
Approche Environnementale sur l'Urbanisme
AFNOR
Association Française de Normalisation
APUR
Atelier Parisien d'Urbanisme
CERTU
Centre d'études sur les Réseaux, les Transports, l'Urbanisme et les
constructions publiques
CITEPA
Centre Interprofessionnel Technique d'Etudes de la Pollution Atmosphérique
CLA
Couche Limite Atmosphérique
CLU
Couche Limite Urbaine
CNRM
Centre Nationale de Recherches Météorologiques
COS
Coefficient d'Occupation des Sols
CPCU
Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain
CSTB
Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
DTA
Directive Territoriale d'Aménagement
DTU
Documents Techniques Unifiés
EPCI
Etablissement Publics de Coopération Intercommunale
GIEC
Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat
GNV
Gaz Naturel pour Véhicules
GPL
Gaz de Pétrole Liquéfié
IFEN
Institut Français de l'Environnement
INRA
Institut National de la Recherche Agronomique
INSEE
Institut National de la Statistique et des Études Économiques
ISBA
Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère
LAURE
Loi sur l'Air et l'Utilisation Rationnelle de l'Energie
LOADDT
Loi d'Orientation pour l'Aménagement et le Développement Durable du
Territoire
MH
Monument Historique
NASA
National Aeronautics and Space Administration
OCDE
Organisme de Coopération et de Développement Economique
ONERC
Observatoire national sur les effets du réchauffement climatique
ONU
Organisation des Nations Unies
28
PADD
Plan d'Aménagement et de Développement Durable
PDU
Plan de Déplacements Urbains
PIB
Produit Intérieur Brut
PLH
Plan Local de l'Habitat
PLU
Plan Local d'Urbanisme
POS
Plan d'Occupation des Sols
PPR
Plan de Prévention des Risques
PRQA
Plan Régional pour la Qualité de l'Air
PTAC
Poids Total Autorisé en Charge
RATP
Régie Autonome des Transports Parisiens
SCOT
Schéma de Cohérence Territorial
SDAGE
Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion de l'Eau
SIG
Système d'Information Géographique
SRU
Solidarité et Renouvellement Urbain
SSC
Schéma de Services Collectifs
TEB
Town Energy Balance
ZAC
Zone d'Aménagement Concerté
29
30
Introduction
31
La civilisation sumérienne, au IIIe millénaire avant Jésus-Christ, a marqué au Moyen Orient la
fin de la préhistoire et a constitué l’une des premières civilisations urbaines (Bonello, 1998).
Ce qui fut exceptionnel à l’époque est devenu le précurseur pour de nombreuses autres
civilisations. Ainsi, au fil des siècles, les villes se sont multipliées et sont devenues des
organisations de plus en plus complexes. Aujourd’hui, la population urbaine a dépassé en
nombre la population rurale et à l’horizon 2030 elle devrait atteindre cinq milliards
d’individus pour huit milliards d’habitants sur la planète (ONU). Cette croissance de la
population urbaine s’accompagne d’une urbanisation galopante, notamment dans les pays en
développement mais également, même si c’est en moindre mesure, au sein des pays
développés avec le phénomène de l’étalement urbain. L’enjeu des villes du Nord réside ainsi
dans la transformation et le renouvellement des tissus urbains, contrairement aux villes du
Sud qui doivent, elles, faire face à une croissance urbaine à la fois très soutenue et le plus
souvent incontrôlée.
La ville est un écosystème complexe que la multiplicité des définitions reflète bien. Elle est
« territoire et population, cadre matériel et unité de vie collective, configuration d’objets
physiques et nœuds de relations entre sujets sociaux » (Grafmeyer, 1995). La ville, pour
reprendre les représentations systémiques et éco-systémiques existantes (Bossel, 1999. Bonan
et al., 2004), allie ainsi à la fois des dimensions fonctionnelles (l’habitat, les loisirs,
l’éducation, l’emploi), une diversité de lieux (bâtis, non bâti, etc.) et des groupes sociaux (des
individus d’origines diverses et ayant des intérêts différents). De plus, la ville évolue au sein
d’un environnement « naturel » avec lequel elle interagit en permanence. Le climat fait partie
intégrante de cet environnement et, par le passé, la conception des bâtiments et, par extension,
des villes s’est souvent faite avec une volonté d’adéquation avec celui-ci (Givoni, 1978).
Empirisme puis approche scientifique de la construction ont ainsi permis de répondre en
partie aux besoins humains de sécurité et de confort vis-à-vis d’un climat pas toujours
clément. Il est constaté que les villes, en plus d’être influencées par le climat, influent ellesmêmes sur celui-ci. Elles modifient ainsi localement les paramètres climatiques. Ces
modifications peuvent être constatées soit par comparaison avec les zones plus rurales
voisines, soit par comparaison avec leur propre situation (moins urbanisée et/ou moins dense)
dans le passé. La ville induit ainsi, au sein de son territoire, une augmentation des
températures (Landsberg, 1979. Escourrou, 1991), d’où le concept d’îlot de chaleur, une
diminution de la vitesse du vent (Sacré, 1983), une modification de la pluviométrie (Shepherd
et al., 2002. Jauregui et Romales, 1996), etc. Ces modifications ont des conséquences sur la
32
consommation énergétique des bâtiments et l’efficacité de la climatisation naturelle
(Santamouris et al., 2004), la pollution atmosphérique (Sarrat et al., 2006), le confort en
extérieur (Steemers, 2006a), la santé (Buechley et al., 1972) ou encore la faune et la flore
(Sukopp, 2004).
Souvent présentées comme des lieux où se concentrent la majorité des émissions de gaz à
effet de serre, les villes sont également en partie à l’origine de modifications climatiques
mondiales. Ce changement climatique devrait, selon toutes vraisemblances, accroître la
fréquence des évènements extrêmes tels que les vagues de chaleur selon le groupe d’experts
intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Au regard des évènements récents, tels
que la canicule de 2003 en Europe, les villes se révèlent mal adaptées à de telles conditions de
chaleur (Besancenot, 2002). Le climat urbain a pour effet principal de limiter la baisse des
températures durant la nuit, diminution qui, lors des vagues de chaleur, devient vitale pour
permettre aux organismes humains une récupération des fortes chaleurs du jour. A cela
s’ajoute l’influence éventuelle des changements climatiques globaux sur l’intensité de l’îlot de
chaleur dont nous ne mesurons pas encore toute l’importance (Roaf et al., 2005. Best et Betts,
2004. Rosenzweig et al., 2005).
A l’heure actuelle, si les collectivités territoriales françaises ont commencé à s’organiser pour
limiter les rejets de gaz à effet de serre, la réflexion autour de l’adaptation nécessaire au
changement climatique se limite souvent à améliorer la politique existante de prévention et de
gestion des risques de catastrophes naturelles. Face à l’incertitude, justifiée, des prévisions
concernant l’évolution du climat de la part des climatologues, les collectivités territoriales
hésitent à s’engager dans des actions encore aujourd’hui peu valorisantes et valorisables
auprès des citoyens et synonymes d’échec des moyens de lutte contre le changement
climatique (Bertrand et Larrue, 2007). Pourtant des dispositifs peuvent être envisagés tels
que : l’institutionnalisation d’un planning sur le long terme pour anticiper les problèmes et y
apporter des réponses adéquates ; les stratégies « sans regret »1, qui réduisent la vulnérabilité
à un coût négatif, nul ou négligeable ; le choix de stratégies réversibles ; etc. (Hallegatte,
2008). Le manque d’anticipation et d’intérêt, les forts conflits d’intérêts locaux, ou encore
l’incapacité à s’approprier la responsabilité du problème des impacts du changement
climatique de la part des politiques freinent la réflexion autour de la question de l’adaptation
1
Le terme stratégie « sans regret » est utilisé pour des stratégies qui en plus d’apporter une solution à un
problème donné (ici le changement climatique) peuvent être valorisées par les bénéfices conjoints qu’elles
offrent. Elles sont « sans regret » dans le sens où si le changement climatique n’a pas lieu, nous ne regretterons
cependant pas d’avoir mis en place de telles stratégies.
33
(ADEME, 2007) et, par conséquent, l’intégration de l’enjeu du climat urbain dans cette
problématique.
Pour améliorer la qualité environnementale des écosystèmes urbains et minimiser les impacts
humains sur la nature et donc, en retour, sur l’espèce humaine, il est nécessaire, comme le
signale Bonan (2002), d’équilibrer les composantes naturelles et culturelles des paysages, ou
encore d’équilibrer les faits scientifiques, la connaissance scientifique du milieu, et les valeurs
de l’aménagement. Au sein de la climatologie urbaine, les différentes réflexions engagées par
les climatologues, les géographes mais également les architectes et les urbanistes sur la
relation entre leurs cœurs de métier, permettent aujourd’hui de percevoir le potentiel de
réduction des températures en milieu urbain. A l’heure des changements climatiques, cette
réflexion offre des perspectives de solutions d’adaptation intéressantes pour mieux se protéger
des vagues de chaleur.
Les collectivités territoriales ont ainsi un intérêt à mieux connaitre et à mieux intégrer les
modifications climatiques locales que la ville provoque. Ce n’est cependant pas suffisant pour
générer des initiatives avec des actions réfléchies et ayant des influences réelles sur le climat
urbain. Pour cela, les élus et les aménageurs ont besoin de connaitre de façon aussi précise
que possible les conséquences climatiques de leur(s) aménagement(s) mais également de
savoir quels sont actuellement les moyens à leur disposition pour en tenir compte. Plusieurs
échelles d’analyse sont possibles (bâtiment, quartier, ville) et nous avons choisi l’échelle de la
ville pour répondre à notre problématique : comment favoriser une meilleure prise en compte
des facteurs influençant le climat urbain et sur lesquels l’homme peut agir au travers de
l’aménagement des villes ?
Pour tenter de répondre à cette problématique, il est nécessaire de comprendre quel est
qualitativement et quantitativement la contribution de différents facteurs au climat urbain.
C’est en effet une étape nécessaire avant d’aborder la question de l’intégration d’enjeux
relatifs au climat urbain au sein de l’aménagement. Cette dernière question s’ancre dans les
problématiques environnementales actuelles. En effet, la mise en pratique de principes
pourtant approuvés par une majorité de la communauté scientifique nationale ou
internationale est souvent mise à mal par le manque de volonté des élus ou encore le
fonctionnement peu concluant de la diplomatie. Cela se retrouve au niveau du développement
durable dont l’application pratique est l’Agenda 21 ou encore au niveau du changement
climatique avec les difficultés entourant la mise en place du protocole de Kyoto. C’est
34
pourquoi la première étape, c'est-à-dire l’étude qualitative et quantitative de la contribution de
différents facteurs au climat urbain, est nécessaire puisqu’elle permet une assise scientifique à
notre problématique.
Le manuscrit s’organise en quatre parties aux objectifs distincts et complémentaires.
Dans la première partie, nous présentons la climatologie urbaine, science pour laquelle les
connaissances augmentent, d’année en année, au gré des avancées scientifiques et de
l’évolution des préoccupations des scientifiques. Dans un premier temps, nous présentons la
manière dont les scientifiques ont abordé et abordent aujourd’hui la question du climat urbain
et de l’îlot de chaleur et la façon dont ils les relient à la ville, à sa conception, à son
architecture, à sa forme ou encore à sa géométrie. Dans un deuxième temps sont décrits les
phénomènes climatiques engendrés à l’échelle micro, c'est-à-dire à l’échelle de la rue et du
bâtiment. Puis sont présentés les phénomènes qui en découlent à l’échelle de la ville comme
la modification du bilan d’énergie. Cette partie se termine par une première présentation des
facteurs urbains et de leur influence dans la formation du climat urbain.
Les méthodes utilisées pour répondre à notre problématique ainsi qu’un état de l’art des
modèles de simulation numérique du climat urbain sont exposés dans notre deuxième partie.
En effet, à l’heure actuelle, de nombreux modèles existent et permettent une analyse des
interactions du cadre bâti avec le climat à l’échelle locale ou à la méso-échelle. Chaque
modèle repose sur des hypothèses, qui lui confèrent une portée et des limites qu’il est
nécessaire d’analyser pour effectuer un choix.
La troisième partie présente tout d’abord une proposition de domaines d’action en adéquation
avec la manière dont se conçoivent et se gèrent les milieux urbains. De chaque domaine
découle un certain nombre de leviers permettant d’agir sur le climat urbain. A l’aide d’un
modèle de simulation numérique du climat urbain, nous avons étudié la variation des bilans
d’énergie selon la valeur de différents paramètres. Ces différentes simulations permettent une
réflexion sur la sensibilité des variables, c'est-à-dire l’importance jouée par tel ou tel facteur
dans la formation du climat urbain et, plus précisément, de l’îlot de chaleur urbain.
La quatrième et dernière partie porte sur les moyens actuellement à disposition des
collectivités territoriales françaises pour intégrer dans la conception urbaine des critères
35
permettant d’améliorer l’environnement climatique des villes. Ces moyens peuvent être de
nature réglementaire ou opérationnelle : ce sont les outils de planification urbaine tels que les
schémas de cohérence territoriale et les plans locaux d’urbanisme, ou encore les procédures
d’aménagement comme les zones d’aménagement concerté ou les lotissements. A cela
s’ajoutent des moyens de l’ordre de l’incitation, de l’information, nécessitant de la part de la
collectivité une certaine exemplarité sur ses propres domaines de compétence.
Le manuscrit s’achève sur une mise en perspective des différents résultats obtenus et des
analyses et réflexions élaborées durant ce travail de thèse. Des propositions sur les études qui
permettront de compléter et de poursuivre cette recherche sont également évoquées.
36
Première partie :
Contexte et analyse bibliographique
37
I
Introduction
Notre recherche s’inscrit dans un contexte encore plus large que celui de la climatologie
urbaine qui est la relation de la ville avec le climat. Certains éléments de cette relation ont été
évoqués en introduction. Des études plus approfondies sur la prise en compte du climat dans
la conception des villes, les perturbations climatiques comme sources d’instabilité à gérer par
les villes, les modifications climatiques engendrées par la présence d’un milieu urbain, et les
conséquences économiques, environnementales et humaines du climat urbain sont disponibles
en annexes 1, 2, 3 et 4. Abordons maintenant le contexte plus précis de notre étude : la
climatologie urbaine.
Pour se représenter le fait que la température est souvent plus élevée en milieu urbain qu’au
sein du milieu rural voisin, le concept d’« îlot de chaleur urbain » a été proposé. Cette notion
d’îlot traduit un phénomène homogène peu représentatif de la réalité. En effet, le climat
urbain et plus particulièrement l’îlot de chaleur urbain s’apparente beaucoup plus à un
archipel avec différents quartiers chauds plus qu’à une couche uniforme (Rosenzweig et al.,
2005), ce qui est par ailleurs plus en accord avec la complexité et la diversité des
environnements urbains.
Chaque ensemble de rues et de bâtiments forme ainsi un microclimat qui ne sera a priori pas
identique à celui formé par un quartier voisin. Il est indispensable de ne pas négliger cet
aspect dans l’interprétation des données météorologiques. La généralisation de mesures d’un
site urbain à l’ensemble de la ville et les interprétations qui en découlent doivent être faites
avec précaution. Ainsi, l’intensité de l’îlot de chaleur correspond à la différence de
température entre le point le plus chaud de la ville et le milieu rural voisin.
Avant de présenter la manière dont les scientifiques ont abordé et abordent aujourd’hui la
question du climat urbain et de l’îlot de chaleur et la façon dont ils les relient à la ville, à sa
conception, son architecture, sa forme ou encore sa géométrie, il est intéressant de présenter
les échelles d’analyse utilisées en climatologie urbaine.
L’étude du climat urbain nécessite de distinguer différentes échelles horizontales et verticales
(Oke, 2004, 1978). Les échelles verticales seront présentées dans le prochain chapitre, avant
d’aborder les différents phénomènes physiques à l’origine de la formation du climat urbain. A
38
l’horizontal, trois échelles d’étude peuvent être distinguées en climatologie (urbaine ou non) :
la micro-échelle, l’échelle locale et la méso-échelle (Oke, 2004).
La micro-échelle (10-2 à 103 m)2 permet de distinguer le microclimat qui existe au niveau d’un
bâtiment, d’une rue, d’un arbre, d’un jardin, d’une cour, etc. En effet, à faible distance il peut
être observé des différences de températures de quelques degrés et le flux d’air est également
perturbé par le moindre objet. Dans l’idéal, les stations urbaines devraient éviter ces
influences microclimatiques mais, en réalité, ceci est difficilement réalisable.
L’échelle locale (102 à 5x104 m) correspond à l’échelle pour laquelle sont conçues les stations
météorologiques, c'est-à-dire que les caractéristiques de la zone étudiée, comme la
topographie, sont prises en compte mais pas les effets micro. Dans le cas d’une zone urbaine,
l’échelle locale correspond à un quartier pour lequel il peut être trouvé une unité dans le
développement urbain (unité architecturale, taille et espacement des bâtiments, activité, etc.).
La méso-échelle (104 à 2x105 m) correspond à la zone influencée par exemple par la présence
d’une agglomération. Une unique station ne peut pas représenter cette échelle.
2
Certains espaces naturels n’offrent pas de variations climatiques sur des distances aussi faibles qu’en milieu
urbain, qui est un milieu très hétérogène, d’où cet important intervalle et les chevauchements entre les différentes
échelles.
39
II
Climatologie urbaine : une science en évolution
II.1 Naissance et évolution de la climatologie urbaine
Les premières études sur le climat urbain ou sur les conditions climatiques des villes datent
d’avant Jésus Christ comme le constate Yoshino (1990/91) dans son article relatant les
différentes études en climatologie urbaine depuis la nuit des temps jusqu’aux années 1980.
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, ou encore
Manasara Silpasatra (avant JC), un indien, a écrit sur la prise en compte des conditions de
luminosité et de ventilation pour la conception d’aménagement. L’étude du climat urbain est
également très liée à l’intérêt pour la pollution de l’air. Horace (65-68 avant JC) décrit celle
de Rome tout comme Circa (3 avant JC - 65). Sir John Evelyn écrit au XVIIème siècle sur la
pollution de l’air, le vent, la température de la ville et le brouillard fumeux ou smog de
Londres. C’est à partir de la fin du XVIIIème siècle que nait vraiment la climatologie urbaine,
avec l’arrivée progressive des mesures instrumentales. Cotte (1774) va ainsi décrire le climat
de Paris à partir d’observation et Howard (1818, 1833) celui de Londres. En 1927, la première
traversée en voiture avec un équipement de mesures mobile est effectuée par Schmidt et
Peppler ; en 1927, Geiger publie un ouvrage sur les microclimats en incluant la climatologie
urbaine ; 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
(Yoshino (1990/91), Duchêne-Marullaz (1980)), et des études détaillées vont montrer, par le
biais de mesures, la particularité climatique des villes : New-York (Bornstein, 1968), Paris
(Escourrou, 1986), etc.
Yoshino (1990/91) estime que les progrès effectués dans cette discipline s’expliquent et se
perçoivent par l’apparition progressive des éléments et évènements suivants : 1) Les
observations se sont élargies à la troisième dimension au-dessus de la ville. 2) Les méthodes
de télédétection (cf. lexique) et l’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 sont faites 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
40
considérés en relation à la densité bâtie, le paramètre de rugosité, le facteur de vue du ciel3
(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 insistance a été donnée
aux travaux portant sur les processus comme les études des bilans d’énergie et en eau.
Nous pouvons résumer 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 (Peneau, 1995). Ainsi, de l’observation du climat urbain grâce entre autres à de
nombreuses campagnes de mesures4 à la modélisation plus ou moins fines des phénomènes
physiques en jeu, les climatologues ont pu décrire et comprendre avec de plus en plus de
précisions la formation du climat urbain. 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 (Aida et Gotoh (1982), Oke (1988), Giridharan et al.
(2007), Yamashita et al. (1986), Ali Toudert (2005)) et des matériaux de construction (Taha et
al. (1988), Rosenfeld et al. (1995)).
Aujourd’hui, la compréhension du bilan d’énergie, c'est-à-dire des échanges d’énergie entre
l’atmosphère et la surface urbaine est au cœur de nombreuses recherches sur la modélisation
(informatique ou non) du climat urbain. Mais avant cela 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 températures maximales entre zones
urbaine et rurale la nuit (c’est le moment où l’îlot de chaleur est le plus conséquent).
Givoni (1998) cite par exemple l’équation de Sundborg (1950) qui relie l’intensité de l’îlot de
chaleur nocturne d’Uppsala (Suède) avec les éléments météorologiques suivants : la
3
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.
4
Campagne METROMEX - METROpolitan Meteorological EXperiment – à Saint-Louis (Etats-Unis) en 1971 :
Changnon et al. (1971, 1977) et Ackeman et al. (1978) ; Campagne ECLAP - Etude de la Couche Limite en
Agglomération Parisienne – à Paris en 1994/95 : Menut (1997) ; Campagne NANTES’99 à Nantes en 1999 :
Vachon et al. (2000) ; Campagne ESCOMPTE - Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution
atmosphérique et Transport des espèces – à Marseille en 2001 : Lemonsu (2003), et Cros et al. (2004) ;
Campagne BUBBLE - Basel Urbain Boundary Layer Experiment – à Bâle (Suisse) en 2001/02 : Roulet (2004),
Christen et al. (2003), Vogt et al. (2003), et Rotach et al. (2003) ; Campagne CAPITOUL - Canopy and Aerosol
Particles
Interactions
in
Toulouse
Urbain
Layer
–
à
Toulouse
en
2004/05 :
http://medias.cnrs.fr/capitoul/index.jsp ; et encore bien d’autres à Birmingham (Royaume-Uni), Bologne (Italie),
Cracovie (Pologne), Helsinki (Finlande), Copenhague (Danemark) ou encore Hanovre (Allemagne) (Piringer et
Joffre, 2005).
41
nébulosité (N), la vitesse du vent (V), la température (T), et l’humidité spécifique (q). La
formule trouvée est :
Tmax = 2.8 - 0.1 N -0.38 V - 0.02 T + 0.03 q
(Formule 1)
Figure 1 : Evolution de l’intensité maximale de l’îlot de chaleur urbain en fonction de la
population (Escourrou (1991) d’après les données de Oke (1973)).
A partir de données sur des villes nord-américaines, Oke (1973) suggère la formule suivante
permettant de lier population (P) et différence maximale de températures (de nuit, sans vent)
entre le centre urbain et la campagne environnante :
Tu-r(max) = 2.96 log P – 6.41
(°C)
(Formule 2)
Son étude sur les villes européennes suggère une autre relation :
Tu-r(max) = 2.016 log P – 4.06
(°C)
(Formule 3)
42
Ces relations, que la figure 1 illustre, suggèrent entre autres que les conséquences climatiques
d’une augmentation de population pour une ville moyenne sont plus conséquentes que pour
une grande ville (croissance logarithmique).
Selon Santamouris (2001a) et Givoni (1998), Oke propose également d’autres formules pour
calculer l’intensité maximale de l’îlot de chaleur. Ainsi Oke (1982) relie cette dernière pour
des villes américaines (près du coucher du soleil et sous un ciel sans nuage) à la population
mais également à la vitesse du vent régional :
Tmax = P0.25 / (4V)0.5
(K)
(Formule 4)
Où ∆T est l’intensité de l’îlot de chaleur en Kelvin, P est la population et V la vitesse du vent
non-urbain à l’échelle régionale en m/s à 10m de hauteur.
Oke (1981) a également fait 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 (H)
et la distance entre les bâtiments (W) par le ratio H/W :
Tmax = 7.54 + 3.97 ln (H/W)
(°C)
(Formule 5)
Il a également utilisé le facteur de vue du ciel (Sky view factor – SVF) pour caractériser cette
géométrie et suggéré ainsi la formule suivante :
Tmax = 15.27 – 13.88*SVF
(°C)
(Formule 6)
Cette dernière formule suppose en quelque sorte que l’îlot de chaleur urbain est
principalement lié à la perte réduite de chaleur des 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. A partir de mesures de températures de l’air (à 1,5 mètres du sol) et
de facteur de vue du ciel sur 126 points situés dans neuf rues de San Francisco (Etats-Unis)
durant trois nuits claires (entre 20h et 2h). Pour chaque rue, une régression a été effectuée
pour exprimer les températures en fonction du facteur de vue du ciel et la formule générale
trouvé était de la forme suivante :
T = A – b*SVF
(°C)
(Formule 7)
43
Le coefficient de régression b représente l’effet du facteur de vue du ciel sur les différences de
température, et, selon la rue, était compris entre 0,010 et 0,110. Comme le signale Givoni
(1998), le ratio de 1/11 entre le minimum et le maximum de b semble indiquer que le facteur
de vue du ciel seul n’est pas forcément un indicateur très pertinent pour estimer les
différences de températures en milieu urbain.
Aujourd’hui les modèles informatiques sont plus complexes et prennent en compte de
nombreux facteurs tant pour la géométrie urbaine que pour les matériaux urbains (cf.
deuxième partie).
II.2 Climatologie urbaine : une science pluridisciplinaire ?
La climatologie urbaine est aujourd’hui un domaine de recherche investi à la fois par les
climatologues et les géographes, mais également par les architectes et les urbanistes. Chacun
d’eux s’est approprié ce sujet selon des échelles, des variables ou encore des objets d’étude
différents (Ali Toudert, 2005).
Il est nécessaire aujourd’hui, comme l’ont déjà signalé de nombreux auteurs (Bitan, 1988.
Katzschner, 1988. Oke, 1984, 1988, 2006. Arnfield, 1990. Eliasson, 2000. Alcoforado et al.,
2006) de mettre en place une démarche pluridisciplinaire et d’intégrer à la pratique de
l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine. Cette
ouverture d’esprit de la part des architectes, des urbanistes et des aménageurs à l’intégration
de critères climatiques dans leurs pratiques sera bénéfique pour traiter les problèmes plus
généraux que sont l’environnement et la qualité de vie.
Alors que les climatologues et géographes se sont penchés plus particulièrement sur la
formation du climat urbain, les architectes se sont intéressés à l’impact des conditions
climatiques et environnementales sur les bâtiments. Parallèlement, les architectes, focalisés
initialement sur les questions de confort intérieur et sur les besoins énergétiques pour le
maintenir, se sont ouverts progressivement aux conditions extérieures au bâtiment. Le
contexte urbain, modifiant l’apport solaire et le comportement du vent, a ainsi
progressivement intégré les pratiques (Ali Toudert, 2005).
Si aujourd’hui le climat urbain est perçu pour beaucoup de façon négative et comme quelque
chose qu’il est nécessaire de maitriser et de réduire, ce ne fut pas toujours le cas. Selon
Landsberg (1981), Linke (1940) décrit le climat urbain comme un phénomène météorologique
positif qui trouve son développement le plus important par temps calme et un ciel sans nuage.
44
D’une recherche fondée sur l’observation des différences climatiques entre le milieu urbain et
le milieu rural environnant peu encline à distinguer la variété constructive des villes et leurs
effets sur le climat urbain, nous sommes passés à des études interrogeant la relation entre la
forme urbaine et différents paramètres climatiques du climat urbains (Givoni, 1998).
Aujourd’hui, le fossé entre les études pointues mais théoriques en climatologie urbaine et la
pratique de l’aménagement urbain tente d’être comblé par différents auteurs d’ouvrage et
d’outil relatifs à la prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture
(Katzschner (1988), Givoni (1998), Scherer et al. (1999), Adolphe et al. (2002), Dhakal et
Hanaki (2002), Baumüller et al. (2005)) ou au rafraichissement des villes (Rosenfeld et al.
(1995), Santamouris et al. (2004), Sailor et Dietsch (2005), Alcoforado et al. (2006),
Alcoforado (2006), Rosenzweig et al. (2006)).
II.3 Prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et
l’architecture : quelques exemples
L’étude de Katzschner (1988) concernant la ville de Hannoversch-Münden (Allemagne) se
focalise sur la ventilation au sein de la ville et par voie de conséquence sur la dispersion des
polluants. Une cartographie de la ville avec les zones de faibles ou fortes ventilations et les
couloirs de ventilation permet à Katzschner (1988) de conclure que Hannoversch-Münden
peut difficilement accueillir des industries polluantes à ses alentours sans risquer une
pollution de l’air importante. Cette étude montre que de telles cartographies peuvent être
mises en relation avec le zonage effectué régulièrement en aménagement urbain.
Givoni (1998) s’est intéressé aux considérations d’ordre climatique dans le bâtiment et
l’aménagement urbain. Son ouvrage, conséquent, aborde à la fois la climatologie du bâtiment
(notions de confort intérieur, éléments architecturaux influençant le confort intérieur,
propriétés des matériaux et performance thermique des bâtiments, les systèmes de chauffage
passif au soleil, le refroidissement passif, ou encore les caractéristiques climatiques de
maisons types) et la climatologie urbaine (caractéristiques générales, effets de l’aménagement
urbain, ou encore effets des espaces végétalisés) avant de proposer des indications pour la
construction des bâtiments et l’aménagement urbain. La structure d’une ville peut être
contrôlée par la planification urbaine et l’aménagement urbain ; il est alors possible selon
Givoni (1998) de modifier le climat urbain par le biais des règles d’urbanisme et par la
conception des zones périurbaines voisines et des nouvelles villes. Il met ainsi en avant
différents critères tels que la localisation géographique de la ville, sa taille, la densité de
constructions, la nature de la surface, la taille des bâtiments, l’orientation et la largeur des
45
rues, etc. Ses indications, qui concernent quatre types de climat (chaud et sec, chaud et
humide, froid, et froid en hiver, chaud et humide en été), abordent à la fois le bâtiment et
l’aménagement urbain, avec cependant une forte prédominance du premier. Cette dernière
partie s’apparente plus à un ensemble de règles de bon sens qu’à une analyse des
conséquences d’une transformation du cadre bâti.
Scherer et al. (1999) se sont intéressés aux concepts et méthodes pour analyser et évaluer le
climat urbain dans un but d’optimisation des procédés de planification urbaine. Ils se sont
plus particulièrement intéressés à la région de Bâle (Suisse) et ont produit des cartes
climatiques de cette région (distinguant plusieurs types de secteurs) pour permettre aux
aménageurs de prendre en compte le climat urbain et ses interactions avec les structures
urbaines. Pour chaque section climatique, un guide d’aménagement abordant les questions de
ventilation, de qualité de l’air et de conditions thermiques a été proposé.
Adolphe et al. (2002) ont travaillé sur le projet SAGACités (Système d’Aide à la Gestion des
Ambiances urbaines) dont l’un des objectifs était de mettre en relation et perspective les
données recueillies par le biais de mesures in situ, celles obtenues par les outils de
modélisation physique de la qualité environnementale des espaces urbains (modélisation
thermique, thermographie5, modélisation aérodynamique, etc.) à des échelles plutôt micro, des
indicateurs objectifs (densité de bâtiments, taux de minéralisation, densités de sites propres,
densités d’espaces verts par habitant, énergie pour le chauffage, etc.) et des indicateurs
subjectifs liés à la perception qu’en ont les usagers, et tout cela dans une approche croisant
technique, social et environnemental. Le modèle issu de ce projet a été mis en œuvre dans un
outil d’aide à la décision pour les gestionnaires urbains, qui s’appuie sur un Système
d’Informations Géographiques (SIG). Ce projet, dont les deux thèmes étaient le microclimat
et l’énergie, a nécessité la collaboration entre des architectes, des ingénieurs et des
sociologues, permettant ainsi une approche pluridisciplinaire. L’échelle principale était
l’échelle locale du quartier mais la relation avec les autres échelles géographiques, de l’espace
public à l’agglomération, était également prise en compte. Le projet proposait au final une
plate-forme informatique permettant le suivi de projets urbains existants (une forme de
tableau de bord environnemental), la comparaison (intra ou inter-urbaine) entre sites, et la
construction de scénarii de conception d’espaces urbains prenant en compte des enjeux
environnementaux (centrés sur les paramètres énergétiques et microclimatiques), mais aussi
5
Thermographie : Technique d'enregistrement graphique des températures de divers points d'un corps par
détection du rayonnement infrarouge qu'il émet. Cette technique est utilisée en télédétection
46
sociaux et perceptifs. Dans cette étude, Adolphe et al. (2002) mettent en avant plusieurs
disfonctionnements : « Les politiques de maîtrise énergétique dans le bâtiment, portées par
une vision technologique et réglementaire, ont surtout conforté des actions d’optimisation (au
sens de la recherche opérationnelle) de certains composants de l’habitat neuf. Elles visent
uniquement la performance maximale, quelquefois au mépris de simples considérations
d’usage ou de qualité des ambiances […]. En conception architecturale ou urbaine, cette
vision partielle et partiale de la performance énergétique du projet a occulté d’autres
composantes aussi importantes. On peut citer d’abord l’environnement proche du bâtiment à
l’échelle urbaine, du parcellaire au tracé des voies, en passant par les effets de végétation.
Cette analyse oblige à réintégrer l’information climat ou énergie dans l’élaboration des
modes opératoires de planification, et notamment dans les procédures d’urbanisme
opérationnel (zones NA, ZAC, PLU, SCOT…). […] On peut citer la réhabilitation du parc
existant. Avec un taux de croissance annuel du parc immobilier légèrement supérieur à un
pour cent (on construit peu, on réhabilite beaucoup), c’est bien évidemment sur les bâtiments
existants que les impacts d’une politique de maîtrise énergétique seront les plus visibles à
l’échelle d’un quartier, comme d’une nation. Enfin, on peut citer la modification de l’usage
de l’énergie par des stratégies basées sur l’inflexion de la demande. Pour se convaincre du
poids important de ces dernières mesures, il suffit en effet de s’intéresser aux consommations
unitaires de chauffage (KWh/m2), qui varient d’un facteur de 1 à 3 entre l’électricité en
individuel et le fioul en collectif : à statut identique (locataire ou propriétaire), la
consommation unitaire est supérieure pour le collectif, comparée à l’individuel, alors que
l’on peut penser que la compacité6 et la contiguïté y sont supérieurs. »
Dhakal et Hanaki (2002) se sont intéressés à l’influence des rejets de chaleur anthropique sur
l’environnement thermique urbain de Tokyo. Les rejets de chaleurs dus aux bureaux,
commerces, habitats ont été simulés avec l’aide du logiciel de modélisation DOE-2.
L’approche utilisée ici prend en compte la chaleur stockée dans la constitution des bâtiments.
Un système géographique a été utilisé pour connaître la distribution de rejet de chaleur dans
tout Tokyo. Les analyses à l’échelle méso du climat urbain ont été menées avec un modèle qui
s’appuie sur le « Colorado State University Mesoscale Model ». Les possibles améliorations
de l’environnement thermique urbain ont été étudiées par le biais de deux types de scénarii en
6
Compacité : le facteur de compacité est le rapport de la surface d’enveloppe extérieure au volume total
(chauffé) des bâtiments. « Ce facteur de compacité est largement utilisé pour qualifier l’impact de la
morphologie des bâtiments sur leur performance énergétique : en fait leurs déperditions thermiques. En effet, il
donne une information quant à l’augmentation de la surface d’échange entre air et tissu, augmentation due à
l’extension verticale de la ville par rapport à une surface plane. » (Adolphe et al., 2002).
47
relation au management des sources de chaleur et des modifications de la surface urbaine. Les
modélisations ont été effectuées pour une journée d’été. La meilleure amélioration pour la
température moyenne de la journée trouvée est de 0,47°C et ceci en mettant de la végétation
sur le sol autour des bâtiments de Tokyo. De même, l’élévation maximale de la température
moyenne pour la nuit a été de 0,11°C et ceci en déversant toute la chaleur au niveau du sol
(chaleur issue notamment des systèmes d’air conditionné).
Une simulation a été effectuée avec la situation climatique du 22 juillet 1989. L’influence du
rejet de chaleur dans l’environnement a été analysée en simulant le climat à l’échelle meso
avec et sans ce rejet de chaleur. Il a été trouvé que l’influence de la chaleur anthropique était
plus importante la nuit et tôt le matin, et la différence maximale de 3,4°C a été obtenue à
minuit. Dans la journée, l’effet de la chaleur anthropique est moins intense (environ 1°C de
9h00 à 16h00) à cause du fort rayonnement solaire. Plusieurs scénarii ont ensuite été
modélisés, touchant soit au management des sources de chaleur ou à la modification des
surfaces :
•
Scénario E-1 : Evacuer toute la chaleur par le haut des immeubles,
•
Scénario E-2 : Evacuer toute la chaleur par le bas des immeubles (dans les six
premiers mètres),
•
Scénario E-3, E-4 et E-5 : Modification des systèmes de climatisation ou d’air
conditionné.
•
Scénario E-6 : Rejeter toute la chaleur, issue des systèmes d’air conditionné
notamment, des bâtiments au niveau du sol, c'est-à-dire dans les deux premiers mètres
au-dessus de la surface du sol,
•
Scénario S-1 : Une amélioration modérée de l’albédo7 (l’albédo des toits est fixé à
0,30 au lieu des 0,18 du cas normal, celui des routes à 0,25 au lieu de 0,18, et celui des
autres surfaces construites à 0,25),
•
Scénario S-2 : Une amélioration conséquente de l’albédo (l’albédo des toits est à 0,70,
celui des routes et des autres surfaces construites à 0,30),
7
L’albédo d'une surface correspond au rapport de l'énergie solaire réfléchie par cette surface sur l'énergie solaire
incidente. Il est compris entre 0 et 1. Les surfaces qui ont un faible albédo absorbent une part importante du
rayonnement solaire incident et deviennent plus chaude que les surfaces ayant un fort albédo.
48
•
Scénario S-3 : Mettre de la végétation sur le sol autour des bâtiments.
Tous les scénarii ont provoqué une diminution de la température sauf pour les scénarii E-2 et
E-6 qui favorisent en fait l’échange de chaleur entre le sol et l’air. En général, les scénarii qui
présentent une modification de la surface ont plus d’impact que ceux qui modifient
uniquement l’énergie sauf bien sur pour les cas extrêmes comme une totale absence de rejet
de chaleur (impact positif) ou un rejet uniquement par le sol (impact négatif).
Baumüller et al. (2005) font une analyse très complète de la formation du climat urbain et de
ses conséquences sur la dispersion des polluants. Ils proposent des cartes climatiques et de la
qualité de l’air - pour la région de Stuttgart (Allemagne) par exemple - qui s’accompagnent de
recommandations pour l’aménagement, en relation notamment avec la ventilation. Ce travail
s’apparente à celui effectué par Scherer et al. (1999) présenté précédemment.
II.4 Rafraichissement des villes : quelques exemples
Rosenfeld et al. (1995) font à l’origine de leur étude un constat : les températures élevées de
l’îlot de chaleur urbain augmentent la demande en énergie pour la climatisation et accroissent
le risque de smog8. Leurs propositions pour diminuer l’îlot de chaleur urbain et, par la même
occasion la consommation énergétique, sont de planter des arbres en milieu urbain et
d’éclaircir la couleur des surfaces. L’effet à l’échelle du bâtiment a été étudié par Rosenfeld et
al. (1995), mais c’est celui à l’échelle de la ville qui nous intéresse le plus ici. L’effet
microclimatique de la couleur est quelque chose qui peut s’observer. Dans leur cas des
mesures de températures au milieu d’un monument clair d’albédo d’environ 0,6 (le White
Sands National Monument au Nouveau-Mexique) et au sein du désert qui entoure la ville
d’albédo 0,26 montre que, sauf durant la nuit, il peut faire jusqu’à 3,5 degrés plus chaud dans
le désert. Pour observer l’effet d’une diminution de l’albédo sur une ville entière, en
l’occurrence ici Los Angeles, Rosenfeld et al. (1995) ont utilisé le modèle d’échelle méso
« Colorado State University Mesoscale Model » (CSUMM). La ville a été découpée en
plusieurs cellules selon un maillage de 5x5km et des modifications d’albédo des toits plats ou
inclinés et des routes ont été effectuées de façon à obtenir une augmentation moyenne de
l’albédo pour chaque cellule de 0,13 (ce qui ne donne pas une ville blanche et aveuglante).
Selon les conditions initiales choisies, le refroidissement le plus conséquent, qui arrive en
début d’après-midi, est entre 2 et 4°C. Les arbres sont bénéfiques du fait de l’ombre qu’ils
8
Le smog est un brouillard du à la pollution atmosphérique.
49
procurent et de leur évapotranspiration9. Rosenfeld et al. (1995) propose une forme de
programme, pour permettre une diminution de l’albédo et une plantation plus conséquente
d’arbres, qui comprend notamment : créer des procédures de tests pour les différents
matériaux, des évaluations et des labels pour les matériaux « rafraichissants » ; créer une base
de données sur les matériaux rafraichissants à destination des professionnels et des citoyens ;
intégrer les toits rafraichissants dans des programmes plus globaux sur la consommation
énergétique et la qualité de l’air ; adopter des standards ; proposer des réductions en cas
d’achats de standards ; communiquer ; etc.
Santamouris et al. (2005) ont mené le projet URBACOOL (Energy Efficient Cooling Systems
and Techniques for Urban Buildings - Vers des stratégies efficaces urbaines pour le
rafraîchissement). Ce projet, mené par plusieurs partenaires européens (Université d’Athènes,
ARMINES le Centre Energétique de l’Ecole des Mines de Paris et l’Université de Séville)
dans le cadre du Programme SAVE (Direction générale pour l’Energie et les Transports de la
Commission européenne), a eu comme objectif général de déterminer des stratégies pour
réduire l'impact de la demande croissante de climatisation dans l'Union Européenne. Cet
objectif s’est accompagné d’une mise en relation entre cette demande et l’effet d'îlot
thermique urbain, « la conception efficace des bâtiments refroidis de manière « passive »
(sans équipements) [exigeant] une bonne compréhension des caractéristiques du climat
urbain, en particulier des distributions de la température et du vent ». L’étude a ainsi réfléchi
à différents aspects tels que :
-
La réduction de l’effet d’îlot de chaleur et des sources anthropiques de chaleur (le rôle
des matériaux, des rues et des trottoirs, des arbres et de la végétation, de l’eau et des
puits de fraicheur a été mis en avant) :
-
La conception des bâtiments urbains et l’utilisation de nouveaux matériaux pour une
meilleure adaptation à l’environnement urbain :
-
Le choix des systèmes de climatisation centralisés (urbains) ou des systèmes semicentralisés (au niveau du bâtiment) ou des appareils de climatisation (individuels).
9
L'évapotranspiration correspond à l'ensemble des phénomènes d’évaporation de l’eau du sol et des nappes
liquides, et de transpiration des végétaux.
50
L’ensemble de ces aspects ont été rassemblés pour produire un ensemble de recommandations
destinées aux acteurs (décideurs politiques, autorité d’aménagement urbain, compagnies
d’électricité), aux niveaux local, national et européen.
Sailor et Dietsch (2005) ont développé un outil informatique pour assister les aménageurs, les
urbanistes et les responsables de la qualité de l’air dans leur évaluation du potentiel des
stratégies de diminution de l’îlot de chaleur urbain à agir sur le climat urbain, la qualité de
l’air (ozone) et la consommation énergétique au sein de leurs villes. Les utilisateurs de cet
outil peuvent sélectionner une ville parmi les deux cents répertoriées, uniquement aux EtatsUnis. Les stratégies comprennent des constructions et des matériaux de voirie à fort albédo et
de la végétation urbaine. L’utilisateur peut tester plusieurs scénarii combinant ou non ces
différentes stratégies ou spécifier une certaine diminution de température, l’outil lui proposant
alors différents moyens d’actions. Cet outil, appelé « mitigation impact screening tool »
(MIST), s’appuie sur une base de données concernant vingt villes, pour lesquelles une
simulation numérique des différentes stratégies a été effectuée à l’aide du modèle MM5 du
National Center for Atmospheric Research qui est un modèle atmosphérique d’échelle méso.
Pour la relation avec les concentrations en ozone, une méthode statistique a été utilisée. La
modélisation énergétique s’est appuyée sur les Cooling Degree Days (CDD), ou degrés.jours
climatisation, et les Heating Degree Days (HDD), ou degrés.jours chauffage, tenant compte
ainsi de l’énergie non consommée en été mais de l’usage supérieure en hiver. Les résultats
pour les autres villes sont extrapolés à partir des modélisations sur ces vingt villes. Sailor et
Dietsch (2005) précisent bien le degré important d’incertitude de leur outil et leur intention de
donner uniquement un premier ordre de grandeur aux aménagements.
Alcoforado (2006) et Alcoforado et al. (2006) se sont intéressés aux procédures à mettre en
œuvre et aux indications à donner pour améliorer la qualité climatique des villes et diminuer
l’intensité de l’îlot de chaleur urbain. Leur travail s’est notamment appliqué à la ville de
Lisbonne (Portugal). Ils soulignent l’importance de l’acquisition de données climatiques
urbaines, de l’analyse des caractéristiques du climat urbain et de la sélection des stratégies
adéquates pour l’aménagement, pour contribuer à la qualité du climat en ville. Pour Lisbonne,
ils se sont penchés sur les problèmes d’ordre climatique suivant : l’îlot de chaleur urbain, le
vent, et la pollution de l’air. Ils ont découpé Lisbonne selon des zones homogènes du point de
vue de la conception urbaine et pour chacune de ces zones des préconisations pour diminuer
l’îlot de chaleur, limiter la pollution urbaine et améliorer la qualité du vent ont été données.
51
Ces préconisations abordent à la fois l’orientation des rues, la hauteur des bâtiments, ou
encore la présence d’espaces végétalisés.
Rosenzweig et al. (2006) se sont intéressés aux stratégies de diminutions de l’îlot de chaleur
de New-York, ces stratégies comprenant les forêts urbaines10, les toits verts et les surfaces
claires (tableau 1). Six quartiers d'études représentatifs des différentes typologies existants à
New-York ont été choisis et décrits en fonction de leur pourcentage de pelouse, d’arbres, et de
surfaces imperméables mais également en fonction de la part de toits imperméable (non
verts), et la part de surface au sol imperméable, ainsi que la part de rue pouvant accueillir des
arbres, ce qui permet d’estimer le potentiel de chaque quartier pour intégrer des moyens de
diminuer l’îlot de chaleur urbain (tableau 2). Pour tester les effets de ces différents moyens, le
modèle climatique régional Penn State/NCAR MM5 a été utilisé. La surface est décrite selon
une grille de résolution de 1,3km en y intégrant des informations sur le pourcentage de
pelouse, d’arbres, de surfaces imperméables et d’eau.
Tableau 1 : Stratégies de diminutions de l’îlot de chaleur (Rosenzweig et al., 2006).
Tableau 2 : Pourcentages pour chaque type de surface et potentiel pour intégrer des moyens
de diminuer l’îlot de chaleur urbain (Rosenzweig et al., 2006).
Ces modélisations, dont les résultats sont présentés dans le tableau 3, montrent que la
végétation refroidit les surfaces de façon plus efficace qu'une augmentation de l'albédo.
L'atténuation la plus efficace par unité de surface réaménagée est la plantation sur les trottoirs.
10
La forêt urbaine est un concept récent et, pour reprendre les termes de Guillauic (2008), est une « ‘forêt logée
en ville’, en tant qu’entité naturelle, bien sûr, mais aussi et surtout an tant que concept plastique […] ». Ces
forêts peuvent être des vestiges préservées de la forêt naturelle, des boisements anciens présents avant
l’accroissement (exemple : Bois de Boulogne), des boisements plantés ou artificiellement créés, etc.
52
Cependant, les plus importantes réductions de température absolue se font avec les surfaces
claires parce que 64% de la surface de NY peut être passé de surfaces foncées et
imperméables à des surfaces claires à albédo élevé. Les toits verts refroidissent mieux par
unité de surface que les surfaces claires mais moins que les plantations sur trottoirs. Ils
pourraient être la meilleure option dans les banlieues où les opportunités de réaménagement
au niveau des rues sont limitées; cependant selon la hauteur du bâtiment, ces toitures
végétalisées peuvent avoir un impact positif sur la demande en énergie inférieur à celui lié à la
plantation d'arbres qui procurent de l’ombre sur les cotés des bâtiments.
Tableau 3 : Réduction de la température près du sol (en °F) pour différents scénarii de
réduction de l’îlot de chaleur urbain, en moyenne durant la journée et à 3h00 (Rosenzweig et
al., 2006).
II.5 La ville « idéale »
Ces différentes études sur la relation entre le climat urbain et l’aménagement et l’architecture
ou sur le rafraichissement des villes, qui ne sont que l’illustration de toutes celles pouvant
exister sur le sujet, accompagnent également la réflexion sur la ville « idéale ».
Landsberg (1973) aborde la question de la ville « météorologiquement » utopique et liste un
ensemble de règles à suivre telles que la non-urbanisation des zones inondables, la présence
d’un maximum de surfaces couvertes de végétaux, la préservation des arbres, la réduction de
l’utilisation de la voiture, la création de parkings en sous-sol et non en surface, la réutilisation
de la chaleur, la prise en compte de la ventilation et des problèmes de pollution
atmosphérique, etc.
53
Yannas (2001), sous le titre « toward more sustainable cities », regarde plus particulièrement
les paramètres affectant le microclimat urbain et l’intérêt que cette question peut avoir pour
les domaines de l’aménagement urbain et du confort thermique, tant extérieur qu’intérieur.
Après une présentation synthétique des principaux facteurs et processus à l’origine du
microclimat urbain, Yannas (2001) identifie les aspects clés maitrisables par les architectes et
urbanistes (forme du bâtiment, géométrie des rues, constitution des bâtiments, matériaux
urbains, et finitions des surfaces, réduction du trafic, utilisation d’énergies renouvelables).
Plusieurs cas pratiques concernant Londres (Grande-Bretagne), Dhaka (Bangladesh) et
Athènes (Grèce) viennent illustrer ses propos. L’étude sur Londres montre combien les effets
microclimatiques peuvent être localisés, et met en avant la relation spatiale et temporelle avec
la géométrie et la texture (densités, présence ou non de végétation et d’eau) du tissu urbain.
Les études sur Dhaka montrent pour leur part qu’il est possible de mettre en place une forme
de guide répertoriant selon la géométrie de la rue une liste d’interventions de petite échelle
permettant d’améliorer le microclimat urbain (végétation, eau, etc.). Selon la géométrie
urbaine, plusieurs idées d’action peuvent alors être choisies. Le projet sur Athènes souligne en
ce qui le concerne l’amplitude des solutions qu’il est possible de mettre en œuvre pour
améliorer la situation d’un quartier, et ce plus particulièrement quand le tissu urbain et les
bâtiments sont dégradés. On notera que pour ces trois situations l’analyse et les actions se
situent à l’échelle du quartier et non de la ville elle-même et que c’est par conséquence la
répétition de ces différentes actions au sein des villes qui pourra mener à des « sustainable
cities ».
Bitan (1992) part du constat que dans le futur, la majorité de la population mondiale va vivre
dans des zones urbaines et que, par conséquent, vont s’y concentrer la majorité des activités
économiques. Cette situation va mener à des problèmes environnementaux et climatiques
importants si les urbanistes et architectes ne développent pas de nouvelles stratégies
d’aménagement urbain et de nouvelles méthodes de conception architecturale permettant de
poursuivre la croissance des villes tout en conservant un bon environnement climatique pour
les populations qui y vivent et y travaillent. En plus des questions d’inconfort que peut créer
une mauvaise prise en compte des conditions climatiques, Bitan (1992) aborde également les
conséquences en terme de consommation énergétique pour le chauffage, la climatisation ou
encore la lumière. Une planification urbaine en accord avec le climat débute ainsi selon lui sur
le choix de la localisation de la ville (dans le cas de nouvelles villes) et inclut la forme
générale de la ville (à travers la planification de l’utilisation des sols, la localisation des routes
54
principales, la planification climatique des zones résidentiels et des centres commerciaux,
l’amélioration du climat urbain lors de la planification d’espaces urbains) et une architecture
des bâtiments individuels tenant compte des règles climatiques. Pour permettre les meilleurs
résultats en aménagement urbain et en bâtiment, il est également nécessaire de tenir compte
du plus grand nombre possible de critères climatiques dont les plus importants sont : le vent,
la température, le rayonnement solaire, l’humidité et les précipitations. Bitan (1992) souligne
le rôle joué par les scientifiques, les architectes, les urbanistes et les climatologistes pour
améliorer le climat urbain et l’environnement urbain. Certains se sont concentrés sur les
aspects théoriques comme pratiques de la climatologie urbaine, ce qui inclut les études sur
l’importance de la couverture du sol (arbres, végétation, etc.) pour améliorer à la fois la
qualité de l’air et climatique. D’autres ont participé à des projets spécifiques en tant
qu’urbanistes, architectes ou consultants en climatologie appliquée. Il existe très peu d’études
sur la conception d’une ville et ce dès le choix de son implantation jusqu’aux caractéristiques
de ses bâtiments. Bitan (1992) site le cas d’une ville israélienne dont l’implantation fut
réfléchie avant la conception, ou encore le cas de la ville de Stuttgart (Allemagne) connue
pour son attention aux questions climatiques. Un des points largement abordé par Bitan
(1992) est la question de la production d’électricité qui peut être fortement polluante. Il
propose alors comme source alternative d’énergie l’eau, le rayonnement solaire et le vent.
Loin d’être utopique selon lui, une ville conçue ainsi est possible.
Golany (1996), dans son article, part du principe que si les spécialistes en climatologie nous
pourvoient en grand nombre de données sur le climat urbain, c’est aux professionnels de la
ville et non aux spécialistes en climatologie d’appliquer et de traduire ces données en outil
d’aménagement. Son article aborde ainsi la relation entre la morphologie urbaine11 et les
performances thermiques de la ville. Pour Golany (1996), chaque région climatique nécessite
une forme et une configuration urbaine distincte contribuant à la fraicheur ou chaleur
nécessaire du milieu. Ce sont les urbanistes et architectes qui sont responsables de cette mise
en pratique, de cette conception des formes adéquates. Tout comme Bitan (1992), Golany
(1996) note l’importance du choix du site d’implantation de la ville et ses conséquences sur
les performances thermiques de la ville, son économie, son confort, la consommation
énergétique et la santé de ses habitants, et la stabilité communautaire. L’altitude, la
température du vent, le refroidissement par évaporation, la ventilation urbaine, la pente, la
11
La morphologie urbaine est la répartition spatiale des bâtiments, leur élévation, la forme et l’orientation du
réseau de rues.
55
brise marine, les risques d’inondation, l’orientation, ou encore la forme et la consistance du
sol, tout ces aspects ont leur importance dans le choix de l’implantation, et ce avec plus ou
moins d’importance selon la région climatique. Cette dernière influence également le choix
entre une ville de forme compacte (climat rude, c'est-à-dire froid sec ou chaud sec), dispersée
ou encore en grappe (climat rude, c'est-à-dire froid sec ou chaud sec). Orientation et largeur
des rues, végétation, évapotranspiration, espaces ouverts et fermés, etc., Golany (1996)
reconnait l’influence sur la qualité climatique et de vie de nombreux aspects, et propose une
synthèse, sous forme de tableau, sur les profils climatiques des principaux climats du monde,
les problèmes climatiques associés et les réponses architecturales ou urbaines conseillées
(tableau en annexe 5).
Dans une présentation titrée « The meteorologically utopian city revisited » en référence à
l’article de Landsberg (1973), Mills (2003) s’interroge sur la conception de la ville durable du
point de vue de la météorologie et de la climatologie. Beaucoup de propositions tournent
selon lui autour d’éléments de l’aménagement tels que la rue, les matériaux de construction ou
le bâtiment. Toutefois, les conflits pouvant apparaitre entre les solutions pour ces différents
éléments sont peu pris en considération malgré les relations physiques ou relationnelles
existant entre ces derniers. Ainsi, alors que la forme de l’aménagement limite les « degrés de
liberté » disponibles pour la conception de bâtiments « idéaux », la réalisation,
l’accomplissement des objectifs d’un aménagement de grande envergure dépendra en partie
de la somme des effets des bâtiments individuels. Il y a peu de travaux selon Mills (2003) qui
estiment les conséquences de choix constructifs et ce à différentes échelles : Est-ce que le
bâtiment idéal est compatible avec la ville idéale ? Contrairement aux architectes, dont
l’intérêt pour la construction bioclimatique est ancien, les urbanistes s’appuient peu sur des
principes climatiques et jusqu’à très récemment, l’accent a été peu mis sur l’espace entre les
bâtiments, si l’on excepte les cas où ce dernier influençait l’habitation. Ainsi selon Mills
(2003), la nouvelle utopie urbaine est la ville ‘durable’, ‘soutenable’, dont la conception
intègre la qualité de l’air et la consommation énergétique, ainsi qu’une panoplie d’objectifs
environnementaux et sociaux, culturels et économiques. La ville durable est décrite comme
une ville à forte densité avec une forme compacte, permettant un accès facile aux services et
une réduction des ressources environnementales. Cependant, les fortes densités ont également
des effets sur la circulation de l’air et sur la dispersion des polluants au niveau du sol. Il est
concevable qu’une ville compacte réduise certes les émissions de polluants mais elle
augmente en parallèle l’exposition des citoyens aux polluants. Dans son article, Mills (2003)
56
tente d’évaluer les conflits crées par différentes solutions d’aménagements proposées pour
mener à une ville idéale du point de vue météorologique. Il distingue ainsi trois échelles de
conception – le bâtiment, le groupe de bâtiment (ou quartier) et l’échelle de l’implantation
urbaine – et pour chacune de ces échelles, des objectifs généraux sont assignés (tableau 4). Il
existe des outils, ou des éléments clés, de conception disponibles pour chacune de ces échelles
permettant de répondre aux objectifs. Cependant, des limites existent quant au choix de ces
outils et les décisions prises pour une certaine échelle ont un impact sur les autres échelles.
Tableau 4 : Résumé des outils (diagonale en gris) utilisés aux échelles du bâtiment, du groupe
de bâtiment, de l’implantation urbaine, pour répondre aux objectifs climatiques à ces échelles
(Mills, 2003).
L’application de ces outils à chaque échelle a un impact climatique sur les autres échelles
(sous la diagonale) et crée des limites pour les décisions prises aux autres échelles (au-dessus
de la diagonale).
Objectif
Impacts
Bâtiments
Confort
intérieur
Bâtiments
Confort
extérieur
Santé en
extérieur
Groupes de
bâtiments
Utilisation de
l’énergie
Qualité de
l’air
Protection
contre les
extrêmes
Implantation
Localisation
Matériaux
Design (e.g. forme,
orientation, etc.)
Changement climatique
local :
Emissions
Matériaux/surfaces
Dimensions du bâtiment –
interférence des flux et
zones d’ombre
Efficacité énergétique
Qualité de l’air
Effet du climat urbain
Limites
Groupes de
bâtiments
Accès à la lumière, à
l’énergie solaire, au
vent
Qualité de l’air
Emplacement des
bâtiments
Aménagement,
paysage, matériaux et
surfaces extérieurs
Dimensions et
orientation des rues
Mode et intensité des
flux du trafic
Efficacité énergétique
Qualité de l’air
Effet du climat urbain
Implantation
Codes du bâtiment
Guides sur les densités,
les hauteurs, les
usages, les espaces
végétalisés
Zonage
Etendue et forme
globales
Politique des transports
Lors d’une table ronde organisée lors du colloque « Fabriquer la ville durable au croisement
de la recherche et de l’action » (22 et 23 juin 2005, Ecole Doctorale Ville et Environnement),
Alain Maugard, président du C.S.T.B., souligne également la difficulté à satisfaire le
développement durable et l’efficacité énergétique à toutes les échelles. Il « estime ainsi que
pour tenir compte des différentes échelles, il vaut mieux partir du plus petit pour arriver au
plus grand », soulignant qu’à l’échelle de la ville « il existe encore un manque d’expertise et
de recherche ».
57
Il est aujourd’hui possible de citer quelques projets ayant mis en œuvre à l’échelle locale des
techniques permettant l’amélioration climatique de l’espace aménagé. Santamouris (2005)
cite ainsi le cas de l’Exposition Universelle de 1992 qui a eu lieu à Séville (Espagne) et pour
laquelle fut utilisé divers végétaux, des pergolas, etc. pour procurer de l’ombre et de la
fraicheur, des fontaines, des piscines, des étangs, des vaporisateurs, pour diminuer la
température par le biais de l’évaporation, et d’autres techniques encore, qui permirent de
diminuer la température de l’air ambiant de 5°C. Santamouris (2005) cite également le cas de
l’Exposition Universelle de 1998 qui a eu lieu à Lisbonne (Portugal) pour laquelle une étude
des flux d’air fut réalisée, permettant ainsi d’optimiser la circulation de l’air. Plantes,
pergolas, piscines, fontaines, étangs furent aussi employés. Ces techniques permirent de
diminuer la température de l’air ambiant de 3-4°C sur le site de l’Exposition Universelle. Le
cas du village olympique de 2004 à Athènes (Grèce) est également cité par Santamouris
(2005) et les techniques, identiques à celles utilisées pour Lisbonne, permirent une réduction
des températures de 4°C au sein du village.
II.6 Conclusion
De l’observation du climat urbain 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. Si les premiers travaux étaient avant tout consacrés à
l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les climatologues se
sont progressivement intéressés à d’autres paramètres climatiques puis à des échelles
inférieures à la ville mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine et des
matériaux de construction.
La climatologie urbaine est aujourd’hui un domaine de recherche investi à la fois par les
climatologues et les géographes, mais également par les architectes et les urbanistes. Ceci
permet de mettre en place une démarche pluridisciplinaire et d’intégrer à la pratique de
l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine.
Climatologues, géographes et aussi urbanistes et architectes réfléchissent ainsi ensemble ou
parallèlement à l’intérêt de prendre en compte le climat urbain dans l’aménagement,
l’urbanisme et l’architecture. De nombreuses études abordent la relation entre le climat,
l’aménagement et l’architecture avec leurs particularités liées notamment à la ville étudiée et
donc à la culture architecturale déjà présente, mais également avec des volontés communes.
Plusieurs études ont ainsi cartographiées les situations climatiques de certaines villes pour y
associer des conseils concernant les aménagements envisageables ou à envisager. D’autres se
58
sont focalisées sur des listes de règles à suivre pour obtenir des aménagements en harmonie
avec leur climat et leur environnement. D’autres encore ont analysées l’influence sur le climat
urbain de choix concernant, par exemple, les rejets anthropiques de chaleur.
Cette réflexion peut s’accompagner dans certaines études d’une volonté de réduire l’impact
des villes sur la température et de les rafraichir. Modifications de l’orientation des rues,
végétalisation des espaces, modifications des albédos des matériaux, etc. sont des solutions
que plusieurs chercheurs modélisent pour en connaître l’efficacité.
Toutes ces études ont amené plusieurs chercheurs à se poser la question de la ville « idéale »,
chacun ayant alors sa propre opinion, sa propre réponse, et donc ses propres conseils pour
atteindre des conditions climatiques agréables ou tout du moins plus agréables.
Le climat urbain et sa prise en compte au sein de l’aménagement urbain est un sujet récent
encore loin d’être entièrement exploré. Actuellement, les modélisations effectuées pour tester
la sensibilité du climat et de l’îlot de chaleur urbain à certaines actions (végétalisation des
espaces, variation des flux de chaleur d’origine anthropique, augmentation de l’albédo des
surfaces, etc.) se concentrent majoritairement sur les situations estivales. Or, les modifications
du cadre bâti ou non bâti et des rejets de chaleur anthropique influence l’intensité de l’îlot de
chaleur à la fois en été et en hiver. Cette dernière saison ne peut être négligée si nous voulons
intégrer de nouveaux éléments et critères dans la conception et la gestion de l’espace urbain.
A cela s’ajoute un manque de réflexion autour des moyens aujourd’hui mobilisables par les
collectivités qui seraient préoccupées, intéressées par ce climat urbain, et souhaiteraient en
tenir compte. Les conseils existent, mais la façon concrète de les intégrer aux procédures
existantes fait aujourd’hui défaut.
Les chapitres qui suivent vont aborder plus concrètement et physiquement les phénomènes
climatiques générés par la ville et le rôle de différents facteurs. Ils serviront d’appui à la
compréhension de la formation du climat urbain mais nous permettront également de proposer
dans la troisième partie des domaines d’actions en correspondance avec la manière dont se
conçoivent et se gèrent les milieux urbains.
59
III Préambule à l’explication des phénomènes physiques à
l’origine de la formation du climat urbain
L’introduction et le chapitre précédent ont précisé le contexte de cette étude et permit
d’analyser la pertinence de la question de l’introduction d’enjeux du climat urbain lors
d’interventions sur un tissu urbain. Ils ont également introduit la problématique, les objectifs
de cette thèse et les études ayant traité des questions similaires.
Les chapitres qui vont suivre ont pour objectif d’expliquer les phénomènes physiques à
l’origine de la formation du climat urbain et de présenter l’influence de certains facteurs dans
la formation du climat urbain.
Nous allons décrire l’influence des rues et des bâtiments sur les écoulements de l’air, les
échanges radiatifs, thermiques et énergétiques, et les phénomènes d’évapotranspiration. Ces
influences, d’échelle microclimatique (figure 2), engendrent des modifications à l’échelle de
la ville, qui s’expriment au travers des bilans radiatif, énergétique et hydrique de cette
dernière mais également au niveau des circulations atmosphériques.
Avant d’aborder la présentation des mécanismes physiques à l’échelle de la rue, il est
nécessaire de préciser les différentes échelles d’analyse utilisées en climatologie urbaine.
Les influences de la ville ne s’observent pas sur l’ensemble de l’atmosphère mais au sein de la
couche limite planétaire (PBL - Planetary Boundary Layer)12.
La troposphère13, partie de l’atmosphère la plus proche de la terre, peut être divisée en deux
parties : la couche limite planétaire, ou couche limite atmosphérique, qui s’étend du sol
jusqu’à une altitude entre 100 et 3 000 mètres, et au-dessus l’atmosphère libre. Selon MétéoFrance : La couche limite planétaire est « La plus notable des couches limites qui se
12
« La présence d’un ensemble urbain modifie profondément la structure des basses couches de l’atmosphère
tant du point de vue dynamique que du point de vue thermique. En effet, l’écoulement de l’air est très perturbé
par les obstacles nombreux, rapprochés et de hauteurs inégales qui caractérisent les zones urbaines ; de plus, le
remplacement du sol naturel par de grandes étendues de béton, de bitume, de pierres, etc., ainsi que la
concentration sur un espace réduit de processus de combustion (chauffage, industrie, transports) provoquent
une modification importante du bilan énergétique entre le sol et l’atmosphère. La pollution de l’air qui change
la composition de l’atmosphère des villes entraine également une modification des échanges radiatifs et des
précipitations. Enfin, l’imperméabilité du sol et la diminution des surfaces évapotranspirantes perturbent le
bilan hydrique. » Sacré (1983)
13
Au-dessus de la troposphère se trouve la stratosphère. La limite entre les deux, qui s’appelle la tropopause
correspond au moment où l’évolution des températures en fonction de l’altitude est modifiée. La température de
l’atmosphère diminue avec l’altitude à partir du sol jusqu'à la tropopause, c'est-à-dire a sein de la troposphère,
puis augmente par la suite à cause de l'absorption des rayons ultraviolets par l’ozone présent dans la stratosphère.
60
constituent au contact de l'atmosphère avec le sol ou l'eau couvrant la surface de la Terre
provient de l'apparition et de l'influence de forces de frottement horizontales : celles-ci, en
s'opposant au mouvement de l’air […], modifient fortement les déplacements horizontaux et
verticaux et les échanges de matière et d'énergie à l'intérieur d'une couche limite planétaire
(encore dite couche limite de frottement ) dont l'épaisseur, assez variable suivant la nature de
la surface sous-jacente, reste de l'ordre de 1 500 mètres ». Plus précis, Menut (1997) signale
que « son extension verticale va de la surface à quelques centaines de mètres d’altitude et
dépend directement de tous les paramètres météorologiques (vent, température, humidité,
insolation14), mais aussi de la topographie et du type d’environnement (océan, continental
rural ou urbain) ».
Figure 2 : Représentation schématique de la couche limite urbaine (CLU) à méso-échelle (a),
à l’échelle locale (b) et à micro-échelle (c) (Leroyer (2006), d’après Oke (1987)).
La couche limite planétaire est ainsi directement influencée par la surface de la Terre et selon
Escourrou (1981), « la température en altitude est plus chaude au-dessus de la ville. La
couche limite où disparaît l’influence est plus élevée dans la ville où l’air est chaud, donc
14
L’insolation correspond à l’action des rayons du soleil qui frappent un objet. En météorologie, ce terme est
synonyme d'ensoleillement, c'est-à-dire du temps pendant lequel un lieu est ensoleillé.
61
dilaté, qu’à la campagne. Sa hauteur varie ainsi [de] 270 mètres en moyenne pour la
campagne [à] 400 mètres pour les petites villes et les banlieues [et] 420 mètres pour le centre
de l’agglomération. »
La couche limite urbaine (UBL – Urban Boundary Layer) se distingue de la couche limite de
la planète par sa complexité due à des caractéristiques et processus particuliers15. Les
principaux éléments causes de perturbation au sein de l’environnement urbain sont les
bâtiments de formes et de hauteurs variables. Ceux-ci introduisent une grande quantité de
surfaces verticales, des éléments à forte rugosité, des matériaux artificiels, et des surfaces
imperméables.
Lors de ses premières études Oke (1978) distingue deux couches atmosphériques différentes
au-dessus des villes : la couche de canopée urbaine, qui correspond à la couche atmosphérique
située entre le sol et le niveau des toits, et la couche limite interne qui se superpose à la
couche de canopée urbaine. Ses études l’amènent à distinguer trois autres sous-couches (Oke,
2004(a)) : la sous-couche rugueuse, la sous couche inertielle et la couche de mélange (figure
2).
La canopée urbaine est la couche où se situe la plupart des sources de polluants et des
récepteurs (hommes, végétations et matériaux). La couche de canopée urbaine (UCL – Urban
Canopy Layer) est composée majoritairement de rues canyon et de divers arrangements de
bâtiments de grande hauteur, de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. La
disposition des rues canalise une partie des flux alors que les éléments de forte rugosité
induisent la formation d’une fine sous-couche de rugosité au-dessus de l’UCL (Piringer et
Joffre, 2005).
La sous-couche de rugosité (RS – Roughness Sub-layer), de hauteur z0, avec une extension
plus importante que pour les couches limites classiques, occupent les premières
dizaines/centaines de mètres au-dessus de la surface. Au-dessus de cette RS inhomogène se
trouve le reste de la couche de surface, c'est-à-dire la sous-couche inertielle où les flux
turbulents verticaux sont approximativement constants avec la hauteur (Piringer et Joffre,
2005).
15
On notera, concernant la hauteur de la couche limite urbaine, que selon Ringenbach (2004) : « L’îlot de
chaleur urbain présente également une extension verticale. Pendant le jour, il peut s’étendre de 600 à 1500
mètres au-dessus de la ville, en raison de l’importance de la convection. La nuit en revanche, l’épaisseur de
cette couche dépasse rarement 300 mètres en raison d’une stabilité plus importante. »
62
L’hétérogénéité horizontale des quartiers, à l’échelle du kilomètre, avec parfois des transitions
fortes de rugosité et/ou de température, peut générer une série de couches limite internes. Leur
superposition augmente l’hétérogénéité de la basse couche atmosphérique. (Piringer et Joffre,
2005)
Une autre source d’hétérogénéité horizontale est la présence de sources ponctuelles de chaleur
et de vapeur d’eau de grande puissance, comme par exemple les zones industrielles. Les zones
urbaines incluent également des sources disparates de chaleurs latente16 et sensible17 dues aux
transferts de surface (sol et bâtiments) ou aux diverses sources ponctuelles de faible niveau
(chauffage, automobiles) (Piringer et Joffre, 2005).
La structure de l’UBL a une série de conséquences physiques qui sont bien connues. L’îlot de
chaleur urbain, avec des températures plus élevées au centre de la ville, en est une. Les séries
de couches limites internes dynamiques et thermiques perturbent l’équilibre des champs de
vent, génèrent des flux locaux entre le centre de la ville et ses environs et entre les différents
quartiers (« brises de campagne »), ainsi que des convections thermiques. La présence d’une
ville peut également accroître le brouillard et les précipitations et ce probablement du fait de
l’augmentation de la concentration des noyaux de condensation18 due à la pollution.
L’influence de la ville peut être observée non seulement sur l’atmosphère au-dessus de la ville
elle-même mais également au-dessus des villes sous le vent où une « plume urbaine » est
générée par les perturbations de la ville (Piringer et Joffre, 2005).
Ces différents points vont être expliqués dans les trois chapitres suivants.
16
Chaleur latente : la chaleur latente, ou enthalpie de changement d'état (molaire ou massique) correspond à la
quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il
change d'état, cette transformation ayant lieu à pression constante.
17
Chaleur sensible : la chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée, sans transition de phase
cynique, entre deux corps. Elle est qualifiée de « sensible » parce que cet échange de chaleur sans changement de
phase change la température du corps, effet qui peut être ressenti ou mesuré par un observateur.
18
Un noyau de condensation est une particule solide ou liquide de très petite taille, flottant au sein de
l'atmosphère, et sur laquelle peuvent s'accumuler des gouttelettes d'eau par changement de phase de la vapeur
d'eau environnante qui se transforme en eau liquide par condensation (passage de l’état gazeux à l’état liquide ou
solide).
63
IV Phénomènes engendrés à l’échelle de la rue
La rue et les bâtiments sont à l’origine de perturbations microclimatiques multiples qui se
répercutent par la suite à une échelle locale et même régionale. Perturbations des écoulements
de l’air, modification de l’évapotranspiration, apports anthropiques de chaleur, perturbations
radiatives et thermiques, tous ces éléments ou processus sont initiés à l’échelle de la rue ou du
bâtiment.
IV.1 Impacts sur les écoulements de l’air
Un bâtiment, et qui plus est un ensemble de bâtiments, constitue un obstacle à l’écoulement
des masses d’air. L’aspect aérodynamique a été très étudié par le centre de Nantes du
C.S.T.B. à l’aide de la soufflerie à couche limite turbulente ; Sacré (1983) explique que :
« l’écoulement de l’air au niveau du sol, dans un site urbain est le résultat d’interactions
complexes entre le vent et les bâtiments. La forme et la disposition de ceux-ci modifient
l’écoulement incident en générant des régions à pression statique différente, autour des
obstacles. Les gradients locaux de pression induisent alors des écoulements secondaires qui
se manifestent par des zones de survitesse ou l’existence de rotors et de tourbillons. »
Plusieurs effets du cadre bâti peuvent être distingués (effet de barre, effet de canalisation,
effet Venturi, etc.) dont une liste non exhaustive est présentée en annexe 6.
Plusieurs études ont mis en avant l’influence de la direction du vent sur la turbulence et la
perte de vitesse (Nakamura et Oke, 1988. Rotach, 1995).
Nakamura et Oke (1988) ont ainsi étudié la distribution spatiale des températures de l’air et de
surface au sein d’un canyon ainsi que les directions et vitesses du vent. Les résultats
concernant le premier point sont présentés dans le paragraphe sur les impacts thermiques. La
vitesse horizontale du vent a été mesurée au-dessus des toits et à l’intérieur du canyon (figure
10). Nakamura et Oke (1988) ont conclu de cette étude les aspects suivants :
•
Les directions à l’intérieur et au-dessus du canyon sont liées. Avec un flux au-dessus
du canyon perpendiculaire à l’axe du canyon, alors le flux près du sol du canyon est de
direction opposée. Quand le flux au-dessus du canyon est parallèle à l’axe du canyon,
alors la direction du vent au sein du canyon est identique. Pour les angles
intermédiaires, une première approximation selon Nakamura et Oke (1988) est de
considérer qu’une simple réflexion a lieu.
64
•
Les vitesses du vent à l’intérieur et au-dessus du canyon présentent une relation
linéaire. Une diminution d’un facteur d’environ 2/3 de la vitesse à l’intérieur du
canyon par rapport à la vitesse au-dessus semble être caractéristique des canyons ayant
des dimensions similaires à celui de l’étude de Nakamura et Oke (1988) (hauteur des
bâtiments d’environ 17m et largeur de la rue de 16,1m).
IV.2 Modification de l’évapotranspiration
La modification de l’évapotranspiration en milieu urbain est liée à la fois à une diminution de
la présence de végétaux par rapport aux milieux ruraux, et à une imperméabilisation du sol.
L’imperméabilisation du sol urbain, due à la minéralisation de l’espace et à l’évacuation
immédiate des eaux de pluies par les réseaux, diminue l’évaporation du fait d’une moindre
quantité d’eau à évaporer. Or toute évaporation implique une absorption de chaleur –
l’évaporation d’un litre d’eau exige environ 580 kilocalories19, c'est-à-dire environ 2 500
joules, c'est-à-dire autant que pour élever de 1°C la température de 580 litres d’eau (Cantat,
1993) – qui sera donc moindre en milieu très urbanisé qu’en milieu rural.
A cette imperméabilisation s’ajoute également la faible présence de végétation et donc une
diminution des phénomènes d’évapotranspiration dus aux végétaux.
Il a été estimé que pour une averse estivale fournissant 5 mm d’eau par m2, dans les 24 heures
suivantes, 4 mm s’évapore en milieu rural et seulement 0,5 mm en milieu urbain. La
différence de quantité de chaleur empruntée à l’environnement par m2 correspond à 21 105
calories (Dettwiller, 1978) (soit 88 105 joules), soit une forme d’apport supplémentaire
d’énergie en milieu urbain de 2,5 kWh.m-2 en 24h (un peu plus du double de l’énergie
thermique résultant en été des activités humaines) (Dettwiller, 1978).
Cette diminution des phénomènes d’évapotranspiration explique l’humidité relative20
inférieure en zone urbaine. Seuls les rejets de vapeur d’eau par les usines et la circulation
automobile freinent l’assèchement des milieux urbains (Cantat, 1987).
19
La définition générale de la calorie c’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température
de 1 gramme d’eau de 14,5°C à 15,5°C sous pression atmosphérique normale. Avec cette définition, une calorie
équivaut à 4,1855 Joules.
20
L'humidité relative de l'air (ou degré d'hygrométrie) correspond au rapport de la pression partielle de vapeur
d'eau contenue dans l'air, Pvap, sur la pression de vapeur saturante ou tension de vapeur à la même température
Psat.
65
Kondoh et Nishima (2000) ont également étudié les évolutions hydrologiques liées à
l’urbanisation croissante dans un quartier de la banlieue de Tokyo (Japon) et montré ainsi
qu’en 23 ans (entre 1972 et 1995), l’évapotranspiration avait diminué de 38%, pour un
passage de 22,1% d’espaces urbanisés (zones urbaines et résidentielles) à 37,1%.
IV.3 Apports anthropiques de chaleur
Les rejets de chaleur d’origine anthropique (chauffage, transport, activité industrielle, et
également métabolisme humain) sont beaucoup plus importants en milieu urbain du fait de la
concentration des activités et des habitations. Ces rejets peuvent, selon la saison et l’heure de
la journée, contribuer de façon conséquente au bilan énergétique que nous présentons dans le
chapitre suivant et affecter l’environnement thermique urbain de 2-3°C (Taha, 1997a).
Figure 3 : Cartographie européenne des rejets de chaleur d’origine anthropique (Chirkov,
2003).
L’impact potentiel du flux de chaleur anthropique sur le climat a été étudié par Crutzen
(2004). Il montre que l’ensemble de l’énergie rejetée au sein de l’atmosphère par l’homme
(0,025 W. m-2 en moyenne par sur la surface terrestre entière) reste faible comparé au 235 W.
m-2 reçu en moyenne du soleil par la Terre et son atmosphère. Seulement, les rejets de chaleur
anthropique sont concentrés sur une faible part de la surface terrestre et plus particulièrement
au sein des zones urbaines. L’impact potentiel de ces flux de chaleur anthropique sur le climat
local peut alors être important, avec des valeurs moyennes typiques de 20-70 W. m-2. A partir
de données sur les consommations énergétiques de l’Agence internationale de l’énergie, des
chiffres sur la population, et des données sur la lumière nocturne, Chirkov (2003) en a déduit
66
des cartographies des rejets de chaleur d’origine anthropique (figure 3). La cartographie
européenne des rejets de chaleur d’origine anthropique fait ressortir les espaces urbanisés tels
que la dorsale économique et démographique de l’Europe occidentale, la « banane bleue »,
qui va du sud de l’Angleterre au nord de l’Italie.
Pour Paris intra-muros, Dettwiller (1978) a estimé que l’énergie thermique moyenne dissipée
était de 7-8 W.m-2 en 1880 et de 60 W.m-2 en 1977 (40 à 45 W.m-2 pour un mois d’été, 80-85
W.m-2 pour un mois d’hiver). L’énergie thermique dissipée par jour était en été d’environ 1
kWh.m-2, soit à peu près 20% de l’énergie reçue du soleil à cette saison (G = 5,1 kWh.m-2) ;
en hiver d’environ 2 kWh. m-2, soit le double de l’énergie reçue du soleil à cette saison (G = 1
kWh.m-2). Ces chiffres, malgré leur ancienneté, permettent d’avoir un premier aperçu de
l’importance que peuvent avoir les rejets de chaleur d’origine anthropique.
Tableau 5 : Chaleur anthropique (QF) et rayonnement net toutes longueurs d’onde comprises
(Q*) dans plusieurs villes dans plusieurs villes du Monde (D’après Oke (1978)).
Zones
urbaines
Manhattan
(40°N)
Montréal
(45°N)
Budapest
(47°N)
Sheffield
(53°N)
Berlin ouest
(52°N)
Vancouver
(49°N)
Hong Kong
(22°N)
Singapore
(1°N)
Los Angeles
(34°N)
Fairbanks
(64°N)
date
période
Population
(*106)
1,7
Densité
(ha/km2)
28 810
Consommation
d’énergie (MJ * 103)
128
1967
1952
Année
Eté
Hiver
Année
Eté
Hiver
Année
Eté
Hiver
Année
1,1
14 102
221
1,3
11 500
118
0,5
10 420
1967
Année
2,3
1970
1971
Année
Eté
Hiver
Année
1972
1965
– 70
1965
– 70
1961
1970
Q*
(W/m2)
93
58
QF
(W/m2)
117
40
198
99
57
153
43
32
51
19
9 830
67
21
57
0,6
5 360
112
3,9
3 730
34
19
15
23
4
57
107
6
≈110
Année
2,1
3 700
25
3
≈110
Année
7,0
2 000
331
21
108
Année
0,03
800
740
19
18
52
92
13
46
100
-8
56
Par le biais des consommations énergétiques (électricité, gaz, charbon, bois, etc.) utilisées
pour le chauffage, l’industrie, les transports, la lumière, etc., Oke (1978) a estimé le flux de
chaleur anthropique généré au sein de plusieurs villes soumises à différents climats (tableau
5). Ce sont des valeurs moyennes annuelles ou saisonnières au sein des limites urbanisées des
67
villes. Ces valeurs ne prennent pas en compte les zones rurales et suburbaines des alentours.
Oke (1978) les met en relation avec le rayonnement net toutes longueurs d’onde comprises
(Q*) qui intervient dans les bilans radiatif et thermique (cf. chapitres suivants).
Pour Toulouse (France), Pigeon et al. (2007) ont estimé que la chaleur anthropique était
d’environ 70 W/m2 durant l’hiver et d’environ 15 W/m2 durant l’été.
Le flux de chaleur d’origine anthropique dépend, comme nous pouvons le constater, du climat
auquel est soumise la ville (Montréal, avec son climat nordique, possède un des plus forts
rejets de chaleur anthropique) mais également des densités du bâti et de population (ex :
Manhattan), de la population totale de la ville, du type d’énergie utilisée, du degré de
développement économique et de l’activité industrielle de la ville (Oke, 1978. Ringenbach,
2004). Le tableau 5 permet de faire ressortir une grande partie de ces facteurs et montre
également que dans certaines conditions climatiques (hiver), QF peut être largement supérieur
à Q*.
IV.4 Impacts radiatifs et thermiques
La géométrie 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 (figure 4).
Figure 4 : Le piège radiatif des rues (Griffiths, 1976).
En premier lieu, le rayonnement solaire, réfléchi par les différentes parois, ne parvient à
ressortir vers l’atmosphère que partiellement. Les surfaces se réchauffent ainsi sous l’action
des rayons. Ce piégeage influence également la valeur de l’albédo du couvert urbain, comme
nous le verrons au chapitre suivant, valeur qui est diminuée puisque l’albédo est défini comme
le rapport de l'énergie solaire incidente réfléchie par une surface sur cette même énergie
incidente. Ainsi, quand le rayonnement solaire arrive sur une surface opaque, une partie de
l’énergie est réfléchie (cette fraction correspond à l’albédo = α), et le reste est absorbé (1 - α).
68
Les surfaces avec un faible albédo deviennent alors plus chaudes que celles avec un fort
albédo. Cette définition s’applique aussi bien à des surfaces uniformes qu’à des milieux plus
hétérogènes et complexes comme les zones urbaines.
Le rayonnement infrarouge émis par les surfaces chauffées, et fonction de l’émissivité21 des
matériaux, reste également en partie piégé à l’intérieur du canyon réchauffant ainsi l’air
ambiant et les matériaux (lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie peut
être réfléchie, une autre transmise à travers le corps, et le reste est absorbé sous forme de
chaleur).
Ainsi, si les surfaces urbaines, du fait de l’ombre des bâtiments les uns sur les autres, sont
soumises à un rayonnement solaire direct la plupart du temps moindre qu’en milieu rural,
elles sont soumises à des rayonnements solaire réfléchi et infrarouge plus importants (figure
5).
Zone à
l’ombre
Rayonnement solaire
Rayonnement infrarouge
Figure 5 : Rayonnement solaire et rayonnement infrarouge en milieu urbain.
Plusieurs indicateurs peuvent être utilisés pour définir l’importance de ces perturbations
radiatives (Robinson, 2006). Le facteur de vue du ciel (ou sky view factor – SVF) (figures 6 et
7) est l’un d’eux et peut être calculé pour chaque surface. Il correspond à la portion de ciel
observable à partir de cette surface. Ce facteur est égal à 1 dans le cas d’une surface plane
sans obstacle et varie sinon entre 0 et 1. Le facteur de vue du ciel permet donc de caractériser
la morphologie urbaine et les conséquences radiatives et thermiques qui en découlent
(Robinson, 2006. Yamashita et al., 1986. Giridharan et al., 2007. Sacre, 1983).
21
L’émissivité d'une surface est le rapport de l'énergie qu'elle rayonne par celle qu'un corps noir rayonnerait à la
même température. C'est donc une mesure de la capacité d'un corps à absorber et à réémettre l'énergie rayonnée.
Dans le cas du corps noir, qui absorbe et réémet toute l'énergie, ε = 1. Et pour un corps quelconque, de
température uniforme, on aura ε < 1.
69
Ψciel = (1 - (Ψm1 + Ψm2)) = (1 – ( (1 – cosθ1)/2 + (1 – cosθ2)/2 ))
Figure 6 : Représentation du facteur de vue du ciel dans une rue canyon décrite par sa largeur
(W) et les hauteurs des bâtiments l’encadrant (H1 et H2) (Oke, 1988).
Wah Fu I
SVF = 0,24
Wah Fu II
SVF = 0,19
Taikoo IV
SVF = 0,11
Taikoo XI
SVF = 0,26
Repulse
Bay 101
SVF = 0,28
Repulse
Bay 109
SVF = 0,58
Ma Hang
Estate
SVF = 0,19
Heng On
Estate
SVF = 0,39
Heng Fa
Podium
SVF = 0,39
Heng Fa
Sea Front
SVF = 0,32
Tsui Ning
Garden
SVF = 0,43
Siu Lun
Court
SVF = 0,22
Butterfly
Estate
SVF = 0,34
Wu King
SVF = 0,30
Sunshine
City
SVF = 0,42
Newton
Plaza
SVF = 0,19
We Che
Estate
SVF = 0,21
Figure 7 : Facteurs de vue du ciel de différents sites à Hong Kong (Chine) (Giridharan et al.,
2007)
Les perturbations radiatives décrites précédemment s’accompagnent de perturbations
thermiques dues aux caractéristiques des matériaux urbains telles que l’albédo (figure 8),
l’émissivité, la capacité thermique22 et la conductivité thermique23.
De l’albédo dépend la part de rayonnement réfléchie par une surface et par conséquent le
rayonnement absorbé et le réchauffement subi par le matériau. Si l’albédo de certains
22
La capacité thermique (ou capacité calorifique) d’un matériau est la quantité de chaleur mise en réserve
lorsque sa température augmente de 1°C. Elle se calcule en faisant le produit de la masse par la chaleur
spécifique du matériau (quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l’unité de masse de 1°C). La
capacité thermique permet de quantifier la possibilité qu’a un corps d’absorber ou de restituer de l’énergie par
échange thermique au cours d’une transformation pendant laquelle sa température varie. Plus elle est grande,
plus la quantité de chaleur à apporter à un matériau pour élever sa température est grande.
23
La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du
transfert de chaleur par conduction. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par
une unité de temps sous un gradient de température.
70
matériaux est comparable à ceux observés en zone rurale, ce n’est pas le cas de tous. Le
goudron par exemple, largement présent en voirie, a un albédo très faible. Les matériaux
ayant un albédo et une émissivité élevés s’échauffent moins vite quand ils sont exposés au
soleil et réduisent ainsi le transfert de chaleur à l’air environnant (Prado et Ferreira, 2005).
Figure 8 : L’albédo de l’environnement urbain (http://www.espere.net).
De l’émissivité dépend le rayonnement infrarouge (soit la chaleur, l’énergie) émis par les
matériaux. En effet, l’énergie rayonnée par un matériau est essentiellement émise dans le
domaine infrarouge selon la loi de Wien et suit la loi de Stefan-Boltzmann :
E = εσT4
(Formule 8)
Avec : E : l’énergie émise par unité de surface, ε : l’émissivité, σ : la constante de StefanBoltzmann et T : la température en degrés Kelvin.
La plupart des matériaux de construction ont une émissivité d’environ 0,9, ce qui signifie
qu’ils rayonnent 90% du maximum théorique d’énergie radiante correspondant à une
température donnée. Des observations, à partir de thermographies des toits, ont permis de
montrer que la variation de l’émissivité d’un matériau (en l’occurrence ici de toit) avait un
effet minime sur la température de surface (Artis et Carnahan, 1982).
Le stock de chaleur contenu au sein des matériaux urbains et susceptible d’être rejeté au sein
de l’air environnant dépend pour sa part de la capacité et de la conductivité thermiques. La
conductivité thermique permet de quantifier l’aptitude d’un corps à conduire de la chaleur. En
71
hiver, à épaisseur « normale », si les murs et les toits ont des matériaux de conductivité élevée
alors la perte de chaleur des bâtiments sera importante.
La capacité thermique (ou capacité calorifique) d’un matériau est la quantité de chaleur mise
en réserve lorsque sa température augmente de 1°C. Elle se calcule en faisant le produit de la
masse par la chaleur spécifique du matériau (quantité de chaleur nécessaire pour élever la
température de l’unité de masse de 1°C). La capacité thermique permet de quantifier la
possibilité qu’a un corps d’absorber ou de restituer de l’énergie par échange thermique au
cours d’une transformation pendant laquelle sa température varie. Plus elle est grande, plus la
quantité de chaleur à apporter à un matériau pour élever sa température est grande.
D’une manière générale, la bonne conductivité des matériaux de construction et leur
importante capacité calorifique permettent de stocker durant la journée une grosse quantité de
chaleur, qui sera restituée à la basse atmosphère durant la nuit. Ce phénomène freine le
refroidissement nocturne comparativement à la campagne environnante où il y a peu de stock
de chaleur du fait d’une moindre présence de matériaux, de « masses » où stocker la chaleur.
Les différences entre les comportements thermiques des matériaux peuvent se percevoir en
partie par leur température de surface. Des cartographies peuvent être effectuées par exemple
par le biais d’une thermographie infrarouge.
En cas de rayonnement solaire faible, c'est-à-dire par temps nuageux, la végétation, si elle
permet un refroidissement de l’air par le biais de l’évapotranspiration, ne possède pas pour
autant une température plus faible que les matériaux qui l’entourent. Dans ces situations, la
thermographie infrarouge fait alors davantage ressortir le comportement thermique de la
construction et ses déperditions dus aux caractéristiques thermiques du bâtiment. Par temps
ensoleillé, ce sont les propriétés radiatives et notamment l’albédo qui prime sur la
thermographie.
Nakamura et Oke (1988) se sont intéressés aux conditions climatiques au sein d’un canyon. A
partir de mesures régulières des températures de l’air et de surface, et du vent au sein d’un
canyon (figures 9 et 10), ils ont étudié le développement temporel et spatial de la température
de l’air (et des différences de température) au sein du canyon. L’étude a été menée dans une
rue canyon de l’Université de Kyoto au Japon. Le canyon est orienté est-ouest. La vitesse
horizontale du vent a été mesurée à la fois au-dessus des toits et à l’intérieur du canyon
72
(figures 9 et 10). Les températures de l’air ont été mesurées en 63 points de la section du
canyon et les températures de surface en 6 points de cette même section (figure 10).
Figure 9 : Vue en plan du canyon (Nakamura et Oke, 1988).
L’orientation est-ouest et la localisation de Kyoto dans l’hémisphère nord, impliquent que
seul le mur au nord (c'est-à-dire orienté sud) et une partie du sol du canyon, de la voirie,
reçoivent une quantité significative de rayonnement solaire direct. Cela introduit une
asymétrie au sein du régime thermique du canyon.
Figure 10 : Elévation de la section du canyon avec les dimensions de ce dernier et la
localisation des instruments de mesures (Nakamura et Oke, 1988).
73
La latitude du site, la saison et la géométrie (H/W) de la section du canyon influencent
l’étendue des surfaces recevant du rayonnement solaire directe. Le ratio H/W contrôle
également la forme générale du flux au sein du canyon.
Pour les températures, plusieurs constats peuvent être faits :
•
En ce qui concerne les différences entre la température de l’air au-dessus des toits et à
l’intérieur du canyon, les mesures montrent une variation des différences durant la
journée : l’air au niveau du toit est légèrement plus froid le jour et plus chaud la nuit
que l’air au sein du canyon. Les différences sont plus importantes le jour du côté nord
du canyon car il est directement exposé au rayonnement solaire. Cependant les
différences de température de l’air entre l’intérieur du canyon et le dessus sont faibles
puisque toujours inférieures à 1°C et souvent inférieures à 0,5°C.
•
La différence entre la température de l’air et celle de la surface est pour sa part plus
importante et surtout pour le mur orienté sud, soumis au rayonnement solaire, pour
lequel la différence peut atteindre de jour 12°C et qui reste supérieur à 3°C la nuit.
Pour le mur orienté au nord qui reçoit uniquement du rayonnement solaire diffus, la
différence entre la température de surface et celle de l’air est faible et négative en
milieu de journée quand l’air est réchauffé entre autres par le transfert de chaleur du
mur au nord du canyon.
•
En ce qui concerne la distribution spatiale de la température de l’air à l’intérieur du
canyon, celle-ci est fortement influencée par le fait que le mur au nord et le sol sont les
principaux lieux d’absorption24 du rayonnement solaire. Leur rôle comme source de
chaleur sensible pour l’air du canyon continue également la nuit.
24
Dans le cadre de la physique, l’absorption est un « phénomène par lequel une partie de l'énergie de
rayonnements électromagnétique ou corpusculaires est dissipée dans un milieu matériel » (Petit Larousse
Illustré, 1991).
74
V
Phénomènes engendrés à l’échelle de la ville
Les différents éléments et processus explicités au chapitre précédent sont à l’origine de
perturbations à l’échelle de la ville et parfois même de sa région. Les phénomènes engendrés
à l’échelle de la ville peuvent être explicités par le biais des bilans radiatif, énergétique et
hydrique et par une analyse de la circulation atmosphérique au-dessus des milieux urbains, de
l’influence de la ville sur les précipitations et les averses orageuses, des variations journalières
et saisonnières de l’intensité des modifications climatiques. Avant d’expliciter ces différents
phénomènes, précisons que certaines prédispositions naturelles peuvent favoriser ou, à
l’inverse, défavoriser la formation du climat urbain et son intensité.
La localisation de la ville a un impact conséquent sur les modifications climatiques
susceptibles d’être observées localement (Bitan, 1992. Golany, 1996). Landsdberg (1981)
estime également que « l’extension et l’intensité de l’îlot de chaleur urbain est aussi
profondément influencé par la topographie » et Givony (1998) écrit que « la localisation
d’une ville au sein d’une région donnée peut avoir l’effet le plus permanent sur le climat
urbain et le confort des habitants ».
La ville s’intègre donc dans un environnement naturel, avec lequel elle entretient des relations
étroites. Cet environnement naturel est plus ou moins propice à la mise en place d’un climat
urbain ou de manière générale d’un climat local. Il peut être décrit à partir :
•
du climat régional (il dépend de la latitude, de la longitude et de l’altitude, c'est-à-dire
de la localisation géographique. Il est lié aux circulations océaniques et
atmosphériques) ;
•
de la morphologie du site, la topographie (Montagne, plaine, vallée, plateau…), qui
influence notamment les phénomènes aérauliques ;
•
des ressources naturelles à proximité, que sont l’eau (fleuves, rivières, océans…), la
végétation, et le sous-sol, les deux premiers constituant pour leur part des puits de
fraicheur plus ou moins influents.
Les rapports terre-mer sont un des facteurs géographiques influençant le temps (ou la météo)
et le climat (Pagney, 2000). Comme le signale Escourrou (1981), l’influence des océans et des
mers se manifeste sur une bande côtière d’une quarantaine de kilomètres par plusieurs
75
caractéristiques. Il est ainsi possible d’observer pour l’intérieur des terres par rapport à la zone
côtière : une diminution des minima de température, une augmentation des maxima en été,
une augmentation de l’amplitude thermique, une augmentation du nombre de jours de gel, une
diminution de l’insolation, une augmentation des précipitations et des orages, ou encore une
diminution de la vitesse du vent et un changement de direction. L’influence des lacs et des
plans d’eau sera moins important mais de nature identique.
La présence de brises, liées aux comportements thermiques différents de la mer et de la
surface terrestre, est également un phénomène important. Les masses océaniques, du fait de
l’évaporation et des mouvements marins, s’échauffent et se refroidissent très lentement. A
l’inverse, la surface terrestre sous l’action de la chaleur solaire s’échauffe beaucoup plus vite
que l’eau, et de nuit, la surface terrestre se refroidit plus rapidement. Ces deux situations
constituent le point de départ pour la formation, dans le premier cas, d’une brise de mer, et
dans le second, d’une brise de terre.
Figure 11 : La brise de terre et la brise de mer (Météo-France).
L’influence des brises de mer sur la ville de Marseille et sa couche limite atmosphérique a été
étudiée notamment par le biais de la campagne de mesures ESCOMPTE (Puygrenier et al.,
2005. Lemonsu et al., 2004).
76
Le relief agit également sur la formation des vents. Les vallées, notamment en montagne,
produisent leur propre système local de vent, et ce, entre autres, du fait des différences
thermiques entre les versants de la vallée (Oke, 1978). Le cas de Johannesburg (Afrique du
sud), située sur un haut plateau, au milieu des crêtes de montagne du Witwatersrand, a par
exemple été étudié (Goldreich, 1992). Le cas de Mexico (Mexique), ville située entre
différentes montagnes, est également connu pour ses problèmes de pollution atmosphérique
dus à un manque de dispersion des polluants en relation directe avec la stagnation des masses
d’air.
V.1
Modification du bilan radiatif de la ville
Le bilan radiatif d’une surface exprime la quantité de rayonnement absorbée par cette surface
et la quantité de rayonnement émise vers l’atmosphère. Il peut s’écrire de la façon suivante :
Q* = L↓– L↑ + (1 – α) K↓
Où
(W.m-2)
(formule 9)
α est l’albédo du sol,
L↑ le rayonnement de grande longueur d’onde émis par le milieu,
L↓ le rayonnement atmosphérique descendant,
K↓ le rayonnement solaire global reçu sur une surface horizontale,
Et Q* le rayonnement net.
Figure 12 : Bilan radiatif au-dessus d’une ville.
V.1.1 Rayonnement solaire incident (K↓)
Le rayonnement solaire (rayonnement visible et proche infrarouge) subit lors de son passage à
travers les couches atmosphériques une double atténuation due aux phénomènes d’absorption
77
et de diffusion25. Deux types de rayonnement peuvent ainsi être distingués au niveau de la
surface : le rayonnement solaire direct et le rayonnement rediffusé par la voute céleste, ou
rayonnement diffus.
Dans les conditions normales de températures et de pression (CNTP)26, la composition de
l’atmosphère ne change guère spatialement et le rayonnement solaire subit ainsi globalement
une altération identique (absorption et diffusion) d’un lieu à l’autre (Sacré, 1983).
La vapeur d’eau et les aérosols27 présents dans les basses couches de l’atmosphère ont pour
leur part une grande variabilité spatiale et temporelle (Sacré, 1983). La vapeur d’eau agit
principalement sur l’absorption du rayonnement solaire. Les aérosols ont un rôle à la fois dans
l’absorption et la diffusion du rayonnement solaire.
Le rayonnement solaire subit au passage des nuages une absorption relativement faible dans
l’infrarouge et une très forte diffusion de toutes les longueurs d’onde (Sacré, 1983).
Le rayonnement solaire incident est en général plus faible de 3 à 10% en milieu urbain par
rapport aux espaces ruraux environnants (Ringenbach, 2004). La cause principale de cette
différence s’explique par la pollution atmosphérique, présente de façon plus importante en
milieu urbain, c'est-à-dire par une présence accrue de particules, d’aérosols, qui absorbent et
diffusent le rayonnement solaire, et de noyaux de condensation, ces derniers favorisant la
création de nuages (Sacré, 1983. Ringenbach, 2004).
Si on ne tient compte que du rayonnement direct, Ringenbach (2004) rapportent les
observations de Stanhill et Kalma (1995) à Hong Kong (Chine) et montrent que dans certains
cas extrêmes l’atténuation du rayonnement peut atteindre plus de 30% par rapport à la
campagne. Le rayonnement diffus va pour sa part augmenter sans pour autant réussir à
équilibrer le déficit de rayonnement solaire direct (Cantat, 1987).
Peterson et Flowers (1977) ont réalisé des mesures de rayonnement à Saint-Louis et Los
Angeles (Etats-Unis). A Saint-Louis, les mesures effectuées durant l’été 1972 par ciel clair
donnent une diminution moyenne du rayonnement solaire global de 2-3% et une diminution
25
La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière ou le rayonnement solaire, est
dévié dans de multiples directions par une interaction avec d'autres objets. La diffusion peut avoir lieu à la
rencontre d'une interface entre deux milieux (dioptre), ou à la traversée d'un milieu (cas de la décomposition de
la lumière par un prisme ou effet de l'arc-en-ciel).
26
L'expression « Conditions normales de température et de pression » (CNTP) spécifie une température de 0°C
(273,15 K) et une pression de 1 atm (définie comme étant 101,325 kPa, ou 1,013 25 bar).
27
Un aérosol est une particule, solide ou liquide, en suspension dans un milieu gazeux.
78
moyenne du rayonnement UV de 7-8%. A Los-Angeles, ville ayant des concentrations
atmosphériques importantes de polluants, les mesures réalisées en septembre et octobre 1973
par ciel clair montrent une diminution moyenne du rayonnement solaire global de 11% et une
diminution moyenne du rayonnement UV de 29%.
V.1.2 Rayonnement solaire réfléchi (αK↓)
Le rayonnement solaire réfléchi (αK↓) est donné par l’albédo de la zone urbaine (α), albédo
qui dépend, dans le cas d’un milieu urbain, à la fois de la géométrie du cadre bâti (les rues
piègent le rayonnement solaire) et des matériaux de construction comme nous l’avons vu dans
le chapitre précédent.
Les matériaux urbains présentent des albédos variés mais en moyenne plus faibles que ceux
observés pour des surfaces naturelles. La morphologie urbaine, c’est-à-dire l’arrangement
géométrique des composants urbains, et le piégeage du rayonnement qu’elle entraine participe
également à une diminution de l’albédo des zones urbaines. Oke (1978) estime que l’albédo
moyen des villes est de 0,15, ce qui est souvent plus faible que celui des zones rurales (0,2
pour la végétation ; 0,11 à 0,15 pour la forêt ; 0,25 à 0,3 pour des sols nus (Najjar et al.,
2005)). Comme le signale Taha (1997a), les albédos des milieux urbains sont généralement
compris entre 0,10 et 0,20, mais dans certaines villes ces valeurs peuvent être bien plus
importantes. Les villes nord africaines en sont un bon exemple avec des albédos compris entre
0,30 et 0,45 alors que la plupart des villes américaines et européennes ont un albédo compris
entre 0,15 et 0,20. Les campagnes de mesures récentes effectuées en Europe montrent
également que l’albédo des surfaces urbaines européennes est remarquablement faible.
Christen et al. (2003) estiment que l’albédo de Bâle (Suisse) est aux alentours de 0,10.
Roberts et al. (2004) estiment que celui du centre de Marseille est de 0,08. Il a été trouvé que
plus les bâtiments sont hauts et denses, plus l’albédo est faible (Piringer et Joffre, 2005). Des
matériaux foncés et l’ombre dans les rues étroites diminue significativement l’albédo et
suggèrent que les villes denses européennes sont de meilleurs absorbeurs que la plupart des
surfaces des villes nord-américaines (Piringer et Joffre, 2005). Les chiffres de Sailor et Fan
(2002) le confirment en estimant que l’albédo des villes nord américaines est compris entre
0,15 et 0,20.
Le tableau 6 regroupe plusieurs valeurs d’albédo urbain sélectionnées par Taha (1997a). Le
cas de Lagos est intéressant car la ville est construite sur un maillage compliqué de cours
79
d’eau et de lagons qui implique une diminution de l’albédo (l’albédo de l’eau est plus faible
que celui des bâtiments de couleur claire).
Tableau 6 : Albédos de différentes zones urbaines (Taha, 1997a).
Zone urbaine
Los Angeles (centre urbain)
Madison, WI (urbain)
Saint-Louis, MI (urbain)
Saint-Louis, MI (centre)
Hartford, CT (urbain)
Adelaide, AUS (commercial)
Hamilton, Ontario
Munich, Allemagne
Vancouver, BC
Tokyo
Ibadan, Nigeria
Lagos, Nigeria
Albédo
0.20
0.15-0.18
0.12-0.14
0.16-0.19
0.09-0.14
0.27 (moyenne)
0.12-0.13
0.16 (moyenne)
0.13-0.15
0.10 (moyenne)
0.12 (moyenne)
0.45
Il est à noter que l’albédo d’un milieu urbain présente une variation journalière non
négligeable (Chimklai et al., 2004) due à la position du soleil et donc à l’angle d’incidence du
rayonnement solaire. Les effets d’ombres (figure 12), la part de surfaces soumises au
rayonnement ayant des propriétés différentes, l’importance du « piégeage » du rayonnement,
etc., sont des critères qui entrent dans le calcul de l’albédo de la ville et dont la valeur est
modifiée selon la position du soleil.
V.1.3 Rayonnement thermique atmosphérique descendant de grande longueur
d’onde (L↓)
Les éléments présents dans l’atmosphère (air, vapeur d’eau, gaz carbonique, nuage,
aérosols…) émettent un rayonnement thermique de grande longueur d’onde (rayonnement
infrarouge). La surface du sol reçoit ainsi une certaine quantité de rayonnement descendant du
domaine infrarouge L↓.
Ce rayonnement augmente en présence de nuages ou encore d’aérosols et présente par temps
clair une variation diurne. Le maximum du rayonnement thermique de grande longueur
d’onde est atteint vers midi et le minimum en fin de nuit (Sacré, 1983).
Estournel et al. (1983) ont effectué en mai et juin 1979 des mesures sur un site urbain de
Toulouse, qui est alors une ville moyenne de 400 000 habitants, et un site rural extérieur à la
ville. Ces mesures montrent un excès de rayonnement infrarouge descendant au sein de la
80
ville à la fois durant la nuit et le jour (excès d’environ 15 W.m-2 (soit environ 5%) à la fin de
la nuit et d’environ 25W.m-2 (soit environ 7%) dans l’après-midi). Cela s’accompagne d’une
diminution de 3,5% (30 W.m-2) du rayonnement solaire direct sur le site urbain.
Rouse et al. (1973) ont comparé des mesures effectuées sur un site fortement pollué et un site
relativement préservé à l’intérieur et autour de la ville d’Hamilton (Ontario, Canada) qui est à
l’époque de l’étude une ville industrielle de 300 000 habitants. Ces mesures ont été effectuées
durant trois ans (mai/juin 1970, décembre 1971/avril 1972). L’augmentation du rayonnement
descendant entre la zone urbaine et l’espace rural est de 22,5% en moyenne journalière. Cette
forte augmentation compense, d’un point de vue énergétique, les 12% de perte de
rayonnement solaire global.
V.1.4 Rayonnement thermique ascendant (L↑)
Le rayonnement thermique émis par le milieu L↑ (domaine infrarouge) dépend de la
température de surface et de l’émissivité des matériaux constituant le sol (loi de StefanBoltzmann – formule 8). En milieu urbain, les matériaux ont de manière générale des
températures de surface plus élevées que les matériaux plus naturels voisins, ainsi le
rayonnement thermique ascendant est plus important en zone urbaine et ce particulièrement
en milieu de journée, heure à laquelle les matériaux ont eu le temps de se réchauffer. C’est
également le cas la nuit, les surfaces urbaines se refroidissant moins vite pour les surfaces
naturelles (Ringenbach, 2004). Nunez et Oke (1977) ont également noté que le
refroidissement nocturne est moins marqué dans la rue que sur les toits en raison du piégeage
du rayonnement infrarouge par les bâtiments de part et d’autre de la rue.
L’étude de Dousset et al. (2007) sur la canicule de 2003 dans le bassin parisien montre
différentes thermographies du bassin parisien à différentes heures de la journée. Ces
thermographies infrarouges, issues des images satellites de NOAA-AVHRR28, sont
directement liées au rayonnement thermique ascendant et mettent en avant les différences
entre les milieux très urbanisés du bassin parisien et ceux qui le sont moins (figures 13 et 14).
28
Le AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) est un radiomètre imageur conçu par le NOAA
(National Oceanic and Atmospheric Administration), une agence américaine responsable de l’étude de l’océan et
de l’atmosphère.
81
L’échelle de couleur est en degrés Celsius. Les étoiles correspondent : au nord à un site
industriel, à l’ouest au bois de Boulogne, et le dernier au centre de Paris.
Figure 13 : Température moyenne de surface à partir d’images infrarouge lors de la canicule
de 2003 (du 4 au 13 août) pour deux intervalles de temps (en journée de 12h à 15h et de nuit
de 20h à 23h) (Dousset et al., 2007).
Les symboles représentent : * un site industriel, + le bois de Boulogne, et 0 le centre de Paris.
Figure 14 : Classification de la nature de la surface de Paris à partir d’une image satellite
(SPOT-4 HRV) le 13 juillet 2003. (Dousset et al., 2007).
La NASA (National Aeronautics and Space Administration) s’est également intéressée à la
signature thermique des villes comme avec cette image (figure 15) où il est possible de
82
distinguer cinq grandes villes du nord-est des Etats-Unis : Boston, New York, Philadelphia,
Baltimore, et Washington.
Figure 15 : Rayonnement thermique (W.m-2) produit par le LIS (Land Information System)
pour le 11 juin 2001 au niveau du nord-est des Etats-Unis (NASA/Goddard Space Flight
Center).
V.1.5 Rayonnement net (Q*)
Le rayonnement net correspond au rayonnement de courtes et grandes longueurs d’onde
« capturé » (terme positif) ou « perdu » (terme négatif) par la surface étudiée. Il est le
« résultat » du bilan radiatif.
Tous les termes du bilan radiatif sont affectés par le milieu urbain, que ce soit dû à sa
géométrie, aux matériaux ou encore à la pollution atmosphérique qui y règne.
Cependant, pour Piringer et Joffre (2005), le bilan radiatif ne diffère pas de façon significative
entre les zones urbaines et rurales, la perte nette en rayonnement de grandes longueurs d’onde
étant en partie compensée par le gain net en rayonnement de courtes longueurs d’onde due un
albédo plus faible.
Pour Oke (1982, 1988) également, l’étude de cette équation permet de conclure que le bilan
radiatif n’est pas extrêmement différent entre la ville et la campagne avec un déficit sans
doute inférieur à 5% en zone urbaine par rapport à celui de la campagne environnante.
Oke (1978) estime que, pour des villes de moyenne latitude, le gain moyen en rayonnement
de courtes longueurs d’onde est légèrement plus faible pour les villes. En effet si l’albédo est
inférieur en ville le fait que le rayonnement solaire incident soit plus faible l’emporte
entraînant un déficit au niveau du terme (1 – α) K↓. De plus le rayonnement solaire absorbé
83
en partie par les polluants de l’atmosphère provoque une augmentation de la température
augmentant le rayonnement atmosphérique descendant L↓.
Pour ce qui est du rayonnement infrarouge, le bilan L↓– L↑ est, selon Oke (1978) et
Ringenbach (2004), également plus faible en milieu urbain que dans les zones voisines.
L’augmentation du rayonnement infrarouge descendant (L↓) du fait de la pollution ne permet
pas de compenser l’augmentation du rayonnement infrarouge ascendant (L↑).
V.2
Modification du bilan d’énergie thermique de la ville
Le bilan d’énergie thermique d’une surface exprime les quantités d’énergies échangées au
sein de cette surface. Il peut s’écrire de la façon suivante :
Q* + QF = QH + QE + ∆QS (+ ∆QA)
Où
(W.m-2)
(Formule 10)
Q* est le rayonnement net,
QF le flux de chaleur artificiel (d’origine anthropique) produit par les processus de
combustion, de métabolisme et de rejets thermiques (industries, transports, habitats, etc.),
QH le flux turbulent de chaleur sensible,
QE le flux turbulent de chaleur latente,
∆QS la variation de la quantité de chaleur stockée par la zone urbaine (ou, par
raccourci, flux de chaleur stockée),
∆QA le flux de chaleur advectif (transport horizontal).
Par raccourci, ce bilan d’énergie thermique est également appelé bilan d’énergie, bilan
énergétique ou bilan thermique.
« L’urbanisation modifie le bilan énergétique normal, c'est-à-dire que la quantité d’énergie
solaire absorbée par le substratum29 et son utilisation est différente » (Escourrou, 1991).
L’apport d’énergie provient initialement du soleil (K↓) et l’atmosphère (L↓) et des rejets de
chaleur dus aux processus anthropiques de combustion, de métabolisme et de rejets
thermiques (QF). Ces trois termes sont à l’origine de processus radiatifs, comme nous l’avons
vu précédemment, et de flux de chaleurs sensible et latente. Ces transferts de chaleur se font
29
Le substratum représente la surface terrestre : sols, végétation, surface en eau, etc.
84
de trois façons : par conduction30 au sein des matériaux, par convection31 et par rayonnement
(de grandes longueurs d’onde).
Figure 16 : Schéma descriptif du bilan énergétique pour une zone urbaine (Duchêne-Marullaz,
1980).
V.2.1 Flux de chaleur d’origine anthropique (QF)
La chaleur anthropique représente la chaleur générée par les sources mobiles et stationnaires
d’une zone. Cette chaleur est par la suite convertie en rayonnements, en flux turbulent de
chaleur (flux de chaleur latente et sensible) ou encore en flux de chaleur stockée (Rizwan et
al., 2008). Comme nous l’avons signalé au chapitre précédent, la production d’énergie
anthropique est étroitement liée à la taille et à la densité de la ville, à ses fonctions et à son
industrialisation, ainsi qu’à la zone climatique et aux besoins de chauffage ou de
climatisation.
Comme on a pu le constater lors de la première partie, l’îlot de chaleur urbain est présent de
façon plus nette en été qu’en hiver, on peut donc en déduire que les rejets thermiques
d’origine anthropique, plus importants en hiver (chauffage…), ne sont pas le principal facteur
du climat urbain. On notera également qu’en hiver cette énergie anthropique peut être plus
importante que l’apport solaire alors qu’en été elle en est bien inférieure.
30
La conduction est le processus de transfert de chaleur à l'intérieur d'un matériau solide allant des molécules les
plus chaudes vers les molécules les plus froides.
31
La convection est un transfert de chaleur par le biais d'un fluide (comme l'air). L'échange de chaleur convectif
arrive dans diverses situations, quand la chaleur est transférée de la surface d'un solide à l'air adjacent, et vis et
versa, ou quand la chaleur est transféré entre deux surfaces de températures différentes par le moyen d'un flux
d'air. La convection peut être causée, par exemple, par des différences de température et/ou forcée le mouvement
de l'air par le vent.
85
V.2.2 Variation de la quantité de chaleur stockée (∆QS)
Les phénomènes radiatifs et thermiques, présentés au chapitre précédent, conduisent à une
accumulation de la chaleur au sein des matériaux et du sol. Cette énergie est restituée à
l’atmosphère principalement durant la nuit et constitue durant cette période une des
principales sources d’énergie (Ringenbach, 2004). La campagne, du fait, entre autres32, d’un
stock d’énergie moindre, se refroidit beaucoup plus rapidement.
Il n’existe à l’heure actuelle pas de méthode permettant de mesurer directement ∆QS au sein
de l’environnement urbain (Roberts et al., 2003). Cette valeur est souvent déduite par le biais
de méthode alternative comme la déduction par rapport aux autres termes du bilan d’énergie.
V.2.3 Flux de chaleur sensible (QH)
Le flux de chaleur sensible est une des causes majeures de la présence d’un îlot de chaleur
urbain. Il est alimenté à la fois par les rejets de chaleur d’origine anthropique et par la chaleur
stockée au sein du sol et des bâtiments (∆QS). Ces derniers permettent à QH de rester positif,
même pendant la nuit. Comme le signale Ringenbach (2004), « le refroidissement radiatif
plus rapide que la baisse de la température de l’air met en évidence le rôle du flux de chaleur
sensible dans le réchauffement de l’atmosphère ».
Le flux de chaleur sensible (QH) et la chaleur stockée (∆QS) constituent en journée 90% des
flux échangés au sein d’un site fortement urbanisé (Roberts et al., 2004).
V.2.4 Flux de chaleur latente (QE)
La réduction des phénomènes évapotranspiratoires en milieu urbain, présentée au chapitre
précédent, a pour conséquence un flux de chaleur latente la plupart du temps inférieur par
rapport à celui présent dans les milieux ruraux voisins. Dans certaines situations, par exemple
en cas de gel, on assiste à une inversion de ce phénomène du fait de la grande diminution des
phénomènes évapotranspiratoire en milieu rural.
L’imperméabilisation du milieu urbain et la diminution de la présence de végétaux modifient
considérablement les flux de chaleur sensible et latente et des ordres de grandeur peuvent être
avancés (figure 17).
32
Le piégeage des radiations favorise également un moindre refroidissement en milieu urbain.
86
Figure 17 : Les flux de chaleur en milieux urbain et rural (D’après Cantat (1993)).
V.2.5 Flux de chaleur advectif (QA)
Le flux de chaleur advectif est dû au gradient spatial de température, d’humidité et de vent
(Rizwan et al., 2008). ∆QA est considéré comme négligeable pour les sites ayant une forme
horizontale étendu et relativement homogène (Roberts et al., 2003) et est ainsi souvent
négligé dans les études sur les milieux urbains (Pigeon et al., 2007. Oke et al., 1992).
V.2.6 Synthèse
Le bilan énergétique de la ville est, avec le bilan hydrique (cf. paragraphe suivant), un des
points essentiels pour comprendre la formation du climat urbain et les échanges énergétiques
à l’origine de celui-ci.
Plusieurs études ont permis de préciser l’importance des différents termes du bilan
énergétique (Q*, QH, ∆QS, QE, QF) dans différentes situations géographiques et climatiques33.
L’étude concernant Marseille (Roberts et al., 2003 ; Roberts et al., 2004) s’est appuyée sur
une campagne de mesures. Ainsi, Q*, QH et QE ont été mesurés directement, QF est supposé
implicitement inclus dans les termes mesurés (il se répartit plus particulièrement entre QH et
QE), et ∆QA est considéré comme négligeable. L’équation du bilan énergétique devient alors :
Q* = QH + QE + ∆QS, et ∆QS (QS dans la figure 18) est calculé à partir des trois autres termes.
Le climat chaud et sec, ainsi que le manque de végétation de Marseille se reflètent bien sur la
courbe représentant QE, proche du 0 W.m-2 durant la nuit. Durant la journée, le flux de chaleur
latente augmente graduellement et atteint un maximum d’une valeur d’environ 1/6 du
33
Pour la ville de Mexico (Mexique) : Oke et al. (1992) et Oke et al. (1999). Pour Bonn (Allemagne) :
Kerschgens et Kraus (1990). Pour Marseille : Roberts et al. (2003) et Roberts et al. (2004).
87
maximum de rayonnement net (Q*). Concernant QH, selon Roberts et al. (2003), « la valeur
de QH durant la journée est importante et compte pour plus de 75% de Q* en entrée durant la
journée ». Il est également possible de noter que QH n’est jamais négatif durant la nuit,
suggérant que le rejet nocturne de chaleur provenant du stockage est suffisant pour entretenir
un flux positif. Le décalage prononcé entre QH et Q* met également en évidence le moment
où débute le rejet de l’énergie stockée durant les heures de la matinée. Le retard entre les pics
respectifs de QH et ∆QS (ici d’environ deux heures) indique également une asymétrie
journalière dans l’utilisation de l’énergie (conduction au sein des murs, des rues et des toits
durant la matinée et convection au sein de l’atmosphère durant l’après-midi) (Roberts et al.,
2003).
Figure 18 : Cycle journalier moyen des flux mesurés du bilan énergétique de surface de
Marseille pour les jours 183 à 192 de l’année 2001 (début juillet) (Roberts et al., 2003).
L’étude du bilan énergétique en milieux urbain et rural permet ainsi d’expliquer en grande
partie les différences climatiques entre les deux milieux (figure 19).
Pour étudier le bilan énergétique, il est également possible d’effectuer quelques ratios entre
ses différents termes (Grimmond et Oke, 1999b). Par exemple, les valeurs du rapport, dit de
Bowen, β = QH/QE sont en milieu urbain supérieures à un, indiquant ainsi que plus d’énergie
est consacré au réchauffement de l’air qu’à l’évaporation de l’eau. Dans le cadre de l’étude de
Grimmond et Oke (1999b), la valeur du ratio de Bowen, calculé sur les moyennes de la
journée (Q* > 0 W.m-2), est comprise entre 1,37 et 2,87 pour les milieux suburbains. La
situation urbaine atteint une valeur de 9,85.
88
Si l’on considère un espace beaucoup plus petit comme une rue par exemple, ce rapport peut
prendre des valeurs élevées. Pour une rue de Vancouver Oke et Nunez (1977) ont ainsi trouvé
une valeur de β d’environ 6,4 à midi et une valeur du ratio QH/Q* d’environ 0,64.
QH peut varier de façon importante dans la journée et le rapport QH/Q* est bien souvent plus
élevé en fin de journée.
Figure 19 : Schématisation des différents flux d’énergie et de rayonnement au-dessus d’une
zone urbaine et rural pour une journée avec un ciel dégagé (Gill (2004), d’après Bridgman et
al. (1995)). La largeur des flèches permet d’approcher l’importance des flux.
V.3
Modification du bilan hydrique de la ville
Le bilan hydrique d’un lieu permet, sur une période donnée, de comptabiliser les apports et
pertes en eau, ainsi que les réserves pouvant exister. La formulation la plus générale s’écrit :
P = Q + ETR + ∆Ru+ ∆Rh
(Formule 11)
Où P est l’ensemble des précipitations, Q est ce qui ruisselle, ETR est l’évapotranspiration et
Ru et Rh sont respectivement les réserves en eau du sol et du sous-sol.
OKE (1978) a adapté cette formule à l’espace urbain :
89
P + F + I = E + ∆r + ∆S +∆A
Apport en eau
Où
(Formule 12)
Pertes en eau
P est la quantité de précipitation,
F la quantité de vapeur d’eau provenant des processus de combustion,
I la quantité d’eau apportée artificiellement par les canalisations,
E la quantité de vapeur d’eau échangée dans les processus d’évaporation,
d’évapotranspiration et de condensation,
∆r la quantité d’eau perdue par ruissellement et évacuation,
∆S la quantité d’eau emmagasinée par la ville, et
∆A le bilan net de la vapeur d’eau transportée par advection34.
Figure 20 : Schéma descriptif du bilan hydrique pour une zone urbaine, d’après Oke
(Duchêne-Marullaz, 1980)
F (quantité de vapeur d’eau provenant des processus de combustion) et I (quantité d’eau
apportée artificiellement par les canalisations) sont ainsi deux termes qui n’existent pas en
milieu rural (si l’irrigation n’est pas prise en compte). Tout comme le flux de chaleur
34
En météorologie, l'advection constitue le déplacement dans le sens horizontal d'une masse d'air. En
météorologie et en océanographie, l'advection se réfère surtout au transport horizontal de certaines propriétés par
les fluides considérés donc le transport par le vent ou les courants : advection de vapeur d'eau, de chaleur, de
salinité, etc.
90
anthropique QF, la quantité de vapeur d’eau F qui provient en grande majorité des processus
de combustion des énergies fossiles (gaz, essence, fuel, charbon, etc.) ou encore des rejets
industriels, varie beaucoup d’une ville à l’autre. Le climat, la saison, le degré de
développement économique, la taille et la structure de la zone urbaine sont des facteurs qui
influent sur cette quantité (Duchêne-Marullaz, 1980).
Duchêne-Marullaz (1980) compare également les bilans hydriques urbain et rural en
supposant que ∆A, le bilan net de la vapeur d’eau transportée par advection, est identique
dans les deux cas. Les apports en eau sont pour Duchêne-Marullaz (1980) plus importants en
raison des termes supplémentaires F et I. Il estime également que l’évapotranspiration E et le
stockage ∆S sont inférieurs en zone urbaine en raison principalement de la nature des
matériaux urbains. La quantité d’eau perdue ∆r est ainsi plus importante qu’en zone rurale.
Cette analyse ne met cependant pas en valeur les modifications pluviométriques que peut
engendrer la présence d’une ville (cf. annexe 3) et dont nous tenterons d’expliquer les raisons
dans un des chapitres suivants.
Ce bilan permet également d’expliquer certains cas d’îlots d’humidité qu’il est parfois
possible d’observer dans les milieux urbains. Comme le signale Sacré (1983), « l’air des
villes est souvent plus sec le jour et un peu plus humide la nuit : ce phénomène apparaît le
plus nettement en été, par beau temps ». En effet l’évaporation comme l’évapotranspiration
dépendent de facteurs météorologiques comme le vent, le rayonnement solaire, la température
de l’air ou encore l’humidité de l’air. De nuit, à condition de vent équivalente l’évaporation et
l’évapotranspiration sont ainsi moins importantes qu’en journée, avec un temps ensoleillé.
L’îlot d’humidité décrit par Sacré (1983) peut ainsi s’expliquer en partie par une baisse de
l’humidité en zone rurale, due à la diminution de l’évapotranspiration, alors qu’en zone
urbaine les rejets de vapeur d’eau continuent (processus de combustion notamment).
V.4
Mouvements des masses d’air et rugosité du milieu urbain
La multiplication des constructions au sein d’une zone urbaine accroît la rugosité et entraine
la diminution de la vitesse du vent et une augmentation de la turbulence35 (Sacré, 1983.
35
« Le vent est un écoulement turbulent d’air, constitué d’une multitude de tourbillons de tailles diverses,
imbriqués les uns dans les autres, les petits étant transportés par les plus gros, eux-mêmes transportés par le
mouvement d’ensemble. La vitesse du vent, en un point donné de l’espace, présente donc de fortes variations
plus ou moins irrégulières d’amplitudes et de fréquences différentes. […] La vitesse instantanée du vent reflète
la nature turbulente du vent. Elle se décompose en une partie moyenne et une partie fluctuante (ou turbulente),
aléatoire. […] Ces fluctuations sont décrites statistiquement (écarts types, densités spectrales). » Site de
Grégory Turbelin, maître de conférence (http://gmfe16.cemif.univ-evry.fr:8080/~greg/).
91
Escourrou, 1981). Ainsi, pour une même hauteur d’environ 20m au-dessus du sol, on observe
une vitesse moyenne d’environ 20 à 30% moins importante en ville. En revanche, la
turbulence est accrue de l’ordre de 50 à 100% (Sacre, 1983).
La circulation atmosphérique au-dessus d’une ville est intimement liée à la rugosité du milieu
urbain et influence la dispersion des polluants.
L’écoulement, au voisinage du sol, est fortement perturbé par la forme, la disposition, la
nature et la hauteur des obstacles placés au sol (cf. chapitre précédent), ce qui génère des
turbulences mécaniques (convection forcée) et des turbulences thermiques (convection libre)
liées au transfert de chaleur entre l’air et la surface (Leroyer, 2006). Des mouvements
turbulents et inhomogènes se créent au sein de ce que l’on nomme la sous-couche rugueuse et
dont l’épaisseur est caractérisée par la « longueur de rugosité » z0, appelée également rugosité
par abus de langage. Cette longueur dépend du type de surface et varie de 5.10-3 m pour la
mer à plus de 1m pour les milieux très rugueux comme une forêt ou une zone urbaine
(Leroyer, 2006). La hauteur moyenne des constructions, qui font obstacle à l’écoulement,
permet pour sa part de définir une sous-couche atmosphérique d’écoulement fortement
perturbé : la canopée urbaine (cf. chapitre III).
L’écoulement des masses d’air au sein de la couche limite atmosphérique (CLA) (qui
correspond à la portion d’atmosphère au voisinage de la surface dans laquelle la présence de
cette dernière affecte directement les paramètres météorologiques (Leroyer, 2006) est plus ou
moins freiné selon la turbulence générée par une surface plus ou moins rugueuse. La vitesse
du vent au sein de cette couche varie avec la hauteur et suit, au-dessus de la hauteur z0, une loi
logarithmique (Sacré, 1983. Leroyer, 2006) (figures 21 et 22).
L’intensité de la turbulence est également fonction de la hauteur mais aussi de la rugosité de
la surface. Elle peut se définir selon le rapport I = σv/V, où V est la vitesse du vent et σv
l’écart-type de fluctuation de vitesse. (Sacré, 1983)
Pour z0 ≤ 0.2 m
I = 1/ log(z/z0)
Pour z0 ≥ 0.2 m
I = (-0.14log(z0) + 0.78)/log(z/z0)
92
h représente la hauteur de la couche limite atmosphérique, et z0 la longueur de rugosité.
Figure 21 : Représentation schématique des basses couches troposphériques et profil de la
vitesse du vent selon les différentes couches troposphériques (Leroyer, 2006).
Figure 22 : Profil de la vitesse du vent pour différentes surfaces (Chatelet et al., 1998).
Comme le signale Leroyer (2006), l’épaisseur de la CLA est très variable et dépend du type
de surface, de l’heure, de la saison, avec un ordre de grandeur de 500 à 1500m. La stabilité de
la CLA et les turbulences qui y sont générées dépendent également de la météorologie, du
temps qu’il fait (cf. chapitre suivant).
93
V.5
Précipitations et les averses orageuses
Avant d’aborder la possible influence de la ville sur les précipitations et les averses orageuses,
une explication sur la formation des nuages et par la suite des précipitations est nécessaire36.
La formation d’un nuage est due à la condensation (ou parfois condensation solide) de la
vapeur d’eau, à partir de noyaux de condensation (poussières ou grains de sel) sur laquelle la
vapeur d’eau se dépose. Ce milieu condensé inclut ainsi de minuscules particules d'eau liquide
ou de glace, ou des deux à la fois avec des dimensions pouvant aller de 1 à 100 µm environ.
Ces particules sont maintenues en suspension grâce aux courants ascendants de l’air. Deux
mécanismes permettent d’expliquer cette ascendance : 1) La convergence, processus
dynamique lié à la confluence de flux d’air, au « rattrapage » d’un flux freiné par celui qui le
suit, ou encore à l’entrainement de l’air dans une circulation cyclonique autour d’une
dépression37 (et qui « s’oppose » à la divergence ou éloignement des masses d’air) (figure
23) ; 2) La convection, processus thermodynamique qui met en mouvement un fluide, avec
transport de chaleur, sous l’influence de différences de températures.
Figure 23 : Relations entre mouvements horizontaux et verticaux avec convergence des
masses d’air (Vigneau, 2005).
Selon Vigneau (2005), « la forme des nuages dépend de la vigueur du flux horizontal ;
l’altitude de leur base dépend du niveau de condensation ; leur épaisseur dépend de
l’ampleur de l’ascendance ainsi que de la stabilité/instabilité de l’air soulevé ».
Pour Landsberg (1981), cette formation des nuages en milieu urbain est influencée à la fois
par l’augmentation de la convection et par la production conséquente de noyaux de
condensation. Le premier effet se perçoit plus sur la formation estivale des nuages, alors que
le second agira principalement pendant les hivers humides.
36
Les informations sont issues principalement des sites web de Météo-France, de Wikipédia et de meteo.org, et
de l’ouvrage sur la climatologie de Vigneau (2005).
37
En météorologie, la dépression est une masse atmosphérique sous basse pression et qui est le siège de
mouvements ascendants.
94
Tout nuage (figure 24) ne provoque pas de pluie. Les nuages à base élevée et les nuages bas
de très faibles épaisseurs ne sont guère pluviogènes. L’essentiel des précipitations est dû aux
nuages bourgeonnants et celles-ci sont d’autant plus intenses que l’épaisseur est grande et que
le sommet est haut (cumuloninbus par exemple).
Figure 24 : La classification des nuages (Vigneau, 2005).
Les phénomènes qui déclenchent les précipitations (c'est-à-dire un ensemble organisé de
particules d'eau liquide ou solide tombant en chute libre au sein de l’atmosphère) sont
complexes. Ces précipitations prennent différentes formes dont les plus communes sont la
pluie, la bruine, la neige, la grêle et le grésil38. Les chutes ne se produisent qu’après le
grossissement des minuscules particules d'eau liquide ou de glace du nuage pour former des
gouttes, des flocons ou encore des grêlons. Cette transformation est due à deux types de
processus (figure 25) :
-
La coalescence : les minuscules particules d’eau, ou gouttelettes, entrent en collision
et forme une goutte plus grosse. Les plus grosses gouttelettes capturent les plus petites
et ce jusqu’à ce que leur taille ne permette plus au courant ascendant de les « porter ».
Durant la descente, la coalescence continue, et la croissance de la goutte se poursuit.
-
L’effet Bergeron : Dans le nuage, si les noyaux de congélation ne sont pas assez
nombreux, une partie de l’eau peut rester sous forme liquide à des températures très
38
Le grésil est une « pluie congelée formée de petits grains de glace friables et blancs » (Larousse, 1991).
95
inférieures à 0°C ; c’est le phénomène de surfusion39. En dessous de 0°C, la saturation
est atteinte plus tôt pour la glace que pour l’eau liquide. Le météorologiste Tor
Bergeron a donc imaginé que les gouttelettes d’eau s’évaporent et la vapeur d’eau va
se déposer sur les cristaux. Ces derniers grossissent et la pesanteur les entraine vers le
bas. En cours de route, ils peuvent éventuellement fondre et se transformer en goutte.
Figure 25 : Du nuage à la pluie : les mécanismes (Vigneau, 2005).
Deux types de précipitations, non mutuellement exclusifs, peuvent être distingués :
-
Les précipitations stratiformes : Elles sont causées par le soulèvement lent et à grande
échelle de l’humidité qui se condense. Elles durent en règle générale longtemps mais
sont de faible intensité. Elles se produisent dans les zones de basse pression et sont
associées à des nuages de types « stratus ».
-
Les précipitations de convection, qui sont liées à des nuages convectifs de type
« cumulonimbus » ou « cumulus congestus », résultent de l’élévation rapide de masses
d’air chargée d’humidité du fait de l’instabilité convective de l’air. Elles couvrent
plutôt des petites surfaces et sont très localisées. Elles ne durent pas longtemps mais
elles sont intenses.
39
La surfusion est l'état d'une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus basse que
son point de solidification. C'est un état dit métastable, c'est-à-dire qu'une petite perturbation peut suffire pour
déclencher abruptement le changement vers la phase solide.
96
Ces dernières précipitations sont celles qui sont le plus influencées, de part leur formation, par
le milieu urbain. Ce dernier favorise en effet l’instabilité convective de l’air.
Plusieurs études, fondées sur des observations ou de la modélisation, ont montré que la
distribution spatiale et les quantités de pluie à l’intérieur des villes et sous le vent de celles-ci
pouvaient être modifiées du fait de l’influence de l’îlot de chaleur urbain sur les circulations
atmosphériques et la convection en résultant (Atkinson, 1971. Rozoff et al., 2003. Changnon
et al., 1977. Ackerman et al., 1978. Bornstein et Lin, 2000. Jauregui et Romales, 1996. Guo et
al, 2006. Shepherd et al., 2002).
Changnon et al. (1977) résume l’influence urbaine sur les précipitations à trois points :
-
Les effets thermodynamiques qui contribuent à plus de nuages, à des bases de nuages
plus élevées et à légèrement plus d’instabilité à l’intérieur des nuages ;
-
Les effets thermodynamiques et mécaniques qui produisent des zones de convergence
où les nuages et la pluie sont initiés ;
-
Les effets des noyaux géants de condensation rejetés en zone urbaine et qui
provoquent un processus de coalescence plus vigoureux et plus fréquent dans les
nuages au-dessus de la ville que ceux en zone rurale.
L’étude METROMEX (Metropolitan Meteorological Experiment) menée dans les années
1970 aux Etats-Unis (Changnon et al., 1976, 1977. Ackerman et al., 1978) a permis de mieux
comprendre les modifications engendrées par les grandes villes sur les précipitations de
convection. D’une manière générale, les résultats issus de METROMEX ont montré que
l’influence urbaine sur la pluie, c'est-à-dire sur l’augmentation des précipitations, s’observe
plutôt durant les mois d’été. Cette augmentation, observée typiquement à 50-75 km sous le
vent des villes, serait de l’ordre de 5-25% (Sanderson et Gorski, 1978. Huff et Vogel, 1978.
Braham et Dungey, 1978. Changnon et al., 1977. Ackerman et al., 1978).
Hjelmfelt (1982) a simulé, en utilisant un modèle numérique, l’îlot de chaleur urbain de SaintLouis (Missouri, Etats-Unis) et montré qu’un des effets urbains est la formation de
mouvements d’air ascendant sous le vent de la ville. Il met également en évidence le rôle joué
par la situation géographique de la ville, notée également par Escourrou (1981) : « L’influence
de l’urbanisation sur les pluies dépend donc de la place de la ville par rapport à la
circulation atmosphérique générale ».
97
D’autres études ont également permis de mieux comprendre les influences urbaines sur la
répartition spatiale et temporelle des précipitations.
Bornstein et Lin (2000) ont analysé les données d’un réseau de mesures à Atlanta et dans sa
région durant une période de l’été 1996. Six cas d’averses convectives estivales ont été
étudiés. Pour trois orages induits par la ville, ils ont mis en avant les liens temporels et
spatiaux entre la localisation de l’îlot de chaleur urbain, la zone de convergence induite par
celui-ci, et les averses orageuses provoquées.
Atkinson (1971) a mené une étude à Londres (Royaume-Uni) pour étudier le passage d’un
orage sur une zone urbaine le 9 septembre 1955. L’auteur suggère que lorsque les nuages sont
arrivés sur la ville, l'air chaud et humide du centre urbain a été attiré vers la circulation des
masses d’air et cela a causé finalement une aggravation de la perturbation et de fortes
précipitations.
Guo et al. (2006), à partir de modélisations tenant compte ou non du caractère urbain
(rugosité, albédo, inertie thermique40, humidité) de Pékin (Chine), ont également montré
l’augmentation avec l’urbanisation des phénomènes de précipitations convectives extrêmes et
des orages. La distribution des pluies est également perturbée à l’intérieur et autour de la ville.
La ville perturbe principalement la circulation convective des masses d’air. Son influence est
ainsi marquée sur les phénomènes violents comme les fortes averses, les orages ou encore les
chutes de grêle. Les journées d’orage peuvent ainsi augmenter de 20 à 30% (DuchêneMarullaz, 1980).
L’influence des agglomérations sur les précipitations est plus marquée, nous l’avons vu, pour
les villes situées sous le vent et à une distance de l’agglomération pouvant être supérieures à
40 km. Ceci s’explique par plusieurs raisons. Les précipitations nécessitent un apport de
vapeur d’eau et la présence de noyaux de condensation pour la formation des gouttelettes puis
des gouttes. Il est également nécessaire d’avoir un mouvement ascendant suffisamment
puissant pour que la coalescence puisse avoir lieu. Le temps que les différents processus se
déclenchent, la masse d’air s’est déplacée et les effets sont constatés plus loin, sous le vent de
l’agglomération. Comme le signale Duchêne-Marullaz (1980), « les noyaux de condensation
qui sont apportés par la pollution ne suffisant pas à déclencher le processus : c’est en fait la
40
L’inertie thermique est la capacité d’un corps à stocker de la chaleur et se caractérise par la capacité
thermique.
98
turbulence d’origine thermique et celle d’origine mécanique produites par la ville qui
constituent les causes essentielles de ce phénomène. »
La variation saisonnière de l’influence de l’urbanisation sur la pluviométrie peut s’expliquer,
comme le signale Escourrou (1981) et Cantat (1987, 1989), par la stabilité de la masse d’air.
Ainsi, par temps stable, comme c’est souvent le cas en hiver pour l’agglomération parisienne,
l’action de l’urbanisation est peu sensible. En revanche lors du passage d’une masse d’air
instable, comme c’est le cas régulièrement en été pour le bassin parisien, l’urbanisation joue
en quelques sortes le rôle d’un catalyseur. En effet, lors du passage de la masse d’air au
dessus du centre urbain, l’instabilité est renforcée car la convection est accrue par l’îlot de
chaleur urbain et par l’effet de rugosité, le vent étant freiné par les constructions et créant
alors un mouvement ascendant d’air. La conséquence est un renforcement des précipitations
convectives telles que les averses orageuses.
V.6 Variations journalières et saisonnières de l’intensité des modifications
climatiques
L’îlot de chaleur urbain ou, plus généralement, le climat urbain ne sont pas une condition
constante. Ils subissent une double fluctuation, journalière et saisonnière. Ces variations
peuvent s’observer sur le comportement des masses d’air au sein de la couche limite
atmosphérique (CLA).
Figure 26 : Le « dôme » urbain : structure verticale de l’atmosphère pour des vents inférieurs
à 3 m/s (Ringenbach (2004), d’après Mestayer et Anquetin (1995)).
Par exemple, lors d’une journée ensoleillée avec un vent faible, la surface urbaine s’échauffe
et un fort îlot de chaleur se forme. Il peut alors se créer une circulation comparable à une brise
thermique, c'est-à-dire que les masses d’air plus fraiches de la campagne environnante
99
pénètrent dans la ville et un mouvement ascensionnel se crée (figure 26). Cette circulation
peut durer quelques heures et atteindre 2 à 3m/s (Duchêne-Marullaz, 1980).
Lorsque la surface urbaine est échauffée, et transfère une chaleur importante à l’air en contact
avec elle, une turbulence thermique (convection libre) se créée (figure 27) et des tourbillons
de différentes tailles apparaissent. Cette situation facilite la dispersion des polluants
(LEROYER, 2006), mais dans une telle situation de surface surchauffée, la CLA est dite
instable.
Tourbillons de
turbulence
Surface du sol
très chaude
Figure 27 : Turbulence thermique au contact d’une surface surchauffée.
La CLA est dite stable quand la surface est plus froide que l’atmosphère. Cette situation
apparaît généralement peu avant le coucher du soleil avec la diminution du rayonnement
solaire et donc du réchauffement du tissu urbain (Leroyer, 2006). La hauteur de la CLA tend
alors à diminuer durant la nuit avec le refroidissement de la surface.
La CLA peut également être neutre. Cette situation, qui signifie que la surface et l’atmosphère
sont à la même température, est plutôt rare. La CLA se rapproche de la neutralité lors de la
transition entre stabilité et instabilité, ou encore en cas de vent fort ou lorsque la couverture
nuageuse, et donc la faible quantité de rayonnement solaire, réduit le réchauffement de la
surface (Leroyer, 2006).
Selon Landsberg (1981), le vent est le paramètre météorologique qui a la plus grande
influence sur le développement de l’îlot de chaleur urbain nocturne. La présence d’un vent
fort peut ainsi tendre à faire disparaître l’îlot de chaleur urbain, de jour comme de nuit. Pour
l’agglomération parisienne, Cantat (2004) estime que la vitesse limite entre présence et
absence d’un îlot de chaleur est de 7m/s, pour Dettwiller (1978), la valeur serait plutôt de
11m/s. Oke et Hannell (1970) ont mis en relation cette vitesse limite (Ulim) avec la taille de la
ville, ou plus précisément sa population (P) :
Ulim = 3,4 log P – 11,6
(m/s)
(Formule 13)
100
Pour une population de 9,6 millions d’habitants, ce qui correspond à la population de
l’agglomération parisienne lors du recensement de 1999 (Atelier Parisien d’Urbanisme,
2001), cette formule donne une vitesse limite d’environ 12 m/s. Cette formule est cependant
« pertinente » uniquement parce qu’une relation existe globalement entre population et
densité bâtie.
Par vent moyen (au-dessus de 3 m/s), la CLA prend la forme d’un panache (figure 28), et
l’influence de l’agglomération est alors ressentie par les villes se trouvant sous le vent de
l’agglomération.
Figure 28 : Le « panache » urbain : structure verticale de l’atmosphère urbaine pour des vents
supérieurs à 3m/s (Ringenbach (2004), d’après Mestayer et Anquetin (1995)).
Ces différents comportements sont en relation directe avec les variations journalières et
saisonnières du climat urbain. Cantat (2004) s’est intéressé plus particulièrement à l’îlot de
chaleur parisien selon les types de temps. Il démontre l’importance de ne pas prendre en
considération uniquement les valeurs moyennes des paramètres climatiques qui masquent le
rôle joué par la météo de la journée. En effet, la fluctuation journalière de l’îlot de chaleur
urbain s’exprime par les températures minimales (nuit) et maximales (jour).
Le contraste entre la ville et le milieu rural qui l’entoure est ainsi dépendant des conditions
météorologiques. A Paris (Cantat, 2004), comme à Lodz en Pologne (Klysik et Fortuniak,
1999), les conditions favorables à la formation d’un fort îlot de chaleur apparaissent plus
fréquemment en été. A cette fluctuation saisonnière s’ajoute la fluctuation journalière (Cantat,
2004. Klysik et Fortuniak, 1999. Huang et al., 2007) et le contraste apparait ainsi
particulièrement les nuits d’été.
101
La fraction d’insolation dans la journée et la vitesse du vent sont les variables
météorologiques qui influent le plus sur le différentiel de températures entre le centre de
l’agglomération et la campagne environnante (Cantat, 2004). Pour Escourrou (1991),
« L’intensité de l’îlot de chaleur dépend de la vitesse des vents : à Paris, durant l’hiver 19771978, les écarts [de températures « instantanées »] entre Villacoublay en banlieue, à peine
touchée par l’urbanisation à cette époque, et la station de la tour Saint-Jacques, au centre de
Paris, étaient les suivants :
Vitesse du vent à Villacoublay Ecart
1m/s
-4,5°C
2m/s
-3,4°C
3m/s
-3,4°C
4m/s
-2,6°C
5m/s
-2,2°C
Au-dessus de 5m/s l’écart est négligeable. »
En observant l’intensité de l’îlot de chaleur urbain nocturne parisien entre 1990 et 1999
(figure 29), Cantat (2004) s’est aperçu que pour les 50 décades (10 jours de suite) aux îlots de
chaleur urbains les plus forts, l’été présente 34% des situations, contre 6% pour l’hiver (28%
en automne et 32% au printemps). Inversement, pour les 50 décades aux îlots de chaleur
urbains les plus faibles, l’hiver présente 56% des cas contre 8% en été (20% en automne et
16% au printemps).
Figure 29 : Distribution décadaire de l’intensité de l’îlot de chaleur urbain nocturne entre
1990 et 1999 (différences des températures minimales entre Paris-Saint-Jacques et Melun
moyennées pour chaque décade) (Cantat, 2004).
Cette étude de Cantat (2004) permet de conclure que « la diversité des configurations de l’îlot
de chaleur urbain repose donc sur la complexité des interrelations entre :
102
-
des données géographiques stables (situation, site, type d’urbanisation…) ;
-
des données végétales et atmosphériques déterminées par des évènements cycliques
(saisons) ;
-
des données atmosphériques aléatoires (types de circulation et type de temps). »
L’importance de l’îlot de chaleur urbain varie donc en fonction du temps, de la météo, et la
fraction d’insolation et la vitesse du vent sont les deux paramètres météorologiques qui
interviennent le plus dans l’apparition d’un îlot de chaleur et dans son intensité. « La
concomitance d’un ciel clair et d’un vent faible entraine des écarts parfois supérieurs à 10°C
la nuit ; inversement l’îlot de chaleur urbain peut disparaître presque totalement par ciel
couvert et vent fort. » (Cantat, 2004).
103
VI Rôle de différents facteurs dans la formation du climat
urbain
Les deux chapitres précédents ont exposé les différents processus radiatifs, thermiques,
énergétiques, dynamiques ou encore hydrologiques à l’origine de la formation du climat
urbain. L’objectif de ce chapitre est de présenter plus spécifiquement quelles modifications
climatiques sont engendrées par chacune des différences physiques entre milieux urbains et
« ruraux ».
En effet, comme le signalent Rizwan et al. (2008), l’îlot de chaleur urbain est la réponse
mutuelle de plusieurs facteurs qui peuvent être répartis entre ceux qui sont contrôlables et
ceux qui ne le sont pas (figure 30). « 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., 2008).
Conception urbaine et structure en relation
Facteur de vue du ciel
Espaces verts
Variables contrôlables
Matériaux des bâtiments
Population relative
Chaleur anthropique
Soleil
ICU
Pollution de l’air
Variables
incontrôlable
Conditions anticycloniques
Saison
Conditions journalières
Vitesse du vent
Couverture nuageuse
Figure 30 : Formation de l’îlot de chaleur urbain (D’après Rizwan et al. (2008)).
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. C’est le cas de la couverture nuageuse et de la
104
vitesse régionale du vent. En revanche, d’autres facteurs peuvent être modifiés par l’action
humaine et il est intéressant d’en tenir compte et de les connaître pour améliorer les pratiques
dans l’aménagement urbain et l’architecture. 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 formes, types et natures 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.
Giridharan et al. (2007) se sont intéressés aux éléments de la conception urbaine influençant
l’intensité de l’îlot de chaleur à Hong Kong (Chine), qui offrent des environnements urbains
très denses et avec des immeubles de grande hauteur. L’objectif de leur étude a été
d’identifier les variables clés de la conception urbaine qui influencent l’îlot de chaleur urbain
de la journée et de la nuit, et ce pour des zones résidentielles de la côte de Hong Kong. Leur
recherche montre, qu’en ce qui concerne la conception urbaine, des variables telles que le
facteur de vue du ciel, l’albédo de la surface, l’altitude, la végétation de plus de un mètre de
haut, le ratio hauteur moyenne sur aire du sol, ou encore la proximité de la mer sont les
variables les plus pertinentes pour atténuer à la fois l’îlot de chaleur urbain de la journée et de
la nuit. D’autres variables, comme la vélocité du vent et le rayonnement solaire, ont leur
importance mais, comme nous l’avons déjà dit, les aménageurs n’ont pas de contrôle sur elle.
Nous nous attachons donc ici à évaluer le rôle des différents « facteurs urbains », et donc
contrôlables, dans la formation du climat urbain. Ces différents facteurs urbains comprennent
à la fois
•
La nature de la surface urbaine : bâtiments, pavage, végétation, sol naturel ou surface
d’eau. La couverture du sol, avec sa part de sols artificiels et de sols nus, enherbés ou
végétalisés, joue, nous le verrons, un rôle important.
•
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 (hauteur et largeur des bâtiments,
105
espacement entre ces derniers, largeurs des rues, etc.) et les matériaux utilisés pour
construire la ville.
De nombreux auteurs se sont intéressés à l’influence de ces facteurs sur le climat urbain et
nous allons exposer ici ces différents résultats. L’objectif n’est pas de proposer une nouvelle
classification de différents aménagements urbains (cf. annexe 7) selon leur influence sur le
climat local mais d’essayer de distinguer les facteurs influents et très influents.
VI.1 Couche superficielle du sol
La nature de la surface urbaine, avec sa part de sols minéralisés, de sols nus, enherbés ou
végétalisés, et de surfaces d’eau joue un rôle important dans l’intensité des modifications
climatiques. Nous allons regarder plus précisément ici l’influence des surfaces végétales
(composées de végétaux qui peuvent être des arbres, des arbustes, des herbes, des fleurs, etc.)
et des surfaces d’eau.
VI.1.1 Surfaces végétales
La végétation est un facteur du climat (Pagney, 2000). Grâce à l’ombre qu’elle peut procurer
et aux phénomènes d’évapotranspiration qu’elle génère, elle est source d’humidité et de
rafraichissement. Selon la nature de l’espace vert (parcs, squares, rues plantées) et la nature
des végétaux (arbres, arbustes, pelouse, etc. de différentes espèces), les effets ne seront bien
sûr pas identiques et son influence, avant tout localisée au niveau de l’espace vert, peut se
sentir au-delà par le biais des mouvements de masses d’air.
L’effet « oasis » provoqué par les espaces verts a par exemple été mis en évidence dans les
mesures effectuées à Valence (Espagne) où une diminution de 2,5°C au sein du parc de
Viveros de 20 ha est constatée par rapport au maximum mesuré en milieu urbain (Gomez et
al., 1998).
Au sein d’un article de Gomez et al. (2001) présentant l’amélioration, particulièrement en été,
des conditions climatiques et du confort au sein des espaces végétalisés (pelouses, buissons,
rues avec alignement d’arbres, etc.), l’étude de Stülpnagel (1987) est citée. Cette dernière
montre qu’il faut 10ha d’espace vert pour perdre 1°C, 50ha pour 2°C et 200ha pour 3°C.
Une étude effectuée par Taha (1996) (et présentée par Akbari (2001)) a simulé l’impact
météorologique de programme d’implantation d’arbres à grande échelle dans dix villes
américaines (Atlanta, Chicago, Dallas, Houston, Los Angeles, Miami, New York,
106
Philadelphia, Phoenix, et Washington). Le tableau suivant (tableau 7) montre le nombre
d’arbres plantés en plus dans chaque ville et l’impact sur la température de l’air. Le nombre
d’arbres plantés dans les cellules varie de quelques centaines à plus d’une dizaine de milliers.
La réduction maximale de la température de l’air pour la cellule la plus chaude des différentes
villes (a priori le centre) varie de 1 à 3°C.
Tableau 7 : Nombre d’arbres plantés dans chaque zone métropolitaine et leurs effets simulés
sur la réduction des températures ambiantes d’après Taha (1996) (Akbari, 2001).
Dans certaines conditions climatiques favorables (soleil notamment), l’évapotranspiration
peut générer une forme « d’oasis » qui est 2 à 8°C plus fraiche que le milieu environnant
(Taha, 1997a).
Pour Bernatzky (1982), les arbres et les espaces végétalisés contribuent de façon importante à
l’amélioration du climat « artificiel » des villes. Ils diminuent selon lui considérablement la
température par le biais de l’évaporation et peuvent permettre une ventilation de la ville
surchauffée, sale et polluée et offrir ainsi un air frais. Alors que pour une forêt de hêtres
83,8% de l’énergie reçue sert à l’évaporation, dans une ville, 60% de cette énergie sert à
réchauffer l’air. Les parcs peuvent filtrer selon Bernatzky (1982) jusqu’à 80% de la pollution
de l’air et les arbres des avenues jusqu’à 70% et sans leurs feuilles (en hiver), les plantes
peuvent conserver jusqu’à 60% de leur efficacité.
Selon Wilmers (1988), les deux aspects négatifs du climat urbain sont l’îlot de chaleur urbain
(la « surchauffe » de la ville) et la pollution de l’air. Ils peuvent tous deux être corrigés par les
espaces végétalisés. Wilmers (1988) constate cependant que l’effet d’un espace vert, aussi
grand soit-il, ne se constate que sur une relativement faible distance.
Oke (1979) a étudié le bilan d’énergie d’une pelouse en zone suburbaine de Vancouver
(Canada) durant le mois d’août 1978. La pelouse (d’une surface d’environ 160m2) était
107
constituée d’un gazon ras et avait été arrosé antérieurement à l’expérience. Elle était bordée
au sud par une maison à deux étages, à l’ouest et au nord par des haies denses de 1m50 de
haut et à l’est par une ligne d’arbres conifères de 15-20m de haut. Au-delà de la haie situé au
nord, il y avait un trottoir, un boulevard avec de la pelouse et des arbres de 4m de haut et une
route de 7m de large. Dans un terrain non homogène, l’advection d’air plus chaud et/ou plus
sec venant de zones d’où vient le vent permet d’augmenter les taux d’évapotranspiration et de
créer un effet oasis. L’expérience effectuée par Oke (1979) confirme cela et montre bien un
régime d’évapotranspiration supérieure à la normale, ce qui peut donc s’expliquer par
l’advection de chaleur sensible des surfaces voisines.
Cette étude de Oke (1979) permet en partie de mieux comprendre pourquoi, selon Dieter
Scherer, climatologue à l’Université Technique de Berlin, « les réseaux d’espaces verts de
petite et de moyenne surface sont beaucoup plus efficaces pour refroidir nos chaudes nuits
d’été » que les grands parcs (Manin, 2007), les premiers étant soumis proportionnellement à
leur surface à un apport en chaleur sensible de la part des surfaces voisines plus important Les
études actuellement menées par le l’équipe du professeur Scherer concernent également les
toitures végétalisées : « alors qu’ils constituent généralement de bons refroidisseurs, les toits
verts lorsqu’ils sont secs deviennent de véritables pièges à énergie solaire et redistribuent
davantage de chaleur à l’air ambiant que la même surface en béton. Ainsi, les espaces verts
permettent de refroidir les nuits urbaines tant qu’ils sont suffisamment irrigués. Il est
toutefois à noter que cette fraîcheur ne peut être transmise que dans un rayon de 300 mètres
et que seules les maisons situées à moins de 100 mètres du parc profitent d’un vent frais
nocturne. Il apparaît donc clair que plus d’habitations pourraient profiter de ce coup de frais
si les réseaux de petits espaces verts d’au moins 1 hectare étaient préférés aux grands parcs.
En outre, le refroidissement n’étant pas optimal lorsque l’air frais dégagé par les surfaces
vertes ne peut pas circuler, il est important de concevoir des parcs à végétation variée,
associant prés mais aussi arbres et arbustes afin que l’air frais puisse y tourbillonner. »
(Manin, 2007)
L’étude de Oke (1979) permet également d’éclairer pourquoi la réduction de l’évaporation est
différente selon la part de surface minéralisée, l’augmentation des taux d’évapotranspiration
des espaces végétalisés grâce à l’advection d’air chaud issu des surfaces minérales, ayant, en
quelques sortes, un seuil. Escourrou (1981) estime en effet que pour 25% de surface
imperméable la réduction doit être de 19%, pour 38% de 50% et pour 59% de 75%.
108
VI.1.2 Surfaces d’eau
L’impact de l’eau sur le climat urbain résulte de deux phénomènes : l’évaporation de l’eau et
le rafraichissement de l’air au contact de l’eau. Des sources d’eau isolées, comme les
fontaines, ont un effet ponctuel et la petitesse de la surface d’eau n’entraine pas réellement un
refroidissement de l’air. Seule la présence de grands jets d’eau permet de provoquer des effets
d’humidification et de refroidissement notables (Benzerzour, 2004).
En ce qui concerne les étendues importantes d’eau comme les rivières, les fleuves où les mers,
celles-ci peuvent influer de façon notable non seulement leur environnement immédiat
(comme pour les surfaces d’eau ponctuelles) mais aussi l’ensemble des composantes du
climat local par le biais par exemple des brises de mer, comme nous l’avons présenté au
chapitre précédent.
VI.2 Activités humaines
Les activités humaines sont à la fois sources de pollution atmosphérique et de rejets de
chaleur.
VI.2.1 Activités polluantes
L’atmosphère des villes, par rapport aux milieux ruraux, peut contenir, selon Escourrou
(1981), dix fois plus de particules de poussières et jusqu’à 25% de molécules de gaz,
modifiant ainsi la transparence de l’air et certains caractères du climat urbain. En effet, la
pollution atmosphérique entraîne une modification de la composition atmosphérique qui a
plusieurs conséquences :
-
une diminution du rayonnement direct du soleil,
-
une augmentation du rayonnement diffus,
-
une diminution du rayonnement global solaire malgré une durée plus longue
d’insolation41,
-
une transformation par les poussières et les aérosols du rayonnement direct en
infrarouges provoquant une légère élévation de la température,
-
une augmentation de l’effet de serre puisqu’elle limite les déperditions du
rayonnement du substratum vers l’atmosphère.
41
La durée d’insolation désigne la somme des intervalles de temps durant lesquels un objet, un lieu est soumis à
une insolation au cours d’une période donnée que l’on choisit, sauf indication contraire, comme égalant un jour
entier, soit 24 heures à partir de minuit. Il ne faut pas la confondre avec la durée géographique d’insolation
appelée également durée topographique d’insolation qui correspond aux lever et coucher de soleil. (MétéoFrance).
109
-
Une augmentation des noyaux de condensation autour desquels s’accumule la vapeur
d’eau, pouvant provoquer notamment du brouillard en cas de forte pollution (Smog en
anglais).
L’influence de la pollution atmosphérique est donc multiple avec parfois des effets opposés
sur le bilan radiatif. La pollution est néanmoins un aspect très négatif du milieu urbain contre
lequel il est nécessaire de prendre des mesures. Sans aller plus loin, nous signalerons que la
dispersion des polluants, et donc la pollution atmosphérique, sont très liées au climat urbain,
puisque la vitesse et la turbulence du vent, qui participent à la dispersion, sont très influencées
par la morphologie du bâti et le réseau des rues (orientation).
VI.2.2 Sources de chaleur
L’îlot de chaleur urbain est influencé par les rejets de chaleur d’origine anthropique (voitures,
chauffage, climatisation, industries, métabolisme humain, etc.).
Pour estimer le rôle joué par ces rejets de chaleur anthropique dans la formation de l’îlot de
chaleur urbain, Fan et Sailor (2005) ont simulé et comparé le climat de Philadelphie (EtatsUnis) en intégrant et en omettant la chaleur anthropique. Les simulations sans prise en compte
de la chaleur anthropique sous-estiment, comme il est possible de le prévoir, les températures
de l’air en milieu urbain. La chaleur anthropique a un rôle important dans la formation de
l’îlot de chaleur urbain, et ce particulièrement durant la nuit et l’hiver. Les simulations
effectuées montrent ainsi que la chaleur anthropique contribue en hiver à Philadelphie à
hauteur de 2-3°C à l’îlot de chaleur urbain nocturne. Le flux de chaleur anthropique varie en
été de 20 W.m-2 la nuit à 50 W.m-2 le jour, et en hiver de 35 W.m-2 la nuit à 85 W.m-2 le jour.
Le rayonnement solaire est de 700 W.m-2 en été et de 460 W.m-2 en hiver.
L’influence de la chaleur anthropique a également été étudiée pour plusieurs quartiers très
denses de Tokyo (Japon) par Ichinose et al. (1999), qui ont également été mis en avant le cas
particulier de la nuit. Les valeurs divergent cependant par rapport à Philadelphie, ce qui
s’explique en partie par les différences de densité bâtie (Tokyo a une densité bâtie beaucoup
plus importante que Philadelphie). En été, le rayonnement de courtes longueurs d’onde atteint
son maximum de 800 W.m-2 vers midi et durant la journée la chaleur anthropique est en
moyenne de 200 W.m-2 (elle est plus faible la nuit). En hiver, le rayonnement de courtes
longueurs d’onde a son maximum aux alentours de 550 W.m-2 et la chaleur anthropique
atteint son maximum de 400 W.m-2 vers 8h. Ichinose et al. (1999) ont modélisé des situations
avec et sans flux de chaleur d’origine anthropique. En été, les différences entre les deux
110
situations étaient faibles durant la journée mais augmentaient rapidement du milieu de l’aprèsmidi jusqu’à dans la nuit pour atteindre un maximum de 1,5°C vers 20h (la situation la plus
chaude étant bien sur celle avec la prise en compte du flux de chaleur d’origine anthropique).
Bien que le flux de chaleur anthropique soit plus important en journée, son influence se fait
ressentir de façon plus importante la nuit. Les modélisations pour la situation hivernale ont
montré des différences de températures plus conséquentes qu’en été entre le cas avec prise en
compte du flux de chaleur anthropique et celui sans. La différence était particulièrement
importante durant la période entre le milieu de l’après-midi et deux heures du matin, avec un
maximum d’environ 2,5°C à 21 heures.
Taha (1997a) a présenté quelques résultats d’une étude effectuée précédemment par Taha et
al. (1992b). Ces derniers ont développé un profil journalier des rejets de chaleur anthropique
en estimant, à partir des consommations d’énergie, la chaleur rejetée par les bâtiments et les
véhicules. Ce profil a ensuite été introduit au sein d’un modèle météorologique pour estimer
l’impact du flux de chaleur anthropique (QF) sur les températures de l’air. Ces simulations
météorologiques ont montré qu’au centre d’une grande ville QF peut participer à l’intensité de
l’îlot de chaleur à hauteur de 2-3°C à la fois le jour et la nuit. Les simulations indiquent
également qu’au sein des zones résidentielles de banlieue, du fait d’un faible QF, l’impact de
ce dernier sur les températures est négligeable. Taha ne le précise pas au sein de son article
mais il s’agit sans doute de modélisations effectuées pour une ville américaine.
L’îlot de chaleur urbain est présent, nous l’avons vu, de façon plus nette en été qu’en hiver, on
peut donc en déduire que les rejets thermiques d’origine anthropique, plus importants en hiver
(chauffage), ne sont pas le principal facteur du climat urbain. Cependant on notera qu’en hiver
cette énergie anthropique peut être plus importante que l’apport solaire alors qu’en été elle
constitue moins de 15% de l’énergie totale reçue par le milieu urbain.
Les pertes thermiques des bâtiments dues au chauffage sont intimement liées aux propriétés
des matériaux et à la conception des bâtiments. Comme le signale Givoni (1998), les
propriétés des matériaux du bâtiment gouvernent la relation entre la température moyenne
intérieure des bâtiments, la variation et la tendance de la température extérieure de l’air. Trois
propriétés de l’enveloppe du bâtiment gouvernent cette relation : la conduction de la chaleur
au travers de l’enveloppe, la capacité thermique et l’absorption (ou réflexion) de l’énergie
solaire atteignant l’enveloppe. La conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité
des matériaux, ainsi que l’épaisseur des éléments du bâtiment permettent de qualifier ces deux
111
premières propriétés. La réponse au rayonnement solaire est déterminée par l’absorptivité de
la surface (ou, à l’inverse, son albédo), qui dépend principalement de la couleur extérieure et
des conditions d’ombre.
VI.3 Structure urbaine
La structure urbaine, qui comprend à la fois la morphologie, la géométrie, la forme du cadre
bâti, ainsi que les matériaux utilisés pour la construction des bâtiments et des différentes
infrastructures urbaines, a une large influence, comme nous allons le voir, sur le climat
urbain.
VI.3.1 Morphologie du cadre bâti
Comme nous l’avons présenté dans le premier chapitre de cette partie, la morphologie ou
géométrie urbaine accroît l’absorption du rayonnement solaire du fait des multiples
réflexions, réduit les transferts hors du canyon des flux de chaleur sensible et diminue les
pertes de rayonnements infrarouges du fait de l’effet écran des murs des bâtiments. Elle
influence ainsi le climat urbain et modifie l’albédo global de la ville en piégeant le
rayonnement.
Figure 31 : Relation empirique entre la géométrie du canyon urbain (H/W dans le centre
urbain) et l’intensité maximale de l’îlot de chaleur (∆Tu-r(max)) (Oke, 1988).
Pour décrire la géométrie des rues, le rapport H/W (avec H la hauteur des bâtiments et W la
largeur de la rue), qui correspond au prospect des rues, ou encore le facteur de vue du ciel,
sont utilisés.
112
Oke (1988) relie par exemple le rapport H/W à l’intensité maximale nocturne de l’îlot de
chaleur (∆Tu-r(max)) pour trente villes principalement de moyennes latitudes (figure 31). Il
montre que la formule 5, présentée précédemment, permet de décrire cette relation. Cette
équation est : ∆Tu-r(max) = 7,54 + 3,97 ln(H/L)
On notera que la forme logarithmique indique qu’il est possible de contrôler considérablement
l’îlot de chaleur avec de petits changements dans la géométrie du canyon pour les valeurs
faibles de H/W.
Figure 32 : Influence de la géométrie urbaine, décrite par le ratio W1/W2, et de l’angle du
soleil θ sur l’albédo global. Fondée sur des simulations avec H/W2 = 1,0 (Oke (1988), d’après
Aida et Gotoh (1982)).
La géométrie urbaine à une influence directe, nous l’avons dit, sur l’albédo total de la ville.
En effet, l’albédo total du système urbain dépend à la fois des albédos des matériaux qui le
composent et de la géométrie du cadre bâti. Ainsi pour des bâtiments de même hauteur,
l’albédo d’une surface crénelée est plus faible que celui d’une surface plane composé du
même matériau (Oke, 1988). Cet effet augmente avec la latitude et est plus prononcé lors des
113
saisons où le soleil est bas. De plus, il augmente avec H/W et est plus important dans des rues
canyons orientées est-ouest que nord-sud (Oke, 1988).
L’étude de Aida et Gotoh (1982), citée par Oke (1988), relie l’albédo de différents canyons au
ratio W1/W2 où W1 est la largeur des bâtiments et W2 la largeur de la rue (figure 32).
Yamashita et al. (1986) ont également mis en avant pour plusieurs villes de la banlieue ouest
de Tokyo le fait que le facteur de vue du ciel est un indicateur pertinent pour qualifier l’effet
de l’urbanisation sur l’intensité de l’îlot de chaleur. L’intensité de l’îlot de chaleur a ainsi
tendance à croitre, plus ou moins fortement selon la ville, avec la diminution du facteur de
vue du ciel.
Relation entre le facteur de vue du ciel
(SVF) pour 58 rues canyon de Göteborg
(Suède) et la température de surface mesurée
par le biais d’une thermographie infrarouge.
Les mesures ont été effectuées le 18
novembre 1987 entre 18h et 22h, par un
temps clair et calme. Eliasson (1990/91)
Relation entre le facteur de vue du ciel
(SVF) pour différents environnements
urbain de Göteborg (Suède) et la
température de surface mesurée par un
radiomètre installé sur une voiture. Les
mesures ont été effectuées le 2 décembre
1987 entre 17h et 20h, par un temps clair
et calme. Eliasson (1990/91)
Figure 33 : Relation entre le facteur de vue du ciel et la température de surface (Eliasson,
1990/91).
Eliasson (1990/91, 1996) a également montré le lien entre la géométrie urbaine, et plus
particulièrement le facteur de vue du ciel, et la température de surface (figure 33). La relation
avec la température de l’air est plus délicate, les variations de températures de l’air entre les
différents environnements urbains étant plus faibles.
VI.3.2 Matériaux de surface
Les propriétés thermiques et radiatives des matériaux utilisés en milieu urbain ont une
incidence importante sur le bilan thermique de ce dernier. La réflectivité (ou albédo) des
matériaux vis-à-vis du rayonnement solaire, tout comme leur émissivité, sont les paramètres
114
radiatifs les plus importants. Selon Santamouris (2005), Yap (1975) rapporte dans son article
que les différences systématiques entre les émissivités des surfaces urbaines et rurales sont
responsables d’une partie de l’îlot de chaleur. Oke et al. (1991), toujours selon Santamouris
(2005), estime au contraire que le rôle de l’émissivité est mineur et met l’accent sur
l’importance des propriétés thermiques des matériaux. Nous pourrons nous faire notre propre
avis avec les modélisations présentées dans la troisième partie.
Pomerantz et al. (2000) ont travaillé sur les effets des températures des chaussées sur la
température de l’air dans les grandes villes, mettant ainsi en relation l’albédo des rues et la
variation journalière de la température de l’air. Des mesures de l’albédo et de la température
de surface de plusieurs chaussées en béton bitumineux ont été effectuées dans la baie de San
Francisco (Etats-Unis). Les albédos dépendent de l’âge de la chaussée. Le choix des
chaussées pour les mesures s’est fait sur deux critères. Le premier était d’obtenir un large
éventail de chaussées en béton bitumineux avec l’objectif de s’intéresser aux albédos de
chaussées existantes. Le second était de contrôler l’influence du vieillissement sur l’albédo
des chaussées. Les chaussées en béton bitumineux sont composées d’asphalte et d’un agrégat
minéral (granulats) dont la proportion (en volume) est d’environ 15% et 85%, respectivement.
L’asphalte est noir, avec un albédo d’environ 0,05, et il recouvre les particules de l’agrégat
(majoritairement de couleur claire) dans l’objectif de les lier ensemble. Une nouvelle chaussée
est donc complètement noire, mais lorsque l’asphalte disparaît sous l’effet du roulement,
l’agrégat fait surface, apparaît et l’albédo se rapproche de l’albédo de l’agrégat. De plus,
l’asphalte lui-même devient plus clair du fait de l’oxydation. Les mesures indiquent qu’une
chaussée avec un béton bitumineux frais a un albédo d’environ 0,04 à 0,05. Les chaussées qui
ont plus de cinq ans ont un albédo moyen de 0,12 ± 0,03.
Pomerantz et al. (2000) ont également mesuré la température de surface. La figure 34 montre
les mesures horaires des températures de surface pour une chaussée ayant un albédo de 0,04
(courbe haute) et un de 0,16 (courbe basse). Les deux chaussées sont distantes de 2,6 km et
les données ont été recueillies le 17 septembre 1998. L’écart entre les deux courbes est
important et ne peut s’expliquer uniquement par la différence d’albédo entre les deux
chaussées selon Pomerantz et al. (2000). Les conditions climatiques (vent, ombre, etc.)
devaient être légèrement différentes modifiant ainsi l’historique du réchauffement par le soleil
et du refroidissement par le vent des deux chaussées.
115
Figure 34 : Températures de surface de chaussées en béton bitumineux en fonction de l’heure
pour deux albédos différents, Concord (Californie, Etats-Unis), le 17 septembre 1998
(Pomerantz et al., 2000).
Pomerantz et al. (2000) ont également remarqué que la hausse ou la baisse de température de
la chaussée ne suit pas de façon immédiate l’intensité du rayonnement solaire ; le pic de la
température de la chaussée arrive au moins une heure après celui du rayonnement solaire.
Globalement, leurs mesures montrent qu’une augmentation de l’albédo de 0,1 implique une
diminution de la température de surface de la chaussée d’environ -4 ± 1°C pour une insolation
d’environ 1 000 W.m-2 et un vent faible. Avec le calcul, Pomerantz et al. (2000) obtiennent
une diminution de la température de surface de la chaussée de -4°C pour une augmentation de
l’albédo de 0,1. L’augmentation de la vitesse du vent diminue la température de surface ainsi
que l’influence du changement de l’albédo.
Figure 35 : Température de surface d’une chaussée, insolation et température de l’air en
fonction de l’heure à San José (Californie, Etats-Unis) le 17 septembre 1997 (Pomerantz et
al., 2000).
116
La première étape dans le processus du réchauffement de l’air est le réchauffement de la
surface. Pomerantz et al. (2000) se sont appuyés sur la loi de conservation de l’énergie et l’ont
appliqué aux flux de chaleur à l’intérieur et à l’extérieur de la surface42. Leurs calculs leur ont
permis d’obtenir les courbes de la figure 35. Ils montrent également que l’augmentation de
l’albédo de 0,1 à 0,35 pour une ville entière peut permettre une diminution de la température
de l’air de 0,6°C.
Asaeda et al. (1996) ont observé le comportement thermique du béton (albédo de 0,45 et
conductivité thermique de 1,69 W.m-1.°C), de l’asphalte (albédo de 0,10 et conductivité
thermique de 0,74 W.m-1.°C) et d’un sol nu. Ils ont mesuré la distribution des températures à
différentes profondeurs dans le matériau, analysé les flux de chaleur à l’interface air/sol en
été, mesuré le rayonnement infrarouge issu du matériau (L↑) et ce en effectuant le bilan
énergétique à la surface de ces sols. Asaeda et al. (1996) partent du constat que le
rayonnement infrarouge montant émis par le sol (L↑) est presque contrebalancé par le
rayonnement infrarouge descendant atmosphérique (L↓) quand la différence de température
entre l’air de l’atmosphère et celle de la surface du sol est faible. En revanche, quand la
température de la surface du sol excède celle l’air, comme c’est le cas pour les surfaces
chauffées, alors L↑ devient significativement plus important que L↓ et l’absorption de L↑ par
la basse atmosphère peut devenir un composant significatif du bilan énergétique et contribuer
ainsi au réchauffement local de la basse atmosphère.
Asaeda et al. (1996) ont choisi une surface plane et homogène ayant une exposition complète
au rayonnement solaire. Les mesures ont eu lieu dans la zone suburbaine de Tokyo (Japon)
durant deux périodes estivales (1990 et 1991) pour lesquelles la couverture nuageuse a été de
moins de un tiers du ciel. Ont été mesurés la température à différentes profondeurs de la
surface, le flux de chaleur à l’intérieur du béton et de l’asphalte, le rayonnement infrarouge
montant émis par le sol (L↑), le rayonnement infrarouge descendant atmosphérique (L↓), le
rayonnement solaire, la température de l’air à 1m50, la vitesse du vent à 1m50, l’humidité et
la pression atmosphérique à 1m50, et l’humidité du sol. L’absorption du rayonnement
infrarouge L↑ net a été pour sa part modélisée. La figure 36 montre les différents éléments
ayant composé l’expérience.
42
Pour la chaussée, les valeurs suivantes ont été choisies : une émissivité ε = 0,9, une densité ρ = 2,3 g.cm-3, une
conductivité thermique λ = 1,7 W.K-1.m-1, et une capacité thermique C = 0,74 KJ.kg-1.K-1.
117
Le bilan d’énergie de la basse atmosphère dépend de la température de surface du sol, qui, en
retour, est liée à la structure thermique (conductivité thermique) en-dessous la surface du sol.
Les mesures effectuées montrent que la température de surface, la chaleur stockée et le
rayonnement infrarouge ascendant (L↑) sont plus importants de façon significative dans le cas
de l’asphalte par rapport au béton et au sol nu.
Figure 36 : Eléments composants l’expérience de Asaeda et al. (1996).
La température de surface de l’asphalte monte à plus de 60°C, ce qui est plus élevé de 15°C
que celle du béton avec une surface noire. Cependant, comme on le voit sur la figure 37 (b), la
température sous la surface de la couche d’asphalte diminue rapidement avec la profondeur et
à 10 cm de profondeur la température de l’asphalte est presque la même que sous le béton
ayant une surface noire. Ceci est dû au fait que la conductivité thermique du béton est plus du
double de celle de l’asphalte et le flux de chaleur à la surface du béton à surface noire est
rapidement conduit à l’intérieur du béton alors que dans le cas de l’asphalte, c’est
principalement la couche à la surface qui est chauffée.
Le béton stocke ainsi une certaine quantité de chaleur (non négligeable) durant la journée du
fait de sa conductivité thermique et garde une température de surface supérieure à celle de
l’air durant la nuit contribuant ainsi au réchauffement de l’atmosphère, mais de façon moindre
que l’asphalte grâce à son albédo plus important que celui de ce dernier.
118
Le transport turbulent de la chaleur sensible contribue directement au réchauffement de
l’atmosphère. Comme on le voit dans la figure 38, le flux approche 350 W.m-2 pour l’asphalte
et 200 W.m-2 pour le béton au moment le plus chaud de la journée.
La surface en asphalte émet au maximum 150 W.m-2 de rayonnement infrarouge en plus et au
maximum 200 W.m-2 en chaleur par conduction au sein de la surface par rapport à un sol nu.
(a) 5 a.m., (b) 1 p.m., (c) 5 p.m. (____) : asphalte. (__ _ __ _) : béton avec une surface noire.
(__...__) : béton de couleur normale. (-------) : macadam. (……) : couche de sable. (__.__) :
sol nu. Les épaisseurs sont de 10 ou 30 cm.
Figure 37 : Distribution des températures au sein des différents types de sol (observations de
1990) (Asaeda et al., 1996).
( ____ ) : rayonnement de courtes longueurs d’onde descendant. ( …...) : L↓. ( -----) : L↑. ( _ _
_ _) : somme des flux de chaleur latente et sensible. ( _._._) : flux de chaleur descendant de la
surface.
Figure 38 : Bilan d’énergie à la surface du sol. (a) asphalte, (b) béton, (c) sol nu sec (Asaeda
et al., 1996).
Il est à noter que le calcul du flux de chaleur stockée pour l’asphalte et le béton s’est appuyé
sur une formule fonction des différences temporelles de températures à différentes
119
profondeurs et des caractéristiques thermiques du sol43. Pour le sol nu, l’amplitude durant la
journée des températures à 20 cm de profondeur était inférieure à 1°C, Asaeda et al. (1996)
ont donc supposé que le flux de chaleur par conduction à 20 cm de profondeur était nul. Ainsi,
si Asaeda et al. (1996) montre que la profondeur où l’amplitude de la température journalière
est de seulement 5% de celle de la surface est d’environ 20 cm pour le sol nu, cette valeur
pour l’asphalte et le béton est selon leur expérience supérieure à 30 cm.
La figure 39 représente la variation journalière des flux de chaleur par conduction au sein de
l’asphalte et du béton à 20 cm de profondeur.
Figure 39 : Flux de chaleur de conduction à 20cm de profondeur pour une surface en asphalte
et une autre en béton (Asaeda et al., 1996).
Le rayonnement infrarouge (L↑) et son absorption dans les premiers mètres de l’atmosphère
provoque également une augmentation des températures au niveau du sol. Asaeda et al.
(1996) montre qu’à 14h, le rayonnement infrarouge absorbé au-dessus de la surface en
asphalte est supérieure de 60 W.m-2 à l’absorption observée au-dessus du sol nu et du sol en
béton. Ce rayonnement et son absorption ne sont pas à négliger pour la compréhension de la
formation de l’îlot de chaleur urbain, en effet 60 W.m-2 correspond à un quart des flux de
chaleur sensible et latente ou encore à la moitié de la moyenne journalière des flux de chaleur
anthropique de la zone commerciale de Tokyo (Asaeda et al., 1996).
Les matériaux dits rafraichissants se caractérisent par un albédo élevé vis-à-vis du
rayonnement de courtes longueurs d’onde et d’une émissivité élevée (Santamouris, 2005). Ils
permettent, grâce à l’albédo élevé, de réduire la quantité de rayonnement solaire absorbée par
43
Pour l’asphalte, la conductivité thermique est de 0,74 W.m-1.°C, la capacité thermique est de 1,42 J.cm-3.°C, la
porosité de 8,9% et l’albédo (à 12:00) de 0,10.
Pour le béton, la conductivité thermique est de 1,69 W.m-1.°C, la capacité thermique est de 2,07 J.cm-3.°C, et
l’albédo (à 12:00) de 0,45.
120
l’enveloppe du bâtiment et la structure urbaine, et permettent ainsi de conserver une
température de surface faible. Le fait qu’ils aient également une émissivité élevée (comme la
majorité des matériaux de construction hors métaux), permet d’évacuer l’énergie
préalablement absorbée et d’améliorer la situation intérieure du bâtiment du point de vue du
confort d’été. Ainsi, l’utilisation de matériaux rafraichissants pour l’aménagement urbain
contribue à la présence de températures de surfaces peu élevées, ce qui influence les échanges
thermiques avec l’air, améliore le confort en extérieur et diminue également la température
ambiante (Santamouris (2005), d’après Akbari et al. (1997) et Bretz et Akbari (1997)).
Figure 40 : Différence entre la température de surface et celle de l’air en fonction de l’albédo
des peintures ou des matériaux de toits exposés au soleil (Rosenfeld et al., 1995).
Rosenfeld et al. (1995) présentent dans leur article l’influence de l’albédo d’une surface sur
les températures de surface. La figure 40 issue de leur étude montre les différences de
températures entre la température de surface et celle de l’air, à midi, pour différentes surfaces
horizontales exposées au soleil (les conditions de vent, qui peuvent avoir une influence, ne
sont pas précisées). Pour les surfaces à faible albédo, et donc qui absorbe fortement le
rayonnement solaire, la différence de températures entre la surface et l’air ambiant, ∆Ts-a, peut
atteindre 50°C. Pour des surfaces moins absorbantes (fort albédo), comme celle recouverte de
peinture blanche, ∆Ts-a est d’environ 10°C. L’albédo agit ainsi directement sur le
refroidissement du bâti et sur l’utilisation d’air conditionné.
121
On peut noter que la surface peinte en noir provoque une différence entre la température de
surface et celle de l’air plus importante d’environ 40°C que celle observée pour une surface
peinte en blanc.
L’utilisation de matériaux à fort albédo réduit la quantité de rayonnement solaire absorbé par
l’enveloppe du bâtiment et la structure urbaine, ce qui permet de conserver leurs surfaces à
une température plus fraiche. La diminution de la température de surface réduit également
l’intensité du rayonnement infrarouge. Les températures de l’air ambiant, localement et sous
le vent, sont alors moins importantes du fait de flux de chaleur convectifs plus faibles audessus de surfaces plus froides (Taha, 1997a).
Taha (1997b) a modélisé les impacts de changement à grande échelle de l’albédo sur la
température de l’air et la qualité de l’air (concentration en ozone). Ses modélisations ont
concerné le bassin californien (SoCAB – California’s South Coast Air Basin). Selon Taha
(1997b), une augmentation de l’albédo de la surface permet une diminution des températures
de surface, ce qui, par voie de conséquence, diminue également la température de l’air dans
les zones modifiées ou situées sous le vent de celles-ci. Pour son étude, Taha (1997b) a utilisé
une version du Colorado State University Mesoscale Model (CSUMM), un modèle
atmosphérique, pour simuler la météorologie du bassin californien et sa sensibilité à des
modifications de l’albédo des surfaces. Pour les conséquences de ces modifications
météorologiques sur la qualité de l’air, le modèle Urban Airshed Model (UAM) a été utilisé.
L’albédo moyen du bassin est de 0,14. Pour connaitre la modification possible de l’albédo,
Taha (1997b) a distingué les espaces dont l’albédo est modifiable (zones résidentielles, zones
de bureaux, commerces, parkings, etc.) et les espaces sans modification possible (parc, désert,
etc.). Pour chaque maille de 5x5km, la fraction de ces deux types d’espaces a été déterminée
pour pouvoir ensuite estimer l’augmentation possible de l’albédo. Pour les surfaces où
l’albédo est modifiable, l’augmentation d’albédo a été fixée à 0,15 pour le cas modéré et à
0,30 pour le cas extrême. Les simulations, effectuées sur une journée d’août, suggèrent qu’une
diminution de température allant jusqu’à 2°C est possible dans certaines mailles dans le cas
modéré. Dans ce cas, les diminutions les plus importantes ont lieu pour la plupart dans le
centre du bassin, c'est-à-dire à Los-Angeles. Pour les alentours des diminutions de l’ordre de
1°C sont observées. Dans le cas extrême, des diminutions de température de 4,5°C ont lieu au
centre du bassin, et pour les zones aux alentours la diminution est en moyenne de 2°C. En ce
qui concerne l’ozone, les simulations suggèrent que des augmentations à grande échelle de
122
l’albédo peuvent causer localement des effets positifs ou négatifs selon l’endroit du bassin (la
diminution de la température diminuerait également à certains endroits la hauteur de la couche
limite au sein de laquelle se dispersent les polluants). Cependant, l’effet moyen sur le bassin
entier est quand même une réduction des concentrations d’ozone.
Si la couleur d’une surface a une forte influence sur l’absorption de la chaleur44, Givoni
(1998) signale que les surfaces ayant une couleur d’une teinte similaire (foncée comme claire)
peuvent avoir un albédo différent et auront ainsi, pour des conditions identiques de
températures de l’air et de rayonnement solaire, des températures différentes. Givoni (1998)
concède cependant que la couleur reste un indicateur souvent juste de la réflectivité d’une
surface.
44
Escourrou (1981) propose ainsi une absorption de 100% pour le noir ; de 85 à 90% pour le bleu, le brun et le
vert ; de 75 à 85% pour le gris, le ciment et le métal ; de 70 à75% pour le rouge, le brun clair et le kaki ; de 50 à
55% pour les couleurs pâles ; et de 40 à 45% pour le blanc.
123
VII Synthèse
A partir de l’observation du climat urbain jusqu’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. Si les premiers travaux étaient avant tout
consacrés à l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les
climatologues se sont progressivement intéressés à d’autres paramètres climatiques puis à des
échelles inférieures à la ville mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine et
des propriétés physiques des matériaux de construction.
Le climat urbain s’analyse à différentes échelles et par la mise en évidence de certaines
relations de cause à effet. A l’échelle micro, c'est-à-dire à l’échelle de la rue, les mécanismes
physiques mis en jeu concernent les écoulements de l’air, fortement perturbé par le milieu
urbain, l’évapotranspiration, en nette diminution par rapport au milieu rural voisin, les apports
anthropiques de chaleur, ou encore les perturbations radiatives et thermiques, dues
principalement à la géométrie de la ville et aux propriétés radiatives des matériaux de
construction. L’ensemble de ces mécanismes physiques initiés à l’échelle de la rue engendre
des phénomènes à l’échelle de la ville que nous avons explicités au travers du bilan radiatif
(dont l’ensemble des termes est affecté par le milieu urbain du fait de sa géométrie, des
matériaux ou de la pollution atmosphérique), du bilan énergétique (dont l’étude permet
d’expliquer notamment la formation de l’îlot de chaleur urbain), du bilan hydrique, de la
circulation atmosphérique et des précipitations et averses orageuses. La ville influence ainsi,
plus ou moins fortement, l’ensemble de ces phénomènes. Ces derniers peuvent également être
favorisés par des prédispositions naturelles telles que la topographie (montagne, vallée,
plaine, etc.). Plusieurs facteurs entrent dans la formation du climat urbain : des facteurs
naturels (les conditions anticycloniques, la saison, les conditions météorologiques de la
journée, la vitesse du vent, la couverture nuageuse, etc.) et des facteurs urbains, qui
comprennent à la fois la couche superficielle du sol (présence plus ou moins importante de
surfaces végétales ou d’eau), les activités humaines (rejets de chaleur anthropique et de
polluants), et la structure urbaine (morphologie du cadre bâti, matériaux de construction).
Cette analyse nous a donc permis de mieux comprendre et d’expliquer les processus à
l’origine de la formation du climat urbain.
124
Les recherches concernant la diminution de l’îlot de chaleur urbain permettent de comparer
l’influence des différents facteurs urbains en tenant compte de la possibilité de mettre en
œuvre ces différentes modifications. Actuellement, les modélisations effectuées pour tester la
sensibilité du climat et de l’îlot de chaleur urbain à certaines actions (végétalisation des
espaces, variation des flux de chaleur d’origine anthropique, augmentation de l’albédo des
surfaces, etc.) se concentrent majoritairement sur les situations estivales. Or, les modifications
du cadre bâti ou non bâti et des rejets de chaleur anthropique influencent l’intensité de l’îlot
de chaleur à la fois en été et en hiver. Cette dernière saison ne peut être négligée si nous
voulons intégrer de nouveaux éléments et critères dans la conception et la gestion de l’espace
urbain.
Les modélisations mettent également l’accent principalement sur l’albédo des matériaux (toit
et voirie notamment) et sur la végétalisation des espaces. Cela peut s’expliquer par la
difficulté à modifier une morphologie urbaine compte tenu de l’inertie de l’évolution du tissu
urbain.
Pour compléter la connaissance offerte par les différentes études menées jusqu’à présent sur
l’influence de différents leviers d’action, nous avons décidé d’effectuer nos propres tests de
sensibilité du climat urbain à la modification de certains facteurs.
125
126
Deuxième partie :
Méthodes et modèles de simulation
numérique
127
I
Déroulement de la recherche et méthodes utilisées
Ce travail de recherche a pour objectif de contribuer à l’analyse de l’intégration des enjeux du
climat urbain dans les différents moyens d’intervention sur la ville. Il s’inscrit dans un cadre
pluridisciplinaire où les champs distincts mais complémentaires de la climatologie urbaine et
de l’urbanisme s’associent pour répondre à la problématique qui est la notre, à savoir :
comment favoriser une meilleure prise en compte des facteurs, influençant le climat urbain, et
sur lesquels l’homme peut agir au travers de l’aménagement des villes ?
Le caractère pluridisciplinaire de cette thèse s’inscrit dans une volonté actuelle d’intégrer à la
pratique de l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine.
Aujourd’hui, le fossé entre les études pointues mais théoriques en climatologie urbaine et la
pratique de l’aménagement urbain tente d’être comblé par différents auteurs d’ouvrages et
d’outils relatifs à la prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture ou
relatifs au rafraichissement des villes. Le premier chapitre de la première partie a explicité ce
contexte de notre recherche.
Pour répondre à notre problématique, un des premiers points à étudier a été la formation du
climat urbain. Ceci fait l’objet de la première partie. Cette analyse permet d’identifier les
facteurs, contrôlables et incontrôlables par l’homme, participant à la formation du climat
urbain et à l’intensité des modifications climatiques observées. Nous nous sommes appuyés
pour cela sur une analyse bibliographique dans le domaine de la climatologie urbaine. Or la
description du milieu urbain utilisée dans ce cadre n’est pas forcément identique ou en
adéquation avec la façon de concevoir la ville, il était donc intéressant de mettre en relation
facteurs influant sur le climat urbain et domaines d’actions de l’urbanisme. Cette proposition
est présentée dans le premier chapitre de la troisième partie.
L’état de l’art ne permettait également pas de proposer une hiérarchie entre les différents
leviers, chaque étude ne comportant pas les mêmes hypothèses, analysant seulement un
nombre limité de facteurs, ou se situant dans un contexte climatique uniquement estival. Nous
avons donc décidé de mettre en place nos propres simulations pour essayer de quantifier
l’influence de différents facteurs sur le climat urbain. Le choix du modèle de simulation s’est
appuyé sur l’étude des différents modèles existants (chapitre suivant). Pour le sélectionner,
plusieurs critères ont été proposés en relation avec leur capacité à modéliser les mécanismes
128
physiques à l’origine de la formation du climat urbain et leur capacité à prendre en compte les
domaines d’action identifiés.
Nous avons ensuite pu effectuer des tests de sensibilité à différents critères dépendant de la
structure du modèle et des domaines d’action identifiés précédemment. L’ensemble des
hypothèses et des choix effectués, et des résultats des simulations sont présentées dans la
troisième partie.
Dans la mesure où nous avions une ambition opérationnelle, notre étude ne pouvait se limiter
à l’analyse quantitative des effets de différents leviers sur le climat urbain. Nous avons donc
choisi d’analyser, au travers des moyens actuels à disposition des collectivités territoriales
françaises, la possibilité d’intégrer de nouveaux critères climatiques à la conception urbaine.
La dernière partie s’intéresse donc à la mise en application c'est-à-dire aux moyens à
disposition des collectivités pour intégrer des notions de climatologie urbaine à la conception
de la ville. Alors que les première et troisième parties qui la précèdent peuvent être associées
à une approche analytique, c'est-à-dire s’intéressant plus particulièrement aux éléments du
système formé par la ville, cette dernière partie se rapprochera d’une analyse systémique,
tenant compte des relations entre les éléments de l’écosystème urbain (cf. lexique).
129
II
Modèles de simulation numérique du climat urbain
Pour l’étude des perturbations climatiques engendrées par une ville, il est intéressant de
distinguer, nous l’avons vu, trois échelles d’étude : la micro-échelle, l’échelle locale et la
méso-échelle (première partie). Le climat urbain ou, plus précisément, les différents
phénomènes physiques à son origine sont aujourd’hui modélisés à chacune de ces trois
échelles avec plus ou moins de précision. Plusieurs modèles ont ainsi été développés, avec
chacun leurs propres hypothèses et leur propre portée.
L’échelle micro ne permet pas de regarder l’influence globale sur le climat urbain de choix
concernant la conception urbaine mais seulement les conséquences climatiques en un lieu
précis. L’échelle locale ne permet également pas de prendre en considération l’ensemble de la
ville mais nous avons préféré ne pas l’exclure de notre recherche dans l’immédiat afin
d’éviter de manquer un modèle pertinent pour notre étude. Nous nous sommes donc intéressés
aux modèles permettant une représentation du climat urbain aux échelles locale et méso.
L’objectif n’est pas de lister de façon exhaustive tous les modèles existants mais d’identifier
et d’exposer quelques modèles avec certaines de leurs portée et limites. Nous présenterons
dans la mesure du possible pour chacun d’entre eux : le ou les auteurs à l’origine du modèle,
l’échelle de la modélisation, les bases scientifiques, la portée et les limites du modèle, et le
stade de la validation.
Ces présentations nous permettront par la suite d’argumenter notre choix de modèle.
II.1 Modèles climatiques à échelle locale
Les modèles s’intéressant aux échelles locales s’appuient sur une discrétisation spatiale
(maillage) relativement fine du cadre bâti. Cette description du cadre bâti permet une
représentation relativement précise des qualités climatiques d’un lieu. Cette finesse de la
description ne permet cependant pas une représentation entière d’une ville.
Pour illustrer cette échelle, nous avons sélectionné deux modèles : ENVI-met et SOLENE.
II.1.1 ENVI-met (Environmental Meteorology)
ENVI-met (Environmental Meteorology) a été développé au sein du Groupe de Recherche en
climatologie (GRC) au département de géographie de l’université de Bochum en Allemagne
par Michael Bruse. Ce modèle simule les interactions entre différentes surfaces urbaines, la
130
végétation et l’atmosphère. Il permet ainsi d’analyser l’impact sur le microclimat de
modifications de l’environnement urbain à petite échelle (arbres, cours intérieures
végétalisées, etc.). (Bruse, 1999 ; www.envi-met.com/)
ENVI-met est un modèle 3D non hydrostatique45 qui s’appuie sur une grille géométrique. La
résolution horizontale est entre 0,5m et 5m pour une maille. Au total, la grille entière (le
maillage) peut avoir une dimension de 250x250x25 mailles pour les ordinateurs récents. Cela
permet de couvrir une zone de 100mx100m jusqu’à 1kmx1km. ENVI-met n’est donc pas
conçu pour modéliser le climat d’une ville entière mais seulement d’un quartier.
Figure 41 : Un exemple de l’éditeur utilisé pour créer les fichiers nécessaire à la simulation
pour ENVI-met (Bruse, 2004).
ENVI-met s’appuie sur la résolution numérique des équations de la mécanique des fluides et
sur le bilan d’énergie. En d’autres termes, il calcule l’écoulement du vent autour des
différentes structures urbaines ainsi que les autres variables associées au bilan d’énergie et
aux processus de transfert atmosphérique (calcul des ombres, de la réflexion, de la turbulence,
45
En météorologie, l'approximation hydrostatique stipule que la composante verticale de la force de pression
(poussée d’Archimède) est en équilibre exact avec la force gravitationnelle (poids) : l'équilibre hydrostatique.
Elle permet de négliger, dans le calcul de la pression le long de l'axe vertical, les forces dues : au mouvement
horizontal ou vertical de l'air ; à la force de Coriolis. Il s'ensuit que la pression, en tout point du volume
atmosphérique, est uniquement et directement proportionnelle au poids de la colonne d'air au-dessus de ce point.
Cette approximation est valide à un grand degré de précision dans un très grand nombre des états naturels de
l'atmosphère en particulier pour les mouvements de grande échelle. Elle cesse d'être valide à petite échelle (< 10
km) et pour des systèmes intenses comme les tornades et les orages.
131
de l’évaporation des plantes, etc.) (Bruse, 2004). En plus de ces éléments, le modèle simule
également la dispersion des particules ou encore le confort thermique en extérieur.
L’interface utilisée pour entrer les paramètres de simulation (pas de temps, implantation du
bâti, hauteur des bâtiments, type de végétation, sources de pollution, etc.) est plutôt simple
d’utilisation (figure 41) et permet de visualiser en deux dimensions la zone urbaine à
modéliser. La simulation, qui peut être effectuée sur un ordinateur de bureau, peut prendre
entre quelques heures et quelques jours selon la modélisation effectuée.
Un outil de visualisation (LEONARDO) permet ensuite de visualiser les résultats de la
modélisation, en 2d comme en 3d (Bruse, 2004).
Ce modèle est accessible gratuitement et ce avec les explications (en anglais) sur son
fonctionnement et son utilisation (Site web : www.envi-met.com/). Il existe déjà une
communauté d’utilisateurs et plusieurs exemples de l’usage qui peut être fait d’ENVI-met.
Yu et Hien (2006) ont par exemple étudié l’impact thermique d’un parc urbain. Leur étude
montre que l’effet refroidissant du parc dépend de la direction du vent et de la distance des
bâtiments par rapport au bois. La simulation effectuée a eu lieu lors d’un jour ensoleillé et
sans nuage, avec un vent allant du sud vers le nord d’une vitesse de 1,6 m/s à 10 m au-dessus
du sol. Il y a eu 48h de simulation. Les conditions initiales ont été celles mesurées sur le site
existant, c’est-à-dire celui avec la forêt (a).
Il faut toutefois signaler qu’ENVI-met est un modèle qui n’a jusqu’à ce jour pas fait l’objet de
validation complète. Les rares essais de validation réalisés en milieu urbain ont été assez
sommaires, notamment du fait du manque de données sur les zones étudiées (Samaali, 2002).
Il est donc difficile de savoir à quel point une modélisation se rapproche de la réalité.
Des simulations effectuées à une échelle micro sur plusieurs surfaces de Thessalonique en
Grèce ont été confrontées à des mesures effectuées sur site. La comparaison entre les mesures
et les simulations pour les températures de surface et de l’air révèle quelques différences
positives comme négatives. Celles-ci s’expliquent en partie par les effets d’ombre temporaires
des bâtiments voisins. Elles peuvent être considérées, selon Chatzidimitriou et al. (2006),
comme étant suffisamment faibles pour ne pas remettre en cause la justesse du modèle.
132
A cela s’ajoute le fait qu’ENVI-met présente quelques difficultés à « tourner » sans vent selon
son créateur Michael Bruse (www.envi-met.com/) et qu’il ne prend pas en compte les rejets
de chaleur liés au trafic automobile qui peuvent être importants dans certains cas.
Figure 42 : Trois scenarii et leurs profiles des températures (limite basse : 303.45 K; limite
haute : 301.8 K) pour z = 2m à 06:00 h. (a) forêt d’origine, (b) pas de forêt, (c) des bâtiments
(Yu et Hien, 2006).
II.1.2 SOLENE
Le logiciel de simulation SOLENE est un modèle thermo-radiatif qui a été développé par le
laboratoire CERMA (Centre de recherche méthodologique d'architecture) à Nantes suite à des
recherches sur les paramètres solaires, lumineux et radiatifs des projets architecturaux et
urbains.
133
SOLENE s’appuie sur une modélisation 3D des volumes construits et intègre de nombreux
calculs qui permettent de tenir compte des effets solaires, lumineux et thermiques de la forme
urbaine sur les conditions et le confort en extérieur. Son principal intérêt est de permettre
l’analyse des interactions entre la forme urbaine et ses dimensions environnementale et
climatique, et ce en corrélant des données géométriques de la forme urbaine (agencement,
direction, densité, profil des rues, type de bâti…) avec des propriétés physiques de l’espace
bâti (rugosité, perméabilité de l’air, ouverture au ciel, exposition solaire, potentiel de
lumière…) (Groleau et al., 2003).
Les applications de SOLENE sont variées et il propose divers modes de visualisation pour
rendre compte des comportements observés dans l'espace et le temps. Ainsi SOLENE permet,
à partir d'une scène géométrique 3D complexe, de calculer des durées d'ensoleillement, des
flux d'énergie solaire, des températures de paroi (figure 45) ou encore des niveaux
d'éclairement intérieurs et extérieurs en prenant en compte les transparences, les effets de
masques, les modèles de ciels spécifiques et les inter-réflexions (Musy et al., 2006). Il permet
également de traiter des fonctions diverses d'analyse de l'éclairement comme les facteurs de
ciel, les facteurs de lumière du jour sur des plans horizontaux46, etc. ou encore les problèmes
de rayonnement thermique (solaire et thermique IR) permettant d'évaluer les températures de
surface
des
parois
et
d'appréhender
le
niveau
de
confort
en
extérieur
(http://www.cerma.archi.fr/CERMA/Expertise/solene/). Champs de vitesse et température de
l’air à 1,5m de hauteur sont également calculés.
Figure 43 : Températures et flux solaires calculés sur les surfaces des bâtiments, des arbres et
sur le sol (UMR 1563 Ambiances architecturales et urbaines, 2002-2005)
46
Facteur de lumière du jour (FLJ) : rapport de l'éclairement intérieur reçu en un point du plan de référence
(généralement le plan de travail ou le niveau du sol) à l'écalirement extérieur simultané sur une surface
horizontale en site parfaitement dégagé. Il s'exprime en %.
134
Le modèle 3D représente, sous forme de facettes planes polygonales, les surfaces externes du
site urbain à modéliser (toits, façades, cours intérieures et rues). Une maille triangulaire est
appliquée à ces facettes et le calcul s’effectue pour le barycentre de chacun des éléments de la
maille (figure 44). Le modèle thermique fonctionne dans des conditions instationnaires, c'està-dire instable dans le temps, avec des données météorologiques variables (air extérieur,
rayonnement solaire) et considère les effets de l’inertie grâce à un modèle thermique de mur.
Le modèle géométrique et le modèle du mur sont associés ; à chaque élément de maille
correspond une définition spatiale, une liste de propriétés physiques (albédo, émissivité…) et
un modèle de mur. (Groleau et al., 2003).
Les températures de surfaces sont estimées à partir des flux infrarouges précédemment
calculés et qui dépendent eux-mêmes des températures de surface. Les différentes opérations
de calculs sont réitérées tant que l’on ne constate pas une convergence des températures de
surface calculées47 (Ringenbach, 2004).
SOLENE permet donc une représentation fine de la morphologie du quartier à simuler.
La structure urbaine
Le modèle 3D du bloc urbain
La maille de simulation
Figure 44 : De la structure urbaine à la maille de simulation (Groleau et al., 2003).
Le modèle SOLENE peut permettre une simulation à l’échelle de la rue et de la place ainsi
qu’à l’échelle de l’îlot ou du quartier. Il se positionne donc sur des échelles micro et locale.
Une application du modèle sur un quartier de Marseille (Groleau et al., 2003) ou encore sur
plusieurs sites de Strasbourg (Ringenbach, 2004) ont permis de valider la pertinence du
47
Les différentes températures de surfaces calculées forment une suite mathématique qui est amenée à devenir
convergente vers un point I (une température ici). Une définition simplifiée d’une suite convergente est : une
suite u est dite convergente vers un point l (pas nécessairement unique) lorsque tout voisinage de l contient tous
les termes de la suite à partir d'un rang suffisamment grand.
135
modèle. Notons cependant que SOLENE ne prend pas en compte les flux de chaleur latente et
d’origine anthropique (Ringenbach, 2004) et n’intègre pas encore les bilans hydriques.
II.2 Modèles climatiques de l’échelle locale à la méso-échelle
Les modèles de villes de méso-échelle sont issus en partie des représentations des milieux
urbains au sein des modèles climatiques régionaux. En effet, au sein de ces modèles, les zones
urbaines étaient initialement représentées pour la plupart par des sols secs et rugueux, ce qui
était loin de représenter la complexité du fonctionnement climatique d’une ville. Des schémas
de surface ont donc été développés pour permettre une meilleure représentation des
phénomènes climatiques urbains.
La majorité de ces modèles permettent ainsi un couplage avec des modèles atmosphériques de
plus grande échelle, tels que ceux utilisés pour les prévisions météorologiques (figure 45).
MODELE ATMOSPHERIQUE
Coordination des mailles du fait des
différentes échelles
Conditions
aux limites
au sommet
de la
canopée
Le couplage des composantes du
système climatique se réalise à
travers : Flux radiatifs, flux de chaleur
sensible et latente, flux de quantité de
mouvement, flux d’eau.
MODELE DE SURFACE
Figure 45 : Fonctionnement d’un couplage entre un modèle atmosphérique et un modèle de
surface.
Trois catégories peuvent être distinguées au sein de ces modèles : les modèles empiriques, les
modèles d’espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées, et les modèles de
la canopée urbaine (Masson, 2006).
II.2.1 Modèles empiriques
Les modèles empiriques s’appuient principalement sur l’observation du bilan d’énergie de la
surface. L’objectif est de reproduire les flux énergétiques de la canopée en utilisant des
136
relations statistiques obtenues avec l’observation. De tels modèles empiriques utilisent très
peu de forçage (exemples : type de surface, radiation solaire), et ne requièrent pas la
résolution de nombreuses équations. Cette approche s’appuie sur le fait que le comportement
physique est déjà contenu dans les données observées (Masson, 2006).
Pour illustrer ces modèles empiriques nous avons choisi un des plus précis et complet selon
Masson (2006), le NARP-LUMPS (Net All-wave Radiation Parameterization / Local-scale
Urban Meteorological pre-processing Scheme), développé par Grimmond et Oke (2002).
Le schéma NARP-LUMPS consiste à évaluer le bilan énergétique de la ville. Il simplifie
cependant l’équation de ce bilan en n’intégrant pas le flux de chaleur anthropique produit par
les processus de combustion, de métabolisme et de rejets thermiques (QF ) et en ignorant le
flux de chaleur advectif (∆QA) ce qui revient à considérer l’équation suivante (Grimmond et
al., 1991) :
Q* = QH + QE + ∆QS
(formule 14)
Avec : Q* le rayonnement net
QH le flux turbulent de chaleur sensible
QE le flux turbulent de chaleur latente
∆QS la variation de la quantité de chaleur stockée par la zone urbaine.
NARPS-LUMPS s’appuie sur plusieurs étapes (figure 46).
Tout d’abord, le rayonnement net (Q*) est estimé soit par le biais de mesures, soit en utilisant
le rayonnement de courtes longueurs d’onde (K↓), des observations météorologiques
(température de l’air, pression de vapeur réelle48, fraction de nuages) et des propriétés
radiatives de la surface (albédo, émissivité), permettant d’estimer le bilan radiatif de la
surface.
Ensuite la quantité de chaleur stockée (∆QS) est estimée par le biais d’un modèle théorique et
expérimental développé par Grimmond et al (1991) (l’objective hysteresis model) et dépend,
en plus du rayonnement net, des caractéristiques physiques de la couverture terrestre. Les
48
La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'eau d'un corps présent également sous forme
liquide ou solide. Lorsque le système est à l'équilibre (les proportions relatives de gaz et liquide ou solide ne
varient pas), la pression de vapeur est dite « saturante ».
137
coefficients utilisés pour représenter ces caractéristiques ont été initialement calibrés de
manière statistique par Grimmond et Oke (1999(a)) à partir de plusieurs type de zones
urbaines (urbain dense, urbain, industriel).
Ensuite, les flux de chaleurs sensible (QH) et latente (QE) sont déterminés en s’appuyant sur le
rayonnement net et le flux de chaleur stockée mais également sur deux paramètres empiriques
dépendant des caractéristiques du sol. Ces mesures permettent de comptabiliser en partie les
flux de chaleur d’origine anthropique (ceci sont en effet intégrer aux flux de chaleur
turbulents et stocké). Les contributions anthropiques de ces flux sont ainsi déjà incluses et ne
nécessitent pas un calcul supplémentaire.
Observations météorologiques
K↓ (Ta, ea, cF)
Q*
Ta , P
∆QS
Albédo
Emissivité
Fraction de
surface
QH, QE
Fraction de
surface
V
L, u*
Rugosité
Densité de rugosité
surface
Couverture du sol et morphométrie (SIG)
Les quantités entre parenthèses sont nécessaires uniquement si le rayonnement net Q* ou le
rayonnement de courtes longueurs d’onde K↓ ne sont pas mesurés (Ta est la température de
l’air, ea est la pression de vapeur, cF est la fraction de nuages, P est la pression, V est la vitesse
du vent, ∆QS est la quantité de chaleur stockée, QH est le flux turbulent de chaleur sensible,
QE est le flux de chaleur latente, L est la longueur de Monin Obukhov49, et u* est la vitesse de
friction (ou de cisaillement)50.
Figure 46 : Structure de NARP-LUMPS (d’après Grimmond et Oke, 2002).
Les données d’entrée de ce modèle se limitent ainsi à :
49
La longueur de Monin Obukhov est une grandeur qui permet de caractériser la stabilité de l’atmosphère à
différente altitude. Plus précisément, cette longueur permet de qualifier l’importance relative de la turbulence
mécanique et de la turbulence convective, à une altitude donnée.
50
La vitesse de friction permet de représenter la fluctuation de la vitesse du vent.
138
•
le rayonnement net (ou le rayonnement de courtes longueurs d’onde) ;
•
la couverture du sol (surface de végétation, bâtiments et matériaux imperméables) et la
morphométrie (rugosité et densité des éléments), qu’il est possible d’obtenir par le
biais d’un système d’information géographique ;
•
les paramètres climatiques standards (température de l’air, humidité, pression et
vitesse du vent).
Comme le signale Masson (2006), ce type d’approche permet d’utiliser des schémas
extrêmement simples. Cependant, leur principal défaut est que les statistiques sont effectuées
sur des données de certains couverts et donc limités par une gamme de conditions (couverture
du sol, climat, saison, etc.) rencontrées dans les études initiales.
NARP-LUMPS a été évalué sur plusieurs villes nord-américaines et a montré de bonnes
performances, c'est-à-dire une représentation des flux énergétiques en accord avec les
observations. Cependant, comme le signalent les auteurs eux-mêmes (Grimmond et Oke,
2002), les effets du vent et des sources importantes de chaleur d’origine anthropique sont
incorporés de façon inadéquate dans le schéma (l’un par la vitesse de friction et l’autre par le
biais des flux de chaleur). Pour les situations dans lesquelles ces variables seraient
importantes, NARP-LUMPS, dans sa configuration actuelle, ne pourrait être utilisé.
II.2.2 Modèles d’espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées
Les modèles d’espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées ont été,
comme leur nom l’indique, développés initialement pour des milieux non urbanisés et
l’objectif est d’y intégrer des paramètres urbains. Pour illustrer ce modèle, nous avons choisi
SM2-U (Soil Model for Sub-Mesoscale Urban) et ses différentes évolutions.
SM2-U est un modèle de sol urbain développé par l’Ecole Centrale de Nantes et qui calcule
les flux de chaleur à l’interface canopée-atmosphère à l’échelle du quartier. Il peut être couplé
avec SUBMESO, un modèle non-hydrostatique développé également par l’Ecole Centrale de
Nantes. SUBMESO permet de simuler les flux atmosphériques avec une résolution allant de
quelques mètres à plusieurs kilomètres. (Leroyer et al., 2004)
SM2-U est une extension du modèle ISBA (Noilhan et Planton, 1989) et peut fonctionner
avec ce dernier pour modéliser conjointement des sols ruraux et urbains (Dupont et al., 2002).
139
Les caractéristiques aérodynamiques des surfaces urbaines sont représentées par une surface
apparente où les obstacles sont modélisés par une longueur de rugosité et une hauteur de
déplacement. Les échanges horizontaux à l’intérieur de la canopée urbaine ne sont pas
modélisés, excepté ceux concernant les réflexions des rayonnements et l’eau de ruissellement.
L’advection du vent entre les surfaces urbaines n’est pas prise en considération. (Mestayer et
al., 2004)
SM2-U permet de prendre en compte huit types de surface (Mestayer et al., 2004) : un sol nu
sans végétation; un sol nu localisé entre des éléments épars de végétation; de la végétation audessus d’un sol nu; de la végétation au-dessus d’une surface minérale (arbres sur un trottoir);
des surfaces minérales localisées entre des éléments épars de végétation ; des surfaces
minérales localisées en-dessous de la végétation ; les toits des bâtiments ; et des surfaces
d’eau. Ces surfaces sont notées au sein de la figure 47 respectivement bare, nat, vegn, vega,
pav, cova, roof et wat.
Figure 47 : Schéma représentant les modèles de bilan d’énergie et hydrique de SM2-U avec
huit types de surface (pav, cova, bare, nat, roof, vega, vegn, wat) et 3 couches de sols
(Mestayer et al., 2004).
Le sol est découpé en trois couches : une couche de surface uniquement pour les surfaces nonurbaines; une deuxième couche de sol qui correspond à la zone d’influence des racines de la
végétation; et une troisième couche de sol utilisé comme un réservoir d’eau pour la deuxième
couche de sol, cet eau se diffusant à la deuxième couche en période sèche.
140
Pour chaque cellule, SM2-U détermine pour chaque type de surface une température de
surface, une humidité spécifique et les flux d’énergie en résolvant les équations des bilans
hydriques et de chaleur. Ensuite une moyenne est effectuée de façon proportionnelle au type
de sol.
L’influence de la canopée urbaine est modélisée dans l’équation du bilan de chaleur de la
surface artificielle en introduisant le stock de chaleur supplémentaire des murs et en tenant
compte du piégeage radiatif à l’intérieur des rues canyon. Alors, la température de la surface
artificielle correspond à une moyenne sur toutes les surfaces des rues. (Dupont et al., 2002)
Les composantes thermiques du modèle SM2-U ont été évaluées avec quatre quartiers
typiques de villes européennes (centre ville, quartier résidentiel, quartier industrialocommercial, et un quartier avec des bâtiments de grande hauteur), et ce sans couplage avec un
modèle régional. La répartition du rayonnement net entre les flux de chaleur sensible, latent et
stocké, en fonction des caractéristiques du quartier, était en accord avec les observations
disponibles sur des quartiers similaires d’une ville américaine (Mestayer et al., 2004).
Le SM2-U couplé avec le modèle atmosphérique SUBMESO simule bien les principales
caractéristiques de la couche limite urbaine au-dessus d’une ville « classique », c’est-à-dire
fortement urbanisée et faiblement pourvue en espaces végétalisés : le développement de
cellules convectives durant la journée ; un important îlot de chaleur urbain le soir et durant la
nuit, transporté par le vent hors de la ville ; et le développement d’une brise urbaine entre les
quartiers urbains les plus frais et les plus chauds (Mestayer et al., 2004).
Des validations en mode forcé, c’est-à-dire sans couplage ou retour sol-atmosphère, ont
également été effectuées sur un quartier central de Marseille durant la campagne UBLESCOMPTE (Baklanov et al., 2005).
Au départ simplement 2D, le modèle de sol urbain SM2-U a été développé par la suite pour
permettre la prise en compte la troisième dimension de la surface urbaine et modéliser ainsi
l’effet canyon des rues.
La résolution spatiale de la maille d’analyse est horizontalement de l’ordre de 1km et de 1m
dans le sens vertical. Les critères pris en compte pour décrire la surface urbaine sont les
suivants : la hauteur moyenne des bâtiments, la densité bâtie au sol, la densité des surfaces
végétales, la densité de surface des toitures, la densité frontale des bâtiments, la densité
141
frontale de la végétation, la fraction de surface des murs par rapport à celle de la maille
analysée, le prospect moyen des bâtiments.
L’interaction entre le modèle de sol SM2-U et le modèle atmosphérique SUBMESO a été
étudiée par Leroyer (2006) et a permis de relever notamment l’importance des paramètres du
modèle de sol. Nous présentons ici uniquement les bilans d’énergie effectués pour quatre
types d’aménagement, à savoir : (a) zone pavillonnaire, (b) centre ville, (c) quartier des grands
ensembles, et (d) zone industrielle et commerciale (figure 48). Toutes les simulations ont été
menées un jour d’été par ciel clair à la position géographique correspondant à Marseille.
Figure 48 : Bilan d'énergie sur les 4 différents quartiers de la ville (a) : zone pavillonnaire,
(b) : centre ville, (c) : quartier des grands ensembles, (d) : zone industrielle & commerciale.
Rn le rayonnement net, LE le flux de chaleur latente, Hs le flux de chaleur sensible et G la
quantité de chaleur stockée (Leroyer, 2006).
Ces modélisations montrent bien les différences de réponses thermiques existant entre ces
quartiers. Par exemple, le maximum du rayonnement net en milieu de journée diffère de
quasiment 100 W/m² selon le quartier. Cela s’explique principalement par les différences de
composition des toitures et les densités de sol bâti et de sol artificiel. Le rayonnement net peut
atteindre jusqu’à 770 W/m² en milieu de journée pour le quartier industriel et commercial. La
142
différence est encore plus nette pour le flux de chaleur latente qui est nul pour la zone
industrielle et commerciale, qui n’a que très peu de végétation.
Les évolutions de la quantité de chaleur stockée et du flux de chaleur sensible correspondent
également bien aux caractéristiques physiques et géométriques des différents quartiers.
Une troisième version a été développée, appelée DA-SM2-U, pour être couplée avec le
modèle atmosphérique Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5). DA-SM2-U utilise la
force de résistance aérodynamique pour représenter les effets dynamiques et turbulents des
bâtiments et de la végétation, et s’appuie sur la version 3D de SM2-U appelé SM2-U(3D),
pour représenter les effets thermodynamiques des éléments de la canopée.
Des simulations sur la ville de Philadelphie (USA) avec une simple représentation de la
morphologie urbaine ont montré que le modèle était capable de simuler les principales
caractéristiques climatiques des zones urbaines et rurales, telles que la vitesse du vent, les flux
autour des obstacles, la température de l’air ou encore l’humidité spécifique (Dupont et al.,
2004).
II.2.3 Modèles de la canopée urbaine
Les modèles de la canopée urbaine ont pour objectif d’établir le bilan d’énergie de la surface
par le biais d’une canopée urbaine 3D réelle. Ils ont en communs les trois paramètres
suivants : les bâtiments sont en 3D ; les bilans d’énergie des toits, routes et murs sont calculés
séparément ; les interactions radiatives entre les murs et les routes sont prises en compte.
Ces modèles peuvent être séparés en deux catégories : les modèles simple-couche où la
canopée de l’air est modélisée (il y a une interaction directe avec uniquement une couche
atmosphérique, au-dessus du plus haut niveau des toits) et les modèles multi-couches qui
utilisent une approche par la résistance aérodynamique (plusieurs couches d’air sont
explicitement influencées par les bâtiments) (Masson, 2006).
Au sein des modèles simple-couche, les échanges entre la surface et l’atmosphère ont lieu
uniquement en haut des canyons et des toits. Cela signifie que lors d’un couplage avec un
modèle atmosphérique, la base du modèle atmosphérique est localisée au niveau des toits.
Cela a pour avantage une certaine simplicité et une facilité de couplage, mais cela signifie
également que les caractéristiques de l’air au sein du canyon doivent être calculées. La
143
température de l’air et l’humidité sont généralement considérées comme étant uniformes au
sein du canyon.
Pour illustrer ces modèles simple-couche de la canopée urbaine, nous avons choisi TEB
(Town Energy Balance).
Les modèles multi-couches utilisent une approche par la résistance aérodynamique, c’est-àdire que les échanges avec l’atmosphère ont lieu au niveau du sol et à plusieurs niveaux
atmosphériques en contact avec les bâtiments. Le bilan d’énergie de la surface est toujours
calculé pour chaque surface ou partie de surface, mais les propriétés atmosphériques, comme
le vent et la température, ne sont pas fixées, elles dépendent plus précisément de l’interaction
entre la canopée et l’air. En particulier, de tels modèles sont capables de représenter les profils
de turbulence de l’air du canyon et dans la sous-couche de rugosité. Cependant, une telle
précision se fait au dépend de l’interaction avec le modèle atmosphérique. En effet, ces
schémas sont relativement complexes à coupler avec un modèle atmosphérique.
Pour illustrer ces modèles multi-couches de la canopée urbaine, nous nous sommes intéressés
au FMV (Finite Volume Model).
II.2.3.a
TEB (Town Energy Balance) : un modèle à simple couche
Le modèle TEB est un schéma de surface développé par Masson (2000) au CNRM (Centre
National de Recherche Météorologique) de Toulouse.
Le schéma de ville TEB permet de simuler les flux turbulents de surface en milieu urbain et
peut contribuer à paramétrer une partie de la surface d’un modèle atmosphérique de mésoéchelle. Il permet de paramétrer les échanges d’énergie et les échanges en eau (vapeur d’eau
et neige inclus) ayant lieu entre les surfaces bâties et l’atmosphère. TEB ne prend en compte
que les surfaces urbaines minérales. Pour tenir compte des surfaces végétales, hydriques ou
naturelles (sol nu) pouvant exister en milieu urbain, TEB peut fonctionner en parallèle avec le
schéma ISBA (pour Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère) (Noilhan et Planton, 1989), qui
modélise les échanges entre la végétation, les sols naturels et les étendues d’eau et
l’atmosphère. Si plusieurs types de couverts sont présents sur une maille, les paramètres sont
moyennés en fonction de la surface relative des types de couvert.
Ces deux schémas peuvent être utilisés en mode forcé. Dans ce cas, des paramètres
atmosphériques (rayonnements incidents, température et humidité de l’air, vent, pressions,
144
précipitations, etc.) sont imposés à une altitude de référence (10 m au-dessus des bâtiments
par exemple). Ils peuvent également être couplés avec un modèle météorologique tel que
Méso-NH (modèle atmosphérique non-hydrostatique de méso-échelle de Météo-France)
(Lafore et al., 1998) ou encore AROME (le nouveau modèle de prévision de Météo-France,
opérationnel fin 2008).
Ua est la vitesse du vent au premier niveau atmosphérique, Ta est la température de l’air, qa est
l’humidité de l’air (Ua, Ta et qa sont imposés à une altitude référence fixée par l’utilisateur),
QH est le flux de chaleur sensible, QE est le flux de chaleur latente, R est la résistance
aérodynamique utilisée pour les échanges.
Figure 49 : Les résistances aérodynamiques, les flux de chaleurs sensibles et latentes et les
paramètres climatiques intervenant au sein du schéma TEB (Masson et al., 2002).
TEB s’appuie sur le concept du canyon urbain (Oke, 1978), c’est-à-dire qu’il considère le
milieu urbain comme un groupe de rues identiques où toutes les directions sont équiprobables.
Trois types de surfaces sont définies (mur, route, toit) et pour chacune d’elles est calculé un
bilan d’énergie surfacique (deux bilans d’énergie peuvent être ajoutés en cas de neige sur les
toits et les routes). Le canyon est défini à partir de la largeur des rues, de la hauteur des murs
145
et de la largeur des immeubles, qui sont constantes sur une maille du schéma. Le schéma
considère des flux de chaleur anthropiques, tels que les flux de chaleur sensible et latente du
trafic et de l’industrie (figure 49).
TEB simplifie considérablement la morphologie urbaine puisqu’il applique le concept de
canyon urbain pour toute la surface urbaine. Cette simplification permet cependant de
représenter les phénomènes physiques urbains de façon relativement satisfaisante pour les
climatologues. Des validations en mode forcé ont eu lieu à Marseille dans le cadre de la
campagne ESCOMPTE-CLU (Lemonsu, 2003. Mestayer et al., 2005), dans le centre-ville de
Mexico (Masson et al., 2002), pour un site industriel de Vancouver (Masson et al., 2002), et
pour un bassin versant périurbain (Lemonsu et al., 2002).
II.2.3.b
Finite Volume Model (FVM) urban module : un modèle multicouches
Un schéma permettant de paramétrer en détail les échanges de surfaces a été développé par
Martilli (2001) au sein du modèle de méso-échelle FVM pour simuler de façon semi explicite
les couches de la canopée urbaine.
La ville est caractérisée par les paramètres suivants (Roulet, 2004) :
•
La forme des rues canyon, qui dépend de la distance entre les rangés de bâtiments
(W), et la forme des bâtiments qui s’exprime en fonction de la largeur des toits (B) et
la hauteur des murs (figure 50) ;
•
La hauteur des bâtiments se fait selon une distribution statistique (modèle
multicouches). On exprime à la fois la probabilité γ d’avoir des bâtiments avec une
certaine hauteur z et la part Γ en bâtiments plus hauts que cette hauteur z (figure 50) ;
γ et Γ sont liés par l’équation suivante :
Γ( ziu ) =
nu
∑γ (z
ju
)
ju = iu
Avec nu le plus haut niveau de la grille urbaine.
•
L’orientation des rues ;
146
•
Les propriétés des matériaux (diffusivité thermique51, capacité thermique, albédo et
émissivité pour les trois types de surfaces urbaines : rue, mur et toit).
Le module calcule le flux turbulent et les paramètres climatiques pour chaque direction de rue
en tenant compte des différentes hauteurs du cadre bâti. Une moyenne est ensuite effectuée en
fonction des orientations spécifiées par l’utilisateur.
W est la largeur des rues, B est la largeur des bâtiments, iu est un des niveaux du module et
IU le centre des différents niveaux urbains (par exemple, IU=(iu + iu+1)/2). γ(ziu) est la
densité de bâtiments dont la hauteur est ziu et Γ(ziu) est la densité de bâtiments dont la
hauteur est plus grande que ziu.
Figure 50 :Représentation schématique de la grille numérique du module urbain (Martilli et
al., 2002)..
Les principaux impacts du cadre bâti sur le flux d’air sont pris en compte (Roulet, 2004)
(figure 51) :
•
La force de trainée52 due aux surfaces verticales des bâtiments (murs) ainsi que la
perte associée de quantité de mouvement53,
•
Les forces de frictions54 des surfaces horizontales (rues et toits), avec également la
perte associée de quantité de mouvement,
•
L’ombrage et le piégeage du rayonnement au sein de la rue canyon, avec les
conséquences induites sur les flux de chaleur,
51
La diffusivité thermique représente la vitesse de pénétration et l’atténuation d'une onde thermique dans un
milieu. Elle exprime l'aptitude d'un corps à transmettre la chaleur plutôt qu'à l'absorber. Plus la chaleur met de
temps à traverser un corps et plus sa diffusivité est faible.
52
La force de traînée est une force qui s'oppose au mouvement du corps et c'est le travail de cette force qui
entraîne une consommation d'énergie.
53
En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et à la masse d'un objet.
54
La friction est la force de résistance au glissement d’un objet au contact de l’autre.
147
•
La production plus importante d’énergie cinétique55 turbulente à partir de l’énergie
cinétique moyenne.
Figure 51 : Effets thermiques et mécaniques pris en compte dans le module urbain du Finite
Volume Model (Krpo et al., 2006).
Les équations de masse, de quantité de mouvement, d’énergie et d’énergie cinétique sont
résolues, et des termes extérieurs sont inclus pour représenter les effets thermiques (radiation
solaire, sources anthropiques, etc.) et les effets mécaniques (le cisaillement du vent, la
turbulence, etc.) des surfaces des bâtiments (toit, murs et rue) (Krpo et al., 2006).
Les effets les plus importants des bâtiments sur leur environnement climatique sont : des
forces de cisaillement (ou forces de frottement) et de résistance importantes, un différentiel
chaud/froid des surfaces au soleil/à l’ombre, des effets de piégeage du rayonnement, et un
stockage de chaleur (Krpo et al., 2006).
Le FVM permet en cas de couplage avec un modèle atmosphérique de plus grande échelle de
reproduire les effets de la zone urbaine. Le cas de la ville de Bâle a été simulé en couplage
(figure 52). L’image de gauche montre la température au-dessus de Bâle quand le modèle
atmosphérique utilise une représentation simple de la ville, c’est-à-dire avec un sol nu et sec.
L’image de droite montre les résultats lorsque les effets liés à la ville sont pris en compte par
le biais du FVM. Cette dernière simulation montre mieux les influences de la ville de Bâle,
qui sont faiblement perçues dans le premier cas.
55
L'énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un
corps est égale au travail nécessaire pour faire passer le dit corps du repos à son mouvement de translation ou de
rotation.
148
Figure 52 : Simulation de la température au-dessus de la ville de Bâle (Suisse) sans (gauche)
et avec (droite) une représentation de la ville par le biais du Finite Volume Mode. (Krpo et al.,
2006). La résolution est de 1km x 1km.
Ce modèle a également été testé en mode couplé avec la ville de Mexico et a donné des
résultats en accord avec les mesures effectuées sur sites (Roulet, 2004).
La finesse proposée par le Finite Volume Model pour décrire le cadre bâti (densité des
bâtiments en fonction de la hauteur) a cependant quelques inconvénients. Ce schéma est en
effet difficile à coupler avec des modèles atmosphériques et le temps de calcul est important
(Masson, 2006).
Plusieurs modèles ont ainsi été développés aujourd’hui pour permettre de simuler le climat
urbain ou, plus précisément, les différents phénomènes physiques à son origine. Chacun d’eux
s’appuie sur ses propres hypothèses et possède sa propre portée.
Le choix du modèle de simulation que nous allons présenter dans la partie suivante s’est
appuyé sur l’étude présentée ici des différents modèles existants. Pour le sélectionner,
plusieurs critères ont été proposés en relation avec leur capacité à modéliser les mécanismes
physiques à l’origine de la formation du climat urbain et leur capacité à prendre en compte les
domaines d’action que nous allons identifier dans la partie suivante.
149
150
Troisième partie :
Quantification des effets de différents
facteurs sur le climat urbain
151
I
Introduction
Les mesures sur site, la simulation en soufflerie ou en tunnel aéraulique ou encore les
simulations numériques sont des méthodes d’analyse ayant permis aux scientifiques de mieux
comprendre les mécanismes de formation du climat urbain. Pour les besoins de cette thèse,
nous avons choisi de nous appuyer sur la simulation numérique.
Plusieurs études se sont appuyées sur la modélisation de différentes stratégies pour diminuer
l’intensité de l’îlot de chaleur (diminution de l’albédo de la voirie, des toits ou encore des
murs, et augmentation de la végétation) dans plusieurs villes. Nous pouvons citer les études
de Rosenfeld et al. (1995), qui ont travaillé sur Los Angeles (Etats-Unis), de Sailor et Dietsch
(2005), qui ont travaillé sur plusieurs villes américaines, ou encore de Rosenzweig et al.
(2006), qui ont travaillé sur New-York (Etats-Unis), et dont nous avons présenté les résultats
en fin de première partie.
En plus de contribuer à la connaissance ainsi acquise, l’objectif ici est de s’enquérir des
possibles effets d’une modification plus profonde de l’aménagement : changement des
hauteurs constructibles, des prospects de rue, de l’isolation du bâti, etc. Il ne s’agit plus ici de
proposer uniquement des stratégies envisageables à court et moyen termes (augmentation des
espaces végétalisés, augmentation de l’albédo des surfaces), mais également de comprendre si
des stratégies à plus long terme ont leur place du fait de leur effet potentiellement important
sur l’intensité du climat urbain et plus particulièrement de l’îlot de chaleur urbain.
Pour examiner ces questions, nous avons dans un premier temps précisé les domaines d’action
permettant d’influer sur le climat urbain. Puis nous avons donc choisi un modèle de
simulation numérique, et élaboré un plan d’expériences pour exploiter ce modèle. Ces deux
étapes abouties, les simulations et l’analyse des résultats ont pu être effectuées.
152
II Proposition de domaines d’actions et de leviers pour agir
sur le climat urbain
Dans la première partie, nous avons explicité l’influence de différents facteurs urbains dans
l’apparition du climat urbain. Nous avons ainsi mis en évidence les conséquences climatiques
dues à une couche superficielle du sol faiblement pourvue en espaces végétalisés et fortement
imperméabilisée, à des activités génératrices de chaleur et à la présence de bâtiments et
d’infrastructures.
Ces trois catégories de facteurs (couche superficielle du sol, activités et cadre bâti) ne
correspondent pas en tant que telles à des leviers d’actions. En effet, elles correspondent plus
à une description de la ville par « couches », où le sol est le lieu recevant un certain cadre bâti
(contenant) dans lequel des activités sont effectuées (contenu). Ceci ne reflète pas la manière
dont se construit, se gère et « s’utilise » la ville.
Cinq grands domaines d’action apparaissent pour influer sur le climat urbain : le bâtiment,
l’espace public, l’organisation urbaine, les activités industrielles et les transports. Pour chacun
de ces domaines, les sous-chapitres suivants présentent tout d’abord leur définition et les
leviers d’actions, que ce domaine contient, avec leurs critères d’évaluation. Il est à noter que
ces cinq domaines ne sont pas indépendants et que des relations existent entre les éléments qui
les composent.
Les leviers d’action concernant les activités industrielles et les transports étant plus de l’ordre
de l’organisation ou de l’amélioration des équipements que d’une modification du cadre bâti,
nous avons choisi de ne pas les spécifier dans notre étude même si nous tenons compte de leur
influence.
II.1 Bâtiment
Le bâtiment est défini comme une construction destinée à servir d’abri et à protéger des
personnes et des biens individuels ou collectifs. Ses caractéristiques techniques et physiques
sont avant tout déterminées par ce qu’il va protéger, par sa fonction mais également par les
contraintes réglementaires auxquelles il est soumis56.
56
Nous faisons ici volontairement abstraction de l’influence sur les éventuelles caractéristiques du bâtiment des
envies et goûts en termes d’habitat des différentes catégories sociales. L’article de Cluzel (1986) examine cette
153
Trois leviers d’actions en relation avec ce domaine apparaissent suite à l’analyse
précédemment effectuée sur la formation du climat urbain :
•
La forme du bâtiment, souvent représentative d’une époque et/ou d’une architecture.
Elle peut se décrire par la taille, le gabarit de l’immeuble, son nombre d’étage, sa
surface, etc. (figure 54).
•
L’enveloppe du bâtiment, représentative également d’une époque et/ou d’une
architecture. Les matériaux utilisés et la couleur extérieure constitue les principaux
éléments descriptifs de ce levier d’action.
•
Le fonctionnement du bâtiment. Il se décrit avec le type d’occupation, les systèmes de
ventilation, de climatisation et de chauffage installés, etc.
II.2 Espace public
L’espace public trouve de multiples définitions. Comme le signale Dumont (2005), c’est un
« terme protéiforme, à la fois « espace métaphysique », « espace d’émergence de la raison »,
« phénomène sociologique de rencontre », « miroir des comportements », « manière de vivre
ensemble » ou encore éléments du « tissu construit » ». Il est ainsi parfois défini par
opposition aux espaces commerciaux, culturels et privés. Par espace public, nous entendons
ici uniquement la voirie (terrestre), les rues principalement et les places, et les espaces verts
ou végétalisés (privatifs compris).
Il existe un grand nombre de types de rues (Allain, 2004). Dans notre cas nous resterons sur
une typologie restreinte contenant simplement des ruelles et rues ordinaires, des rues
principales, des boulevards et des avenues et donc en excluant les rues-ponts, les escaliers
urbain, les passages couverts, les skyways, les rues souterraines, les rues-canaux, les ruesquai. Trois leviers d’actions peuvent être mis en avant :
•
La forme des rues, qui inclut leur largeur, leur profil en travers, leur gabarit, le rapport
chaussée-trottoir.
•
La composition (les matériaux) du sol de la voirie, c'est-à-dire principalement le
revêtement en surface.
différence de définition de l’habitat idéal selon les modes de vie, les aspirations et la part de rêve des catégories
de personnes.
154
•
La géométrie des rues, c’est-à-dire leur tracé, rectiligne ou sinueux, leur orientation.
Il existe également le levier d’action suivant, qui concerne à la fois la voirie et les espaces
verts :
•
Les arbres d’alignement, présents principalement sur les boulevards et les avenues.
Les espaces végétalisés d’une ville comprennent les parcs et jardins publics mais également
les jardins privés. Ces derniers peuvent constituer une surface importante. Le levier d’action
suivant peut être proposé :
•
La nature de l’espace végétalisé, qui comprend à la fois le type d’espace (parc, jardin
ou square) et la nature de la végétation présente.
II.3 Organisation spatiale
Par organisation spatiale, nous entendons l’agencement spatial des bâtiments et de l’espace
public les uns par rapports aux autres et leur importance en termes de surface au sein de la
ville. Les techniques de construction des bâtiments sont dans le champ d'étude de
l'architecture ; déterminer la manière dont les bâtiments sont organisés à l'échelle de la ville
incombe à l'urbanisme.
Les bâtiments constituent les pleins, alors que l’espace public, tel que nous l’avons défini,
constitue la majorité des vides. C’est l’agencement de ces pleins et de ces vides qui nous
intéressent. C’est à la fois le plan, le maillage, le volume urbain que constitue l’ensemble des
deux domaines précédents.
Concernant ce domaine d’action, trois leviers d’action peuvent être proposés :
•
Les densités, qui donnent un aperçu synthétique de l’espace urbain. Ces densités
comprennent ainsi la densité construite, la densité de population, la densité
résidentielle, la densité d’espaces verts, la densité d’arbres d’alignement, la densité de
voirie, etc.
•
L’agencement des espaces publics au sein de la ville, que l’étude du rapport entre les
pleins et les vides peut éclairer ainsi que la position des espaces verts dans la ville.
155
•
La forme et le profil de l’espace urbain, qui comprennent les rapports entre largeur de
rue et hauteur d’immeuble, l’alignement des bâtiments sur la rue, la silhouette des
villes, etc. (figure 53).
La densité est très utilisée en urbanisme et en architecture, mais selon son usage et l’échelle
considérée (parcelle, îlot, secteur d’habitat ou de ville), elle n’est pas définie de façon
identique comme nous le montre le tableau 8 issu du livre de Allain (2004). Sur l’ensemble de
ces densités, seul le coefficient d’emprise au sol a une réelle influence pour l’étude de la
climatologie urbaine, les autres types de densité étant plus destinées à décrire l’espace
intérieure du bâtiment.
Tableau 8 : Types de densité et indicateurs (Allain, 2004)
Notions
Densité de secteur (DS)
Densité d’îlot (DI)
Densité parcellaire (DP)
COS net réel (COSr)
COS net légal (COSl)
COS brut (COSb)
Emprise au sol
Epannelage moyen
-
Critères, unités
Logements/ha
SHON, logt/ha
SHON
SHON existante / SP
SHON autorisée / SP
SHOB / SP
SHOB du rez-de-chaussée
SHOB / emprise bâtie
Usage principale
Projet urbain, SD, PLU
Programmation urbanistique
Programme de construction
Analyse morphologique
POS/PLU ; constructibilité
Volumétrie générale
Consommation d’espace
Analyse morphologique
SHOB (Surface hors œuvre brute) = Surface de planchers calculée à partir du mur extérieur de façade,
sans aucune déduction.
SHON (Surface hors œuvre nette) = SHOB – combles et sous-sols non aménageables (h < 1,80
mètres), balcons, loggias, toitures-terrasses accessibles, surfaces non-closes en rez-de-chaussée.
Surface habitable = SHON – surface des murs, cloisons et gaines techniques et espaces communs.
CES (Coefficient d’emprise au sol) : exprime le pourcentage de surface bâtie au sol. Il s’évalue à la
parcelle (SP), à l’îlot ou au secteur d’habitat ou de ville.
Tableau 9 : Part du sol occupé par la voirie (%) (Allain (2004), d’après Métropolis, OCDE,
Banque Mondiale).
Villes d’Europe
Villes d’Amérique du Nord
Villes d’Asie
Calcutta
Bangkok
Los Angeles
25%
30%
15%
5%
11%
40%
La densité de la voirie, c’est-à-dire la part de sol occupé par la voirie, varie d’un urbanisme à
l’autre comme le montrent les chiffres publiés par la Banque Mondiale (tableau 9). Dans le
156
cadre de notre étude, c’est également une densité qui a une certaine importance, du fait du
comportement des sols en asphalte (cf. première partie).
Figure 53 : Profils et domaines urbains (Allain (2004), d’après J.-P. Paulet, Géographie
urbaine, Armand Colin, 2000)
Figure 54 : Volumétrie générale et éléments de façade (Allain, 2004)
157
Si pour Allain (2004), « Les silhouettes des villes sont révélatrices des types de sociétés, de
leur traditions et leurs règlements, de leur plus ou moins grand dynamisme », elles
correspondent dans notre cas à une influence plus ou moins importantes sur différents
paramètres climatiques (figure 53).
La figure 54 permet d’expliciter certains termes descriptifs utilisés pour un bâtiment en
architecture.
II.4 Synthèse des leviers d’actions et des critères d’évaluation en relation
avec la climatologie urbaine
Les leviers d’actions peuvent être décrits à partir de différents critères. Le tableau 10 cidessous présente de façon non exhaustive les critères existants.
Tableau 10 : Domaines, leviers d’actions et critères descriptifs des leviers.
Domaine
Le bâtiment
Levier d’action
Forme du
bâtiment
Unité du
critère
Critère
Définition du critère
Hauteur (ou gabaritenveloppe57) de
l’immeuble
Hauteur verticale (à
la sablière) plus
couronnement
(volume des
combles)
m
Nombre d’étages
Nombre d’étages
-
Coefficient d’emprise au
sol
Largeur du bâtiment
Pourcentage de
surface bâtie au sol
pour la ville à la
parcelle ou l’îlot.
Largeur du bâtiment
%
m
Profondeur du bâtiment
Profondeur du
bâtiment
m
Compacité
Rapport entre le
volume protégé et la
surface de
déperdition,
l’enveloppe
extérieure du
bâtiment
-
Remarques
Ces deux
critères sont
en relation
avec la
hauteur du
bâtiment et
donc la
rugosité du
milieu urbain.
Ces critères
influencent la
proportion de
surfaces de
toits, qui n’a
pas forcément
la même
influence que
les autres
surfaces.
Ces critères
influencent
les surfaces
de
déperditions
de chaleur et
celles
57
Le gabarit-enveloppe « est le volume fictif que les immeubles ne doivent pas dépasser. Défini par la hauteur
verticale (à la sablière) plus couronnement (volume des combles), il est couramment exprimé par le nombre de
niveaux ou d’étages (R+1, R+4+combles). Le toit peut être plat ou à pente variable, à 2 rampants (et donc 2
pignons) ou à 4 rampants. Le couronnement est défini réglementairement par une pente à 45° ou le rayon d’un
quart de ce cercle limité par une ligne de faîtage horizontale. La hauteur et le gabarit sont le plus souvent
déterminés par les règles de prospect (H = L) et la distance aux limites parcellaires : L = H/2≥3m (article
R.111-18 à 20, code de l’Urbanisme) sauf quand les bâtiments sont mitoyens. Ils peuvent voir une précision
beaucoup plus grande dans les règlements de POS/PLU. » (Allain, 2004).
158
Nombre de façades
Contacts
Contigüité surfacique
totale
Contigüité surfacique
verticale
Age
Surface vitrée
Caractéristiques
thermiques du vitrage
Enveloppe du
bâtiment
Epaisseur moyenne des
murs
Coupe du mur et du toit
avec les matériaux utilisés
Caractéristiques
thermiques des matériaux
de construction
Couleur des murs
Couleur des toits
Age
Type d’occupation
(habitation, activité)
Température à l’intérieur
du bâtiment
Nature de l’énergie utilisée
pour le chauffage
Exploitation du
bâtiment
Energie consommée pour
le chauffage
Nature de l’énergie utilisée
pour la climatisation
Energie consommée pour
la climatisation
Nature de l’énergie utilisée
pour la ventilation
Les espaces
Forme de la rue
Energie consommée pour
la ventilation
Largeur de la rue
L’immeuble peut-être
à l’alignement et
accolé à ses voisins
(mitoyenneté) ou en
milieu de parcelle
Nombre de contact
entre bâtiments
Surface totale de
mitoyen / surface
totale d’enveloppe
Surface verticale de
mitoyen / surface
verticale d’enveloppe
Date de construction
Surface vitrée
extérieure / surface
totale extérieure
Albédo, émissivité,
conductivité et
capacité thermiques,
épaisseur du vitrage
Moyenne des
épaisseurs
Description des
matériaux utilisés
Albédo, émissivité,
conductivité et
capacité thermiques,
épaisseur
Teinte moyenne des
murs
Teinte moyenne des
toits
Date de construction
et dates des
rénovations
Type d’occupation
(habitation, activité)
Température à
l’intérieur du
bâtiment
Nature de l’énergie
utilisée pour le
chauffage
Energie consommée
pour le chauffage
Nature de l’énergie
utilisée pour la
climatisation
Energie consommée
pour la climatisation
Nature de l’énergie
utilisée pour la
ventilation
Energie consommée
pour la ventilation
Largeur de la rue
-
exposées au
rayonnement
solaire.
-
-
date
Ce critère
peut
permettre de
déterminer un
bâtiment
représentatif
d’une époque.
-, -, W.m1 -1
.K , J.m3 -1
.K , m.
m
-, -, W.m1 -1
.K , J.m3 -1
.K , m.
Ces critères
permettent de
qualifier ou
quantifier le
comportement
thermique et
radiatif du
bâtiment.
dates
°C (ou K)
GJ/an
GJ/an
Ces critères
influencent
directement
ou
indirectement
les pertes de
chaleur du
bâtiment.
GJ/an
m
Ces critères
159
publics
Profil en travers
Rapport chaussée-trottoir
Composition
(matériaux) du
Caractéristiques
thermiques des
revêtements
Coupe
perpendiculaire à
l’axe de la route de
l’ensemble des points
définissant sa surface
Surface de chaussée /
surface de trottoir
Albédo, émissivité,
conductivité et
capacité thermiques,
épaisseur
-
-, -, W.m1 -1
.K , J.m3 -1
.K , m.
sol de la voirie
Couleur en surface
Géométrie des
Tracé (rectiligne ou
sinueux)
rues
Longueur
Orientation
Arbres
d’alignement
Nature de
l’espace
végétalisé
Présence d’arbres
d’alignement
Espacement entre les
arbres
Natures des arbres
Type d’espace (parc,
jardin, square, toiture
végétalisée, fontaine, plan
d’eau)
Nature de la végétation
présente
Coefficient d’emprise au
sol
Densité de construction ou
coefficient d’occupation
des sols (COS)
Taux, densité de
minéralisation
Emprise des rues
Densité humaine
Densités
L’organisation
urbaine
Taux, densité de végétal
(toiture végétalisée exclue)
Densité d’arbres
d’alignement
Part de toitures
végétalisées
Densité de plan d’eau
Densité de fontaine
Agencement des
espaces publics
au sein de la ville
Rapport entre les pleins et
les vides
Couleur moyenne des
rues
Projection
orthogonale des
linéaires des rues sur
une direction donnée
Longueur moyenne
des rues
Orientation moyenne
des rues
Présence d’arbres
d’alignement
Espacement moyen
entre les arbres
Espèces des arbres
Type d’espace (parc,
jardin, square, toiture
végétalisée, fontaine,
plan d’eau)
Genre, espèces de la
végétation présente
Pourcentage de
surface bâtie au sol
pour la ville
Surface de plancher
hors œuvre nette
(SHON) / surface de
la parcelle
Surface minérale /
surface totale
Part du sol occupé
par la voirie
Nombre d’habitants /
surface de la ville
Surface végétale /
surface totale
Nombre d’arbres
d’alignement /
surface de voirie ou
surface de la ville
Surface de toitures
végétalisées / surface
de toitures
Surface des plans
d’eau / surface totale
Nombres de fontaines
/ surface de la ville
Cartographie des
pleins et des vides de
la ville
influencent la
proportion de
voirie.
-
m
Ces critères
permettent de
qualifier ou
quantifier le
comportement
thermique et
radiatif de la
voirie.
Ces critères
influencent la
ventilation du
milieu.
Oui/non
-
%
-
-
Ces critères
influencent
entre autres la
part de
surface
minérale au
sein de la
ville.
%
Hab/m2
Arbres/m2
Fontaines/
m2
-
160
Position des espaces verts
dans la ville
Prospect
Facteur de vue du ciel
Profil en long et élévation
Forme et profil
de l’espace
urbain
Alignement des bâtiments
sur la rue
Rugosité de la ville
Profil urbain, silhouette de
la ville (nord-américaine,
européenne, d’Afrique
noire, etc.)
Cartographie de la
ville avec la
localisation et la
surface des espaces
verts
Hauteur moyenne des
bâtiments / largeur
moyenne des rues
Angle solide
d’ouverture au ciel
Elévation verticale
dans le sens de l’axe
de la route de
l’ensemble des points
constituant celui-ci.
Retrait ou reculement
du bâtiment par
rapport à
l’alignement
Longueur de rugosité
de la ville (souvent
environ 1/10 de la
hauteur moyenne des
bâtiments)
Dessin du profil
urbain, de la
silhouette de la ville
-
Les
influences
d’un espace
vert à l’est ou
à l’ouest
d’une ville
sont,
spatialement
au moins,
différentes.
-
-
m
m
-
Activités
professionnelles
Transports
Ce tableau peut être utilisé pour effectuer un graphe arborescent avec objectifs. Par exemple,
pour le cas d’une diminution de l’intensité de l’îlot de chaleur la diminution de température
constitue la problématique fondamentale, qui se décline en quatre sous-problématiques que
sont :
•
réduire les rejets directs de chaleur sensible,
•
réduire les stocks de chaleur,
•
apporter des sources de fraicheur,
•
et améliorer la ventilation du milieu urbain.
Plusieurs objectifs sont attribuer à chacune de ces sous-problématiques, puis des sousobjectifs (ou critères) eux-mêmes caractérisés par des indicateurs (en annexe 8, le cas de la
diminution de température est disponible).
161
III Choix d’un modèle de simulation numérique et analyse
de sa portée et de ses limites
Au sein de la deuxième partie, nous avons présenté différents modèles de simulation
numérique du climat urbain avec certaines de leur portée et limites. Ces modèles sont : ENVImet
développé par Bruse (2004) de l’université de Bochum (Allemagne), SOLENE
développé par le laboratoire CERMA de Nantes, NARP-LUMPS développé par Grimmond et
Oke (2002), SM2-U développé par l’Ecole centrale de Nantes, TEB développé par Masson
(2000) au CNRM et FVM développé par Martilli (2001). Le choix de notre modèle s’appuie
sur leurs descriptions.
III.1 Choix d’un modèle de simulation numérique selon sa portée
Chaque modèle a ses avantages et ses inconvénients qui influencent plus ou moins leur
capacité à modéliser les modifications climatiques de la ville. Nous avons fixé plusieurs
critères pour essayer de départager ces différents modèles. Ces critères, en ce qui concerne les
données d’entrée du modèle, sont en relation avec les domaines d’action identifiés
précédemment (bâtiment, espace public, organisation spatiale, activités industrielles et
transport).
Les critères pour les données d’entrée sont les suivant :
•
Représentation fine du cadre bâti ;
•
Représentation entière de la ville ;
•
Prise en compte de la végétation ;
•
Prise en compte des flux de chaleur d’origine anthropique ;
•
Prise en compte des caractéristiques thermiques et radiatives des matériaux urbains.
En ce qui concerne le fonctionnement du modèle et les résultats à obtenir, les critères suivant
ont été choisis :
•
Calcul du bilan d’énergie ;
•
Calculs aérodynamiques ;
162
•
Calcul du bilan hydrique ;
•
Ambiance thermique au niveau de la rue.
En effectuant, au regard de ces critères, une comparaison entre les différents modèles
présentés précédemment (tableau 11), les modèles ENVI-MET, SM2-U, TEB et FVM sont
ceux qui y répondent le mieux.
Tableau 11 : Critères disponibles ou non pour différents modèles et schémas climatiques
(ENVI-met, SOLENE, NARP-LUMPS, SM2-U, TEB, FVM).
ENVI-MET
SOLENE
NARPLUMPS
SM2-U
TEB/ISBA
(SURFEX)
FVM
Représentation fine du cadre
bâti
Représentation entière de la
ville
Prise en compte de la
végétation
Prise en compte des flux de
chaleur d’origine anthropique
Prise en compte des
caractéristiques thermiques et
radiatives des matériaux
urbains
Calcul du bilan d’énergie
Calculs aérodynamiques
Calcul du bilan hydrique
Ambiance climatique au
niveau de la rue
LEGENDE
N’intègre pas
ce critère
Intègre
partiellement
ce critère
Intègre ce
critère
La validité du modèle, la simplicité d’utilisation ainsi que la disponibilité du modèle nous ont
permis de faire notre choix parmi ces derniers modèles.
ENVI-Met, malgré de nombreux atouts, n’a pas été retenu en grande partie du fait de sa
validation partielle mais également du fait des difficultés à modéliser les situations
163
climatiques sans vent et d’une échelle ne permettant pas de prendre en compte une ville
entière.
En ce qui concerne les autres modèles, tous les trois validés, Masson (2006) a mis en avant
certains avantages et inconvénients des différentes catégories de modèles de méso-échelle tels
que SM2-U, TEB et FVM, chacun appartenant respectivement aux modèles d’espaces
végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées, aux modèles de la canopée urbaine
simple-couche et aux modèles de la canopée urbaine multicouches. Son analyse fait
apparaître, entre autres, la difficulté d’utilisation du modèle FVM développé par Martilli
(2001).
Le choix du modèle TEB a été permis par la disponibilité du modèle et l’aide à l’usage offert
par son concepteur (Valéry Masson) et d’autres utilisateurs. La base de données d’entrée du
modèle peut être, dans le cadre de villes fictives, constituées sans trop de difficultés puisque
TEB ne s’attache pas aux particularités entre les bâtiments mais aux caractéristiques globales
du tissu urbain. Cette simplification architecturale peut cependant être perçue comme une
limite. Une description plus fine des différentes hypothèses physiques de TEB ainsi que de sa
portée et de ses limites est effectuée au sein de l’annexe 9. Nous retiendrons cependant les
points suivants.
III.2 Hypothèses et limites du modèle choisi
Tout d’abord, au sein de TEB, la surface urbaine est découpée uniquement selon un maillage
horizontal. Chaque maille possède ses propres caractéristiques qui s’appuient sur le concept
du canyon urbain (figure 55). Ce canyon est constitué de trois types de surfaces : une route,
deux murs et un toit. Le toit et la route sont des surfaces planes horizontales et les murs des
surfaces verticales de même hauteur. Si pour les routes et les murs ces hypothèses se
retrouvent effectivement dans les méthodes constructives, les toits plats ne concernent pas
encore la majorité du paysage urbain. On regrettera donc la possibilité d’intégrer une pente au
toit, qui influence, entre autres, la surface d’échange entre le bâtiment et l’atmosphère mais
également les processus radiatifs.
164
Les hypothèses suivantes sont également imposées par TEB :
•
Les bâtiments sont localisés le long de routes identiques, dont la longueur est
considérée comme étant plus importante que la largeur. Il n’est donc pas possible de
modéliser un espace urbain dont la largeur des rues serait trop hétérogène.
•
Toutes les orientations de rue sont possibles, et elles existent avec la même
probabilité. Cette hypothèse ne permet donc pas de modéliser pour une ville une
orientation prédominante des rues, qui n’est pas sans influence sur la ventilation du
milieu urbain.
Figure 55 : Schématisation du canyon urbain dans TEB - avec W la largeur moyenne des rues,
abât la fraction de bâtiment et zbât la hauteur moyenne des bâtiments (Lemonsu, 2003).
Pour décrire cette géométrie, TEB impose la définition de plusieurs paramètres que sont :
•
la longueur de rugosité dynamique du couvert urbain58 (z0mville) ;
•
la fraction occupé par les bâtiments (abât = surface de toit / surface de toit et route) ;
•
la hauteur du bâti (zbât) ;
•
et le facteur de forme du bâti (surface de mur / surface de route et toit = (zbât/W)*(1abât)).
A ces paramètres géométriques s’ajoutent les paramètres radiatifs et thermiques des matériaux
qui constituent le cadre bâti de chaque maille. Ces différents paramètres sont identiques sur
toute la maille.
58
Pour nos modélisations, nous fixerons la longueur de rugosité à 1/10 de la hauteur de bâti.
165
Fmoy
FTEB
fTEB
FISBA
fISBA
Feau
feau
Fmer
fmer
Figure 56 : Représentation des flux de surfaces moyens. D’après Lemonsu (2003).
Comme nous l’avons signalé lors de la présentation des différents modèles numériques, pour
modéliser un milieu urbain pas uniquement minéral, TEB fonctionne conjointement avec
ISBA, pour les espaces naturels, et des modules pour l’eau et la mer. L’ensemble compose le
logiciel SURFEX. Pour la maille modélisée, les bilans d’énergie calculés pour chaque type de
sol sont moyennés au prorata de leur surface pour obtenir le bilan du milieu (figure 56). Il n’y
a en effet pas d’échanges horizontaux au sein de SURFEX entre les différents types de
surface. Ceci ne permet donc pas de connaitre l’influence d’une position particulière (nord,
sud, est, ouest) d’un point d’eau ou d’un espace vert sur le milieu urbain.
Nous avons effectué nos modélisations avec un forçage appliqué à 10m au-dessus des toits.
Ce forçage comprend plusieurs paramètres climatiques dont la température de l’air, le
rayonnement solaire, et la vitesse du vent. Nos modélisations ont montré que la température à
2m au sein du canyon suit de façon très proche les valeurs de la température de l’air en
forçage, ce qui ne permet pas d’obtenir des écarts significatifs entre les différentes
simulations. Nous avons donc privilégié l’analyse du bilan d’énergie qui a l’avantage
d’apporter des informations supplémentaires puisqu’un bilan d’énergie comprend l’évolution
du rayonnement net, des flux de chaleur sensible et latent, des flux de chaleur anthropique et
des flux de chaleur stockée.
SURFEX simplifie en effet l’équation du bilan d’énergie en négligeant le flux de chaleur
advectif ∆QA, ce qui nous donne l’équation suivante :
Q* + QF = QH + QE + ∆QS (W.m-2)
(Formule 15)
166
Q* est le rayonnement net, QF le flux de chaleur d’origine anthropique dû aux industries et au
trafic dans le cas de TEB (le chauffage est pris en compte en supposant que la température
intérieure des bâtiments ne peut descendre en dessous de 19°C), QH le flux turbulent de
chaleur sensible, QE le flux turbulent de chaleur latente et ∆QS la variation de la quantité de
chaleur stockée par la zone urbaine.
Figure 57 : Flux du bilan d’énergie calculé par SURFEX (Q* + QF = QH + QE + ∆QS).
167
IV Choix d’une ville-témoin : Paris ou ‘urbain dense’
L’objectif des modélisations climatiques effectuées dans le cadre de cette thèse est de
quantifier l’incidence climatique liée à la modification de facteurs urbains. Afin d’évaluer les
influences des différents paramètres, il a été décidé de procéder en premier lieu à une
variation unique de ces derniers, c'est-à-dire à des tests de sensibilité, puis ensuite à des
variations de plusieurs paramètres comme nous le verrons. Une ville-témoin a été définie pour
servir de point de départ, de cas-témoin.
Dans le cadre d’une convention, le bureau d’étude de Météo-France de la région Ile-de-France
Centre nous a donné accès aux données permettant la description d’un tissu de type ‘urbain
dense’59, et utilisées actuellement pour la description de Paris intra-muros dans leurs propres
simulations avec TEB, ainsi qu’aux données météorologiques de l’année 2006 de la station
Montsouris de Paris.
Il a été décidé de choisir Paris pour cas-témoin de nos modélisations, d’où le choix,
également, du forçage climatique utilisé. Préalablement à la mise en place de nos
modélisations, il nous a semblé intéressant d’affiner les données de type ‘urbain dense’ pour
décrire plus précisément Paris et ceci fait l’objet de ce chapitre.
IV.1 Paris, une ville très minérale
Paris est une ville très minérale60 (figure 58). Selon que sont comptés au non les deux bois,
Paris offre 14,5 m2 d’espaces plantés ou 5,8 m2 par habitant. Ces chiffres sont inférieurs à
ceux d’Amsterdam avec 36 m2 par habitant, de Londres 45 m2, de Bruxelles 59 m2, de Madrid
68 m2, de Vienne 131 m2 ou de Rome 321 m2 (Atelier parisien d’urbanisme, 2004).
59
Le fichier de données ‘urbain dense’ est utilisé à l’heure actuelle principalement pour les villes françaises de
conception traditionnelle (du fait de la représentation en rue canyon) ou pour des villes étrangères ayant une
géométrie urbaine similaire aux villes françaises.
60
« La place du végétal dans le paysage de la ville obéit aussi à des règles propres à Paris : Paris est une ville
minérale inégalement aérée par de grands jardins hérités de l’ancien régime et surtout de l’époque
haussmannienne. Ce réseau complété au XXème siècle par quelques parcs supplémentaires et de nombreux petits
squares de proximité est jugé insuffisant et mérite encore d’être développé. En revanche, Paris bénéficie de
92 000 arbres d’alignement plantés le long des rues les plus larges et sur les berges de la Seine. Ce caractère
très végétal des grands espaces publics parisiens, héritier de la tradition des cours, des mails et des boulevards
plantés, lieux de promenade et de loisirs dès le XVIIIème siècle mérite aussi d’être perpétué, préservé et renforcé
car il contribue fortement à l’agrément des rues parisiennes. » Diagnostic du rapport de présentation du PLU de
la Ville de Paris.
168
Figure 58 : Les espaces verts parisiens et leurs aires d’influence61. (Atelier parisien
d’urbanisme, 2004)
Les chiffres précis donnés par l’Atelier parisien d’urbanisme (2004) concernant la part
d’espaces verts sont les suivants
•
hors bois de Boulogne et de Vincennes, Paris possède 1248,40 ha d’espaces verts62,
pour une surface totale de 8692,50 ha, soit un pourcentage de 14,40% d’espaces verts.
61
L’aire d’influence d’un parc ou d’un square correspond ici à l’aire au sein de laquelle les habitants qui y
résident se déplacent pour aller dans ce parc ou ce square.
62
Dans ces espaces verts sont comptabilisés uniquement :
• Les espaces verts ouverts au public : qui couvrent une superficie d’environ 500 hectares (hors bois de
Boulogne et de Vincennes) auxquels il convient d’ajouter les jardins propriété de l’Etat et du Sénat.
• Les bois de Boulogne et de Vincennes qui occupent respectivement une superficie de 846 et 995
hectares.
• Les « espaces verts protégés » au nombre de 1428 qui couvrent une superficie de 236 hectares.
• Les espaces plantés des équipements publics : 20,5 hectares inclus dans les terrains de sports, 13,5
hectares au sein des établissements scolaires et des crèches.
• Les cimetières.
• Les talus plantés, notamment le long du boulevard périphérique : 58 hectares.
• Les espaces plantés de la Petite Ceinture.
• Les espaces plantés des ensembles de villas et de hameaux.
169
•
Bois de Boulogne et de Vincennes compris, Paris possède 3089,40 ha d’espaces verts,
pour une surface totale de 10533,50 ha, soit un pourcentage de 29,30% d’espaces
verts.
Les espaces verts comptabilisés ici ne prennent pas en compte les cours d’immeuble
végétalisés, les jardins des ambassades et des ministères, les cours des écoles, les jardins
privés, etc.
Selon l’Atelier parisien d’urbanisme (2002) « Les terrains affectés aux autres équipements, à
l’habitat et aux activités ne s’étendent […] que sur 5000 ha et ne forment que 48% de
l’espace total. Le coefficient d’emprise (assiette des constructions rapportée à la surface de
terrain) y est d’environ 2/3, ce qui laisse peu de place pour les cours et les jardins privatifs, y
compris les cours de récréation dans les écoles ou les jardins des ambassades ou des
ministères. » Il y a donc une surface d’environ 1 600 ha susceptible d’être également de la
végétation. Aucun ordre de grandeur n’a pu être trouvé. Pour éviter une surestimation de ce
paramètre, nous avons pris comme hypothèse qu’un tiers de cette surface correspond à de
l’espace végétalisé, soit environ 500 ha.
Sur les 10533,50 ha de la ville de Paris, c'est-à-dire bois de Boulogne et de Vincennes
compris, les plans d’eau constitués par la Seine et les canaux constituent 2,4% de l’espace
(APUR, 2002). En ne tenant pas compte des deux bois, les plans d’eau constituent 2,9% de la
surface parisienne, ce qui constitue toujours un faible pourcentage.
Les 1248,40 ha d’espaces verts, plans d’eau, canaux et Seine compris, qui constituent 14,40%
de la surface de Paris hors bois de Boulogne et de Vincennes, se répartissent donc en 2,9% de
plans d’eaux constitués principalement par la Seine et les canaux, et 11,5% d’espaces
végétalisés (soit environ 1 000 ha). A ces derniers s’ajoutent les 500 ha estimés des cours et
jardins privés, ce qui nous donne une part d’espaces végétalisés au sein de Paris de 17%.
La surface parisienne, hors bois de Boulogne et de Vincennes, peut donc se décomposer, en
arrondissant, en :
•
3% de voies d’eau ;
•
Les arbres d’alignement au nombre de 92500 qui caractérisent le paysage de nombreuses avenues et
rues de la capitale.
Les surfaces des quais et des plans d’eaux, de la Seine et des canaux.
•
170
•
17% d’espaces végétalisés (hors voies d’eau) ;
•
80% de surfaces minérales.
Les espaces végétalisés seront répartis également entre les catégories ‘jardins et parcs’ et
‘arbres à feuilles caduques’ proposées par ISBA (Annexe 10).
IV.2 Morphologie et géométrie de Paris
Même si la ville de Paris présente un tissu urbain très caractéristique63, elle n’en possède pas
moins de multiples morphologies et formes urbaines liées à son histoire. Les différents
quartiers de Paris sont représentatifs de l’évolution des morphologies urbaines qui s’est
opérée dès le Moyen Age (IAURIF, 2005). Ainsi se côtoient des « morceaux » de ville
représentatif de la cité médiévale du cœur de Paris au XIVème siècle, des villes et faubourgs du
XVIIIème, de la ville haussmannienne du XIXème, de l’habitat social de l’entre-deux-guerres,
ou encore des grands ensembles. Chacun possède alors des densités résidentielle, de
population, bâtie, ou encore un coefficient d’emprise au sol différent, qui participe à la variété
des quartiers parisiens64.
63
« Les rues occupent plus de 25 % de la superficie de la ville sans les bois. De même que les percées
haussmanniennes, les places royales du XVIIème siècle et les grands tracés du XVIIIème siècle ont modelé et
structuré le territoire de la ville. Ils ont aussi produit un réseau viaire hiérarchisé qui donne au tissu urbain
parisien une lisibilité remarquable. Les règles de composition de ces espaces publics ont peu varié au fil du
temps : alignement des constructions le long de la rue, commerces et activités en rez-de-chaussée, largeur des
trottoirs proportionnelle à la largeur de la rue, plantations d’arbres pour les voies les plus larges et mobiliers
urbains coordonnés. Les altérations fortes que la période moderne a fait subir à ces règles séculaires
d’ordonnancement de la ville ont été vite rejetées : constructions sur dalle, voies rapides et plan libre ont suscité
et suscitent toujours critiques et défiance. Aussi les aménagements de nouveaux quartiers dès le début des
années 1980 ont-ils repris les règles de composition traditionnelle de la ville afin de mieux relier ces nouveaux
espaces aux tissus urbains environnant. Quant à la restauration des espaces publics existants, elle privilégie
désormais le respect et la mise en valeur de ces compositions urbaines, essentielles à l’urbanité de la ville. »
Diagnostic du rapport de présentation du PLU de la Ville de Paris.
64
Le diagnostic du rapport de présentation du PLU de la Ville de Paris présente la disparité des densités au sein
de Paris :
« La densité bâtie est de l’ordre de 3,6 à Paris. Il s’agit du rapport de la somme des surfaces de plancher à la
somme des surfaces des terrains, en excluant les superficies des voies, des voies d’eau, des espaces verts et
équipements publics ; autrement dit, le rapport des surfaces de planchers aux surfaces des parcelles bâties
ordinaires. Elle est beaucoup plus importante que dans les communes limitrophes.
Les densités les plus élevées s’observent dans le 2e, les 8e et 9e arrondissements, le nord du 16e et le sud du 17e.
Les îlots les plus denses se situent autour de l’Opéra et des grands magasins. Les densités les plus faibles
s’observent dans le 20e, les 13e et 19e arrondissements. Le 20e comporte le plus grand nombre d’îlots de faible
densité.
La densité chiffrée n’est pas toujours représentative de la perception qu’ont les habitants de leur environnement
immédiat. En effet, l’impression de densité est liée à de nombreux autres facteurs :
• la hauteur et la continuité des façades, en relation avec la largeur des rues,
• la présence plus ou moins importante d’espaces de respiration : places, squares, élargissements de
l’espace public…
171
Ces discontinuités rendent difficile la description de Paris à l’aide de caractéristiques
physiques moyennes. Quelques approximations peuvent cependant être effectuées comme
nous allons le voir. Rappelons avant quelques éléments sur le schéma de surface TEB.
Le schéma de surface TEB s’appuie sur les bilans énergétiques des trois types de surfaces :
mur, voirie et toit. L’estimation de leur surface à partir des données d’entrée du modèle a
donc une certaine importance, ces données étant : la hauteur des bâtiments, la longueur de
rugosité dynamique du couvert urbain (environ 1/10 de la hauteur des bâtiments), la fraction
occupée par les bâtiments65 (abât) et le facteur de forme du bâti66.
Estimation des surfaces :
Espaces verts : 8 : 25%
Espace minérale : 24 : 75%
Estimation de la forme urbaine :
3
4
5
20
32
Toits
Murs
Route
Figure 59 : Estimation de la nature des surfaces et de la forme urbaine pour obtenir des
données d’entrée nécessaire à SURFEX.
Le schéma de surface TEB ne tient pas compte dans sa description géométrique des cours,
jardins ou autres espaces intérieurs. Si dans le cadre de notre estimation de la part d’espaces
végétalisés sur le territoire parisien, nous avons considéré qu’une partie de ces cours et autres
espaces intérieurs étaient de la végétation, pour la description de la géométrie urbaine, il est
•
la présence plus ou moins importante de plantations d’alignement, qui modifient la perception visuelle
des façades,
• les flux plus ou moins importants de voitures, dont la présence visuelle et sonore sature l’espace,
• la présence plus ou moins importante de commerces ou de grands équipements publics, qui créent de
l’animation et de la diversité et rendent plus admissible une forte densité bâtie. »
65
abât = surface de toit / surface de toit et route
66
facteur de forme du bâti = surface de murs / surface de route et toit = 2(zbât/W)*(1-abât) avec zbât la hauteur
moyenne des bâtiments, W la largeur des rue et abât la fraction occupée par les bâtiments.
172
intéressant de considérer ces espaces comme étant de la voirie (figure 59) pour ne pas
surestimer le piégeage du rayonnement lié au caractère plus ou moins étroit des rues.
La part de chaque type de surfaces est importante pour le calcul global du bilan d’énergie au
sein de TEB. Pour minimiser les approximations et les erreurs dans l’évaluation des surfaces,
cette dernière hypothèse va être utilisée uniquement pour le calcul du facteur de forme (qui
dépend des surfaces de routes et de toits) et non sur la fraction occupée par les bâtiments (qui
dépend des surfaces des murs, des routes et des toits). En effet, c’est à partir du facteur de
forme, de la hauteur du cadre bâti et de la fraction occupée par les bâtiments que TEB calcule
la proportion de chaque type de surfaces. Ainsi nous aurons une approximation et donc un
risque d’erreur plus importants principalement sur la surface de murs.
IV.2.1 Hauteur moyenne des bâtiments et longueur de rugosité dynamique du
couvert urbain
Au sein du diagnostic du rapport de présentation du PLU de la Ville de Paris, le rôle des
règlements d’urbanisme parisien dans la forme relativement homogène de la ville est mis en
avant67.
Un des objectifs du nouveau PLU (approuvé par délibération du Conseil de Paris des 12 et 13
juin 2006) en ce qui concerne l’espace bâti, est de poursuivre ce qui a été engagé avec le POS
de 1977, c’est-à-dire d’« assurer ou maintenir l’harmonie d’ensemble du paysage urbain
issue notamment de la volumétrie du bâti ou de l’existence d’un front bâti sur rue » (Rapport
de présentation du PLU de la Ville de Paris).
Le plan des hauteurs, qui accompagne le règlement du PLU de la Ville de Paris, indique les
hauteurs plafonds fixées pour l'application de l'article 10 de ce règlement (hauteur maximale
67
« Le caractère des rues parisiennes ne tient pas seulement à la forte identité de l’espace public : il s’explique
aussi par la forme très homogène des bâtiments qui les bordent.
En effet, dès le XVIIIème siècle, les règles d’urbanisme ont proportionné la hauteur maximale des façades et la
forme du couronnement des immeubles à la largeur des rues. Ces dispositions ont peu varié au cours du XIXème
siècle et ont largement été respectées dans le règlement d’urbanisme de 1902 qui a été en vigueur jusqu’à la fin
des années 1950. Aussi, le paysage des onze premiers arrondissements ainsi que des 16ème, 17ème et 18ème
arrondissements est-il très largement issu de l’application de ces règles.
Cependant en 1961, sous l’influence du mouvement moderne, des préoccupations hygiénistes et du
développement de la circulation automobile, le plan d’urbanisme directeur a imposé un urbanisme nouveau qui
abandonnait l’alignement des voies, la gradation mesurée des hauteurs et, de manière plus générale, le souci
d’insertion des constructions dans la ville ancienne. Dans les arrondissements périphériques, particulièrement
sur la rive gauche et sur la couronne de Paris, cette rupture a produit des formes urbaines et architecturales
inhabituelles qui vont très vite susciter un rejet et conduire à l’élaboration et à l’application anticipée dès 1975
du plan d’occupation des sols (POS) approuvé en 1977.
Le POS de 1977 a rétabli la continuité des formes urbaines. Il a réintroduit l’exigence d’homogénéité du bâti
inscrite dans les règlements anciens par l’obligation d’alignement et le retour aux gabarits traditionnels sur
rue. » (diagnostic du rapport de présentation du PLU de la Ville de Paris).
173
des constructions) (figure 60). Paris est ainsi découpée en plusieurs zones avec des hauteurs
plafonds que l’on peut estimer proche des hauteurs du bâti déjà construit du fait de ce qui a
été dit précédemment (« harmonie d’ensemble du paysage urbain »). Une approximation de la
hauteur moyenne du bâti parisien peut ainsi être proposée à environ 30m.
Figure 60 : Plan des hauteurs indiquant les hauteurs plafonds fixées pour l'application de
l'article 10 du règlement du PLU de Paris (Ville de Paris).
La longueur de rugosité est estimée en règle générale comme étant 1/10 de la hauteur
moyenne des bâtiments68. Pour Paris, elle vaut alors environ 3m.
IV.2.2 Fraction occupée par les bâtiments
Selon les services de la Ville de Paris, les chiffres suivants peuvent être donnés concernant la
totalité des voies publiques (hors voies des bois), privées ouvertes et fermées au public :
•
Nombre de voies : 5 971,
•
Longueur : environ 1 700 km,
68
« La longueur de rugosité est voisine du dixième de la hauteur moyenne des aspérités de la surface » (De
Parcevaux et Hubert, 2007).
174
•
Superficie : environ 26 500 000 m2 (soit 2 650 ha).
Selon l’Atelier parisien d’urbanisme (2002), comme nous l’avons déjà signalé, le coefficient
d’emprise (assiette des constructions rapportée à la surface de terrain) est d’environ 2/3 pour
les terrains affectés aux équipements, à l’habitat et aux activités (ces terrains s’étendent sur
environ 5 000 ha ou plus précisément sur 4790,78 ha69.
Nous avons donc une surface de toit70 d’environ 3 350 ha, (2/3 de 5 000 ha) et une surface de
type voirie d’environ 3 750 ha (voies publics + surface de terrain non construite et non
végétalisée71 = 2 650 + 1 100). La fraction occupée par les bâtiments (abât = surface de toit /
surface de toit et route) définie dans TEB peut ainsi être estimée à environ 0,47 soit, en
arrondissant, à 0,5, ce qui correspond à la donnée de ‘urbain dense’.
IV.2.3 Facteur de forme
Le facteur de forme est défini comme la surface de murs sur surface de routes et de toits.
N’oublions pas que TEB s’appuie sur le concept de la rue canyon uniforme sur toute la maille
modélisée. Pour le calcul de ce facteur de forme, nous allons tenir compte de l’hypothèse
présentée plus haut, c'est-à-dire considérer que les cours végétalisées et autres jardins
intérieurs sont de la voirie.
La surface de toits reste la même que précédemment : 3 350 ha.
La surface de « voirie » devient alors égale à 4 250 ha (2 650 + 1 600).
La surface de murs comprend la surface des murs sur rue et celle des murs sur cours. La
première correspond à peu près à deux fois le linéaire des rues multiplié par la hauteur des
bâtiments. Pour tenir compte de la surface des murs au sein des cours dont nous ne
connaissons pas l’estimation, nous avons choisi d’arrondir au nombre supérieur l’estimation
de la surface de murs sur rue, ce qui en l’occurrence ici correspond à une multiplication par
1,5.
69
L’espaces minéralisés s’étendent sur 85,6% de la ville soit 0,856 x 8 692,50 = 7 440,78 ha auquel on enlève
les 2 650 ha de voirie, soit 4 790,78 ha.
70
TEB ne prend en compte que des toits plats. Nous supposons donc ici que la surface des toits équivaut à
l’emprise bâti. On fonctionne avec la surface « vue du ciel » et non pas en surface effective.
71
Nous avons considéré précédemment que sur les 1 600 ha susceptibles d’être de la végétation, seuls 500 ha
l’était.
175
Le facteur de forme est donc d’environ 272.
L’estimation de la hauteur moyenne des bâtiments, de la fraction occupée par les bâtiments et
du facteur de forme permettent d’obtenir une description d’un canyon ayant une hauteur de
30m, une largeur de rue de 15m et une profondeur des bâtiments de 15m, ce qui semble en
adéquation avec ce que nous pouvons observer à Paris. Nous confirmons donc notre
estimation de ces trois facteurs.
IV.3 Flux de chaleur liés aux différentes activités de Paris
Au sein du schéma de surface TEB, les flux de chaleur liés au trafic sont rejetés au niveau de
la rue et ceux d’origine industrielle au niveau des toits. Pour ce qui est des flux de chaleur
sensible liés au chauffage, ceux-ci sont calculés à partir des caractéristiques physiques et
thermiques des bâtiments et de leur température intérieure. Cette dernière est fixée en
moyenne, en hiver, à 19°C (le chauffage est mis en marche pour maintenir la température à
19°C (Pigeon et al., 2006)). En été, elle est calculée en fonction des températures des surfaces
intérieures, ce qui ne prend pas en compte les apports de chaleur par les fenêtres qui peuvent
être importants en été. La température intérieure des bâtiments durant l’été est ainsi sousestimée, ce qui se constate lors de l’analyse des différentes sorties de simulation.
Pour le calcul des flux de chaleur sensible liés au trafic routier, nous allons partir des
consommations énergétiques. Cette approche a été notamment utilisée par Pigeon et al.
(2007) pour leur travail sur les rejets de chaleur anthropique à Toulouse, par Ichinose et al.
(1999) pour leur étude sur l’impact de la chaleur anthropique sur le climat urbain de Tokyo
(Japon), par Klysik (1996) pour son étude sur la distribution spatiale et saisonnière des
émissions de chaleur anthropique à Lodz (Pologne) ou encore par Sailor et Lu (2004) qui ont
développé une méthode pour apprécier les profils journaliers et saisonniers de la chaleur
anthropique en zone urbaine.
A partir de la méthode développée par Sailor et Lu (2004) pour évaluer le flux de chaleur lié
au trafic (annexe 11), nous obtenons pour Paris intramuros et hors Bois de Boulogne et de
Vincennes environ 16 W.m-2 pour toute la surface minérale (et pas uniquement par m2 de
surface de voirie).
72
Facteur de forme = surface de murs / (surface de toits + surfaces de voirie) = 1700000*2*30*1,5 / (33500000
+ 42500000) = 2,0
176
Ce chiffre correspond à l’ensemble du flux de chaleur lié au trafic. Selon Pigeon et al. (2007),
le flux de chaleur latente correspond à 8% et donc le flux de chaleur sensible à 92%. Pour
trouver ce chiffre, ils ont considéré que les carburants utilisés sont proches de l'octane (C8H18)
et à partir de l'équation de combustion complète (2C8H18 + 25O2 16 CO2 + 18H2O), la
quantité de vapeur d'eau émise est estimée. Cette quantité est ensuite multipliée par la chaleur
latente d'évaporation de l'eau73 et le rapport avec le pouvoir calorifique du carburant donne
8%.
On obtient donc environ pour Paris hors bois de Boulogne et de Vincennes les flux de chaleur
sensible et latente suivant sur toute la journée :
QHtrafic = 14,7 W.m-2
QEtrafic = 1,3 W.m-2
En ce qui concerne l’industrie, celle-ci n’est plus très présente au sein de Paris. Au 1er janvier
2005, selon l’édition 2007 des chiffres-clés de la région Ile-de-France éditée par le CRCI de
Paris, l’IAURIF et l’INSEE, Paris compte 19 959 établissements dits industriels (hors
industries agro-alimentaires et énergie) pour un effectif de 86 670 salariés. Les industries de
l’habillement et des fourrures, du cuir et de la chaussure, et du textile représentent à elles trois
31% des établissements industriels (et 22% des emplois industriels). L’industrie de l’éditionimprimerie-reproduction représente quant à elle 41% des établissements industriels (et 43%
des emplois industriels) ; il est vrai que Paris accueille un grand nombre de sièges sociaux de
grands éditeurs et de groupes de presse nationaux.
Paris n’accueille plus d’industries à risque classées Seveso sur son territoire. Les usines
d’incinération des déchets encerclent Paris (Ivry-sur-Seine, Issy-les-Moulineaux, Saint-Ouen)
mais n’ont pas été construites sur son territoire. Cependant, la Compagnie Parisienne de
Chauffage Urbain (CPCU) possède quatre sites de production sur Paris qui fonctionnent
essentiellement en hiver :
•
Le site CPCU de La Villette : Mis en service en 1964, cette unité de production
fonctionne avec deux chaudières au fioul TTBTS (Très Très Basse Teneur en Soufre).
Ces équipements ont une capacité de production de 235 tonnes/heure de vapeur,
73
La chaleur latente d'évaporation de l'eau est la quantité de chaleur requise pour transformer un gramme d’eau
liquide en vapeur, sans changement de température. Par exemple, à 35°C, elle vaut 2 420 J/g.
177
vapeur envoyée dans le réseau de chauffage urbain. La Villette n’est engagée
qu’exceptionnellement, en appoint secours du réseau et rejette en moyenne annuelle
200 tonnes par an de vapeur d’eau dans l’atmosphère.
•
Le site CPCU de Bercy : Cet établissement dispose de cinq chaudières qui
fonctionnent au fioul TTBTS représentant une capacité de production de 615
tonnes/heure de vapeur. Ce site rejette en moyenne annuelle 18 000 tonnes par an de
vapeur d’eau dans l’atmosphère.
•
Le site CPCU de Vaugirard : Ce site comprend quatre chaudières au fioul TTBTS
avec une capacité de production totale de 490 tonnes/heure de vapeur. Ce site rejette
en moyenne annuelle 26 000 tonnes par an de vapeur d’eau dans l’atmosphère.
•
Le site CPCU de Grenelle : Ce site utilise également du fioul TTTBS. Sa capacité de
production s’élève à 675 tonnes/heure de vapeur, pour cinq chaudières. Ce site rejette
en moyenne annuelle 6 000 tonnes par an de vapeur d’eau dans l’atmosphère.
Ainsi, en tout, 50 200 tonnes de vapeurs d’eau sont rejetées en moyenne par an dans
l’atmosphère de Paris par ces quatre sites. L’enthalpie de la vapeur d’eau, qui comprend à la
fois la chaleur sensible et latente, est comprise selon la pression et la température entre 2500
et 2800 kJ/kg (Cours du Lycée de La Salle à ALES, http://fee.ales.free.fr/). Ces rejets se
concentrent a priori sur les trois mois d’hiver ce qui nous donne pour la surface de Paris
(87,10 106 m2) un rejet moyen maximal de : 0,21 W.m-2, qui comprend à la fois le flux de
chaleur sensible et le flux de chaleur latente. Il est donc possible d’estimer pour nos
modélisations que l’industrie ne rejette pas aujourd’hui de flux de chaleur latente ou sensible
significatifs au sein de Paris.
Les rejets de flux de chaleur étant appliqués uniquement au sein de TEB et non au sein des
schémas pour la végétation et l’eau, il est nécessaire de multiplier nos évaluations par 1,25
(Les surfaces de ville (TEB) ne constituent que 80% de la ville de Paris comme nous l’avons
estimé précédemment), les flux de chaleur journaliers liés aux différentes activités de Paris
peuvent donc être décrits au sein de TEB par les données suivantes :
•
QHtrafic = 18,5 W.m-2
•
QEtrafic = 1,5 W.m-2
178
•
QHindus = 0 W.m-2 (été et hiver)
•
QEindus = 0 W.m-2 (été et hiver)
IV.4 Matériaux de constructions parisiens
IV.4.1 Hypothèses de calcul
Pour le coefficient de transmission surfacique moyen d’une surface composée de plusieurs
couches de matériaux et de conductivités différentes, l’équation est la suivante :
e
1
= ∑  k
U
k  λk
 1 1
1 1
 +  +  = ∑ Rthk +  + 
  hi he  k
 hi he 
(Formule 16)
Où :
•
U est le coefficient de transmission thermique surfacique (W.m-2.K-1),
•
ek est l’épaisseur de la kième couche (m),
•
λk est la conductivité thermique (W.m-1.K-1),
•
1/hi et 1/he sont les résistances thermiques d’échanges superficiels intérieurs et
extérieurs (m2.K.W-1) (cette somme vaut 0,17 pour les surfaces verticales comme un
mur et 0,14 pour les surfaces horizontales comme un toit plat),
•
Rthk est la résistance thermique de la kième couche.
Pour le coefficient de transmission surfacique moyen d’une surface composée de plusieurs
types de surfaces avec des coefficients de transmission surfacique différents, l’équation est la
suivante :
∑ S *U
=
∑S
i
U moyen
i
S1
S2
U1
U2
i
(Formule 17)
j
j
179
Où :
•
Ri est le coefficient de transmission surfacique de la ième surface,
•
Si l’aire de la surface i.
IV.4.2 Caractéristiques thermiques et radiatives des murs
Une étude a été menée par l’Atelier Parisien d’Urbanisme (2007) sur, entre autres, les
consommations d’énergie liées au chauffage des résidences principales parisiennes. Cette
étude s’est appuyée sur une datation de la construction des immeubles (tableau 12) et sur une
estimation des caractéristiques thermiques des murs en fonction de l’âge du bâtiment (tableau
13).
Tableau 12 : Nombre et part de bâtiments parisiens selon la période de construction (APUR,
2007).
Selon que l’on tienne compte ou non de la présence des fenêtres et des différences entre les
murs sur cour et rue, différentes résistances thermiques moyennes peuvent être estimées à
partir de ce tableau pour les murs et parois de Paris (Pour ses calculs, l’APUR a tenu compte
de la résistance thermique d’échange superficiel (Ri + Re) liée à la convection et au
rayonnement qui est de 0,17 K.m2.W-1). Ainsi, en considérant que 50% des parois sont sur
cour et les autres 50% sur rue74, la résistance moyenne des parois, fenêtres comprises, est de
0,37 K.m2.W-1 (fenêtres non comprises de 0,47 K.m2.W-1) avec la résistance thermique
d’échange superficiel. En tenant compte uniquement des murs sur rue, on obtient une
74
Umoyen = (Umoyen_cour + Umoyen_rue)/2
Umoyen_cour = ∑%bâti(période)*Umoyen_cour(période)
Umoyen_rue = ∑%bâti(période)*Umoyen_rue(période)
180
résistance moyenne des parois, fenêtres comprises, de 0,38 K.m2.W-1 (fenêtres non comprises
de 0,50 K.m2.W-1).
Tableau 13 : Résistance thermique des parois (APUR, 2007).
Il est relativement difficile de proposer un mur « moyen » permettant de représenter les
qualités thermiques des murs mais aussi des fenêtres des bâtiments de Paris. Cependant TEB
nécessite une description de différentes propriétés : le nombre de couches du mur, l’albédo et
l’émissivité de la surface extérieure, la capacité et la conductivité thermiques des différentes
couches du mur et l’épaisseur de ces couches. Du fait du fonctionnement du modèle, il est
nécessaire que la couche extérieure soit relativement fine (entre 1 et 3 cm) car les calculs
supposent que la température de surface est à la température intérieure de cette couche.
Les données utilisées par TEB pour la situation ‘urbain dense’ sont les suivantes : le mur est
décomposé en trois couches : deux couches de béton de 2 cm et 12,5 cm, de conductivité
thermique de 0,9338 W.m-1.K-1 et de capacité thermique 1,55.106 J.m-3.K-1, et d’une couche
d’isolant de 5 cm, de conductivité thermique de 0,05 W.m-1.K-1, et de capacité thermique
0,29.106 J.m-3.K-1. Ces caractéristiques correspondent à un mur ayant une résistance
thermique de 1,16 K.m2.W-1, ce qui est excessif par rapport aux 0,37 ou 0,38 K.m2.W-1
déduits de l’analyse de l’APUR.
Nous proposons donc un nouveau découpage qui correspond à une résistance thermique
moyenne d’environ 0,37 K.m2.W-1, résistance thermique d’échange superficiel (Ri + Re) liée
181
à la convection de 0,17 K.m2.W-1 comprise. Pour l’inertie (capacité thermique), nous ne
tenons pas compte de la présence des fenêtres (contrairement à la résistance thermique). Ce
découpage correspond à un mur en béton de 27 cm d’épaisseur. Nos données s’appuient sur
les valeurs d’un béton de densité moyenne de la norme européenne NF EN ISO 10456, ce qui
nous donne pour chacune des couches une conductivité thermique de 1,35 W.m-1.K-1 et une
capacité thermique à 2.106 J.m-3.K-1.
Notre découpage pour les murs est le suivant :
•
Une couche extérieure (n°1) de 0,02 m, qui correspond à l’enduit non isolant en béton,
•
Une couche intermédiaire (n°2) de 0,2 m,
•
Et une couche intérieure (n°3) de 0,05 m.
En ce qui concerne l’albédo et l’émissivité des murs, nous noterons dans un premier temps
que Paris est, en ce qui concerne les façades, une ville claire ; c’est un nuancier de couleurs
douces qui prédomine avec par exemple la pierre calcaire. L’albédo des murs ne devrait donc
pas avoir une valeur faible.
Scudo et al. (2004) présentent une classification des matériaux selon leur albédo issue d’une
recherche de Santamouris et Doulos (2001) (tableau 14).
Pour estimer l’albédo moyen des parois, il est nécessaire de tenir compte des fenêtres. Ainsi
pour des fenêtres avec vitres claires, si l’angle zénithal est à moins de 40°, l’albédo est égal à
environ 0,08 (et l’émissivité est entre 0,87 et 0,94) et si l’angle zénithal est entre 40° et 80°,
l’albédo est entre 0,09 et 0,52 (et l’émissivité est entre 0,87 et 0,92) (Benzerzour, 2004).
Tableau 14 : Classification des matériaux en trois catégories en fonction de leur albédo
(Scudo et al., 2004).
Albédo
0,1 -0,3
Asphalte noir
Surfaces
Béton sombre
Pelouse
Ardoise
Albédo
Albédo
0,4 – 0,6
0,7 – 0,9
Béton clair
Pierre calcaire
Cuivre oxydé Marbre blanc
Brisque rouge Peinture blanche
Pierre
Malgré l’importance des pierres calcaires dans l’architecture parisienne, il n’est pas possible
de considérer que l’albédo moyen des matériaux approche 0,7 pour les murs, ne serait-ce que
182
du fait, par exemple, de la pollution atmosphérique qui « noircit » les façades. Les pierres
calcaires ne constituent de plus pas la totalité des matériaux utilisés. Un albédo compris entre
0,4 et 0,6 est ainsi plus probable pour les matériaux, autres que le vitrage, qui constituent les
murs parisiens.
Pour tenir compte en partie des surfaces vitrées, nous fixons l’albédo à 0,4.
En ce qui concerne l’émissivité, celle-ci varie également d’un matériau à l’autre. Elle peut
être estimée à 0,94 pour le béton, 0,90 pour les briques rouges (Santamouris, 2001(c)), entre
0,90 et 0,92 pour la pierre, et entre 0,87 et 0,94 pour les fenêtres (Benzerzour, 2004). Nous
fixons l’émissivité des murs parisiens à 0,90.
IV.4.3 Caractéristiques thermiques et radiatives de la voirie
L’asphalte est le matériau le plus présent sur la voirie parisienne. Ainsi comme le signale la
Ville de Paris dans le rapport de présentation de son PLU : « L’asphalte, qui a
progressivement remplacé le pavé scié sur les chaussées, et les trottoirs, dont les bordures
sont en granit, ont donné à la voie parisienne sa couleur allant du gris clair au gris foncé,
dont l’homogénéité ne se retrouve dans aucune autre ville d’Europe. »
Selon Santamouris (2001(c)), l’albédo de l’asphalte est compris entre 0,05 et 0,2, sachant que
0,05 correspond à un asphalte posé récemment et 0,2 à l’asphalte vieilli. Rachele et Tunick
(1993) proposent également des valeurs d’albédo pour le granit de 0,12 à 0,18, et pour
l’asphalte de 0,10 et 0,15 selon qu’il est respectivement humide ou sec. Dans l’ouvrage
Energy and climate: Studies in Geophysics de 1977 du Geophysics Study Committee entre
autres, des valeurs d’albédo mais également d’émissivité sont proposées pour le granit,
l’asphalte et les zones urbaines en général. Ainsi le granit a un albédo compris entre 0,12 et
0,15 et une émissivité de 0,90 ; l’asphalte a un albédo de 0,08 et une émissivité de 0,95 ; et les
zones urbaines ont un albédo moyen compris entre 0,10 et 0,15. Enfin pour Mills (1993),
l’asphalte a un albédo de 0,10 et une émissivité de 0,94.
Peu de trottoirs sont faits entièrement de granit ou de grès, et la majorité sont en asphalte.
Nous fixons pour la voirie de Paris un albédo de 0,10 et une émissivité de 0,94.
183
A Paris, une grande partie de la voirie est constituée en surface d’une couche de béton
bitumineux75 de 4 cm, puis d’une couche d’enrobé à modules élevés76 de 12 cm (il s’agit du
corps de chaussée), et d’une fondation en béton de 25 cm. En dessous, nous conservons
l’hypothèse d’un sol sec utilisé au sein de l’« urbain dense ».
On notera également que de nombreuses voiries en bitume sont réalisées non pas au-dessus
d’une fondation en béton mais au-dessus de pavés. Nous n’en tiendrons cependant pas
compte.
La norme NF EN ISO 104564 (sur les propriétés hygrothermiques de matériaux et produits
pour le bâtiment) propose pour l’asphalte une conductivité thermique de 0,70 W.m-1.K-1 et
une capacité thermique de 2,1 MJ.m-3. K-1, et pour un béton à densité moyenne une
conductivité thermique de 1,35 W.m-1.K-1 et une capacité thermique de 2 MJ.m-3. K-1.
Selon le site de l’ancien ministère de l’écologie, du développement et de l’aménagement
durables (aujourd’hui ministère de l'écologie, de l'énergie, du développement durable et de
l'aménagement du territoire), la conductivité thermique d’un béton bitumineux est comprise
entre 2 et 2,5 W.m-1.K-1 et sa capacité thermique de 2 MJ.m-3.K-1.
Tout comme pour les murs, du fait du fonctionnement du schéma TEB, il est nécessaire que la
couche extérieure soit relativement fine (entre 1 et 3 cm) car les calculs supposent que la
température de surface est la température intérieure de cette couche. Nous proposons donc le
découpage suivant :
•
Une première couche de béton bitumineux de 1 cm (conductivité thermique de 2 W.m1
•
.K-1 et capacité thermique de 2 MJ.m-3.K-1) ;
Une deuxième couche de béton bitumineux de 15 cm (conductivité thermique de 2
W.m-1.K-1 et capacité thermique de 2 MJ.m-3.K-1) ;
•
Une troisième couche de béton de 25 cm (conductivité thermique de 1,35 W.m-1.K-1 et
capacité thermique de 2 MJ.m-3.K-1) ;
75
Le béton bitumineux (aussi appelé enrobé bitumineux) est composé de différentes fractions de gravillons, de
sable, de filler et utilise le bitume comme liant. Le béton « classique » utilise le ciment comme liant.
76
Les enrobés à module élevé, ou bétons bitumineux à module élevé, sont obtenus à partir d’un mélange de
bitume pur ou modifié, de granulats fabriqués dans une centrale d’enrobage. Ils se caractérisent par un module de
rigidité E plus élevé que les enrobés classiques et par une bonne tenue à l’orniérage.
184
•
Une quatrième couche de sol sec de 1 m (conductivité thermique de 0,2513 W.m-1.K-1
et capacité thermique de 1,28 MJ.m-3.K-1, nous conservons les valeurs de l’urbain
dense).
IV.4.4 Caractéristiques thermiques et radiatives des toits
Paris est réputé pour ses toits en zinc mais possède également des toits plats qui pourraient à
terme être végétalisés, comme le signale la Ville de Paris au sein de son Plan Climat : « Dans
le cadre de l’étude de l’APUR, un recensement indique que Paris comporte 314 ha de toits
terrasses végétalisables. ». Ces toits plats sont plutôt gris, ni très clairs ni très foncés. La ville
de Paris possède également des toits en tuiles. Le tableau 15 présente quelques valeurs
d’albédo et d’émissivité.
Tableau 15 : Valeurs de l’albédo des matériaux âgés ou non pour l’ensemble des longueurs
d’onde.
Matériau
Ciment
coloré :
Gris foncé
Gris clair
Zinc
Albédo « neuf »
Albédo « âgé »
Emissivité
Source
0,13
0,33
0,15
0,29
0,54
(un an)
0,90
0,90
Prado et Ferreira (2005)
Prado et Ferreira (2005)
0,25
Prado et Ferreira (2005)
0,10
Entre 0,10
(neuf) et
0,05 (avec
l’usure du
temps)
CSTB Grenoble
0,68
Zinc
Zinc
Tuiles
0,8
0,60 (avec l’usure du
temps)
Entre 0,10 et 0,35 selon
la couleur
Tuiles
(Toulouse)
0,15
International Zinc
Association
Santamouris (2001(c))
0,90
CNRM (PIGEON)
Nous avons présenté ici plusieurs valeurs pour le zinc pour illustrer la dispersion des valeurs
selon les sources.
185
Figure 61 : Vue du ciel d’un quartier du 5ème arrondissement de Paris (Ville de Paris).
Figure 62 : Vue du ciel d’un quartier du 20ème arrondissement de Paris (Ville de Paris).
Comme l’illustrent ces deux photos (figures 61 et 62), si dans le centre de Paris, les toits en
zinc prédominent largement, ce n’est pas forcément le cas des arrondissements en périphérie.
Selon un rapport du CSTB (Abraham et al., 2007), « les toitures-terrasses sont [en France]
des dispositifs typiques du 20e siècle, leur apparition datant de la toute fin des années 1910.
Cependant, elles se sont considérablement développées au lendemain de la Seconde Guerre
Mondiale. Pour l’habitat construit avant 1975, les toitures-terrasses ne concernent
pratiquement que les immeubles de logement collectif. » Le rapport de l’APUR (2007) nous
indique que 74% des bâtiments parisiens ont été construits avant 1915, 83% avant 1945 et
91% avant 1976. Sachant que nous avons estimé à 3 350 ha, la surface totale de toit
186
précédemment, Il est possible d’estimer qu’il y a à Paris au maximum 500 ha de toituresterrasses.
Figure 63 : Coupe de toit correspondant à un bâtiment typique parisien, avec toiture zinc et
comble (A Paris le terrasson77 est recouvert de zinc et généralement le brisis78 d’ardoises)
(L’ANAH et le Ministère de l’Urbanisme et du Logement, 1984).
77
78
Terrasson : Versant supérieur, de faible pente, d'une toiture à comble brisé.
Brisis : sur une toiture à comble brisé, c'est le versant inférieur à forte pente.
187
Il existe peu de références sur la constitution des toits de Paris. Gromaire et al. (2001)
estiment pour leur part que pour une surface de 1 016 ha, 40% des toitures parisiennes sont
couvertes en zinc. Avec notre estimation de 3 350 ha de surface de toits, 40% correspond
plutôt à 1 300 ha.
Comme pour le mur, trois couches sont actuellement utilisées pour décrire le toit au sein de
TEB. Celles-ci correspondent globalement à l’étanchéité, à l’élément porteur et à l’isolation.
A noter que TEB considère que les toits sont plats.
Un toit en zinc (ou en tuile) est constitué au minimum d’une charpente et de la couche de zinc
(ou de tuile) (figure 63). Une couche d’isolant peut être ajoutée.
Les comportements thermiques des toits plats, des toits en tuile ou en zinc, peuvent être très
différents comme nous pouvons le constater à partir des valeurs du tableau 16.
Nous ne pouvons pas proposer plusieurs types de toits au sein d’une maille de TEB, comme
nous l’avons vu, et nous ne pouvons également pas moyenner les valeurs des différentes
caractéristiques. Nous avons décidé ici de décrire les toits de Paris comme étant tous en zinc,
soit avec un albédo de 0,6 et une émissivité de 0,1.
Tableau 16 : Conductivité et capacité thermiques de différents matériaux de toiture.
Conductivité thermique (W m-1 K-1)
110
Capacité thermique (MJ.m-3.K-1)
2,74
Tuile
1,15
1,58
Béton
1,35
2
Matériaux
Zinc
Source
NF EN ISO 10456
PIGEON G. (Travail
sur la ville de Toulouse)
NF EN ISO 10456
Selon le DTU 40.41 sur les couvertures par éléments métalliques en feuilles et longues
feuilles en zinc, les épaisseurs courantes des feuilles et longues feuilles pour les parties
courantes des couvertures à tasseaux et des couvertures à joint debout : 0,65 mm, 0,70 mm,
0,80 mm ; et pour les ouvrages particuliers : 0,65 mm minimum, 0,70 mm, 0,80 mm, 1,00
mm. Ces feuilles sont disposées sur un support en bois massif (sapin, épicéa, pin sylvestre ou
peuplier) qui, selon la nature de la pose, peut être d’une épaisseur comprise entre 12mm et
25mm. Le cas du voligeage jointif79 est illustré avec la figure 64.
79
Le voligeage est « l’ensemble des voliges qui composent un platelage destiné à recevoir un matériau de
couverture ». La volige est pour sa part une « planche légère de sapin ou de peuplier d’environ 1,2, 1,8 ou 2,6
cm d’épaisseur et de 10,5 cm de largeur, utilisée en couverture pour composer des platelages jointifs : les
188
Figure 64 : Dessin d’un voligeage jointif (DICOBAT).
TEB ne tient pas compte d’une éventuelle convection au sein des couches décrivant le toit, il
n’est donc pas possible de tenir compte d’une couche d’air important (entre un faux plancher
et le toit par exemple) qui constituerait dans le cas présent un très bon isolant (l’air immobile
a une conductivité thermique de 0,0262 W m-1 K-1). Vient ensuite, en dessous de la toiture,
un faux plancher. A Paris, dans les immeubles de type haussmannien, les combles, qui
correspondent à l’étage des anciennes chambres de bonnes, sont habités et seule une petite
partie peut être encore inoccupée si l’on ne tient pas compte des aménagements ayant pu être
réalisés depuis la construction de ces bâtiments (figure 63). Ce faux plancher est souvent
constitué en bacula80 ou plus simplement en bois.
Une couche d’isolant a été ajoutée au niveau des toits dans un grand nombre d’immeubles,
nous proposons ainsi le découpage suivant :
•
Une première couche de zinc de 0,7 mm (soit 0,07cm) (conductivité thermique de 110
W.m-1.K-1 et capacité thermique de 2,74 106 J.m-3.K-1 (NF EN ISO 10456)) ;
•
Une deuxième couche de bois de 2 cm (conductivité thermique de 0,18 W.m-1.K-1 et
capacité thermique de 1,12 MJ.m-3.K-1 (NF EN ISO 10456)) ;
•
Une couche d’isolant (laine minérale) de 10 cm (conductivité thermique de 0,04 W.m1
.K-1 et capacité thermique de 0,1 MJ.m-3.K-1 (NF EN ISO 10456)).
IV.5 Description de Paris et comparaison avec les valeurs de l’urbain
dense
Le tableau 17 résume pour ‘urbain dense’ et Paris la majorité des critères à renseigner pour la
modélisation. Certains, nous le allons le voir, sont identiques.
voliges, clouées horizontalement sur les chevrons, servent à fixer les couvertures en ardoise, bardeau, feuilles
métalliques, etc. » (DICOBAT, 1992)
80
Le bacula (qui s’écrit aussi baccula) est un « lattis [ensemble de lattes parallèles] de fines baguettes de bois ou
[…] de roseaux fendus, assemblés en claies par des fils de fer galvanisé. Cloué sous les solives d’un plancher de
bois, la bacula constitue l’armature traditionnelle des enduits de plâtre en plafond. » (DICOBAT, 1992)
189
Tableau 17 : Valeurs des critères de description de TEB et ISBA pour l’urbain dense de
Météo-France et notre proposition pour Paris.
Désignation
Valeur pour l’urbain
dense (MétéoFrance)
Valeur proposée pour
Paris
Unité
Symbole SURFEX
SITUATION GEOGRAPHIQUE ET CLIMATIQUE DE L’ESPACE URBAIN
Valeur minimale de la
2.40
Deg
longitude
Valeur maximale de la
2.40
Deg
longitude
Valeur minimale de la
48.73
Deg
latitude
Valeur maximale de la
48.73
Deg
latitude
Nombre de points de
1
grille en longitude
Nombre de points de
1
grille en latitude
Date du début de la
modélisation
XLONMAX
XLATMIN
XLATMAX
NLON
NLAT
s
NAM_PREP_SURF_ATM
NYEAR
NMONTH
NDAY
XTIME
0
0.9
COUVERTURE DU SOL
0
0,03
0.80
-
XUNIF_SEA
XUNIF_WATER
XUNIF_TOWN
0.1
0.17
-
XUNIF_NATURE
3
m
XUNIF_Z0_TOWN
0.5
-
XUNIF_BLD
30
m
XUNIF_BLD_HEIGHT
-
XUNIF_WALL_O_HOR
Année
2006
-
Mois
Jour
Temps
Fraction de mers/océans
Fraction de lacs
Fraction de villes (TEB)
Fraction de sol
nu/végétation (ISBA)
XLONMIN
STRUCTURE URBAINE ET TISSU CONSTRUCTIF
longueur de rugosité
dynamique du couvert
urbain - z 0 mville
la fraction occupée par les
bâtiments (= surface de
toit/surface de toit et
route) – abât
la hauteur des bâtiments –
zbât
le facteur de forme du bâti
(= surface des 2
murs/surface de route et
toit = 2(zbât/W)*(1-abât))
1
2
PARAMETRES RADIATIFS ET THERMIQUES DES MATERIAUX URBAINS (TEB)
Toit
nombre de couches pour
NROOF_LAYER
3
3
le toit
XUNIF_ALB_ROOF
albédo du toit - αt
0.15
0.60
XUNIF_EMIS_ROOF
émissivité du toit - εt
0.90
0.10
capacité thermique des i
2.11 106 (béton
couche de toit (de
dense), 0.28 106
2,74 106 (zinc), 1.12 106
J.mXUNIF_HC_ROOF(i)
3
6
l’extérieur vers l’intérieur)
(béton cellulaire),
(bois), 0.1 10 (isolation)
.K-1
6
81
- Cti
0.29 10 (isolation)
81
On notera que ses valeurs cumulées à l’épaisseur des couches donnent une inertie très élevée aux toits.
190
Désignation
conductivité thermique
des i couche de toit - λti
épaisseur des n couche de
toit - dti
Route
nombre de couches pour
la route (j)
albédos de la route - αr
émissivité de la route - εr
Valeur pour l’urbain
dense (MétéoFrance)
Valeur proposée pour
Paris
1.51, 0.08, 0.05
110, 0.18, 0.04
conductivité thermique
des j couches de route - λrj
épaisseur des j couches de
route - drj
Murs
nombre de couches pour
les murs (k)
albédos des murs - αm
émissivité des murs - εm
capacité thermique des k
couches des murs - Cmk
conductivité thermique
des k couches des murs λmk
épaisseur des k couches
des murs - dmk
Symbole SURFEX
W.m1
.K-1
XUNIF_TC_ROOF(i)
m
XUNIF_D_ROOF(i)
4
-
NROAD_LAYER
0,10
-
XUNIF_ALB_ROAD
XUNIF_EMIS_ROAD
3
J.m.K-1
XUNIF_HC_ROAD(j)
0.0007, 0.02, 0.1
0.05, 0.4, 0.1
3
0.08
0.94
1.94 10 (asphalte),
1.28 106 (sol sec),
1.28 106 (sol sec)
2.0 106 (béton
bitumineux), 2.0 106
(béton bitumineux), 2.0
106 (béton), 1,28 106 (sol
sec)
0.7454, 0.2513,
0.2513
2.0, 2.0, 1.35, 0.25
W.m1
.K-1
XUNIF_TC_ROAD(j)
0.05, 0.1, 1.0
0.01, 0.15, 0.25, 1.0
m
XUNIF_D_ROAD(j)
-
NWALL_LAYER
-
XUNIF_ALB_WALL
XUNIF_EMIS_WALL
6
capacité thermique des j
couche de route - Crj
Unité
3
0.25
0.85
1.55 106 (béton), 1.55
106 (béton), 0.29 106
(isolation)
0.40
0.90
2 106, 2 106, 2 106
(béton)
3
J.m.K-1
XUNIF_HC_WALL(k)
82
1.35, 1.35, 1.3583
W.m1
.K-1
XUNIF_TC_WALL(k)
0.02, 0.125, 0.05
0.02, 0.2, 0.05
m
XUNIF_D_WALL(k)
0.9338, 0.9338, 0.05
ACTIVITES HUMAINES : LES FLUX D’ORIGINE ANTHROPIQUE
Le flux de chaleur
sensible dû au trafic84 -
QHtrafic
20.0
37
W.m-2
XUNIF_H_TRAFFIC
0.0
3
W.m-2
XUNIF_LE_TRAFFIC
10.0
0
W.m-2
XUNIF_H_INDUSTRY
0.0
0
W.m-2
XUNIF_LE_INDUSTRY
Le flux de chaleur latente
Q
Etrafic
dû au traficLe flux de chaleur
sensible d’origine
industrielle - QHindus
Le flux de chaleur latente
d’origine industrielle.
QEindus
LE TYPE DE VEGETATION
Fraction de végétation
82
Soit une résistance thermique du mur de 1,16 K.m2. W-1 (1,33 K.m2. W-1 avec résistance superficielle liée à la
convection de 0,17 K.m2. W-1)
83
Soit une résistance thermique de 0,37 K.m2. W-1, avec résistance superficielle liée à la convection de 0,17
K.m2. W-1 incluse.
84
Les flux de chaleur sensible et latente dus au trafic sont supposés n’avoir lieu qu’entre 6h et 18h d’où une
multiplication par deux par rapport aux chiffres calculés précédemment qui correspondait à une moyenne
journalière.
191
Désignation
Sol nu (bare ground)
Rochers (rocks)
Neiges éternelles
(Permanent snow)
Arbres à feuilles caduques
(deciduous forest)
Forêt de conifères
(conifer forest)
Arbres à larges feuilles
persistantes (evergreen
broadleaf trees)
Cultures (C3 crops)
Cultures (C4 crops)
Cultures irriguées
(irrigated crops)
Prairies (grassland (C3))
Prairies tropicales
(tropical grassland (c4))
Jardin et parcs (garden
and parks)
Valeur pour l’urbain
dense (MétéoFrance)
Valeur proposée pour
Paris
Symbole SURFEX
0
0
-
XUNIF_VEGTYPE(1)
XUNIF_VEGTYPE(2)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(3)
-
XUNIF_VEGTYPE(4)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(5)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(6)
0
0
-
XUNIF_VEGTYPE(7)
XUNIF_VEGTYPE(8)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(9)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(10)
0
-
XUNIF_VEGTYPE(11)
-
XUNIF_VEGTYPE(12)
0.5
0.5
Unité
0.5
0.5
IV.6 Comparaison des résultats des simulations pour les modèles Paris et
urbain dense et choix d’une ‘ville-témoin’
Les modélisations du bilan énergétique des deux surfaces ‘Paris’ et ‘urbain dense’ donnent
des résultats très différents (figure 65), qui s’expliquent, en plus de la plus grande proportion
d’espaces végétalisés au sein de ‘Paris’ et des activités humaines différentes, par des bilans
d’énergie différents au sein des trois types de surfaces que sont les murs, les routes et les toits
(figures 66, 67 et 68).
Figure 65 : Bilans d’énergie pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ le 30 juin 2006.
Comme Piringer et Joffre (2005) le constatent pour d’autres zones urbaines denses, le flux de
chaleur sensible, pour ‘Paris’ comme pour ‘urbain dense’ (figure 65), reste positif durant la
192
nuit. Ce flux est soutenu par les importants rejets de la chaleur stockée au sein du bâti durant
la journée. Du fait de la faible quantité de végétation au sein de la ville et de la période de
modélisation ne présentant pas de pluies, les flux de chaleur latente sont faibles dans les deux
situations modélisées. Comme constaté dans d’autres zones urbaines (Grimmond et Oke,
1999(b)), pour l’urbain dense, le flux de chaleur stockée (∆QS) est maximal avant midi et le
maximum solaire ; le flux devient également négatif avant le rayonnement net (Q*). Le
décalage est d’une heure pour ‘Paris’ et de plus de trois heures pour ‘urbain dense’.
La description des toits est très différente entre ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (tableau 17). Pour
‘Paris’, la surface du toit est en zinc, avec une faible émissivité et un fort albédo, alors que
pour ‘urbain dense’, la surface est en béton avec un faible albédo et une forte émissivité. Cela
permet dans un premier temps de comprendre la grande différence de rayonnement net (Q*)
entre les deux situations, avec par exemple un rayonnement net maximal de 326 W.m-2 pour
‘Paris’ et un rayonnement net maximal de 506 W.m-2 pour ‘urbain dense’, tout deux à 13h. La
structure du toit est également différente. Le toit pour ‘Paris’ a une faible inertie et une
résistance thermique moyenne85 de 2,78 K.m2.W-1. Le toit pour ‘urbain dense’ a une inertie
plus importante que pour ‘Paris’ mais surtout une isolation thermique sans doute très
surestimée puisqu’elle est de 7,20 K.m2.W-1. Dans le cas de ‘Paris’, ces caractéristiques
thermiques du toit couplées aux propriétés du zinc font que le peu de rayonnement solaire, qui
est absorbé (40%) et transformé en chaleur, est relativement vite échangé entre l’intérieur et
l’extérieur du bâtiment (en comparaison au cas ‘urbain dense’) et peu stocké au sein des
matériaux. Ceci explique le fait que la courbe de flux de chaleur sensible soit très proche de
celle du rayonnement net et que la chaleur stockée reste faible, pour ‘Paris’. Dans le cas de
‘urbain dense’, la très forte résistance thermique, couplée à un faible albédo et une inertie plus
importante que pour ‘Paris’, permet un plus grand stockage de chaleur au sein des matériaux
du toit dès les premiers rayons du soleil d’où le profil observé pour les flux de chaleur stockée
et de chaleur sensible.
85
Dans la réglementation thermique de 2005, la valeur de référence pour les toitures terrasses en ce qui concerne
la résistance thermique est de 3,70 K.m2.W-1.
193
Figure 66 : Bilans énergétiques des toits pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006.
La description des murs est également différente entre ‘Paris’ et ‘urbain dense’. Les murs
pour ‘Paris’ ont un albédo plus élevé (0,40 au lieu de 0,25 pour ‘urbain dense’) mais une
émissivité proche. Cela permet, avec également la prise en compte du fait que les rues sont
plus étroites pour ‘Paris’ que pour ‘urbain dense’, d’expliquer les différences de rayonnement
net (Q*) entre les deux situations, avec par exemple un rayonnement net maximal de 112
W.m-2 pour ‘Paris’ et un rayonnement net maximal de 167 W.m-2 pour ‘urbain dense’, à 14h
pour le premier et 15h pour le second. La structure du mur a également des propriétés
thermiques différentes. Pour ‘Paris’, les murs ont une faible résistance thermique (0,37
K.m2.W-1)86 qui s’explique par la prise en compte dans le calcul des fenêtres et l’absence
d’isolation, alors que pour ‘urbain dense’ la résistance thermique est plutôt élevée (1,33
K.m2.W-1). Pour ce qui est de l’inertie, celle des murs pour ‘Paris’ est plus importante que
celle des murs pour ‘urbain dense’. Cette combinaison de caractéristiques thermiques permet
d’obtenir, comme nous pouvons le constater (figure 67), des évolutions proches au niveau des
variations du flux de chaleur stockée (∆QS) au sein des deux types de murs. Les évolutions
des flux de chaleur sensible (QH) sont, pour leur part, très différentes.
86
Dans la réglementation thermique de 2005, la valeur de référence pour les murs est de 2,78 K.m2.W-1, pour les
fenêtres de 0,56 K.m2.W-1, soit pour des murs avec 35% de fenêtres de 1,16 K.m2.W-1.
194
Figure 67 : Bilans énergétiques des murs pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006.
La description des routes est également différente entre ‘Paris’ et ‘urbain dense’. En effet, si
les caractéristiques de surface sont proches (l’émissivité est de 0,94 dans les deux cas, et
l’albédo est de 0,1 pour ‘Paris’ et de 0,08 pour ‘urbain dense’), ce n’est pas le cas de la
structure. Pour ‘urbain dense’, la route est constituée d’une couche mince d’asphalte (5 cm)
qui recouvre du sol sec, alors que pour ‘Paris’, ce sol sec est recouvert par 16 cm béton
bitumineux (en surface) et 25 cm de béton. Si ces caractéristiques ont sans aucun doute une
importance, nous pouvons constater pour le moment uniquement l’importance de la géométrie
de la rue (beaucoup plus étroite pour ‘Paris’ que pour ‘urbain dense’) qui empêche une partie
du rayonnement solaire d’atteindre la route d’où cette différence, malgré des caractéristiques
de surface proche, du rayonnement net. Le rayonnement net maximal est de 280 W.m-2 pour
‘Paris’ et de 424 W.m-2 pour ‘urbain dense’, et a lieu à 12h dans les deux cas.
Figure 68 : Bilans énergétiques des routes pour ‘Paris’ et ‘urbain dense’ (W.m-2) le 30 juin
2006.
195
Suite à ces modélisations et à l’analyse des chiffres de ‘urbain dense’, il a été décidé de
choisir la description proposée pour Paris pour servir de support à nos différentes simulations.
Celle-ci est en effet a priori plus proche du cadre bâti parisien qu’urbain dense. Sur la base de
ce cas témoin, qui servira donc d’élément de comparaison, plusieurs scénarii ont été élaborés
pour permettre d’évaluer la sensibilité climatique des différents paramètres et de
modifications plus complexes (chapitre V).
196
V
Présentation des différentes simulations
V.1 Etude de sensibilité du bilan d’énergie : variation simple des
paramètres de SURFEX
A partir de la description de Paris présentée précédemment, nous allons tester la sensibilité du
bilan d’énergie de la ville à différents paramètres du cadre bâti et non bâti.
A notre connaissance, peu d’études de sensibilité du bilan d’énergie ont été effectuées. Nous
pouvons néanmoins citer celle de Hamdi et Schayes (2008) effectuée avec le modèle FVM de
Martilli, modèle qui, rappelons-le, considère explicitement les effets des bâtiments, des rues et
autres matériaux artificiels sur le bilan énergétique de surface du milieu urbain, comme le fait
le schéma de surface TEB, schéma que nous avons choisi d’utiliser.
L’objectif de l’ensemble de ces scénarii est de connaître la sensibilité du bilan d’énergie de
différents paramètres de surface correspondant en grande partie aux différents critères utilisés
au sein de TEB pour décrire une surface urbaine. En grande partie car, pour la forme urbaine,
a été privilégiée la variation de la largeur des rues et de la profondeur des bâtiments, plutôt
que celle de la fraction occupée par les bâtiments et du facteur de forme du bâti.
Nous proposerons plusieurs simulations augmentant ou diminuant la valeur des paramètres.
Des cas extrêmes sont proposés et s’appuient, selon les paramètres, sur des limites physiques
et/ou sur un choix personnel. Le détail des paramètres modifiés pour chaque modélisation est
disponible en annexe 12.
V.1.1 Couverture du sol
Selon la description effectuée précédemment Paris compte, hors Bois de Boulogne et de
Vincennes, 3% de surface d’eau, 80% d’espaces minéralisés (TEB) et 17% d’espaces
végétalisés (ISBA).
La modification de la part dévolue aux espaces végétalisés (parcs, jardins publics et privés,
arbres d’alignement, etc.) induit une modification de la part d’espace minéral (à surface d’eau
constante). Nous avons choisi de tester la sensibilité du bilan d’énergie avec cinq
expériences : un extrême inférieur sans végétation, une dégradation modérée avec une
diminution de 50% de la surface actuelle des espaces végétalisés (soit 9% d’espaces
végétalisés), une amélioration modérée avec une augmentation de 50% de la surface actuelle
des espaces végétalisés (soit 26% d’espaces végétalisés), une amélioration importante de
197
100% de la surface actuelle des espaces végétalisés (soit 34% d’espaces végétalisés), et un
extrême supérieur avec 50% d’espaces végétalisés (figure 69).
TEB : 0,87
ISBA : 0
TEB : 0,88
ISBA : 0,09
TEB : 0,71
ISBA : 0,26
TEB : 0,63
ISBA : 0,34
ISBA
TEB
PARIS
TEB : 0,80
ISBA : 0,17
TEB : 0,47
ISBA : 0,50
Lac : 0,029
Figure 69 : Représentation des fractions de ville (TEB), de végétation (ISBA) et d’eau selon
les différentes expériences modélisées.
Les surfaces d’eau comptabilisées au sein de Paris concernent la Seine et les canaux. Les
possibilités pour faire varier la part de surface dévolue à l’eau sont relativement faible d’où un
intervalle de propositions moins important que pour les espaces végétalisés. Nous avons donc
choisi de modéliser un extrême inférieur sans eau, une dégradation modérée avec 1% de
surfaces d’eau, une amélioration modérée avec 6% de surfaces d’eau (soit une augmentation
de 100% par rapport à la surface actuelle), une amélioration importante avec 12% de surfaces
d’eau (soit une augmentation de 200% par rapport à la surface actuelle), et un extrême
supérieur avec 20% de surfaces d’eau (figure 70).
TEB : 0,82
Lac : 0,01
TEB : 0,83
Lac : 0
TEB : 0,77
Lac : 0,06
ISBA
TEB : 0,71
Lac : 0,12
TEB
PARIS
TEB : 0,80
Lac : 0,03
TEB : 0,63
Lac : 0,20
Lac : 0,03
Figure 70 : Représentation des fractions de ville (TEB), de végétation (ISBA) et d’eau selon
les différentes expériences modélisées.
V.1.2 Structure urbaine et tissu constructif
Le paragraphe précédent décrit la structure urbaine et le tissu constructif de Paris. On a ainsi
obtenu pour Paris une hauteur moyenne des bâtiments de 30 m (soit une longueur de rugosité
198
de 3m87), une fraction occupée par les bâtiments (abât) de 0,5, et un facteur de forme du bâti de
2, ce qui donne une largeur moyenne de rue de 15 m et une profondeur de bâtiment de 15 m.
La fraction occupée par les bâtiments (abât), le facteur de forme du bâti et la hauteur des
bâtiments (zbât) sont dépendants l’un de l’autre, ainsi que la longueur de rugosité dynamique
du couvert urbain ( z 0 mville ) et la hauteur des bâtiments (zbât). Pour mieux comprendre le rôle
joué par la rue et le toit, nous distinguons les paramètres suivants : la hauteur des bâtiments
(zbât), la largeur moyenne des rues (W) et la profondeur des bâtiments (Pbât). (Figure 71)
Figure 71 : Schématisation du canyon urbain dans TEB - avec W la largeur moyenne des rues,
abât la fraction de bâtiment, zbât la hauteur moyenne des bâtiments et zbât la profondeur
moyenne des bâtiments (D’après : Lemonsu, 2003).
La largeur des rues modifie deux facteurs au sein de TEB : la fraction occupée par les
bâtiments et le facteur de forme du bâti. Elle est à Paris d’environ 15 m et la profondeur
moyenne des bâtiments est de 15 m. Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à une
modification de la largeur moyenne des rues, nous avons effectué quatre expériences
correspondant aux hauteurs suivantes : 10m, 30m, 45m et 60m (figure 72).
W = 10 m
Paris
W = 15 m
W = 30 m
W = 45 m
W = 60 m
Figure 72 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la largeur moyenne des rues W.
En ce qui concerne la hauteur des bâtiments, trois facteurs sont concernés au sein de TEB par
sa modification : la longueur de rugosité dynamique du couvert urbain, la hauteur des
bâtiments bien sur, et le facteur de forme du bâti.
87
La longueur de rugosité est égale à 1/10 de la hauteur des bâtiments et ce avec une limite de 5m.
199
Même si la tendance au sein des villes est à la densification et, par conséquent, sans doute à
une augmentation du nombre des étages (et donc de la hauteur des bâtiments) plus qu’à une
diminution, les deux tendances sont intéressantes à regarder et cinq valeurs différentes ont été
choisies : 5m, 15m, 45m, 60m et 100m (figure 73).
zbât = 10 m
zbât = 15 m
Paris
zbât = 30 m
zbât = 45 m
zbât = 60 m
zbât = 100 m
Figure 73 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la hauteur des bâtiments zbât.
Deux facteurs sont concernés au sein de TEB par la modification de la profondeur des
bâtiments : la fraction occupée par les bâtiments et le facteur de forme du bâti.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à la profondeur des bâtiments, nous avons choisi
quatre valeurs : 10m, 30m, 45m et 60m (figure 74).
Pbât = 10 m
Paris
Pbât = 15 m
Pbât = 30 m
Pbât = 45 m
Pbât = 60 m
Figure 74 : Représentation des formes du canyon selon les différentes expériences modélisées,
c'est-à-dire en fonction de la profondeur des bâtiments Pbât.
V.1.3 Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains
TEB permet une certaine précision dans la description des murs, routes et toits. Pour éviter de
trop complexifier ce plan d’expériences nous proposons de faire varier, pour tenir compte
d’une amélioration ou d’une diminution de la qualité de l’isolation, uniquement la
conductivité thermique de la couche intérieure. Et pour ce qui est de l’inertie, nous proposons
de faire varier uniquement la capacité thermique de la couche la plus épaisse.
200
La résistance thermique d’un mur (Rm) ou d’un toit (Rt) composé de plusieurs couches est la
somme des résistances thermiques de chacune de ces couches (Pour les couches de murs :
Rmi = dmi / λmi ; pour les couches de toits : Rti = dti / λti).
Une diminution de la conductivité thermique (soit une augmentation de la résistance
thermique) permet d’améliorer l’isolation et une augmentation de la capacité thermique
augmente l’inertie d’un bâtiment.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’isolation des toits (pour Paris, la résistance
thermique du toit est actuellement de 2,78 K.m2.W-1), cinq modélisations ont été effectuées :
un extrême inférieur avec une résistance thermique de 0,28 K.m2.W-1 ; une diminution
modérée de 50% avec une résistance thermique de 1,39 K.m2.W-1 ; une augmentation
modérée de 100% avec donc une résistance thermique de 5,28 K.m2.W-1 ; une augmentation
importante de 150% avec donc une résistance thermique de 6,94 K.m2.W-1 ; et un extrême
supérieur avec une résistance thermique de 10,28 K.m2.W-1.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie des toits, nous avons fait varier la
capacité thermique de la troisième couche du toit (10 cm d’épaisseur et une capacité
thermique pour Paris de 0,1 106 J.m-3.K-1). Cinq expériences ont été faites avec les capacités
thermiques
suivantes :
0,01.106
J.m-3.K-1 ;
0,05.106
J.m-3.K-1 ;
1.106
J.m-3.K-1 ;
2.106 J.m-3.K-1 ; 5.106 J.m-3.K-1.
Pour les toits de Paris nous avons fixé un albédo moyen de 0,60 et testé la sensibilité du bilan
d’énergie au travers des expériences suivantes : un extrême inférieur avec un albédo de 0,05 ;
une diminution modérée de -0,15 soit un albédo de 0,45 ; une augmentation modérée de +0,15
soit un albédo de 0,75 ; une augmentation importante de +0,30 soit un albédo de 0,90 ; et un
extrême supérieur avec un albédo de 0,95.
Pour les toits de Paris nous avons fixé une émissivité moyenne de 0,1 (toiture en zinc). La
sensibilité du bilan d’énergie à l’émissivité a été testée avec les valeurs suivantes : un extrême
inférieur de 0,05 ; une augmentation modérée avec 0,3 ; une augmentation importante avec
0,7 ; et un extrême supérieur de 1.
En plus de ces trois types d’expériences pour les toits, nous avons également testé la
sensibilité à la nature des toits avec des toits en tuile et des toitures-terrasses.
201
Pour l’isolation des murs, les valeurs retenues pour Paris tiennent compte, comme nous
l’avons expliqué, de la présence des fenêtres, ce qui, ajouté à la faible isolation du bâti
parisien, justifie la faible résistance thermique des murs (0,37 K.m2.W-1). Pour intégrer une
isolation aux murs, nous avons ajouté une quatrième couche d’isolant à l’intérieur, de 10 cm
d’épaisseur et de faible capacité thermique (0,1.106 J.m-3.K-1) et de conductivité thermique
différente selon les modélisations. Voici les différentes situations modélisées : une
augmentation modérée de la résistance thermique du mur (2,04 K.m2.W-1) ; une augmentation
importante (3,70 K.m2.W-1) ; et un extrême supérieur (5,37 K.m2.W-1).
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie des murs, nous avons fait varier la
capacité thermique de la deuxième couche des murs (20 cm d’épaisseur et une capacité
thermique pour Paris de 2.106 J.m-3.K-1). Cinq expériences ont été faites avec les capacités
thermiques suivantes : 0,01.106 J.m-3.K-1 ; 1.106 J.m-3.K-1 ; 3.106 J.m-3.K-1 ; 4.106 J.m-3.K-1 ;
5.106 J.m-3.K-1.
Pour les murs de Paris nous avons fixé un albédo moyen de 0,40 et testé la sensibilité du bilan
d’énergie au travers des expériences suivantes : un extrême inférieur avec un albédo de 0,05 ;
une diminution modérée de -0,15 soit un albédo de 0,25 ; une augmentation modérée de +0,15
soit un albédo de 0,55 ; une augmentation importante de +0,30 soit un albédo de 0,70 ; et un
extrême supérieur avec un albédo de 0,95.
Pour les murs de Paris nous avons également fixé une émissivité moyenne de 0,9. La
sensibilité du bilan d’énergie à l’émissivité a été testée avec les valeurs suivantes : un extrême
inférieur de 0,05 ; une diminution importante avec 0,3 ; une diminution modérée avec 0,6 ; et
un extrême supérieur de 1.
Du fait des hypothèses de calculs de TEB pour les routes (le flux de chaleur par conduction
est nul au bas de la dernière couche de matériau représentée, cf. annexe 9) la question de la
conductivité thermique est peu intéressante. De plus, le sol sec joue à lui-seul un rôle
important d’isolant hors ce matériau n’est a priori pas celui sur lequel nous avons le plus
d’influence. Nous pouvons en revanche nous intéresser à l’influence de l’inertie thermique.
202
Ainsi, pour tester la sensibilité du bilan d’énergie à l’inertie des murs, nous avons fait varier la
capacité thermique de la troisième couche (37 cm d’épaisseur et une capacité thermique pour
Paris de 2 106 J.m-3.K-1). Cinq expériences ont été faites avec les capacités thermiques
suivantes : 0,1 106 J.m-3.K-1 ; 1 106 J.m-3.K-1 ; 3 106 J.m-3.K-1 ; 4 106 J.m-3.K-1 ; 5 106 J.m-3.K-1.
Les rues de Paris ont un albédo faible de 0,1. Nous avons testé la sensibilité du bilan
d’énergie à l’albédo des rues au travers des expériences suivantes : un extrême inférieur avec
un albédo de 0,05 ; une augmentation modérée de +0,15 soit un albédo de 0,25 ; une
augmentation importante de +0,30 soit un albédo de 0,40 ; et un extrême supérieur avec un
albédo de 0,95.
L’émissivité des rues est de 0,94. La sensibilité du bilan d’énergie à l’émissivité a été testée
avec les valeurs suivantes : un extrême inférieur de 0,05 ; une diminution importante avec
0,3 ; une diminution modérée avec 0,6 ; et un extrême supérieur de 1.
V.1.4 Activités humaines : les flux de chaleur anthropique
Aujourd’hui, à Paris, sur les deux activités prises en compte par le schéma TEB (trafic routier
et industries), seul le trafic routier est générateur de flux de chaleur avec un flux de chaleur
sensible de 37 W.m-2 et un flux de chaleur latente de 3 W.m-2 entre 8h et 18h (ces flux sont à
zéro la nuit). L’industrie ne génère aujourd’hui quasiment plus de flux de chaleur d’où une
estimation à zéro.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de chaleur sensible dû au trafic, nous avons
effectué cinq modélisations : un extrême inférieur de 0 W.m-2; une diminution importante
avec 10 W.m-2 ; une diminution modérée de 50% avec 20 W.m-2 ; une augmentation modérée
de 50% avec 55 W.m-2 ; et un extrême supérieur de 100 W.m-2.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie au flux de chaleur latente dû au trafic, nous avons
effectué quatre modélisations : un extrême inférieur de 0 W.m-2 ; une diminution modérée de
50% avec 1,5 W.m-2 ; une augmentation modérée de 50% avec 5 W.m-2 ; et un extrême
supérieur de 15 W.m-2.
Pour tester la sensibilité du bilan d’énergie aux flux de chaleur d’origine industrielle, nous
avons, pour les flux de chaleur sensible comme le flux de chaleur latente, effectué deux
modélisations : une à 20 W.m-2 et l’autre à 40 W.m-2.
203
V.2 Etude de sensibilité du bilan d’énergie à la variation de multiples
paramètres en relation avec les domaines d’action identifiés
L’objectif ici est de proposer plusieurs modélisations en relation avec les leviers d’actions
précédemment identifiés : le bâtiment, les espaces publics, et l’organisation urbaine. Nous
avons choisi, en ce qui concerne les activités industrielles et le transport, de ne pas proposer
de modélisations supplémentaires en plus de celles effectuées pour les tests de sensibilité.
Pour les modélisations présentées ici, le cas témoin reste toujours Paris.
V.2.1 Bâtiment
Au sein du domaine du bâtiment, nous avons identifié trois grands leviers d’action, tous décris
par une multiplicité de critères : la forme du bâtiment, sa composition et structure, et son
exploitation.
TEB ayant une description relativement simplifiée de la structure urbaine88, les tests de
sensibilité précédemment effectués ont permis de répondre en grande partie à la question de la
forme du bâtiment. Concernant l’exploitation du bâtiment, TEB ne permet pas de tenir compte
d’activités ou de comportements particuliers. L’échelle de la modélisation n’est pas ailleurs
pas forcément adaptée à l’intégration de tels paramètres. Les rejets de la climatisation peuvent
être modélisés par le biais des flux de chaleur liés au trafic ou à l’industrie. Nous avons choisi
de ne pas étudier cet aspect.
En ce qui concerne la composition et la structure du bâtiment et son exploitation, plusieurs
situations méritent d’être modélisées.
L’amélioration des performances énergétiques des bâtiments est aujourd’hui un enjeu majeur
et s’articule notamment avec les diminutions des rejets en gaz à effet de serre (GES) et la lutte
contre le changement climatique.
Les réglementations thermiques ont permis d’améliorer l’efficacité thermique des bâtiments et
celle de 2005 préconise un coefficient de transmission de surface de référence89 de
1,8 W.m-2.K-1 pour les fenêtres, de 0,36 W.m-2.K-1 pour les parois opaques, et de
88
TEB s’appuie sur le concept du canyon urbain. Le toit et la route sont des surfaces planes horizontales et les
murs des surfaces verticales de même hauteur. La hauteur et la profondeur des bâtiments ainsi que la largeur des
rues ne varient pas au sein de la maille modélisée. Toutes les orientations de rue sont possibles, et elles existent
avec la même probabilité.
89
Le coefficient de transmission de surface de référence est une valeur qui détermine le niveau de performance à
viser pour avoir une cohérence entre le bâti et les équipements. U=1/RT où RT est la somme des résistances
thermiques des couches plus la résistance thermique d'échange superficiel (Ri et Re) qui vaut 0,17 K.m2.W-1
pour un mur et un toit
204
0,27 W.m-2.K-1 pour les toitures terrasses (soit une résistance thermique respectivement de
0,56 K.m2.W-1, de 2,78 K.m2.W-1 et de 3,70 K.m2.W-1, résistance thermique d'échange
superficiel (Ri et Re) incluse). Par exemple avec 35% de fenêtres sur un mur (hypothèse
choisie pour décrire Paris), la réglementation thermique de 2005 (RT 2005) préconise ainsi un
coefficient de transmission surface (U) de 0,864 W.m-2.K-1, soit une résistance thermique de
1,16 K.m2.W-1.
Nous allons également nous appuyer sur les standards Minergie (figure 75).
Figure 75 : Les standards Minergie et Minergie-P (MINERGIE).
A ces questions d’isolation thermique s’ajoutent également le choix de l’albédo des matériaux
de surface (toit et murs) dont l’influence sur l’îlot de chaleur urbain comme sur le confort
intérieur du bâtiment est non négligeable. Si pour les murs, l’utilisation d’une peinture
blanche est relativement aisée et permet d’atteindre des albédos entre 0,7 et 0,9 (l’émissivité
reste aux alentours de 0,9), pour les toits la question est plus « difficile » dans le sens où la
modification de l’albédo dépend parfois d’un nouveau choix de matériau de couverture et non
d’une nouvelle couleur de peinture. Le zinc, qui est le matériau choisi pour notre
représentation de Paris, a déjà un albédo élevé (albédo de 0,68). Une base de données a été
créée dans le cadre du projet Heat Island Project mené par Hashem Akbari ‘Lawrence
Berkeley National Laboratory’ (http://eetd.lbl.gov/CoolRoofs/). Nous avons choisi deux
205
revêtements blancs d’albédo 0,75 et 0,85, et de même émissivité : 0,91 ; le revêtement blanc
est ce qui permet d’avoir globalement les albédos les plus élevés en comparaison avec les
membranes ou les toits en métal.
Nous avons choisi de regarder les conséquences en termes de bilan d’énergie de différentes
améliorations thermiques des bâtiments à partir de la description de Paris (dont, , pour notre
description, la résistance thermique du toit est de 2,78 K.m2.W-1 et la résistance thermique des
murs de 0,37 K.m2.W-1). Nous proposons donc de regarder les six cas suivants :
•
Des bâtiments conformes à la RT 2005 (Rth(toit) = 3,92 K.m2.W-1 ; Rth(mur) =
1,21 K.m2.W-1)
•
Des bâtiments conformes au standard Minergie (Rth(toit) = 5,05 K.m2.W-1 ; Rth(mur)
= 1,90 K.m2.W-1) ;
•
Des bâtiments conformes au standard Minergie-P (Rth(toit) = 8,41 K.m2.W-1 ;
Rth(mur) = 3,15 K.m2.W-1) ;
•
Des bâtiments de couleur claire ou avec des matériaux réfléchissants (albédo des toits
et des murs de 0,75) ;
•
Des bâtiments de couleur très claire ou avec des matériaux très réfléchissants (albédo
des toits et des murs de 0,85) ;
•
Des bâtiments conformes au standard Minergie-P, de couleur très claire ou avec des
matériaux très réfléchissants (Rth(toit) = 8,41 K.m2.W-1 ; Rth(mur) = 3,15 K.m2.W-1 ;
et albédo des toits et des murs de 0,85).
Pour le calcul de la résistance thermique des murs pour ces différentes situations, nous avons
conservé le taux moyen de vitrage de Paris qui est estimé à 35% de la surface de murs90 et
proposé une couche d’isolant permettant de tenir compte de l’isolation plus faible des
fenêtres.
90
Dans la réglementation thermique de 2005, la surface vitrée de référence est limitée à 1/6 (≈17%) de la surface
habitable, surface qui comprend en plus des murs, les pignons et les toits. Notre choix de conserver 35% de taux
de vitrage est donc justifiable, les pignons et les toits ayant une surface à peu près équivalente à celle des murs.
206
V.2.2 Espaces publics
Cinq leviers d’action ont été identifiés concernant les espaces publics : la forme de la rue, la
composition du sol de la voirie, la géométrie des rues, les arbres d’alignement et la nature des
espaces végétalisés. L’orientation et le tracé des rues ne sont pas pris en compte au sein de
TEB. Parmi les modèles de méso-échelle présentés précédemment, hormis le modèle de
Martilli (FVM) qui tient compte de l’orientation des rues, ces limites sont communes aux
autres modèles. Ainsi les tests de sensibilité proposés permettront de comprendre en partie
l’influence de ces différents leviers.
Si la végétalisation des espaces urbains est un travail déjà effectué par les grandes
agglomérations pour des raisons autres que climatiques, la question de la voirie reste encore
faiblement abordée. Il existe pourtant des matériaux tels que le béton désactivé ou encore
l’asphalte clair permettant d’avoir un albédo plus élevé. La contrainte du nettoyage91 est
cependant forte.
V.2.3 Organisation urbaine
Le domaine de l’organisation urbaine possède trois leviers d’action composés de multiples
critères : les densités, l’agencement des espaces publics au sein de la ville, et la forme et le
profil de l’espace urbain. Comme c’est le cas pour les autres modèles de méso-échelle,
SURFEX utilisé en mode forcé ne permet pas de connaître l’influence de l’agencement des
espaces publics au sein de la ville, ni même le rôle précis de la forme et du profil de l’espace
urbain. Nous nous limitons donc pour ces deux leviers aux tests de sensibilités effectués
précédemment.
Aujourd’hui, la densification des zones urbaines est un objectif affiché (exemple : schéma
directeur de la région Ile-de-France). Un des arguments est que cela permet d’éviter des
surconsommations énergétiques dues notamment à la question des transports. Pourtant, pour
rester attractives, les villes doivent également proposer des espaces verts, de la végétation,
rester aérer. Nous avons donc là deux objectifs en opposition.
91
Dans le PLU de la Ville de Paris, on peut lire : « Des matériaux de type asphalte noir ou dalles en pierre
naturelle (granit) ne nécessitent pas de nettoiement exceptionnel. Par contre, des matériaux de type béton
désactivé (sauf si celui-ci est de teinte sombre, car dans ce cas il possède une bonne tenue aux souillures
organiques et ce contrairement à un asphalte clair, même silicé), ou de type stabilisé (qui induit des problèmes
de désherbage et de traitement des déjections canines), sont à éviter en règle générale sur de grandes étendues,
a fortiori si la colorimétrie choisie est claire. Si pour des contraintes architecturales ou urbanistiques majeures
un matériau clair devait être retenu, il est préférable que ce dernier soit grenaillé ou bien présente un effet
moucheté ou chiné permettant ainsi de limiter l’effet « aspect dégradé » trop rapidement. En outre, des
matériaux non génériques risquent d’engendrer de nombreux problèmes d’entretien et de réparabilité. »
207
Pour réussir à conserver une densité humaine équivalente tout en proposant de plus nombreux
espaces végétalisés, une des solutions peut être d’augmenter les coefficients d’occupations
des sols ainsi que le prospect des rues.
Aujourd’hui Paris, avec une largeur de rue d’environ 15 m et une hauteur de bâtiment
d’environ 30 m, a un prospect (H/W) de 2. La fraction minérale occupée par les bâtiments est
de 0,5 et la part d’espaces végétalisés est de 17% (80% de ville et 3% de voies d’eau).
Nous proposons la modélisation des cas suivants :
•
25% d’espaces végétalisés, soit 72% d’espace minéral (environ 6 300 ha) avec une
fraction minérale occupée par les bâtiments de 0,5 et une hauteur moyenne de
bâtiment de 35m.
•
30% d’espaces végétalisés, soit 67% d’espace minéral (environ 5 800 ha) avec une
fraction minérale occupée par les bâtiments de 0,5 et une hauteur moyenne de
bâtiment de 38m.
Pour tenir compte également de l’influence des services techniques de la ville sur la voirie,
nous proposons une troisième modélisation avec une voirie plus claire :
•
30% d’espaces végétalisés, soit 67% d’espace minéral (5 800 ha) avec une fraction
minérale occupée par les bâtiments de 0,5 et une hauteur moyenne de 38m, et une
voirie d’albédo à 0,5.
208
VI Résultats des simulations
Les modélisations mises en œuvre sont, comme nous venons de le voir, de deux natures. Des
tests de sensibilité à différents critères de description de la surface urbaine et de son cadre bâti
ont tout d’abord été effectués et des situations plus complexes en relation avec les quatre
domaines d’actions identifiés précédemment ont par la suite été modélisées. Avant l’analyse
des résultats des simulations, nous présentons le cadre de ces simulations, c'est-à-dire la
situation climatique choisie pour les effectuer, les conditions initiales associées, ainsi que la
forme des résultats.
VI.1 Cadre des simulations
VI.1.1 Situations climatiques choisies
Pour nos simulations, nous avons choisis deux forçages climatiques (une journée d’été et une
journée d’hiver). Les données de forçage sont constituées par les paramètres recueillis à la
station Montsouris de Paris, station située au cœur du parc de Montsouris. Les paramètres mis
à disposition par Météo-France sont : la hauteur de précipitations horaire (millimètres), la
température sous abri horaire (°C), la vitesse du vent horaire (m/s), la direction du vent a 10 m
horaire (rose de 360), l’humidité relative horaire (%), la durée d'insolation horaire (minutes),
le rayonnement global horaire (J/cm2) et la nébulosité totale horaire (octas92).
Le forçage est appliqué 10 m au-dessus des toits et des surfaces végétales ou d’eau.
VI.1.1.a
Une journée estivale
Figure 76 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 juin 2006.
Notre étude s’est appuyée sur la journée estivale du 30 juin 2006, journée ensoleillée et sans
précipitation (nébulosité nulle hormis en tout début de matinée), d’où notre choix, dont les
principales données climatiques sont présentées ci-dessous (figure 76).
92
Un octa représente 1/8ème de la voûte céleste. Ainsi 8 octas équivaut à un ciel entièrement couvert.
209
VI.1.1.b
Une journée hivernale
Notre étude s’est également appuyée sur la journée hivernale du 30 janvier 2006, journée
ensoleillée, sans nuage (nébulosité nulle) et précipitation, d’où notre choix, permettant ainsi à
la ville de s’échauffer. Les données climatiques de cette journée sont présentées ci-dessous
(figure 77).
Figure 77 : Température (°C), vent (m/s) et rayonnement solaire (J/m2/s) à la station
Montsouris (Paris) le 30 janvier 2006.
VI.1.2 Conditions initiales
Les conditions initiales concernent pour TEB les températures suivantes :
•
des surfaces des murs, des routes et des toits,
•
à l’intérieur du bâtiment,
•
sous la route,
•
à l’intérieur du sol végétalisé (couches de la surface, des racines et profonde),
•
de la surface de l’eau.
Nos modélisations débutent de nuit, à minuit, c'est-à-dire qu’aucune surface n’est soumise au
rayonnement solaire et donc à un réchauffement important. Le tableau 18 présente nos choix
pour ces températures initiales.
Nous avons fixé à 18°C la température minimale à l’intérieur des bâtiments ainsi qu’à 18°C
également la température correspondant au sous-sol (c'est-à-dire à plus de 2m10 de
profondeur). Ce dernier chiffre est peut-être surestimé (en hiver notamment) mais une étude
plus approfondie sur la situation de Paris aurait été nécessaire pour déterminer une valeur, ce
qui n’était pas l’objet de notre étude. Il en est de même pour la température sous la route
(supposée être celle à l’altitude 0m). Des simulations ont été effectuées pour tester
l’importance des températures initiales. Après sept jours de simulations les différences
210
deviennent négligeables. Dans le cas, par exemple, de deux situations hivernales ayant des
températures initiales les unes calculées comme expliqué au sein du tableau 18 et les autres
avec 3°C de plus, les différences sont inférieures à 2 W.m-2 ou inférieure à 3% des valeurs
modélisées en ce qui concerne le bilan d’énergie.
Pour chacune de nos simulations, une semaine est donc simulée avant la journée qui nous
concerne permettant ainsi de stabiliser le modèle.
Tableau 18 : Initialisation des températures pour les modélisations (Ta1 est la température de
l’air du premier pas de temps du forçage utilisé)
Températures à initialiser
Températures de surface des murs, des routes et des toits
Température à l’intérieur du bâtiment
Température sous la route
Température pour le sol « naturel »
Couche de surface (10cm)
Couche racinaire (2m)
Couche profonde (3m)
Température de la surface de l’eau
Initialisation
Ta1
Ta1 ou 18°C si Ta1 < 18°C
Moyenne de Ta1 et 18°C
Ta1
Moyenne de Ta1 et 18°C
18°C (291,15 K)
Ta1
VI.1.3 Forme des résultats
A la différence de l’étude de Hamdi et Schayes (2008), qui ont utilisé le modèle FVM de
Martilli (2001) et dont l’approche est similaire à la nôtre, nous n’avons pas effectué nos
modélisations en couplage avec un modèle atmosphérique de méso-échelle mais avec un
forçage atmosphérique. En plus de temps de calculs relativement plus courts, ce
fonctionnement nous a permis d’effectuer nous-mêmes les modélisations (en cas de couplage,
les calculs sont beaucoup plus longs et effectués par les services de Météo-France ou du
CNRM). L’utilisation d’un forçage atmosphérique ne permet en revanche pas d’utiliser pour
notre étude les résultats en température, celles-ci étant fortement liées au forçage (cf. annexe
9), l’étude des bilans énergétiques est cependant possible et instructive. En effet, ce type
d’analyse, si elle ne permet pas une évaluation des températures permet, bien souvent, de
mieux comprendre les mécanismes de formation de l’îlot de chaleur urbain et les mesures
appropriées à mettre en œuvre pour en modifier l’intensité. Rizwan et al. (2008) le constate
également : « L’intensité de l’îlot de chaleur urbain est un bon indicateur pour évaluer
l’importance de l’urbanisation d’une zone. Cependant, il éclaire peu sur la chaleur générée
par les différentes sources de chaleur. Le bilan d’énergie de la surface, qui donne une idée de
la chaleur générée et contenue au sein de la zone, peut aider à comprendre la chaleur
générée par différentes sources ».
211
Quelques études ont opté pour l’analyse des bilans d’énergie pour comparer différentes
situations. Par exemple, Sasaki et al. (2008) se sont attachés dans leur étude à clarifier les
caractéristiques du bilan énergétique de trois zones urbaines. Ils ont réalisé des modélisations
des mesoclimats de trois villes japonaises situées sur la côte : Tokyo, Sendai et Haramachi.
L’influence des caractéristiques régionales sur le climat urbain a été examinée en s’appuyant
sur des modélisations et en considérant le bilan énergétique de la partie centrale de chaque
ville. Sasaki et al. (2008) ont ainsi montré que d’une zone à l’autre, les facteurs (brise de mer,
chaleur générée par les surfaces urbaines, chaleur d’origine anthropique) contribuant de façon
conséquente à l’augmentation ou la diminution de la température étaient différents.
Figure 78 : Variations journalière de la température de l’air dans chaque ville (°C)
(comparaison des résultats simulés avec les mesures) : (a) températures simulées et (b)
températures mesurées (Sasaki et al., 2008).
Figure 79 : Mécanisme du bilan d’énergie au sein du milieu urbain (Sasaki et al. (2008),
d’après Murakami et al. (2003))
Sasaki et al. (2008) ont comparé les variations de température de l’air à 10 m pour une
journée d’août entre les modélisations et les mesures (figure 78). Les mesures montrent que la
température de l’air est maximale à 10h du matin à Haramachi, à 12h à Sendai et à 14h à
Tokyo. Cette tendance est relativement bien reproduite par la modélisation. Sasaki et al.
(2008) comparent également le bilan d’énergie moyen de chaque ville pour un volume de
212
contrôle (C.V.) (figures 79 et 80). Les flux de chaleur sensible issus du sol des parties
centrales de Tokyo et de Sendai étaient plus importants que celui d’Haramachi. Les rejets de
chaleur anthropique au sein du C.V. étaient plus importants dans Tokyo par rapport aux deux
autres villes.
Figure 80 : Comparaison du bilan d’énergie au sol des trois villes (W/m2) (Sasaki et al.,
2008).
Sasaki et al. (2008) ont également regardé les variations journalières du bilan de chaleur
sensible (flux entrant-flux sortant) (figure 81) dans le C.V., cette chaleur étant échangée par
advection, diffusion turbulente et rejet d’origine anthropique. Dans cette figure, les valeurs
représentées par la courbe ‘advection’ et la courbe ‘turbulent diffusion’ indiquent le flux total
de chaleur qui est échangé au travers des surfaces du C.V. par advection et diffusion
turbulente respectivement. Les valeurs de la courbe ‘anthropogenic heat release’
correspondent pour leur part au flux de chaleur sensible total généré par les sources de chaleur
anthropique, c'est-à-dire les systèmes d’air conditionné, les automobiles, etc. et rejeté au sein
du C.V. Les signes positif ou négatif indiquent si les flux de chaleur sont entrants ou sortants
du C.V. Les valeurs négatives du bilan de chaleur sensible par advection apparaissent durant
la journée pour ces trois villes montrant ainsi que la brise de mer venant de l’océan pacifique
et l’influence de la brise de mer sur la température de l’air dans la partie centrale des villes
étaient toutes deux significatives. Le bilan de chaleur sensible par diffusion turbulente a des
valeurs positives dans les trois villes étudiées. Ces valeurs positives sont dues à la chaleur
rejetée par le sol et les surfaces des bâtiments. Les valeurs positives et négatives du bilan de
chaleur total indiquent que la température moyenne de l’air au-dessus du C.V. augmente ou
213
décroit respectivement (figures 78 et 81). Ainsi, les principaux facteurs qui gouvernent de
façon importante l’augmentation et la diminution de la température de l’air sont mis en
évidence par le biais de l’analyse du bilan d’énergie urbain.
Figure 81 : Variations journalières du bilan de chaleur sensible du C.V. par advection,
diffusion turbulente et rejet de chaleur anthropique, et bilan de chaleur total (inclus la chaleur
entrante pour le C.V.) : (a) centre de Tokyo, (b) centre de Sendai et (c) centre de Haramachi.
Les résultats présentés ici s’appuient ainsi sur l’équation du bilan d’énergie modélisé par le
modèle SURFEX qui comprend donc un module pour les milieux urbains uniquement
minéraux (TEB), un module pour les espaces végétalisés (ISBA) et des modules pour les
plans d’eau et la mer (pour Paris, le module pour la mer n’est bien sur pas utilisé).
Le flux de chaleur sensible (QH) et la variation de la quantité de chaleur stockée (∆QS) sont
les deux termes du bilan d’énergie les plus en lien avec l’augmentation de la température du
milieu urbain et des matériaux. Ces deux flux sont influencés par le rayonnement net (Q*) qui
représente, entre autres, les gains solaires du milieu, et les flux de chaleur anthropique rejeté
au sein du milieu.
Notre analyse s’appuie ainsi sur l’étude des courbes des différents flux et, plus
particulièrement, des minima et des maxima, ainsi que sur l’étude des moyennes.
L’étude des moyennes des termes du bilan d’énergie nous permet de connaître le
comportement énergétique moyen du milieu. Les minima, les maxima et, d’une manière
générale, les courbes des différents flux durant la journée modélisée nous renseignent sur le
comportement journalier des flux, sur les différences qu’il peut y avoir par exemple entre le
jour et la nuit. Pour chaque flux, la moyenne ne permet pas de connaître l’amplitude des
variations d’où l’importance de connaître également ces maxima et minima.
Avant de débuter notre présentation des résultats, quelques éléments restent à préciser.
214
Tout d’abord, d’une manière générale, la majorité des modélisations ne montre pas, les unes
par rapport aux autres, de modifications du flux de chaleur latente. Sauf variations sensibles,
nous ne présenterons donc pas les résultats concernant ce flux de chaleur latente.
Secondement, la présence de chauffage en hiver se perçoit principalement sur la moyenne de
la variation de la quantité de chaleur stockée, toujours négative, qui signifie que le cadre bâti
rejette plus de chaleur vers l’air extérieur qu’il n’en reçoit.
L’ensemble des résultats des simulations effectuées sont disponibles en annexe 13. Pour la
présentation des résultats, nous reprenons l’ordre de présentation du chapitre précédent, tout
en sachant que seuls les graphes des modélisations montrant de réelles modifications ont été
insérés ici.
VI.2 Variation simple des paramètres de SURFEX
Nos premières modélisations constituent une étude de sensibilité du bilan d’énergie à la
variation simple des paramètres de SURFEX, et notamment du schéma de surface TEB. Les
paramètres modifiés concernent à la fois la couverture du sol, la structure urbaine et le tissu
constructif, les paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains, et les activités
humaines (activités industrielles et transport).
VI.2.1 Couverture du sol
VI.2.1.a
Fractions de villes et de végétation
Comparons pour les espaces végétalisés les deux situations extrêmes modélisées (0% et 50%
d’espaces végétalisés. Entre les deux, on observe pour la journée du 30 juin 2006 (figure 82)
une augmentation des maxima d’environ 48 W.m-2 (soit environ 10%) pour le rayonnement
net, d’environ 92 W.m-2 (soit environ 13%) pour le flux de chaleur sensible, et une diminution
d’environ 75W.m-2 (soit environ 25%) du flux de chaleur stockée. La figure permet de
comparer les moyennes des différents flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’ et trois des
situations modélisées.
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont, comme nous pouvons le
constater sur la figure 83, légèrement plus conséquentes que pour la journée estivale du 30
juin 2006. Les différences des maxima entre les deux situations extrêmes modélisées (0% et
50% d’espaces végétalisés) sont en revanche plus faibles en absolue, avec une augmentation
d’environ 8 W.m-2 (soit environ 4%) pour le rayonnement net, une diminution d’environ 47
215
W.m-2 (soit environ 27%) pour le flux de chaleur sensible, et une augmentation d’environ 17
W.m-2 (soit environ 36%) du flux de chaleur stockée.
Figure 82 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Les résultats de ces différentes modélisations s’expliquent en partie par les conditions initiales
choisies pour notre sol. Nous avons en effet considéré un sol en stress hydrique dans les deux
situations, ce qui ne permet pas aux plantes d’évaporer et de jouer leur rôle de régulateur
thermique. Cela se constate notamment par les très faibles modifications du flux de chaleur
latente. Ces résultats confirment que des espaces végétalisés non arrosés peuvent ainsi avoir
l’effet inverse de celui espéré, à savoir un rafraîchissement.
Figure 83 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés arrosés pour la journée du 30 juin 2006.
Quatre autres modélisations avec, en conditions initiales, des espaces végétalisés arrosés de
temps en temps, c'est-à-dire avec un sol ayant des réserves d’eau, ont été effectuées pour Paris
216
et la situation avec 26% d’espaces végétalisés, en janvier et juin 2006 (figure 83). Ont
également été lancées quatre autres modélisations correspondant à des situations de sols avec
de grandes réserves d’eau, ce qui peut correspondre a un parc arrosé tous les jours ou à des
situations typiques de fin d'automne, d'hiver et début de printemps, même sans arrosage
(figure 84). On observe alors bien une diminution du flux de chaleur sensible et une
augmentation du flux de chaleur latente.
Figure 84 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour différents pourcentages d’espaces
végétalisés très arrosés pour la journée du 30 juin 2006.
VI.2.1.b
Fractions de villes et d’eau
Pour la situation estivale, entre 0% de surface d’eau et 20% de surface d’eau, nous observons
au niveau des maxima une augmentation d’environ 50 W.m-2 (soit environ 10%) du
rayonnement net, une diminution d’environ 44 W.m-2 (soit environ 15%) du flux de chaleur
sensible et une augmentation de 96 W.m-2 (soit environ 14%) du flux de chaleur stockée. La
figure 85 permet de comparer les moyennes des différents flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’
et trois des situations modélisées. L’eau, du fait de son très faible albédo absorbe plus de
rayonnement solaire (notamment vers midi) ce qui se traduit par une diminution du
rayonnement net et une augmentation du flux de chaleur stockée.
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont, comme nous pouvons le
constater sur la figure 85, légèrement plus faibles que pour la journée estivale du 30 juin
2006. Les différences entre les maxima des différents flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’ et
les cinq situations modélisées restent également faibles et inférieures à 31 W.m-2.
217
Figure 85 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents pourcentages d’eau le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
VI.2.2 Structure urbaine et tissu constructif
VI.2.2.a
Largeur moyenne des rues
Pour la journée du 30 juin 2006, en ce qui concerne la largeur des rues, les deux situations
extrêmes modélisées (largeur de 10m et largeur de 60m) sont relativement différentes en
termes de maxima. Entre les deux situations, on observe pour les maxima une augmentation
d’environ 81 W.m-2 (soit environ 16%) pour le rayonnement net, et d’environ 76 W.m-2 (soit
environ 28%) pour le flux de chaleur sensible. La différence entre les flux de chaleur stockée
est pour sa part très faible puisque, pour les maxima, elle est de seulement environ 6 W.m-2
(en faveur de la largeur de 60m). La figure 86 permet de comparer les moyennes des
différents flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’ et trois des situations modélisées. Globalement,
nous pouvons en conclure que, dans le cas présent, une augmentation de la largeur des rues
entrainent une augmentation de la chaleur au sein du milieu urbain, ce qui peut s’expliquer
par le fait que les murs et la voirie, en asphalte, sont soumis à un rayonnement solaire plus
important ou/et par le fait que le canyon génère des densités de flux de chaleur plus
importants que les toits des bâtiments.
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont, comme nous pouvons le
constater sur la figure 86, légèrement plus conséquentes que pour la journée estivale du 30
juin 2006. Les différences des maxima entre les deux situations extrêmes modélisées (largeur
de rues de 10m et de 60m) sont en revanche plus faibles en absolue, avec une augmentation
d’environ 25 W.m-2 (soit environ 7%) pour le rayonnement net, une diminution d’environ 36
W.m-2 (soit environ 21%) pour le flux de chaleur sensible, et une augmentation d’environ 49
W.m-2 (soit environ 78%) du flux de chaleur stockée.
218
Figure 86 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes largeurs de rues le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Cette évolution hivernale selon les différentes largeurs de rue (faible variation du
rayonnement net et fortes variations des flux de chaleur sensible et stockée) nous apprend
qu’en hiver ce sont principalement les bâtiments qui gèrent et influencent les flux de chaleur
sensible ou stockée. En effet, la variation de la largeur des rues entraîne une variation de la
proportion de bâtiments et de voirie et une variation des pertes de chaleurs des bâtiments.
Avec l’augmentation de la largeur des rues, la part de bâtiments diminue et le flux de chaleur
sensible et la variation négative de la quantité de chaleur stockée diminuent de ce fait.
VI.2.2.b
Hauteur des bâtiments
Pour les hauteurs, durant la journée estivale, la situation avec une hauteur moyenne des
bâtiments de 100 m, en plus de modifier minima et maxima des différents flux, modifie
également le comportement de ces différents flux durant la journée et plus particulièrement
celui du flux de chaleur sensible. En effet, ce dernier est en diminution lors des premières
heures suite au lever du soleil, ce qui s’explique principalement par le fait que le soleil n’a pu
encore réchauffer que le haut des murs des immeubles des rues et que la température de l’air
en se réchauffant se rapproche de celle des murs diminuant ainsi l’échange de chaleur. Si l’on
compare les maxima des deux bilans d’énergie pour une hauteur de bâtiments de 5 m et de
100 m, on obtient de l’un à l’autre une augmentation d’environ 42 W.m-2 (soit environ 12%)
pour le rayonnement net, une diminution d’environ 169 W.m-2 (soit environ 50 %) pour le
flux de chaleur sensible, et une augmentation d’environ 205 W.m-2 (soit environ 205%) du
flux de chaleur stockée. La figure 87 permet de comparer les moyennes des différents flux du
bilan d’énergie pour ‘Paris’ et trois des situations modélisées. Plus les hauteurs du canyon
219
s’agrandissent, plus le flux de chaleur sensible diminue et plus le flux de chaleur stockée
augmente. Le rayonnement net varie pour sa part faiblement.
Figure 87 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes hauteurs de bâtiments le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont, comme nous pouvons le
constater sur la figure 87, légèrement plus conséquentes que pour la journée estivale du 30
juin 2006. Les différences des maxima entre les deux situations extrêmes modélisées (hauteur
de 5m et de 100m) sont inférieures à 25 W.m-2 pour le rayonnement net et le flux de chaleur
stockée mais atteint 162 W.m-2 pour le flux de chaleur sensible, ce qui donne une
augmentation d’environ 122% entre 5m et 100m de hauteur.
Figure 88 : Coordonnées solaires et courbes solaires en projection cylindrique (Paris).
(Liebard et De Herde, 2006).
Les modélisations lors de la journée hivernale sont plus influencées par la part de surfaces de
murs et de toits susceptibles de restituer de la chaleur due au chauffage des bâtiments qu’aux
220
modifications du piégeage radiatif. Il est vrai que le rayonnement solaire est plus faible et que
sa hauteur angulaire moins importante en hiver qu’en été. Le bas des rues est donc moins
susceptible d’être atteint par les rayons du soleil (figure 88).
Le soleil suit une course dont chaque point est déterminé, en un lieu, par sa hauteur angulaire
et son azimut. Cette hauteur est maximale au solstice d’été et minimale au solstice d’hiver.
VI.2.2.c
Profondeur des bâtiments
Les modifications de la profondeur des bâtiments ne changent pas en soi le prospect du
canyon (H/W) mais seulement le pourcentage dévolu à la surface de toits par rapport aux
surfaces de murs et de routes. Les variations du bilan d’énergie sont donc dues au fait que toit
et « intérieur » du canyon se comportent différemment et ont leur proportion qui varie d’une
situation à l’autre.
Ainsi, pour la journée du 30 juin 2006, entre une profondeur de bâtiment de 10 m et une
profondeur de 60 m, on a pour les maxima une diminution d’environ 115 W.m-2 (soit environ
19%) pour le rayonnement net, une augmentation d’environ 43 W.m-2 (soit environ 15%) pour
le flux de chaleur sensible, et une diminution d’environ 160 W.m-2 (soit environ 48%) du flux
de chaleur stockée. La figure 89 permet de comparer les moyennes des différents flux du bilan
d’énergie pour ‘Paris’ et trois des situations modélisées. Nous pouvons constater que
l’augmentation de la profondeur des toits a surtout pour conséquence une diminution du
rayonnement net (l’albédo des toits est plus élevé que celui du canyon), qui se retrouve
principalement au niveau du flux de chaleur stockée, qui diminue également.
Figure 89 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes profondeurs de bâtiments le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
221
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont, comme nous pouvons le
constater sur la figure 89, légèrement plus conséquentes que pour la journée estivale du 30
juin 2006. En ce qui concerne les maxima, entre une profondeur de bâtiment de 10 m et une
profondeur de 60 m, nous observons une diminution d’environ 33 W.m-2 (soit environ 16%)
pour le rayonnement net, une diminution d’environ 6 W.m-2 (soit environ 4%) pour le flux de
chaleur sensible, et une diminution d’environ 37 W.m-2 (soit environ 51%) du flux de chaleur
stockée.
Comme précédemment, le comportement hivernal est surtout influencé par le comportement
thermique des surfaces et leurs proportions respectives. L’augmentation dans le cas présent de
la proportion de surface de toits par rapport aux autres surfaces se perçoit par une perte de
chaleur moindre (diminution du flux de chaleur sensible et un flux de chaleur stockée plus
proche de zéro), d’une part car les toits sont mieux isolés que les murs, mais également parce
que la surface d’échange entre le bâtiment et l’air extérieur diminue (la compacité du bâtiment
augmente).
VI.2.3 Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains
VI.2.3.a
Isolation des toits
Lors de la modélisation des effets des modifications de l’isolation des toits durant la journée
du 30 juin 2006, seule la situation extrême modélisant des toits ne présentant aucune isolation
entraîne des variations notables par rapport à ‘Paris’. En effet, si le rayonnement net varie de
moins de 2 W.m-2 entre les deux situations, l’absence d’isolation entraine une diminution du
maximum de flux de chaleur sensible d’environ 32 W.m-2, et une augmentation du maximum
de flux de chaleur stockée d’environ 33 W.m-2, ce qui a sans doute une incidence sur
l’ambiance intérieure du bâtiment. En excluant cette situation extrême, les modifications de
l’isolation des toits ont entraîné des écarts entre les maxima des différentes situations
modélisées de moins de 2 W.m-2 pour le rayonnement net, de moins de 6 W.m-2 pour le flux
de chaleur sensible et le flux de chaleur stockée. La variation des moyennes et des minima
entre les différentes situations est plus faible que pour les maxima.
Lors de la modélisation des modifications de l’isolation des toits durant la journée du 30
janvier 2006, c’est également la même chose que lors de la situation estivale : seule la
situation extrême modélisant des toits ne possédant aucune isolation entraîne des variations
notables par rapport à ‘Paris’. L’absence d’isolation entraîne une augmentation du maximum
de flux de chaleur sensible d’environ 15 W.m-2, et une diminution du maximum de flux de
222
chaleur stockée d’environ 10 W.m-2. En excluant cette situation extrême, les modifications de
l’isolation des toits ont entraînées des écarts entre les maxima, les minima et les moyennes
des différentes situations modélisées de moins de 1 W.m-2 pour le rayonnement net, de moins
de 5 W.m-2 pour le flux de chaleur sensible et le flux de chaleur stockée. D’une manière
générale, les simulations montrent quand même une diminution des pertes de chaleur du cadre
bâti avec l’amélioration de l’isolation du toit (diminution du flux de chaleur sensible moyen,
et légère diminution en valeur absolue de la valeur négative moyenne de la variation de la
quantité de chaleur stockée).
Nous noterons également que l’évolution entre les situations estivales et les situations
hivernales sont inverses. En effet, l’amélioration de l’isolation entraîne, même succinctement,
une augmentation du flux de chaleur sensible et une diminution de la variation (positive) de la
quantité de chaleur stockée en été, et une diminution du flux de chaleur sensible et une
diminution de la variation (négative) de la quantité de chaleur stockée en hiver. Cela montre
que l’isolation intervient en été en évitant un stockage de chaleur qui peut augmenter la
température intérieure du bâtiment, et en hiver en évitant de trop grosses pertes de chaleur.
VI.2.3.b
Inertie des toits
Lors de la modélisation des effets des modifications de l’inertie des toits durant la journée du
30 juin 2006, les différences entre les différentes situations sont inférieures à 6 W.m-2 pour les
maxima, les minima et les moyennes de l’ensemble des flux du bilan d’énergie. Même si elle
est très faible, la tendance avec l’augmentation de l’inertie est, durant la situation estivale, une
diminution du flux de chaleur sensible et à une augmentation de la variation (positive) de la
quantité de chaleur stockée.
Lors de la modélisation des effets des modifications de l’inertie des toits durant la journée du
30 janvier 2006, les différences entre les différentes situations sont inférieures à 3 W.m-2 pour
les maxima, les minima et les moyennes de l’ensemble des flux du bilan d’énergie. La
tendance avec l’augmentation de l’inertie est identique à celle de la situation estivale, c’est à
dire une diminution du flux de chaleur sensible et à une diminution de la variation (négative)
de la quantité de chaleur stockée (l’inertie limite a priori la perte de chaleur).
VI.2.3.c
Albédo des toits
Pour la journée du 30 juin 2006, en ce qui concerne l’albédo des toits, les deux situations
extrêmes modélisées (albédo de 0,05 et de 1) sont très différentes en termes de maxima. Entre
les deux situations, nous observons ainsi pour les maxima une augmentation d’environ 301
223
W.m-2 (soit environ 42%) pour le rayonnement net, et d’environ 298 W.m-2 (soit environ
63%) pour le flux de chaleur sensible. La différence entre les maxima des flux de chaleur
stockée est pour sa part nulle. La figure 90 permet de comparer les moyennes des différents
flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’ et trois des situations modélisées. Nous pouvons
clairement observer un réchauffement moindre du milieu avec une augmentation de l’albédo
(diminution du rayonnement net et du flux de chaleur sensible).
Figure 90 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents albédos de toit le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Les variations des moyennes des flux durant la journée du 30 janvier 2006 (figure 90) sont
plus faibles en valeurs absolues. En ce qui concerne la différence des maxima, nous observons
entre les deux extrêmes (albédo de 0,05 et de 1) une diminution de 139 W.m-2 (soit environ
49%) pour le rayonnement net, et d’environ 127 W.m-2 (soit environ 54%) pour le flux de
chaleur sensible. La variation du maximum du flux de chaleur stockée est d’environ 3W.m-2.
Par comparaison avec la situation estivale, nous pouvons donc constater qu’en valeur absolue
l’incidence est plus faible. Dans les deux cas, hiver et été, le rayonnement net diminue (plus
de rayonnement solaire réfléchi vers l’atmosphère) ce qui signifie que la ville perd en gain
énergétique avec l’augmentation de l’albédo.
VI.2.3.d
Emissivité des toits
En ce qui concerne l’émissivité des toits, les différences entre les deux situations extrêmes
durant la journée estivale (émissivité de 0,05 et émissivité de 1) sont moins conséquentes que
pour la modification de l’albédo. Nous observons ainsi, entre la situation à très faible
émissivité et la situation à forte émissivité, une diminution du maximum d’environ 62 W.m-2
(soit environ 10%) du rayonnement net, une diminution d’environ 65 W.m-2 (soit environ
224
20%) du flux de chaleur sensible. Les autres flux restent très proches. La figure 91 permet de
comparer les moyennes des différents flux du bilan d’énergie pour ‘Paris’ et trois des
situations modélisées. L’augmentation de l’émissivité des toits entraînent logiquement une
diminution du rayonnement net (augmentation du rayonnement de grande longueur d’onde
émis par le sol) qui se traduit par une diminution du flux de chaleur sensible.
Figure 91 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes émissivités de toit le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Les variations des moyennes durant la journée hivernale sont légèrement plus faibles que pour
la journée estivale. En ce qui concerne la différence des maxima, nous observons entre les
deux extrêmes (émissivité de 0,05 et de 1) une diminution de 38 W.m-2 (soit environ 19%)
pour le rayonnement net, et d’environ 44 W.m-2 (soit environ 28%) pour le flux de chaleur
sensible. La variation du maximum de flux de chaleur stockée est d’environ 1 W.m-2.
De même que pour la journée estivale, l’augmentation de l’émissivité des toits entraîne une
diminution du rayonnement net (augmentation du rayonnement de grande longueur d’onde
mis par le sol) qui se traduit par une diminution du flux de chaleur sensible.
VI.2.3.e
Type de toits
La comparaison entre ‘Paris’ avec ses toits en zinc et les situations avec 100% de toits en
tuiles et 100% de toitures-terrasses montrent également des bilans d’énergie relativement
proche. Durant la journée du 30 juin 2006, les modifications les plus importantes ont lieu avec
les toits en tuile pour lesquels on observe par rapport à ‘Paris’ et pour les maxima une
augmentation d’environ 72 W.m-2 (soit environ 14%) du rayonnement net, une augmentation
d’environ 42 W.m-2 (soit environ 15%) du flux de chaleur sensible, et une augmentation
d’environ 38 W.m-2 (soit environ 14%) de la variation de la quantité de chaleur stockée. La
225
figure 92 permet de comparer les moyennes des différents flux du bilan d’énergie pour
‘Paris’, et les deux situations avec toits en tuile et toitures-terrasses.
Figure 92 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et ses toits en zinc et les
modélisations avec différents types de toit (tuiles ou terrasses) le 30 juin 2006 et le 30 janvier
2006.
Les modifications sont également peu élevées lors de la journée du 30 janvier 2006 et c’est
également entre ‘Paris’ et le cas avec les toits en tuile que les plus grandes différences sont
observées. Ces différences entre ‘Paris’ et les toits en tuile sont pour les maxima de 33 W.m-2
(soit environ 17%) pour le rayonnement net, de -8 W.m-2 (soit environ -5%) pour le flux de
chaleur sensible et de 36 W.m-2 (soit environ 48%) pour le flux de chaleur stockée.
VI.2.3.f
Isolation des murs
Pour les modélisations durant la journée du 30 juin 2006, la modification de l’isolation des
murs n’entraînent pas de grandes variations. Les différences entre les différentes situations
sont inférieures à 6 W.m-2 pour les maxima, les minima et les moyennes de l’ensemble des
flux du bilan d’énergie.
La situation est différente pour les modélisations durant la journée du 30 janvier 2006 (figure
93). L’isolation des murs entraîne une diminution des pertes de chaleur qui se retrouve par
une diminution du flux de chaleur sensible et une diminution de la valeur absolue du flux de
chaleur stockée. Les différences entre Paris et le cas extrême modélisé (Rth = 5,37 K.m2.W-1),
peu différent par ailleurs du cas représenté au sein de la figure 93 avec Rth = 3,70 K.m2.W-1,
montrent entre les deux cas une augmentation très faible du maximum de rayonnement net (3
W.m-2), une diminution du maximum de flux de chaleur sensible de 54 W.m-2 (soit environ
34%) et une augmentation du maximum de flux de chaleur stockée de 54 W.m-2 (soit environ
72%).
226
Figure 93 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes isolations des murs le 30 janvier 2006.
VI.2.3.g
Inertie des murs
En ce qui concerne les effets des modifications de l’inertie des murs durant la journée du 30
juin 2006, seule la situation extrême modélisant des murs ne possédant aucune inertie entraîne
des variations notables par rapport à ‘Paris’. En effet, si le rayonnement net varie de moins de
6 W.m-2 entre les deux situations, l’absence d’inertie entraîne une augmentation du maximum
de flux de chaleur sensible d’environ 64 W.m-2, et une diminution du maximum du flux de
chaleur stockée d’environ 63 W.m-2. En excluant cette situation extrême, les modifications de
l’inertie des murs ont entraîné des écarts entre les maxima, les minima et les moyennes des
différentes situations modélisées de moins de 2 W.m-2 pour le rayonnement net, de moins de
26 W.m-2 pour le flux de chaleur sensible et le flux de chaleur stockée.
Lors de la modélisation des effets des modifications de l’inertie des murs durant la journée du
30 janvier 2006, la situation modélisant l’absence d’inertie entraîne une variation à l’inverse
de ce qui est observé avec les autres modélisations, c’est notamment une diminution du
maxima du flux de chaleur stockée et une augmentation de son minima. Les différentes
simulations concernant l’inertie effectuées pour les toits, ne montrent pas la même
particularité de ce cas extrême, nous supposons donc que le comportement observé ici est lié à
la combinaison d’une isolation très faible et d’une absence d’inertie. Excepté ce cas extrême,
les différentes simulations montrent des différences entre les maxima, les minima et les
moyennes des différents flux du bilan d’énergie inférieures à 8 W.m-2.
VI.2.3.h
Albédo des murs
Pour la modélisation, durant la journée du 30 janvier 2006, des modifications de l’albédo des
murs, hormis le maximum du rayonnement net qui varie entre 150 et 213 W.m-2
227
(respectivement pour un albédo de 0,95 et de 0,05), et le maximum du flux de chaleur sensible
qui varie entre 132 et 169 W.m-2, les variations entre minima, maxima et moyennes sont
toutes inférieures à 16 W.m-2.
Les variations des moyennes sont plus importantes en valeurs absolues durant la journée
estivale (figure 94), ce qui s’explique notamment par le fait que le rayonnement solaire est
beaucoup plus important que lors de la journée hivernale du 30 janvier, et le soleil plus haut
dans le ciel. La différence se traduit aussi au niveau des maxima. D’un albédo de 0,05 à un
albédo de 0,95, le rayonnement net diminue de 106 W.m-2 (soit environ 19%), le flux de
chaleur sensible de 67 W.m-2 (soit environ 22%) et le flux de chaleur stockée de 41 W.m-2
(soit environ 15%).
Figure 94 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents albédos de murs le 30 juin 2006.
VI.2.3.i
Emissivité des murs
En ce qui concerne l’émissivité des murs, les différences entre les deux situations extrêmes
(émissivité de 0,05 et émissivité de 1) sont relativement faibles durant la journée du 30 juin
2006. Nous observons ainsi, au niveau des maxima, entre la situation à très faible émissivité
et la situation à forte émissivité, une diminution d’environ 107 W.m-2 (soit environ 20%) du
rayonnement net, une diminution d’environ 67 W.m-2 (soit environ 22%) du flux de chaleur
sensible et une diminution d’environ 41 W.m-2 (soit environ 15%) du flux de chaleur stockée.
La figure 95 permet de comparer les moyennes des différents flux du bilan d’énergie pour
‘Paris’ et trois autres situations.
228
Figure 95 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différentes émissivités de mur le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Durant la journée du 30 janvier 2006, les différences des moyennes sont plus faibles, en
absolue (figure 95). Nous ne tiendrons pas compte dans nos résultats de la modélisation avec
une émissivité de 0,05 durant cette journée d’hiver car cette dernière produit une évolution du
bilan énergétique qui n’est pas en concordance avec Paris et les trois autres cas étudiés. Ainsi
entre le cas extrême avec une émissivité de 1 et la situation avec une émissivité de 0,3, une
diminution du maximum de rayonnement net de 31 W.m-2 (soit environ 18%), une diminution
du maximum de flux de chaleur sensible de 19 W.m-2 (soit environ 12%) et une diminution du
maximum de flux de chaleur stockée de 13 W.m-2 (soit environ 17%).
La diminution de l’émissivité des murs entraînent ainsi, en hiver comme en été, une
diminution du rayonnement net (on a une augmentation du rayonnement infrarouge
ascendant) et, par conséquence, principalement une diminution du flux de chaleur sensible (le
flux de chaleur stockée moyen est moins sensible).
VI.2.3.j
Inertie des routes
La modélisation des effets des modifications de l’inertie des routes durant la journée du 30
juin 2006 montre une variation notable notamment pour les maxima pour le cas extrême avec
une très faible inertie. La différence maximale par rapport à ‘Paris’ est d’environ 44 W.m-2
pour les maxima de flux de chaleur sensible. En excluant cet extrême, les différences restent
inférieures à 5 W.m-2 pour les minima et inférieurs à 10 W.m-2 pour les moyennes. Seules les
maxima des flux de chaleur sensible et stockée atteignent des différences pouvant aller
jusqu’à environ 30 W.m-2.
229
Pour les modélisations durant la journée du 30 janvier 2006, seule la situation extrême avec
une très faible inertie donne également des différences supérieures à 5 W.m-2 entre les
minima, maxima et moyennes des différents flux, avec un maximum de flux de chaleur
sensible supérieur à celui de ‘Paris’ d’environ 11 W.m-2, et un maximum de flux de chaleur
stockée inférieur d’environ 14 W.m-2.
VI.2.3.k
albédo des routes
Encore une fois, pour la modélisation des modifications de l’albédo des routes durant la
journée du 30 juin 2006, la situation extrême (avec ici un albédo de 0,95) entraîne des
modifications notables avec, en comparaison avec ‘Paris’, une diminution d’environ 84 W.m-2
du maximum de rayonnement net, une diminution d’environ 52 W.m-2 du maximum de flux
de chaleur sensible et une diminution d’environ 33 W.m-2 du maximum de flux de chaleur
stockée. Une très faible diminution de l’albédo des routes ou des augmentations plus
modérées entraînent des écarts avec ‘Paris’ de moins de 15 W.m-2 pour l’ensemble des flux du
bilan d’énergie.
Pour la modélisation durant la journée du 30 janvier 2006 des modifications de l’albédo des
routes, les variations entre minima, maxima et moyennes sont toutes inférieures à 17 W.m-2,
extrême supérieur compris.
Cette faible influence de l’albédo des routes peut s’expliquer en partie par l’étroitesse des rues
de Paris et donc par le fait que le soleil atteint peu la voirie (hauteur moyenne des bâtiments
de 30 m et largeur moyenne des rues de 15 m). Cela n’est donc pas forcément représentatif
des quartiers où les rues sont plus larges et les prospects plus faibles.
VI.2.3.l
Emissivité des routes
La variation de l’émissivité des routes entraîne des écarts entre les minima, les maxima et les
moyennes des flux du bilan d’énergie des différentes situations de moins de 10 W.m-2, pour la
situation estivale comme hivernale.
Cette faible influence s’explique également par les mêmes raisons que pour l’albédo des rues.
Les surfaces sont peu soumises au rayonnement solaire et donc leur température augmente
peu, ne permettant pas de distinguer l’influence d’une augmentation de l’émissivité.
230
VI.2.4 Activités humaines : les flux d’origine anthropique
VI.2.4.a
Flux de chaleur sensible et latente dû au trafic
Les flux de chaleur sensible dus au trafic se perçoivent de façon directe sur le flux de chaleur
anthropique et le flux de chaleur sensible, et ce de façon identique en été et en hiver (figures).
Pour comprendre ici les différences entre chaque situation, n’oublions pas que ce flux de
chaleur sensible dus au trafic est nul la nuit (plus précisément entre 18h et 6h) et qu’il ne
s’applique que sur les surfaces urbaines minérales (celles modélisées par TEB).
Figure 96 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur sensible dû au trafic le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Pour les modélisations durant les journées du 30 janvier et du 30 juin 2006, la modification du
flux de chaleur latente lié au trafic se perçoit uniquement sur les flux de chaleur latente et,
bien sûr, sur les flux de chaleur d’origine anthropique du bilan d’énergie. La variation du flux
de chaleur latente, comme du flux de chaleur anthropique sont à la mesure de l’augmentation
proposée pour le flux de chaleur latente lié au trafic, c'est-à-dire, en l’occurrence ici,
importante en relatif puisque qu’entre les deux situations extrêmes l’augmentation du
maximum de flux de chaleur latente est de presque 250%, cependant l’écart entre les deux
situations restent de seulement environ 12 W.m-2.
VI.2.4.c
Flux de chaleur sensible et latente d’origine industrielle
Les flux de chaleur sensible et latente d’origine industrielle se perçoivent de façon directe sur
le flux de chaleur anthropique et le flux de chaleur sensible, et ce de façon identique en été et
en hiver.
Tout comme pour les flux dus au trafic, ces flux de chaleur sensible et latente d’origine
industrielle ne sont appliqués que sur les surfaces urbaines minérales.
231
Figure 97 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur sensible d’origine industrielle le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
Figure 98 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et des modélisations avec
différents flux de chaleur latente d’origine industrielle le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
VI.3 Variation de multiples paramètres de SURFEX
Les paramètres modifiés concernent le bâtiment, l’espace public et l’organisation urbaine.
VI.3.1 Bâtiment
VI.3.1.a
Réglementation thermique 2005
Pour la modélisation durant la journée du 30 juin 2006, la situation avec des bâtiments
respectant la réglementation thermique de 2005 entraîne des écarts de moins de 5 W.m-2 entre
les maxima, les minima et les moyennes des différents flux.
Pour la modélisation durant la journée du 30 janvier 2006, les différences sont également
inférieures à 5 W.m-2 entre les minima et les moyennes des différents flux. Pour les maxima,
la situation respectant la réglementation thermique 2005 entraîne une augmentation d’environ
13 W.m-2 du rayonnement net, et d’environ 12 W.m-2 du flux de chaleur sensible
232
VI.3.1.b
Bâtiment conforme aux standards Minergie ou Minergie P
Tout comme pour l’isolation des murs et les bâtiments de type RT 2005, la modification de
l’isolation des bâtiments pour les modélisations durant la journée du 30 juin 2006,
n’entraînent pas de grandes variations. Les améliorations de l’isolation des bâtiments
modélisées dans les situations de type standard Minergie et Minergie P, n’entraînent que des
variations inférieures à 12 W.m-2 par rapport à ‘Paris’.
Figure 99 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et les modélisations
‘Bâtiments Minergie’ et ‘Bâtiments Minergie Plus’ le 30 janvier 2006.
Les variations des moyennes pour la journée du 30 janvier 2006 sont en revanche plutôt
conséquentes, comme nous pouvons le voir sur la figure 99. Les différences des maxima entre
les deux situations extrêmes modélisées sont également importante, avec, entre Paris et
Minergie P, une diminution d’environ 52 W.m-2 (soit environ 33%) pour le flux de chaleur
sensible, et une augmentation d’environ 52 W.m-2 (soit environ 69%) du flux de chaleur
stockée. Ces modélisations confirment le fait qu’en hiver les bâtiments bien isolés ont moins
de pertes de chaleur (moyenne du flux de chaleur stockée négative et se rapprochant d’une
valeur nulle – la valeur absolue diminue –, et diminution de la moyenne de flux de chaleur
sensible).
VI.3.1.c
Bâtiments de couleurs claires et très claires
Les résultats de ces modélisations (figure 100) s’expliquent en les mettant en relation avec la
variation de l’albédo des toits, un des paramètres les plus influents, et de l’albédo des murs, en
ce qui concerne l’été, et de l’isolation des bâtiments, en ce qui concerne l’hiver.
233
Figure 100 : Comparaison des flux du bilan d’énergie pour Paris et les modélisations avec
différents types de bâtiments (Minergie, Minergie Plus, Bâtiments très clairs et Bâtiments
Minergie Plus très clairs) le 30 juin 2006 et le 30 janvier 2006.
VI.3.2 Organisation urbaine
La modification de l’organisation urbaine entraîne peu de variation des flux du bilan
d’énergie. Ces modifications par rapport à ‘Paris’ restent, pour tous les maxima, minima et
moyennes des flux, inférieures à 16 W.m-2. pour la journée du 30 juin 2006 et inférieures à 7
W.m-2. pour la journée du 30 janvier 2006. Rappelons que ces modélisations font varier en
plus de la forme du bâti la part d’espaces végétalisés, ce qui induit peut être des résultats
« faussés » du fait de nos conditions initiales.
VI.4 Conclusion
L’ensemble des modélisations effectuées ont permis de chiffrer dans des conditions
particulières les effets de certains facteurs sur le bilan d’énergie d’un milieu urbain. Le milieu
urbain en question est Paris, ou plutôt une représentation simplifiée de Paris, et les conditions
climatiques choisies sont deux journées de l’année 2006, l’une représentative de l’hiver et
l’autre de l’été.
Les résultats exposés dans ce chapitre permettent de hiérarchiser en partie différents facteurs
ou tout au moins de faire ressortir ceux ayant une influence prédominante par rapport aux
autres. Les variations de paramètres n’ont ainsi pas eu, comme nous avons pu le constater, la
même influence, le même effet sur le bilan d’énergie. Certains paramètres ont une influence
faible en été comme en hiver, d’autres une influence essentiellement à l’une des deux saisons
ou encore d’autres une influence à la fois en été et en hiver (tableau 19).
Par ‘peu d’influence’ ou ‘influence faible’, nous entendons le fait qu’entre chaque
modélisations, hormis les cas très extrêmes (nous conservons uniquement en plus de Paris
234
trois modélisations), de la même série les différences entre les moyennes des différents flux
sont inférieures à 10 W.m-2. Les influences très fortes correspondent, dans les mêmes
conditions à l’apparition de différences, pour l’une des moyennes, de plus de 50 W.m-2.
L’apparition dans l’une ou l’autre catégorie est dépendante de nos choix de valeurs pour les
différentes modélisations et nous devons en tenir compte. Cependant, cela permet d’avoir un
premier regard sur ces différents facteurs et leur plus ou moins grande influence sur le bilan
d’énergie.
Comme le montre le tableau 19, les facteurs ayant l’impact le plus important sur le bilan
d’énergie ne sont pas identiques en hiver et en été.
En été, les facteurs perturbant le bilan radiatif, c'est-à-dire le rayonnement net, sont ceux qui
ont la plus grande influence sur le bilan d’énergie. C’est le cas de l’albédo des toits, de
l’émissivité des murs et, par voie de conséquence, des bâtiments de couleurs claires et très
claires (qui correspond globalement à une augmentation des albédos des murs et des toits).
L’apport de rayonnement solaire est le double en été par rapport à l’hiver dans le cas de nos
simulations, ce qui explique la prédominance de ces facteurs radiatifs principalement en été.
En été, l’influence moindre de l’albédo des murs par rapport à celui des toits s’expliquent par
l’effet de piégeage du canyon (les rues modélisées sont très encaissées : 30m de hauteur et
15m de largeur), c'est-à-dire qu’une majorité des rayonnements réfléchis en plus grâce à un
albédo plus élevé est renvoyée non pas vers l’atmosphère mais vers les surfaces voisines,
c'est-à-dire le mur d’en face et la voirie. Cette situation se retrouve en hiver.
L’influence de l’émissivité des murs ou des toits sur le bilan d’énergie est dépendante de
l’évolution de la température des surfaces. Cette température dépend de plusieurs éléments
tels que la conduction de la chaleur au sein du mur ou du toit, de l’albédo de la surface et du
rayonnement auquel elle est soumise. L’albédo des murs est de 0,40, celui des toits de 0,60.
En plus du rayonnement solaire, les murs, contrairement aux toits, sont soumis au
rayonnement solaire réfléchi par les murs voisins et la voirie ainsi qu’au rayonnement
infrarouge de ces surfaces. Ceci peut permettre d’expliquer le fait que l’émissivité des murs
ait une si grande influence durant l’été contrairement à l’émissivité des toits.
235
Tableau 19 : Influence sur le bilan d’énergie de différents facteurs selon la saison (hiver et
été).
Influence en hiver
BÂTIMENT
Albédo des toits
Emissivité des toits
Isolation des toits
Inertie des toits
Type de toits
Albédo des murs
Emissivité des murs
Isolation des murs
Inertie des murs
Bâtiments conforme à la RT 2005
Bâtiments conformes aux standards
Minergie et Minergie P
Bâtiments de couleurs claires et très
claires
ESPACES PUBLICS
Albédo des rues
Emissivité des rues
Inertie des rues
Fractions de ville et de végétation
(non arrosée)
Fraction de villes et d’eau
ORGANISATION SPATIALE
Largeur des rues
Hauteur des bâtiments
Profondeur des bâtiments
Organisation urbaine
ACTIVITES INDUSTRIELLES ET TRANSPORT
Trafic
Industries
Influence en été
Influence faible (< 10W.m-2)
Influence peu importante (10W.m-2 ≤ < 30W.m-2)
Influence forte (30W.m-2 ≤ < 50W.m-2)
Influence très conséquente (≥ 50W.m-2)
En hiver, ce sont les facteurs ayant une action sur les rejets d’origine anthropique (chauffage
notamment) qui ont le plus d’influence sur le bilan d’énergie. Ces facteurs comprennent ainsi
l’isolation des murs, les bâtiments conformes aux standards Minergie et Minergie P, qui
modifient l’isolation des murs, et la hauteur des bâtiments, qui modifient proportionnellement
la surface de murs par rapport aux deux autres types de surfaces (toits, routes), murs au sein
desquels on observe le transfert de la chaleur intérieure du bâtiment vers l’extérieur.
236
L’influence en relatif des caractéristiques radiatives de surface, même si elle est moindre que
pour ces précédents facteurs, ne peut cependant être négligée.
En hiver, l’influence plus faible de l’isolation des toits par rapport à l’isolation des murs
s’explique par deux aspects. Tout d’abord, la surface de toit est plus faible que la surface de
mur donc les toits proposent une surface d’échange avec l’air plus petite que pour les murs.
Secondement, l’isolation des toits dans le cadre de nos simulations est initialement meilleure
que celles des murs (2,78 K.m2.W-1 pour les toits et 0,37 K.m2.W-1 pour les murs).
D’une manière générale, la forme du cadre bâti, sa géométrie, influencent la quantité et la
proportion de surfaces de murs, de routes et de toits. Ainsi les modifications de celles-ci
entraînent des variations du bilan d’énergie dues à la fois à une modification de l’accès au
rayonnement solaire des différentes surfaces mais également à la modification de leur
proportion sachant que chaque surface possède ses propres caractéristiques physiques et donc
un comportement thermique différent.
Il est intéressant de remarquer, qu’en hiver, une meilleure isolation entraîne moins de perte de
chaleur au sein du milieu urbain et, par conséquent, une diminution de l’intensité de l’îlot de
chaleur. Les mesures actuelles mis en œuvre pour améliorer l’efficacité énergétique des
bâtiments devraient donc conduire, principalement en hiver, à une différence de températures
moindre entre l’espace urbain et les zones rurales voisines.
Hormis pour la végétation, que nos simulations ne nous ont pas permis de prendre en compte
comme nous l’aurions souhaité, nous retiendrons que nos résultats concordent avec les études
actuelles privilégiant pour l’été une augmentation de l’albédo et de la surface végétalisée pour
diminuer l’îlot de chaleur urbain.
237
VII Synthèse
La réalisation de simulations pour analyser et quantifier les effets de différents facteurs sur le
climat urbain a nécessité d’effectuer plusieurs choix.
L’état de l’art, exposé au sein de la première partie, nous a tout d’abord permis d’expliquer
l’ensemble des processus à l’origine de la formation du climat urbain et de proposer des
domaines d’actions permettant de modifier l’influence de la ville sur son climat. Plus
précisément, cinq domaines d’action, en adéquation avec la manière dont se conçoit et se gère
les milieux urbains, ont été proposés : le bâtiment (les caractéristiques techniques, physiques
et de l’occupation du bâtiment), l’espace public (la nature et la conception de la voirie et des
espaces végétalisés), l’organisation spatiale (l’organisation des bâtiments et de l’espace public
dans la ville), ou encore les activités industrielles et les transports.
Il a ensuite été nécessaire de choisir un modèle numérique répondant au mieux à nos besoins
et d’identifier sa portée et ses limites. Dans le cadre de cette thèse, notre choix s’est porté sur
TEB, un schéma de surface développé par le CNRM. Ce schéma s’appuie sur la réalisation
des bilans d’énergie de trois surfaces : les murs, les toits et les routes. Pour cela, il représente
la morphologie urbaine en appliquant le concept de la rue canyon et suppose que le toit et la
route sont des surfaces planes horizontales et les murs des surfaces verticales de même
hauteur. De plus, toutes les orientations de rue sont prises en compte, avec la même
probabilité de présence.
Ce choix de modèle effectué, nous avons sélectionné différentes simulations à mettre en
œuvre. Des tests de sensibilité en relation avec les différents paramètres de TEB et à partir
d’une description initiale de Paris ont été effectués, ainsi que des tests de sensibilité à
différents paramètres en relation avec les domaines d’action (bâtiment, espaces publics,
organisation spatiale, activités industrielles et transport). Deux situations climatiques ont été
sélectionnées : une journée hivernale fraiche et ensoleillée et une journée estivale chaude et
ensoleillée.
Pour l’exploitation des résultats des différentes simulations, nous nous sommes concentrés sur
l’analyse du bilan d’énergie du milieu urbain : Q* + QF = QH + QE + ∆QS (W.m-2), où Q* est
le rayonnement net, QF le flux de chaleur d’origine anthropique dû aux industries et au trafic
(dans le cas de TEB, le chauffage est pris en compte en supposant que la température
238
intérieure des bâtiments ne peut descendre en dessous de 19°C), QH le flux turbulent de
chaleur sensible, QE le flux turbulent de chaleur latente et ∆QS la quantité de chaleur stockée
par la zone urbaine.
Hormis pour la végétation, que nos simulations ne nous ont pas permis de prendre en compte
comme nous l’aurions souhaité notamment du fait de nos conditions initiales, nous
retiendrons que nos résultats concordent avec les études actuelles privilégiant pour diminuer
l’îlot de chaleur urbain estivale une augmentation de l’albédo et de la surface végétalisée. Les
conséquences sur le bilan d’énergie en hiver de cette augmentation d’albédo sont moindres et
l’îlot de chaleur est principalement influencé durant cette saison par les flux de chaleur
anthropique dus au chauffage.
Si aujourd’hui certaines villes sont construites presque entièrement à neuf (Dubaï au sein des
Emirats arabes unis, Dongtan en Chine), ce n’est pas le cas des villes, notamment des pays
développés, comme Paris. Pour ces villes, dont le cadre bâti est aujourd’hui presque
entièrement figé, les marges de manœuvre pour s’adapter sont plus limitées du fait par
exemple du caractère historique de nombreux bâtiments.
La question de savoir comment intégrer de nouveaux critères climatiques contraignants à
l’aménagement urbain se pose. Dans la partie suivante, nous allons proposer quelques
éléments d’analyse pour permettre une première réponse à cette question.
Nous ne nous attacherons pas à l’ensemble des leviers d’action évoqués mais nous
concentrerons principalement sur deux d’entre eux : l’albédo des toits et les espaces
végétalisés qui ont une influence importante principalement en été. En effet, l’îlot de chaleur
urbain devient problématique particulièrement lors des vagues de chaleur (annexe 2) et
l’objectif principal est alors une diminution de son intensité durant l’été. Ces deux leviers
n’influencent pas seulement le climat urbain et peuvent avoir des conséquences positives sur
d’autres aspects. Il peut être intéressant de mettre ces avantages conjoints en avant pour
valoriser ce qui pourrait être des stratégies ayant une double dividende ou « sans regret », de
la même manière que les solutions proposées par exemple actuellement dans le domaine de
l’efficacité énergétique qui permettent à la fois de diminuer les rejets en gaz à effet de serre et
lutter ainsi contre le changement climatique mais également de diminuer les dépenses
énergétiques. Rosenfeld et al. (1998) ont par exemple analysé les économies d’énergie
qu’engendrerait pour Los Angeles (Etat-Unis) la mise en œuvre des stratégies suivantes : mise
239
en place de matériaux de toits réfléchissants93, mise en place de matériaux de voirie plus clairs
et plantation d’arbres. Des questions complémentaires peuvent également apparaître avant de
mettre en œuvre ces différentes stratégies : celles concernant l’éventuel surcoût des matériaux
(Bretz et al., 1997), celles concernant la performance sur le long terme de ces matériaux
(Bretz et Akbari, 1997. Akbari et al., 2001) ou encore celles concernant le coût de plantation
et d’entretien des arbres (Akbari et al., 2001).
93
Le toit réfléchissant ou « cool roof » est un système de toit qui possède une réflectance (ou albédo) élevée
(abilité à réfléchir le rayonnement visible, infrarouge et ultraviolet du soleil et réduisant les transferts de chaleur
vers le bâtiment) et une émissivité thermique élevée (capacité à rejeter une part importante de l'énergie solaire
absorbé ou non réfléchi).
240
Quatrième partie :
Réflexion sur les moyens à disposition des
collectivités territoriales françaises pour
intégrer dans la conception urbaine des
critères permettant d’influer sur
l’environnement climatique
241
I
Introduction
La première partie de ce document a débuté par un premier chapitre sur la manière dont les
scientifiques ont abordé et abordent aujourd’hui la question du climat urbain et de l’îlot de
chaleur et la façon dont ils les relient à la ville, à sa conception, son architecture, sa forme ou
encore sa géométrie. Elle a ensuite permis d’expliquer les phénomènes physiques à l’origine
de la formation du climat urbain et d’introduire une première présentation des facteurs urbains
(couche superficielle du sol, activités humaines et structure urbaine) et de leur influence dans
la formation du climat urbain.
La troisième partie, à partir d’une proposition plus personnelle de domaines d’action
(bâtiment, espace public, organisation spatiale, activités industrielles et transport), est venue
compléter ces informations par le biais d’une modélisation du bilan d’énergie de différents
milieux urbains, permettant ainsi de tester la sensibilité du climat urbain à différents leviers.
Hormis pour la végétation, que nos simulations ne nous ont pas permis de prendre en compte
comme nous l’aurions souhaité, nos résultats concordent avec les études actuelles privilégiant
pour l’été une augmentation de l’albédo et de la surface végétalisée pour diminuer l’îlot de
chaleur urbain. Les conséquences sur le bilan d’énergie en hiver de cette augmentation
d’albédo sont moindres et l’îlot de chaleur est principalement influencé, durant cette saison,
par les flux de chaleur anthropique dus au chauffage.
Cette quatrième et dernière partie a pour objectif de présenter une réflexion autour des
moyens existants et permettant une intégration dans la conception urbaine de critères, tels que
l’albédo et les espaces végétalisés, permettant d’améliorer l’environnement climatique. Cette
étape est indispensable pour avoir un premier aperçu sur la capacité de l’aménagement urbain
à s’approprier des faits scientifiques portant sur leur influence sur le climat.
Le changement climatique, pour lequel les villes peuvent se révéler mal adaptées94, représente
un enjeu et un challenge pour les aménageurs et architectes du milieu urbain, mais également
des opportunités importantes de créer des environnements urbains innovants et attractifs.
94
L’adaptation dans le cadre des changements climatiques consiste à « faire évoluer les activités humaines et les
écosystèmes afin de limiter les dommages que pourront occasionner les changements climatiques qui n’auront
pu être évités et, dans quelques cas, de saisir les opportunités créées par les évolutions favorables de certaines
régions ou secteurs d’activité » (ADEME, 2007). Des informations sur les changements climatiques et le rôle des
collectivités dans l’adaptation des territoires sont présentées en annexe 2 (perturbations climatiques : sources
d’instabilité à gérer par la ville).
242
Aménageurs et architectes doivent ainsi faire preuve de créativité pour s’assurer que le cadre
bâti sera adapté à une nouvelle donne climatique (Shaw et al., 2007), mais également qu’il
l’est au climat actuel. Comme le signale Givoni (1998), la structure de la ville peut être
modifiée par l’aménagement urbain et l’architecture, qui sont en partie encadrés et/ou
influencés par les politiques urbaines et la conception de nouveaux quartiers ou, même, d’une
ville entière (dans le cas des villes nouvelles par exemple). Il est alors possible d’agir sur le
climat urbain au travers de ces politiques et nouvelles conceptions.
L’avenir de la ville et son attractivité ne se trouvent ainsi plus uniquement dans la croissance
économique qu’elle offre mais également dans la prise en compte des performances
environnementales (énergie, pollution, sols, climat, etc.). Pour reprendre les termes de Lorrain
(2008), « les territoires qui se développeront seront ceux qui sauront combiner les
innovations de leur base économique et la qualité de leurs infrastructures. Pour y parvenir,
les institutions de gouvernement urbain seront essentielles. ». Cette évolution vers une
meilleure prise en compte de l’environnement répond à une demande sociale de plus en plus
forte d’amélioration du cadre de vie et de l’environnement.
La problématique du climat urbain est différente de celles de la qualité de l’air intérieur, des
consommations énergétiques, du confort climatique intérieur, etc., dans le sens où le climat
urbain est créé et influencé par l’ensemble de la ville plus que par un bâtiment en particulier.
De ce fait, il est difficile de sensibiliser tous les acteurs de la construction de l’importance de
tenir compte du climat urbain s’ils ne peuvent percevoir ou mesurer individuellement les
conséquences de leurs choix. Par exemple, les labels et les certifications peuvent jouer le rôle
de leviers pour encourager la mise en œuvre de bâtiments performants du point de vue de la
consommation énergétique, parce que, même s’ils s’intègrent dans un enjeu global qu’est la
réduction des gaz à effet de serre, ils répondent également à un besoin individuel de
diminution des consommations d’énergie (et donc diminution du coût d’exploitation) et
participent à valoriser, en terme d’image, la nouvelle construction. En ce qui concerne le
climat urbain, les gains à l’échelle du bâtiment sont encore peu valorisables même s’ils
existent comme, par exemple, la diminution des consommations énergétiques pour la
climatisation en période estivale (Rosenfeld et al., 1998). Ainsi, les pouvoirs publics sont sans
doute les acteurs les plus appropriés pour commencer à intégrer dans la conception urbaine
des éléments relatifs au climat urbain. L’objectif de la thèse n’étant pas d’aborder la manière
dont chacun des acteurs peut intégrer des éléments de climatologie urbaine dans son domaine,
la question de l’acteur commun à l’ensemble des projets d’aménagement urbain s’est posée,
243
que ces projets soient des interventions ponctuelles (création d’un bâtiment ; réhabilitation,
rénovation, entretien d’un bâtiment ; travaux ponctuels sur la voirie), des intervention sur un
quartier (création sur un espace non urbanisé ; réhabilitation, rénovation d’un espace déjà
urbanisé), des interventions sur l’agglomération (documents d’urbanisme, ZAC, etc.) ou
encore des interventions linéaires (modification physique de la voirie ; modification de
l’utilisation de la voirie). Si nous excluons l’Etat (dont l’une des ambitions au moment de la
loi Solidarité et Renouvellement Urbain comme au moment du Grenelle de l’environnement
est, justement, selon Desjardins (2008) de « développer sa capacité à orienter localement le
jeu territorial ») et l’Union Européenne, un des acteurs communs à l’ensemble de ces projets
est la collectivité territoriale, dont l’atout est d’être l’échelon le plus proche des citoyens et
des entreprises. Nous nous sommes donc concentrés sur la possibilité et la capacité des
collectivités territoriales à pouvoir prendre en compte des enjeux du climat urbain au sein de
leurs projets d’aménagement.
Une intervention sur un bâtiment ou un quartier peut sembler accessoire pour changer la
forme générale d’une ville, mais, intégrée à l’ensemble des modifications effectuées, elle ne le
devient plus. Comme le signalent Poli et al. (2007) à propos du profil climatique et du
comportement thermique de la ville, un bâtiment seul, ou une surface seule, ne peut pas
modifier le profil climatique et le comportement thermique d’une ville. En revanche, la
somme de ces modifications le peut. L’action individuelle, qui est en premier lieu motivée par
les besoins de l’utilisateur, induit une modification dans le bilan énergétique de la ville. Un
bâtiment ou un autre type d’aménagement devrait donc, selon Poli et al. (2007), être conçu
consciemment de façon à former une partie qui s’intègre dans un système plus complexe, et
être évalué par rapport à son impact énergétique sur la ville. Ce principe peut également
s’appliquer à d’autres aspects comme l’efficacité énergétique et met en relief le rôle
fondamental du bâtiment et de l’architecture95 en perpétuelle relation avec ce qui fait la ville,
son cadre bâti, son environnement, ses habitants, etc.
Cette dernière partie se concentre donc sur les moyens à disposition des collectivités
territoriales françaises pour engager une prise en compte du climat urbain dans
l’aménagement. Celles-ci ont la possibilité d’être à la fois exemplaires sur leur domaine de
compétence mais également d’être organisatrices et « aménageuses » du territoire et
95
« Pour soutenir son rôle d’élément fondamental de notre milieu, la qualité première de l’architecture est non
pas un caractère d’objet plastique isolé, mais, au contraire, sa capacité à entretenir des relations avec les autres
éléments du milieu : institutions humaines, architectures, êtres vivants, terre, air, soleil et eau… » (Liebard et De
Herde, 2006).
244
incitatrices vis-à-vis des autres acteurs de la ville (architectes, urbanistes, habitants,
promoteurs, employeurs, etc.).
245
II Possibilités offertes par l’urbanisme réglementaire et
opérationnel pour intégrer des critères permettant d’améliorer
l’environnement climatique
Les projets territoriaux et urbains s’ils sont portés par les élus, ont tout intérêt à être également
le fruit d’une réflexion prospective et d’une action collective à laquelle participe citoyens,
entreprises, associations, etc.96 L’ensemble des acteurs peuvent ainsi adhérer au projet de
territoire. Ainsi, de son élaboration à sa mise en œuvre, un projet de territoire est l’occasion de
prendre en compte les intérêts et points de vue multiples et parfois contradictoires (politiques
et techniques, publics et privés, particuliers et collectifs, etc.), d’intégrer les différentes
échelles du territoire (la ville, le quartier, l’espace d’activité, le secteur en développement,
etc.), d’articuler les différents horizons temporels (préoccupations du quotidien, mandature,
long terme). L’objectif est alors d’atteindre le difficile équilibre des composantes du
développement durable : l’économique, le social et l’environnemental, tout en encourageant la
participation des citoyens à l’avenir de leur territoire au travers de la gouvernance.
Comme le souligne Merlin (2005), l’urbanisme doit allier de nombreuses connaissances et
pratiques : « L’urbanisme, a-t-on dit, est praxis (action) et pratique. Outre une bonne
connaissance des faits démographiques, économiques, géographiques, sociaux, etc., il recourt
à des mécanismes juridiques et administratifs pour la mise en œuvre opérationnelle des
projets. Ceux-ci concernent notamment la politique foncière (acquisitions et viabilisation des
sols), la réglementation de l’utilisation des sols, qui s’exprime notamment à travers les plans
d’urbanisme, et la création d’organismes opérationnels chargés de mener les grandes
opérations d’urbanisme. ».
Pour la majorité des grandes villes des pays urbanisés, en particulier des pays européens,
l’aménagement urbain ne sera pas fait majoritairement d’une nouvelle urbanisation ou de
nouvelles constructions mais plutôt de réhabilitation, de rénovation, de transformation : il va
falloir reconstruire plutôt que construire, il va falloir réaménager l’existant et l’adapter aux
nouveaux besoins. A l’échelle nationale, selon la conjoncture, le bâtiment neuf représente
96
« Les documents d’urbanisme (SCOT, PLU, etc.) sont l’occasion, pour une collectivité territoriale ou un
groupement de communes, de susciter un débat collectif, rassemblant tous les acteurs pour qu’ils expriment leur
point de vue et leur vision sur l’avenir du territoire à la fois par l’expression d’un projet de développement
durable […], par une participation de tous les acteurs […], par une approche globale, l’échelle territoriale la
plus pertinente de réflexion des problématiques environnementales [étant alors] la bassin de vie ou le bassin
versant » (Ministère De L’équipement et Ministère De l’Ecologie et du Développement Durable, 2007).
246
chaque année de 1 à 1,5% du parc. Ce faible pourcentage représente par ailleurs pour la
majeure partie une extension du parc existant et le taux de renouvellement, avec donc
destruction du parc correspondant, serait de l’ordre de 0,1 à 0,2% par an (Carassus, 2007).
Pour des villes comme Paris où il reste peu de places à l’extension du parc existant, on
comprend, avec ces chiffres, à quel point la réhabilitation est un enjeu considérable.
Malgré ce frein à la mise en œuvre de modifications lourdes sur le cadre bâti, les villes ne sont
pas pour autant démunies et il leur est possible de maîtriser l’aménagement ou la
réhabilitation de leur territoire. Reste à apprécier la portée et les limites de ces documents
d’urbanisme et à les employer convenablement pour promouvoir un aménagement durable, et,
plus particulièrement dans notre cas, soucieux de l’environnement et du climat de la ville.
Le dispositif législatif et réglementaire encadrant l’aménagement du territoire en France a
évolué en fonction de différents facteurs tels que la prise en compte de l’environnement ou la
décentralisation. Le dispositif actuel s’appuie sur trois types d’outils :
•
Les outils de la planification avec les schémas de cohérence territoriale (SCOT), les
plans locaux d’urbanisme (PLU) et les directives territoriales d’aménagement (DTA),
qui organisent le territoire à différentes échelles. Ces échelles sont pour le SCOT un
ensemble de communes (le territoire du SCOT doit être continu et sans enclave), pour
le PLU la commune ou le groupement de communes (communauté urbaine,
communauté d’agglomérations) et pour la DTA un territoire de taille importante
(exemples : le département des Alpes-Maritimes, les bassins miniers nord lorrains,
l’estuaire de la Loire, ou encore l’aire métropolitaine lyonnaise).
•
Le principe de contractualisation qui engage les différents acteurs sur des projets à
financer en tenant compte des priorités de chacun (contrats entre les collectivités
locales et l’état, contrats entre les collectivités publiques et les acteurs privés, etc.).
•
Des outils programmatiques et sectoriels qui, par domaine, permettent d’étudier et
d’organiser un ensemble cohérent de projets hiérarchisés pour prendre en compte les
priorités et les moyens à y affecter (plan de déplacement urbain, plan local de
l’habitat, etc.).
Nous nous intéresserons pout notre part uniquement aux outils de planification comme le
SCOT et le PLU, les DTA étant à l’initiative de l’Etat.
247
Le PLU a une incidence forte sur l’aménagement et la qualité des bâtiments puisque c’est lui
qui sert de référence obligatoire à l'instruction des diverses demandes d'occupation ou
d'utilisation des sols comme les permis de construire, les déclarations de travaux, les permis
de démolir. Le SCOT agit plus en amont avec des directives plus générales que le PLU doit
respecter.
On signalera qu’il existe déjà des documents intégrant des préoccupations environnementales
comme la Charte de l’environnement (qui peut correspondre au volet environnemental du
SCOT) ou la charte paysagère mais ces documents, s’ils ne sont pas intégrés aux documents
réglementaires, ils restent simplement des recommandations et rien n’oblige à les prendre en
compte.
Les thèmes du développement durable et du changement climatique ont intégré les politiques
publiques ces dernières années et ont également permis le développement de nouveaux outils
permettant de structurer les démarches des collectivités sur ces deux thèmes. Nous nous
appuierons donc sur les outils développés à cet effet dans le chapitre suivant, mais avant cela
intéressons-nous aux documents d’urbanisme et à la possible prise en compte de
l’environnement climatique qu’ils offrent.
II.1 Généralités
Urbanisme et environnement ont pendant longtemps été abordés de façon distincte malgré
leur relation évidente. Cet état de fait peut sans doute s’expliquer par les définitions
imprécises et multiples données au terme « environnement ». Ainsi, l’environnement est à la
fois milieu dans lequel on évolue, milieu naturel, air que l’on respire97. Pour Morand-Deviller
(2006), « l’environnement, notion « caméléon », se situe entre une acceptation trop étroite :
la protection de la nature, et une approche trop globale attirant à elle l’ensemble des
problèmes touchant à la qualité de vie, au « bonheur » des êtres […]. Le droit de
l’environnement recouvre le droit de la protection de la nature, celui de la lutte contre les
nuisances. Il pénètre, influence, infléchit l’aménagement de l’espace rural et urbain, et celui
du patrimoine culturel ». Le droit de l’environnement recouvre ainsi aujourd’hui beaucoup
97
Le conseil international de la langue française donne, dans son dictionnaire de l’environnement (1992), la
définition suivante de l’environnement : « L’environnement est un ensemble perçu comme une entité, dans un
espace et un temps donnés, des facteurs physiques, chimiques, biologiques et sociaux susceptibles d’avoir un
effet direct ou indirect, immédiat ou à terme, sur l’espèce humaine et ses activités, et sur les espèces animales et
végétales. » Cette définition permet d’aborder, contrairement à celle de l’AFNOR (« milieu dans lequel un
organisme fonctionne, incluant l’air, l’eau, la terre, les ressources naturelles, la flore, la faune, les êtres
humains et leurs interrelations » - ISO 14001), le caractère très personnel, très subjectif de l’environnement,
dans le sens où il dépend de la perception de tout un chacun.
248
plus que la protection de la nature, même si une des grandes lois l’ayant inspiré demeure celle
sur la protection de la nature du 10 juillet 197698.
Au cours des dernières décennies, la dégradation des milieux naturels, la pollution
atmosphérique, le changement climatique, directement liés aux activités humaines, ont eu
pour conséquence de questionner les modèles socio-économiques des pays industrialisés, qui
ont aujourd’hui une dette « écologique » vis-à-vis des pays en développement. Cet état de fait
a été à l’origine de l’apparition de la notion de développement durable avec notamment le
rapport Brundtland (1987). Les secteurs du bâtiment et des transports étant responsables d’une
partie des dégradations et modifications observées et encourues, notamment dans le domaine
des rejets de gaz à effet de serre et de la pollution atmosphérique, de nombreuses mesures ont
été progressivement mises en œuvre en ce qui concerne les villes, et ce à différentes échelles :
mondial (rapport Brundtland, déclaration de Rio), européenne (traité de Maastritch), national
(Charte de l’environnement, loi d’Orientation sur l’Aménagement et le Développement
Durable des Territoires du 25 juin 1999) ou encore local (agendas 21 locaux).
Comme le signalent Belziti et Souami (2007), « si les phénomènes sont globaux [destruction
de biens non renouvelables comme l’eau, l’air et les espaces naturels], les causes, elles, sont
essentiellement locales. C’est donc d’abord au niveau local qu’il faut analyser, comprendre
et résoudre les problèmes qui se posent dans le fonctionnement et le développement des
sociétés donc des villes. Les documents d’urbanisme apparaissent de ce fait comme un
moyen, pour les communes, d’organiser leur développement et non de le subir. La loi
Solidarité et Renouvellement Urbain du 13 décembre 2000 puis la loi Urbanisme et Habitat
du 2 juillet 2003 et leurs décrets d’application ont apporté le cadre qui manquait aux
collectivités territoriales pour exercer un nouvel urbanisme plus soucieux des conséquences à
long terme pour l’environnement, la vie économique et sociale des communes ».
Ainsi, même si les différentes lois peuvent parfois sembler trop générales en matière
d’environnement, en tentant de tenir compte de l’ensemble des sous-thèmes de
98
La loi n°76-629 du 10 juillet 1976 relative à la protection de la nature, fixe le principe de cette protection et
affirme que le maintien des équilibres biologiques est d’intérêt général ; en conséquence les documents
d’urbanisme doivent respecter les préoccupations environnementales sous peine d’illégalité. « La protection des
espaces naturels et des paysages, la préservation des espèces animales et végétales, le maintien des équilibres
biologiques auxquels ils participent et la protection des ressources naturelles contre toutes les causes de
dégradation qui les menacent sont d'intérêt général. Il est du devoir de chacun de veiller à la sauvegarde du
patrimoine naturel dans lequel il vit. Les activités publiques ou privées d'aménagement, d'équipement et de
production doivent se conformer aux mêmes exigences. La réalisation de ces objectifs doit également assurer
l'équilibre harmonieux de la population résidant dans les milieux urbains et ruraux. » (Article 1 de la loi n°76629 du 10 juillet 1976)
249
l’environnement (air, eau, sol, déchets, assainissement, biodiversité, etc.), elles offrent un
cadre législatif dans lequel les collectivités territoriales peuvent s’insérer pour mettre en
œuvre un cadre réglementaire plus contraignant. La nécessité d’une ville, possédant un cadre
de vie agréable et sain, est prise en compte par le droit de l’urbanisme à la fois dans la
planification du sol, la réalisation des grandes opérations d’urbanisme et le droit des
autorisations de construire.
L’annexe 14 présente une partie du contexte législatif et juridique qui encadre la protection de
l’environnement.
Ainsi, pour répondre aux attentes multiples et légitimes des populations tout en tenant compte
des conséquences variées et complexes qu’elles peuvent avoir, l’élu et la collectivité doivent
opérer des choix et définir des orientations pour « aménager le cadre de vie »99. Pour cela, de
nombreux outils sont à leur disposition (figures 101 et 102) et il est nécessaire de penser la
planification à une échelle territoriale pertinente (SCOT), locale (PLU, carte communale) en
lien avec l’aménagement opérationnel (ZAC, lotissement, etc.).
La liste étant longue des documents s’attachant à différents aspects de la question
environnementale, nous nous sommes attachés plus particulièrement aux Schémas de
Cohérence Territoriale (SCOT) et aux Plans Locaux d’Urbanisme (PLU), qui jouent un rôle
central (figures 101 et 102) dans le paysage de l’aménagement urbain et de l’environnement.
Nous avons également étudié comment pouvait être géré l’environnement par le biais de
l’urbanisme opérationnel, c'est-à-dire lors de la création de projets d’aménagements.
99
La partie législative du code de l’urbanisme s’ouvre avec l’article L. 110 par une déclaration de principe selon
laquelle « le territoire français est le patrimoine de la nation. Chaque collectivité publique en est le gestionnaire
et le garant dans le cadre de ses compétences. Afin d'aménager le cadre de vie, d'assurer sans discrimination
aux populations résidentes et futures des conditions d'habitat, d'emploi, de services et de transports répondant à
la diversité de ses besoins et de ses ressources, de gérer le sol de façon économe, d'assurer la protection des
milieux naturels et des paysages ainsi que la sécurité et la salubrité publiques et de promouvoir l'équilibre entre
les populations résidant dans les zones urbaines et rurales et de rationaliser la demande de déplacements, les
collectivités publiques harmonisent, dans le respect réciproque de leur autonomie, leurs prévisions et leurs
décisions d'utilisation de l'espace ».
250
Figure 101 : Les relations entre les documents d’urbanisme réglementaires et incitatifs en lien
avec l’aménagement du territoire, l’urbanisme, le foncier, l’habitat, la gestion de la qualité de
l'air, des déchets et de l'eau, l’environnement, les paysages, le patrimoine et le développement
durable.
Figure 102 : Les relations entre les outils opérationnels, les procédures à disposition des
collectivités et le PLU et le SCOT, deux documents d’urbanisme réglementaires et incitatifs.
251
Le SCOT et le PLU comme la carte communale doivent répondre à des objectifs communs
précisés à l’article L 121-1 du code de l’urbanisme et qui concerne autant la diversité des
fonctions urbaines et la mixité sociale dans l’habitat, que l’équilibre et la gestion durable des
espaces urbains et ruraux100.
Le SCOT et le PLU ont ainsi un rôle stratégique pour le territoire. Ils permettent de définir un
avenir possible, une évolution voulue et souhaitée du territoire. Ils sont l’expression des
nombreuses volontés des collectivités mais surtout, pour ce qui nous intéresse dans le cadre
de cette thèse, des volontés affichées en termes d’environnement, d’écologie (cf. lexique), de
cadre de vie. Un de leurs objectifs est en ce sens primordial : préservation de la qualité de
l'air, préservation des espaces verts, prévention des risques naturels prévisibles, prévention
des nuisances de toute nature ; tous ces éléments permettent aujourd’hui aux élus et aux
collectivités de transcrire au sein de leur document une volonté d’une ville en adéquation avec
son climat.
Le SCOT, dont l’objectif est ainsi de proposer un projet de territoire cohérent et partagé par
les différentes collectivités, est plus adapté que le PLU pour aborder les grands enjeux
d’équilibre, de développement et de protection des risques majeurs, de qualité de l’eau, et
notamment sur les territoires particulièrement101 sensibles (montagne, littoral, périphérie des
grandes agglomérations). C’est à cette échelle que se traitent de manière globale la
consommation économe d’espace et l’organisation des déplacements sur la base des bilans
des PDU lorsque ces derniers existent.
100
Selon l’article L 121-1 du code de l’urbanisme, le SCOT, le PLU et la carte communale doivent répondre aux
objectifs communs suivants : 1) « L'équilibre entre le renouvellement urbain, un développement urbain maîtrisé,
le développement de l'espace rural, d'une part, et la préservation des espaces affectés aux activités agricoles et
forestières et la protection des espaces naturels et des paysages, d'autre part, en respectant les objectifs du
développement durable » ; 2) « La diversité des fonctions urbaines et la mixité sociale dans l'habitat urbain et
dans l'habitat rural, en prévoyant des capacités de construction et de réhabilitation suffisantes pour la
satisfaction, sans discrimination, des besoins présents et futurs en matière d'habitat, d'activités économiques,
notamment commerciales, d'activités sportives ou culturelles et d'intérêt général ainsi que d'équipements
publics, en tenant compte en particulier de l'équilibre entre emploi et habitat ainsi que des moyens de transport
et de la gestion des eaux » ; 3) « Une utilisation économe et équilibrée des espaces naturels, urbains,
périurbains et ruraux, la maîtrise des besoins de déplacement et de la circulation automobile, la préservation de
la qualité de l'air, de l'eau, du sol et du sous-sol, des écosystèmes, des espaces verts, des milieux, sites et
paysages naturels ou urbains, la réduction des nuisances sonores, la sauvegarde des ensembles urbains
remarquables et du patrimoine bâti, la prévention des risques naturels prévisibles, des risques technologiques,
des pollutions et des nuisances de toute nature ».
101
L’article L. 122-1 du Code de l’urbanisme précise que les SCOT « exposent le diagnostic établi au regard des
prévisions économiques et démographiques et des besoins répertoriés en matière de développement économique,
d'agriculture, d'aménagement de l'espace, d'environnement, d'équilibre social de l'habitat, de transports,
d'équipements et de services […] et déterminent les grands équilibres entre les espaces urbains et à urbaniser et
les espaces naturels et agricoles ou forestiers. Ils apprécient les incidences prévisibles de ces orientations sur
l’environnement ».
252
Le PLU est en revanche plus adapté pour transposer, au travers du plan de zonage, du
règlement et des documents graphiques, les orientations générales d’aménagement ; il est
l’outil par lequel on pourra protéger les espaces naturels sensibles, traiter des problèmes de
nuisances sonores, développer les réponses adaptées en matière d’assainissement, d’eau et de
gestion des déchets, protéger et mettre en valeur des espaces agricoles et naturels périurbains,
etc. Le PLU réglemente l’usage des sols. Il influence donc très directement la vie quotidienne
et le cadre de vie des habitants.
D’une manière générale, et quelle que soit l’échelle, l’élaboration de tout document
d’urbanisme (SCOT, PLU, etc.) nécessite une approche globale et pluri-thématique102 qui ne
simplifie pas nécessairement l’introduction d’une volonté aussi précise que la « maîtrise »,
et/ou la prise en compte de l’îlot de chaleur urbain.
Etudions plus précisément la composition et les tenants et aboutissants du SCOT et du PLU,
et le mode de fonctionnement d’une ZAC ou d’un lotissement, outils de référence de
l’urbanisme opérationnel. En effet, si ces premiers éléments nous confirment le fait que SCOT
et PLU sont deux documents d’urbanisme qui semblent adaptés pour prendre en compte en
leur sein la problématique du climat urbain, la question du « comment » n’est pas résolu. Les
paragraphes suivants vont nous permettre de connaître la possibilité d’y inscrire des enjeux
relatifs au climat urbain.
II.2 Schéma de Cohérence Territoriale
Le SCOT est l'un des documents de planification urbaine institué par la loi relative à la
solidarité et au renouvellement urbain (SRU) et remplace les anciens schémas directeurs. Il
vise à doter les agglomérations d'un instrument qui met en cohérence l'ensemble des
politiques sectorielles, notamment en matière d'urbanisme, d'habitat, de déplacement et
d'équipement commerciaux. Le SCOT est élaboré par un établissement public composé
exclusivement de communes et d'établissements publics de coopération intercommunale
compétents compris dans le périmètre du schéma.
102
Selon Ministère de l'équipement et Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable (2007),
l’élaboration des documents d’urbanismes nécessitent une approche globale afin de : prendre en compte les
besoins actuels et futurs, en matière de logements, de développement économique, de services, d’espaces
publics, d’infrastructures, etc. ; s’assurer de l’adéquation des orientations d’aménagement et de développement
avec le fonctionnement des milieux naturels et ruraux et la biodiversité ; tenir compte de l’ensemble des
processus et démarche déjà réalisés, en cours ou en projet sur un territoire, tels que les documents de politique
sectorielle (SDC, SDA, PEB, etc.) et plus particulièrement PLH et PDU avec lesquels doit exister un lien de
compatibilité, des documents de contractualisation (charte de territoire, charte pour l’environnement, Agenda 21,
etc.) ; veiller à la cohérence des orientations d’aménagement retenues avec celles des territoires voisins, y
compris les collectivités territoriales des Etats limitrophes.
253
Un SCOT comprend trois documents principaux, qui peuvent tous les trois comporter des
indications et éléments relatifs au climat urbain ou encore à la vulnérabilité du territoire à des
risques climatiques tels que la canicule. Ces trois documents sont :
•
un rapport de présentation qui présente un diagnostic du territoire et des besoins de
développement et un état initial de l’environnement. Cet état initial peut être
l’occasion d’effectuer une carte climatique du territoire qui facilite, comme nous
l’avons vu en première partie avec les travaux de Scherer et al. (1999), Baumüller et
al. (2005) et Alcoforado et al. (2006), la proposition de recommandations pour une
meilleure prise en compte du climat urbain et des effets induits sur ce dernier par les
choix d’aménagement.
•
le Projet d’aménagement et de développement durable (PADD) qui présente le projet
partagé par les collectivités pour l’aménagement et la protection de l’environnement
(et donc du climat) de leur territoire. Il s’agit d’un document de présentation
« politique » qui exprime les objectifs stratégiques retenus.
•
un
document
d’orientation
générale
(DOG)
qui
précise
les
orientations
d’aménagement permettant de mettre en œuvre le projet défini dans le PADD. Ces
orientations concernent les grands équilibres entre urbanisation et espaces naturels et
agricoles, le logement, notamment social, les implantations commerciales, les
déplacements
et
l’environnement,
etc.
Elles
peuvent
ainsi
proposer
des
recommandations relatives au climat urbain déduites, par exemple, d’une cartographie
climatique.
L’élaboration d’un SCOT permet aux communes de réaliser en commun certaines études qui
seront nécessaires à l’élaboration de leurs Plans Locaux d’Urbanisme (PLU).
Le SCOT impose, en terme de compatibilité, ses orientations aux plans locaux d'urbanisme
(PLU), plans de déplacements urbains (PDU), programmes locaux de l'habitat (PLH), plans
de sauvegarde et de mise en valeur (PSMV), cartes communales et schémas de
développement commercial ainsi qu'aux opérations foncières et opérations d'aménagement.
L’intégration d’enjeux climatiques au sein du PADD sera donc nécessairement reprise au sein
de ces différents documents. La traduction en actes visibles sur le terrain n’est cependant pas
254
assurée, le SCOT orientant l’évolution du territoire sans imposer réellement d’actions
précises103.
Le SCOT permet de fixer plusieurs aspects tels que les orientations de l’aménagement
fonction de l’équilibre qu’il convient de conserver entre le développement urbain, les espaces
agricoles et naturels, les zones d’activité économique, la préservation des milieux, de la
qualité de l’air, etc., ou encore les objectifs en matière d’équilibre de l’habitat, de mixité
sociale, de transports en commun ou encore d’équipements commerciaux ou économiques. Il
ne détermine pas la destination générale des sols (qui est du domaine du PLU) mais permet de
mettre en œuvre une stratégie globale et commune d’aménagement au sein du périmètre du
SCOT dans les domaines de la restructuration urbaine, des transports, de l’habitat, etc. Le
SCOT définit ainsi l’organisation de l’espace et l’évolution stratégique d’un territoire sur le
moyen et le long termes. Il intervient ainsi principalement sur les domaines d’actions de
l’organisation spatiale et des transports.
Le SCOT peut donc inscrire au sein de son projet la volonté d’une ville plus en adéquation
avec son climat local et/ou tenant compte des modifications qu’elle induit. Il ne peut pour
autant donner de mesures précises à mettre en œuvre. Le PLU offre de ce point de vue peutêtre plus de possibilités, c’est ce que nous allons analyser.
II.3 Plan Local d’Urbanisme
La loi Solidarité et Renouvellement Urbains (SRU) du 13 décembre 2000 a remplacé les
anciens Plans d'Occupation des Sols (POS) par les Plans Locaux d'Urbanisme (PLU). La
principale différence est que le PLU doit comprendre un Projet d'Aménagement et de
Développement Durable (PADD) qui présente le projet communal à partir d’un diagnostic.
Le PLU est un document d'urbanisme réglementaire qui concerne à la fois les terrains publics
et privés. Il sert de référence obligatoire à l'instruction des diverses demandes d'occupation ou
d'utilisation des sols comme les permis de construire, les déclarations de travaux, les permis
103
Comme le signalent Belziti et Souami (2007), le SCOT « peut être plus précis dans certains domaines et, par
exemple, déterminer les grands projets d’équipement (tels rocades, stations d’épuration) ou de services. Il peut
également prévoir l’utilisation prioritaire des zones constructibles existantes avant d’en créer de nouvelles ou
subordonner la construction de quartiers nouveaux à la création de transports collectifs ». C’est le cas du
Schéma directeur de la région Ile-de-France (SDRIF) pour lequel « l’accent est mis sur la densification des
espaces urbains existants et la mutation des friches. La priorité donnée aux aménagements des espaces les mieux
desservis est affirmée. Le principe d’intensification urbaine s’appuie notamment sur la densification, la
compacité et l’accessibilité, guide l’ensemble de la démarche du SDRIF. »
255
de démolir. Le PLU est opposable à tous travaux, construction, affouillements, exhaussements
ainsi qu’aux lotissements, aux installations classées, etc. Son opposabilité est donc très large.
Les PLU sont, avec les cartes communales, les outils principaux de mise en œuvre, à l’échelle
communale, des politiques urbaines. Ils donnent aux communes un cadre de cohérence
opérationnelle pour les différentes actions et opérations, publiques ou privées, et doivent
permettre d’assurer la diversité des fonctions urbaines. Le développement durable est au cœur
de la démarche de planification conduite par le PLU. Il s'agit de mieux penser le
développement de la ville afin qu'il consomme moins d'espace, qu'il produise moins de
nuisances et qu'il soit plus solidaire. L'enjeu supplémentaire du PLU par rapport au POS est
de favoriser la remise sur le marché de friches et terrains inexploités, la réhabilitation de
quartiers anciens dégradés, mais aussi d'intégrer le traitement des espaces publics dans les
démarches de planification. Comme le faisaient les POS, les PLU continuent à préciser le
droit des sols.
Le PLU comprend plusieurs documents (figure 103), qui, comme pour ceux compris au sein
du SCOT, peuvent comporter des éléments plus ou moins précis pour prendre en compte la
question de l’îlot de chaleur urbain. Ces documents sont :
•
Le Rapport de présentation, qui fait état de la situation existante et des perspectives
d’évolution de la commune. Ce rapport comprend lui-même une analyse de l’état
initial de l’environnement, un diagnostic, les justifications et compatibilité avec les
autres documents, et une analyse des effets du projet sur l’environnement avec les
mesures prises pour annuler ou limiter ces effets. Il est accompagné éventuellement
d’annexes à caractère d’état des lieux, de diagnostic, d’inventaire, de recensement
(milieux naturels, sites archéologiques, paysage, patrimoine bâti). Ce document n’a
pas de valeur réglementaire et constitue principalement un document d’information à
destination du public et un élément d’interprétation du PADD. Au même titre que le
rapport du SCOT, celui-ci peut être l’occasion d’effectuer une carte climatique du
territoire.
•
Le PADD (Projet d’Aménagement et de Développement Durable). Il exprime, au
travers des orientations d’urbanisme104, le projet des élus en matière d'aménagement et
104
Les orientations d’urbanisme et d’aménagement constituent la partie obligatoire du PADD et concernent six
thèmes (DGUHC et CERTU, 2002) : 1/ Le développement économique et démographique (développement et
implantation des activités industrielles, commerciales et tertiaires, développement de l’économie liée au
256
d'urbanisme et constitue le cadre de référence et de cohérence pour les différentes
actions d'aménagement que la commune engage. L'objectif est de mieux maîtriser
l'urbanisation tout en respectant la qualité architecturale et l'environnement afin de ne
pas épuiser les ressources pour les générations futures. Il n’est pas opposable aux tiers
lors d’une instruction de permis de construire mais est opposable au règlement et à
l’ensemble des autres documents du PLU. Plus concrètement, le règlement du PLU ne
doit pas aller à l’encontre des objectifs fixés au sein du PADD, mais il n’est pas obligé
pour autant de prévoir des mesures qui permettent de mettre en œuvre les orientations
du PADD (Laurent Ducroux, ADEME (2006)).
•
Le règlement, qui définit en, au plus, quatorze articles105 pour chaque zone du PLU les
règles applicables au terrain. Il comprend un règlement littéral (accompagné
éventuellement d’annexes à caractère prescriptif) et un règlement graphique
(documents graphiques) qui permet de localiser le zonage et qui font apparaître les
zones constructibles et non constructibles106. Le règlement et ses documents
tourisme, attractivité urbaine, équilibre commercial centre/périphérie, besoins en urbanisation pour accueillir les
populations nouvelles, etc.) ; 2/ L’aménagement de l’espace (équilibre entre développement urbain maitrisé et
préservation des espaces naturels, agricoles et forestiers, utilisation économe de l’espace, organisation de la
diversité des fonctions urbaines dans les différents secteurs, quartiers ou îlots, traitement des espaces publics,
prise en compte des usages, préservation et mise en valeur du patrimoine architectural et urbain, etc.) ;
3/L’environnement (protection des espaces naturels, de la préservation et du développement des espaces
agricoles, gestions de l’eau, prévention des risques industriels et naturels, utilisation des ressources dans une
perspective de développement durable, traitement des nuisances, préservation des paysages, etc.) ; 4/ L’équilibre
social de l’habitat (mixité sociale dans l’habitat et intégration des différents quartiers au fonctionnement urbain,
offre diversifiée en matière de logement, etc.) ; 5/ Le transport (maitrise des besoins en déplacements et de la
circulation automobile, cohérence urbanisme/déplacements, sécurité des déplacements, etc.) ; 6/ Les
équipements et les services (offre d’équipement et de services dans les différents secteurs ou quartiers pour
répondre aux besoins des populations en matière, notamment, d’éducation, de loisir, de santé, d’information,
d’emploi et de sécurité, etc.).
105
Le règlement du PLU peut comprendre 14 articles (R.123-9 du code de l'urbanisme) :
• Article 1 : Type d'occupations ou d'utilisations du sol interdites
• Article 2 : Type d'occupations ou d'utilisations du sol soumises à des conditions particulières
• Article 3 : Accès et voirie
• Article 4 : Desserte par les réseaux (eaux, assainissement, électricité)
• Article 5 : Caractéristique des terrains
• Article 6 : Implantation des constructions par rapport aux voies et emprises publiques
• Article 7 : Implantation des constructions par rapport aux limites séparatives
• Article 8 : Implantation des constructions les unes par rapport aux autres sur une même propriété
• Article 9 : Emprise au sol
• Article 10 : Hauteur maximum des constructions
• Article 11 : Aspect extérieur
• Article 12 : Stationnement
• Article 13 : Espace libre et plantations, espaces boisés classés
• Article 14 : coefficient d’occupation des sols (COS)
Seuls les articles 6 et 7 sont obligatoires. Les autres sont facultatifs.
106
Quatre catégories de zones peuvent être distinguées : Les zone U (zones urbanisées) qui sont des zones déjà
urbanisées ou des secteurs où les équipements publics existants ou en cours de réalisation ont une capacité
257
graphiques sont directement opposables107 à toute personne publique ou privée, c'està-dire qu’ils s’imposent strictement à la réalisation de tout projet de travaux ou autre
opération d’occupation du sol. C’est au sein de ce document que des mesures
réglementaires, et donc imposables aux tiers, vont pouvoir être inscrites pour
permettre une meilleure prise en compte du climat urbain et des modifications
climatiques induites par certains facteurs.
•
Les « prescriptions » ou orientations d’aménagement relatives à certains quartiers.
Elles constituent un document facultatif qui permet à la commune de préciser les
conditions d’aménagement de certains secteurs qui vont connaître un développement
ou une restructuration particulière108. Elles permettent de faire respecter une cohérence
d’aménagement sur un secteur donné, dans les grandes lignes, et ont vocation à
s’appliquer à une échelle plus large que la parcelle (contrairement au PLU). Comme le
précise le Ministère, « les opérations de construction ou d’aménagement décidées
dans ces secteurs devront être compatibles avec les orientations d’aménagement,
c'est-à-dire qu'elles doivent les respecter dans l'esprit et non au pied de la lettre. »
•
Les annexes (documents graphiques) indiquent, à titre d'information, les servitudes
d'utilité publique (ex : périmètres de 500 m autour des monuments historiques. Cf.
lexique), divers éléments relatifs aux réseaux d'eau et d'assainissement, etc.
Les questions environnementales et climatiques peuvent être traitées plus particulièrement au
sein des quatre premiers documents (rapport de présentation, PADD, règlement et
prescriptions). Cependant, les mesures ou orientations concernant l’environnement inscrites
suffisante pour desservir les constructions à implanter ; les zones AU (zones à urbaniser) qui sont des zones
naturelles destinées à une urbanisation nouvelle qui peuvent être urbanisables immédiatement du fait de la
présence des équipements nécessaires (assainissement) ou urbanisables que suite à modification ou une révision
du PLU ; les zones A (zones agricoles), dans lesquelles ne sont permises que les constructions nécessaires à
l’exploitation agricole ; les zones N (zones naturelle ou forestières).
107
Opposable : « se dit d'un acte juridique ou d'un jugement dont les tiers doivent tenir compte » (Petit Larousse,
1991).
108
« Les plans locaux d'urbanisme exposent le diagnostic établi au regard des prévisions économiques et
démographiques et précisent les besoins répertoriés en matière de développement économique, d'aménagement
de l'espace, d'environnement, d'équilibre social de l'habitat, de transports, d'équipements et de services.
Ils comportent un projet d'aménagement et de développement durable qui définit les orientations générales
d'aménagement et d'urbanisme retenues pour l'ensemble de la commune.
Ils peuvent, en outre, comporter des orientations d'aménagement relatives à des quartiers ou à des secteurs à
mettre en valeur, réhabiliter, restructurer ou aménager. Ces orientations peuvent, en cohérence avec le projet
d'aménagement et de développement durable, prévoir les actions et opérations d'aménagement à mettre en
oeuvre, notamment pour mettre en valeur l'environnement, les paysages, les entrées de villes et le patrimoine,
lutter contre l'insalubrité, permettre le renouvellement urbain et assurer le développement de la commune. Elles
peuvent prendre la forme de schémas d'aménagement et préciser les principales caractéristiques des voies et
espaces publics. » (Article L123-1 du code de l’urbanisme)
258
au sein du PADD ne se retrouveront pas forcément traduites en mesures au sein des autres
documents constituant le PLU, sachant que les orientations du PADD ne sont opposables ni
aux autorisations, ni aux opérations d’aménagement contrairement au règlement (figure 103).
Ce PADD peut cependant être, avec le rapport de présentation, une première porte d’entrée
pour expliquer tout l’intérêt de s’intéresser à la question du climat urbain et de l’îlot de
chaleur urbain.
PLU
Opposable
Rapport de
présentation
PADD
Règlement
Opposabilité
Prescriptions
Annexes
Compatibilité
Autorisation d’occupation du sol – Permis de construire
Figure 103 : Les documents du PLU.
La porte d’entrée pour intégrer des enjeux relatifs au climat urbain au sein du PADD du PLU
est l’environnement au travers, par exemple, de la prévention des risques naturels (canicule
notamment) ou de la protection des espaces naturels (conservation des espaces verts).
Les mesures envisagées dans les différents documents formant le PLU doivent rester dans les
limites de l’aménagement, de l’urbanisme et donc du droit de l’urbanisme, et ne pas déborder
sur le droit de la construction. Il n’est aujourd’hui pas possible pour une commune d’imposer
des règles et des usages concernant l’utilisation de matériaux qui sont du ressort du droit de la
construction. Imposer des propriétés physiques aux matériaux de construction n’est donc pas
possible actuellement, mais peut-être est-il possible de les privilégier.
259
Parmi les quatorze articles que peut contenir le règlement du PLU (seuls les articles 6 et 7
sont obligatoires), seuls les articles 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13 et 14 offrent quelques possibilités
pour intégrer des leviers d’action permettant d’agir sur le climat urbain.
Les articles 6, 7 et 8 concernent l’implantation des constructions, respectivement, par rapport
aux voies et emprises publiques, par rapport aux limites séparatives et par rapport aux autres
constructions sur une même propriété. S'agissant de l'implantation des constructions par
rapport aux voies et emprises publiques (article 6), deux types de règles peuvent être
envisagés pour les différentes zones : une implantation en limite de la voie ou de l'emprise
publique (les constructions doivent être implantées en limite de la voie ou de l'emprise
publique, l'objectif alors recherché étant de créer un front bâti continu le long de la voie), soit
à une implantation en retrait de cette limite (le retrait des constructions peut être conçu de
trois façons : soit il est imposé et la construction doit alors respecter une distance de recul
déterminée ; soit il est minimum et la construction doit alors s'implanter sur la ligne de recul
ou au-delà de cette dernière ; soit il est relatif, en fonction de la hauteur de la construction).
Cet article 6 a ainsi une incidence directe sur la forme du cadre bâti par le biais du prospect
des rues (rapport entre la hauteur des bâtiments et la largeur de la rue). Cependant, pour éviter
un paysage urbain décousu, l’objectif est souvent d’uniformiser les règles d’implantation des
constructions. L’article 7 régit l’implantation des constructions par rapport aux limites
séparatives et l’un des objectif est d’éviter qu’une construction porte gravement atteinte aux
conditions d’habitabilité du bâtiment voisin (accès à la lumière et au soleil, vues sur la
propriété voisine) ou à l’aspect du paysage urbain, et notamment à l’insertion de la
construction dans le bâti environnant. L’article 8 édicte des règles de distance avec pour
objectifs d’assurer l’éclairement et l’ensoleillement des constructions et permettre le passage
des engins de lutte contre l’incendie.
L’article 9 concerne l’emprise au sol. Cet article permet de fixer une emprise constructible
maximale. Il ne peut conditionner à lui-seul l’utilisation de la part de terrain non construite et
son imperméabilisation. Pour cela, il peut être combiné avec l’article 13 (espace libre et
plantations, espaces boisés classés) qui permet de définir un coefficient d’imperméabilisation.
260
L’article 10 concerne la hauteur maximum des constructions. Les règles font référence aux
hauteurs plafond fixées pour chaque parcelle ou encore aux gabarits-enveloppes109, et sont
souvent, en règle générale, fonction de la largeur des voies de circulation.
L’article 11 concerne l’aspect extérieur. Par le biais de cet article, le PLU peut « déterminer
des règles concernant l'aspect extérieur des constructions, leurs dimensions et l'aménagement
de leurs abords, afin de contribuer à la qualité architecturale et à l'insertion harmonieuse des
constructions dans le milieu environnant » (article L 123-1 du code de l’urbanisme). Il ne
s’agit pas ici de prescrire des matériaux particuliers, mais bien d’aborder l’aspect visuel,
esthétique des constructions. Dans le cas des ravalements, il peut par exemple être demandé à
ce que la texture des enduits et peintures, de même que leurs teintes, soient adaptées aux
matériaux composant la construction et s’accorder avec l’aspect des lieux avoisinants ou
encore être interdit de mettre ou remettre en peinture de la pierre de taille, comme c’est le cas
au sein du PLU de Paris. L’objectif est de créer une continuité architecturale, morphologique,
colorimétrique entre les différentes constructions d’un quartier110. Cependant des « entorses »
à la tonalité majoritaire peuvent être proposées comme c’est le cas au sein du PLU de la ville
de Paris concernant les toitures ou couronnements : « La réalisation d’édicules d’accès a des
toitures-terrasses permettant la mise en œuvre et l’entretien de leurs plantations, en vue de
leur végétalisation lorsque cela est possible, peut être autorisée »111 ou encore concernant les
matériaux, les couleurs et les reliefs : « La pierre calcaire et le plâtre sont dominants a Paris
et donnent a la ville sa tonalite générale. Le respect de cette tonalite majoritairement
présente ne doit pas cependant interdire l’emploi de matériaux et teintes pouvant s’insérer
dans le tissu existant, en particulier dans des secteurs de constructions nouvelles. A cet égard,
109
« Le gabarit-enveloppe est l’ensemble des lignes droites ou courbes qui forme l’enveloppe dans laquelle doit
s’inscrire les constructions, non compris les éléments et ouvrages d’aménagement en saillie […]. Il comprend
généralement une verticale et un couronnement. » (PLU de Paris)
110
La couleur des façades est intimement liée à la palette des matériaux et aux couleurs proposées, de façon plus
ou moins explicite, par les villes. Ainsi pour Toulouse, il est possible de se procurer un nuancier
(http://www.culture.gouv.fr/culture/sites-sdaps/sdap31/)
comme
pour
Roanne
(http://www.mairieroanne.fr/fic_bdd/contenu_pdf_fichier/fichier-1128067088.pdf), alors que pour Paris c’est l’intégration avec les
lieux et bâtiments avoisinants qui prime (protocole sur le ravalement, l'entretien et la préservation du bâti
parisien du 10 novembre 2000) ; Paris étant, en ce qui concerne les façades une ville claire, c’est donc un
nuancier de couleurs douces qui s’impose. Aujourd’hui la couleur des façades est donc liée principalement à une
question esthétique et le PLU inclut ainsi des règles d'harmonisation des couleurs des bâtiments. Il en est de
même pour la toiture qui doit respecter les particularités régionales comme le signale la fiche technique de
l’ANAH sur les combles et couvertures : « Les pentes de toits et les matériaux de couvertures employés sont
traditionnellement liés au climat et aux matériaux disponibles localement. C’est pour cela qu’ils sont
généralement caractéristiques de l’architecture régionale. » Ainsi les toits en zinc caractérisent plutôt Paris,
l’ardoise se retrouve sur les maisons bretonnes, la tuile canal dans le midi, etc.
111
« Les édicules techniques (ascenseurs, chaufferies, climatisations, ...) doivent être intégrés aux volumes bâtis.
Les éventuelles excroissances ne peuvent être admises que si elles bénéficient d’un traitement de qualité destine
a en limiter l’impact visuel. » (PLU de Paris)
261
le recours a des matériaux et des mises en œuvre innovantes en matière d’aspect et de
techniques de construction, lies, par exemple, au choix d’une démarche relevant de la Haute
Qualité Environnementale des constructions ou de l’utilisation d’énergie renouvelable, est
admis. Les matériaux apparents en façade, de même que les dispositifs assurant leur
végétalisation, doivent être choisis de telle sorte que leur mise en œuvre permette de leur
conserver, de façon permanente, un aspect satisfaisant. Les accessoires (bandeaux,
corniches, appuis de fenêtres,...) doivent être conçus et protégés de manière à réduire les
incidences de leur vieillissement (salissures suite aux ruissellements). Le choix et la teinte des
matériaux peuvent être imposés lorsque la construction se trouve dans une séquence
d’architecture homogène. ».
L’article 13 concerne les espaces libres112 et les plantations, et les espaces boisés classés.
Comme nous l’avons déjà signalé, cet article permet de définir un coefficient
d’imperméabilisation. Il permet également d’imposer un pourcentage d’emprise des espaces
végétalisés et de préciser le type de végétation admis. Des dispositions favorisant la création
de toitures et terrasses végétalisées peuvent également être inscrites dans cet article. Il est
donc un moyen direct d’intégrer un des leviers d’action : les espaces végétalisés, ce qui n’est
pas le cas de l’article 11 en ce qui concerne l’augmentation de l’albédo.
L’article 14 concerne le coefficient d’occupation des sols (COS) et par conséquent les règles
de densité de construction à appliquer selon le type de zones (zones urbaines ou à urbaniser
ou zones à protéger en raison de la qualité de leurs paysages et de leurs écosystèmes).
L’article L128-1 du code de l’urbanisme permet de proposer des dépassements du COS : « Le
dépassement du coefficient d'occupation des sols est autorisé, dans la limite de 20 % et dans
le respect des autres règles du plan local d'urbanisme, pour les constructions remplissant des
critères de performance énergétique ou comportant des équipements de production d'énergie
renouvelable. Un décret en Conseil d'Etat détermine les critères de performance et les
équipements pris en compte113. La partie de la construction en dépassement n'est pas
assujettie au versement résultant du dépassement du plafond légal de densité. »
112
« Sauf spécification contraire, cette expression désigne les espaces hors voie libres de construction en
élévation, et exclut les surfaces surplombées par des éléments de construction. » (PLU de Paris)
113
L’arrêté du 3 mai 32007 précise au sein de son premier article que : « pour bénéficier du dépassement du
coefficient d'occupation des sols, les constructions de bâtiments soumis aux dispositions de l'article R. 111-20 du
code de la construction et de l'habitation doivent respecter les critères correspondant au label « Très haute
performance énergétique Energies renouvelables et pompes à chaleur, THPE EnR 2005 » ou au label
« Bâtiment basse consommation, BBC 2005 » définis par l'arrêté du 3 mai 2007 susvisé. »
262
Intégrer des leviers pour agir sur le climat urbain n’est donc pas simple et ne peut se faire,
dans le cas des caractéristiques radiatives des matériaux, que de façon indirecte. La limite
entre le code de l’urbanisme et le code de la construction en est la principale raison.
Pour la forme urbaine, levier dont l’influence sur le climat urbain et le bilan d’énergie de la
ville est complexe (troisième partie), la collectivité, par le biais des articles 6, 7, 8 et 10, a une
marge de manœuvre a priori importante. Cependant, le renouvellement du cadre bâti étant très
faible (le renouvellement en bâtiment d’une ville est inférieur à 1%), une action conséquente
sur ce levier est à court et moyen terme est fortement improbable.
Pour la végétalisation des espaces, l’article 13, principalement, et l’article 9 sont privilégiés et
appropriés. Pour le cas des toitures végétalisées, l’article 11 devra en plus est pris en compte.
Les toitures végétalisées peuvent en effet être une solution pour accroître la végétation en
ville et plusieurs organismes ou administrations municipales ont mis en place des mesures
pour encourager ou imposer l'installation de toits végétalisés114. A l’heure actuelle, seule des
démarches incitatives (subventions, conseil, sensibilisation, etc.) peuvent être engagées par les
communes françaises.
Pour les paramètres concernant les matériaux de façades telles que la couleur, seul l’aspect
esthétique est pris en compte, aujourd’hui, au sein des PLU. Le dépassement du COS pour des
constructions remplissant des critères de performance énergétique montre cependant que des
possibilités existent aujourd’hui pour favoriser des constructions plus performantes du point
de vue de l’énergie. Il est à noter que ces performances ne concernent pas uniquement le
chauffage, mais également la climatisation, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire
et l'éclairage des locaux. Le besoin en climatisation, et par conséquent la consommation
énergétique associée, étant influencé par la couleur des matériaux en façade ou sur les toits
(Rosenfeld et al., 1998), une brèche existe déjà pour avantager des matériaux de surfaces
clairs.
114
« Plusieurs municipalités ont intégré la technologie des toits verts à leurs règlements. Par exemple, à
Stuttgart les règlements d’urbanisme obligent tout nouveau bâtiment industriel à aménager un jardin terrasse
sur son toit. À Vienne, on retrouve le même genre de règlement mais on prévoit aussi des subventions pour la
construction de toits verts pour les nouveaux immeubles au moment de la planification, de l’installation et trois
ans après la construction, afin d’en assurer l’entretien à long terme. En Suisse, à certains endroits, chaque
nouvel immeuble doit restituer sur le toit un espace vert équivalent à la surface occupée au sol. Enfin, la ville de
Tokyo, a récemment passé un règlement visant à verdir les toits de tous les nouveaux bâtiments ayant une
superficie de 1 000 m2 et plus dans le but de diminuer les îlots de chaleur urbains. » (Laroche et al., 2004)
263
II.4 Perspectives et limites du SCOT et du PLU
Le SCOT et le PLU peuvent devenir des outils pertinents et influents pour protéger
l’environnement et améliorer l’environnement climatique, mais encore faut-il qu’ils soient
utilisés comme tels. Cela dépend en grande partie des priorités fixées par la commune et de
l’émergence de problèmes sur l’agenda politique.
La limite de ces documents tient également à la difficulté pour l’élu de ne pas inscrire au sein
du PLU des règles qui empiètent sur les domaines du droit de l’environnement et du droit de
la construction et de l’habitat. Comme le signale Laurent Ducroux, avocat (ADEME, 2006),
« Pour garantir la sécurité juridique [des documents d’urbanisme], il faut également
s’assurer de rester bordé, d’un côté, par un objectif d’urbanisme et, de l’autre, par une
disposition prévue par la loi. Pourquoi respecter l’objectif ? Parce que sinon, on se trouve
dans un conflit de législations (droit de la construction, droit de l’environnement, droit de
l’urbanisme). Pourquoi respecter les moyens ? Parce que sinon, on risque de porter atteinte
au droit de propriété que seule la loi peut limiter. […] Par ailleurs, la rédaction de document
d’urbanisme réglementaire nécessite d’opérer des arbitrages, entre des logiques purement
juridiques et des logiques opérationnelles qui incitent à inclure des dispositions dont on ne
cerne pas totalement la validité juridique. »
Souami (2007) a également noté dans son analyse sur l’intégration des technologies
énergétiques dans l’action urbaine la difficulté d’appréhender correctement le territoire :
« L’action urbaine est fondée sur le sol (la surface) et son découpage foncier et administratif.
L’illustration la plus prégnante en est le droit de l’urbanisme en France qui demeure
principalement un droit d’affectation du sol et d’une partie de ses usages. Ce fondement de
l’approche urbanistique trouve difficilement des liens avec la représentation technique et
énergétique du territoire. Ceci se manifeste dans l’exercice opérationnel : dans l’état actuel
des textes, aucun règlement ne peut être introduit dans un PLU pour obliger à une solution
énergétique particulière. L’explication la plus courante donnée à cette situation est
l’impossibilité juridique et constitutionnelle de grever une parcelle et une propriété privée
d’une telle servitude (GRIDAUH-GIS Socio-Economie de l’Habitat, 2005). C’est la pratique
urbanistique qui serait ainsi inadaptée aux enjeux énergétiques. »
Le Grenelle de l’environnement a souligné la volonté d’un urbanisme plus efficace et plus
équitable, et de nouveaux objectifs devraient être intégrés au droit de l’urbanisme. La maitrise
de la demande d’énergie reste cependant au cœur des réflexions même si plusieurs objectifs
264
du Grenelle115 démontrent un intérêt pour les questions relatives à l’adaptation ou, tout du
moins, permettent de les intégrer au travers des éco-quartiers (et du confort d’été) ou encore
de la gestion des ressources et de l’espace. L’utilisation du terme ‘plan climat énergie’ plutôt
que plan climat dans leurs propositions montre toute l’attention portée à la lutte contre les
rejets de gaz à effet de serre, au détriment, actuellement, d’une réflexion sur l’avenir
climatique du territoire.
La réforme envisagée des documents d’urbanisme (renforcer le caractère opposable des
SCOT, introduire dans les SCOT des critères de performance énergétique et d’émissions de
gaz à effet de serre, etc.) n’empêchera également pas la difficulté à préconiser des éléments
constructifs touchant aux matériaux au sein des PLU.
Le rapport de synthèse du groupe 1 du Grenelle sur le thème « lutter contre les changements
climatiques et maîtriser l’énergie » souligne la nécessité de clarifier les compétences au
niveau local en matière de développement durable et d’énergie, et une clarification de leur
articulation et propose « la création d’un bloc de compétences cohérent dans la lutte contre le
changement climatique, au bénéfice des intercommunalités : urbanisme, transports, voirie,
énergie. Ces intercommunalités, ayant fixé des objectifs de réduction dans leurs plans climat
territoriaux, disposeraient ainsi des leviers nécessaires pour tenir ces objectifs. En
particulier, les intercommunalités pourraient introduire des critères de performance
énergétique dans les documents d'aménagement du territoire et d'urbanisme pour tous les
115
Les propositions du Grenelle de l’environnement pour la ville s’articulent autour de trois grands objectifs
apparus lors des tables rondes du Grenelle de l’environnement :
1/ Un programme ambitieux de reconquête des centres-villes en déclin ;
2/ Un plan volontariste d’écoquartiers impulsé par les collectivités locales : au moins un éco-quartier avant 2012
(en continuité avec l’existant et intégré dans l’aménagement d’ensemble) dans toutes les communes qui ont des
programmes de développement de l’habitat significatif et une quinzaine de grands projets d’innovation
énergétique, architecturale et sociale ;
3/ Un nouveau cadre législatif soulignant le rôle majeur des collectivités locales et leur donnant des outils
adaptés :
• introduisant l’adaptation au changement climatique et la maîtrise de l’énergie dans les objectifs de
l’aménagement du territoire : la maille estimée pertinente est celle des bassins de vie et des
communautés d’agglomérations ou des communautés urbaines de plus de 100 à 150 000 habitants,
• incitant à une planification globale de l’urbanisme, intégrant transport, logement, espaces publics,
commerce, et généraliser les SCOT (schémas de cohérence territoriale) dans les zones sensibles,
• renforçant le caractère opposable des SCOT,
• introduisant dans les SCOT des critères de performance énergétique et d’émissions de gaz à effet de
serre,
• généralisant des plans climat énergie territoriaux rendus obligatoires dans les cinq ans et les articulant
avec les documents d’urbanisme,
• permettant de lutter concrètement contre l’étalement urbain,
• et réorientant progressivement la fiscalité locale et les incitations financières et fiscales dans le domaine
du logement et de l’urbanisme vers un urbanisme plus durable qui garantisse une gestion plus économe
des ressources et de l’espace.
265
bâtiments (publics et privés) et disposer des moyens de contrôle et de sanction
correspondants. […] Les communes auraient pour leur part un rôle de sensibilisation,
d’information et d’exemplarité. La DGUHC indique qu’en l’état actuel du droit, les
documents d’urbanisme ne peuvent cependant pas prescrire de normes de construction et
qu'il faudrait donc envisager une évolution législative pour le permettre. Cette organisation
doit permettre une réflexion plus intégrée de l'organisation de la ville dans ses différentes
composantes : urbanisme, transports urbains, production d'énergie décentralisée. »
Ces différentes propositions restent encore principalement centrées sur la problématique des
performances énergétiques, qui, en France, reviennent principalement à traiter du
comportement thermique des bâtiments en hiver et donc des apports solaires et de l’isolation.
La problématique du confort d’été, qui a été peu abordée lors de ces ateliers116, permettrait de
mettre en avant nos différents leviers d’action et principalement les matériaux réfléchissants
qui influencent certes le climat urbain mais également le confort intérieur du bâtiment.
Concernant le domaine des impacts du changement climatique et de l’adaptation à ces
impacts, le rapport de synthèse du groupe 1 du Grenelle sur le thème « lutter contre les
changements climatiques et maîtriser l’énergie » préconise la poursuite, le développement et
l’organisation de la recherche sur les questions suivantes :
« la définition d’événements (ou aléas) de référence, permettant d’aborder le débat
sur le risque acceptable,
l’adaptation aux événements extrêmes (amélioration de la prévision, gestion des
événements
extrêmes,
adaptation
des
grands
équipements
et
installations
industrielles…),
la gestion de la rareté et la conciliation de l’offre et de la demande (utilisation de
ressources alternatives, promotion de la gestion concertée et des bonnes pratiques,
amélioration des prévisions…),
les conséquences sur la santé publique des événements extrêmes,
116
« Si la problématique du confort d’été a été peu abordée par le groupe de travail, elle ne doit pas être
considérée comme secondaire à l’avenir, en particulier vis-à-vis de l’adaptation au changement climatique »
(Tables rondes du Grenelle de l’Environnement)
266
les conséquences sur l'agriculture, les milieux naturels (notamment la forêt, qui
présente un enjeu particulièrement important du fait de sa capacité à stocker le
carbone) et la biodiversité du changement climatique,
les approches économiques et les méthodes de réduction de la vulnérabilité, et
d’évaluation des politiques. »
Cela nous confirme que la question de l’adaptation est aujourd’hui traitée pour les villes
principalement au travers des évènements extrêmes. Nous noterons d’ailleurs que les termes
‘îlot de chaleur urbain’ ou ‘climat urbain’ n’apparaissent à aucun moment au sein du rapport
de synthèse du groupe 1 du Grenelle sur le thème « lutter contre les changements climatiques
et maîtriser l’énergie ».
Le Grenelle de l’environnement, en plus d’afficher des objectifs très classiques117, ne devrait
donc a priori pas nous apporter d’améliorations conséquentes pour permettre l’intégration de
critères relatifs au climat urbain au sein de l’aménagement. Il permettra cependant peut-être
d’amorcer une réflexion à ce sujet.
Les ZAC avec la possibilité d’y inscrire des prescriptions plus restrictives que le PLU et allant
dans le sens d’une conception bioclimatique sont ainsi un outil pertinent pour intégrer de
nouveaux critères climatiques au sein de la conception urbaine.
II.5 Urbanisme opérationnel : cas de la Zone d’Aménagement Concerté et
du lotissement
La Zone d’Aménagement Concerté (ZAC) est une zone dans laquelle « une collectivité
publique ou un établissement public y ayant vocation, décide d'intervenir pour réaliser ou
faire réaliser l'aménagement ou l'équipement des terrains […] en vue de les céder […]
ultérieurement à des utilisateurs publics ou privés » (article L. 311-1 du code de l'urbanisme).
L'article R. 311-1 précise également que les ZAC « ont pour objet l'aménagement et
117
Selon Desjardins (2007), « les objectifs du Grenelle de l’environnement pour la ville [« limiter au maximum
l’étalement urbain, de réduire la consommation d’espace, l’artificialisation des terres, la destruction des
paysages et, en milieu déjà urbanisé, de favoriser une conception complètement renouvelée des quartiers, dans
leur fonctionnalité (logement, transport, commerces, loisirs, lieu de travail) »] paraissent aujourd’hui très
classique », et reprennent les objectifs déjà fixés par les lois Solidarité et renouvellement urbains de 2003. Son
analyse critique des propositions du Grenelle, fait apparaître que celui-ci « affine les voies juridiques et
techniques nécessaire à une meilleure l’articulation « transport collectif – urbanisation dense » dans la ville
agglomérée dont l’extension se fera peut-être par des « éco-quartiers ». Toutefois, il n’est pas proposé de liens
entre les politiques de cette ville agglomérée et celles de la « ville automobile » telle qu’elle continue à se
développer dans les territoires périurbains et leurs vaporeuses marches rurales grâce aux massifs
investissements dans les réseaux routiers et à une urbanisation éclatée. A quoi sert de réfléchir à rendre plus
efficace les gestes de la main gauche, quand la main droite continue à les défaire ? »
267
l'équipement de terrains bâtis ou non bâtis notamment en vue de la réalisation : De
constructions à usage d'habitation, de commerce, d'industrie, de services ; D'installations et
d'équipements collectifs publics ou privés. »
La mise en œuvre d'une ZAC comporte plusieurs étapes : La concertation, la création118, le
dossier de réalisation, l'achèvement, et la concertation. La personne publique qui a pris
l'initiative de la ZAC doit délibérer sur les objectifs poursuivis et sur les modalités d'une
concertation associant, pendant toute la durée de l'élaboration du projet, les habitants, les
associations locales et autres personnes concernées. La concertation doit se poursuivre jusqu'à
la délibération approuvant le dossier de réalisation119.
Depuis la Loi relative à la Solidarité et au Renouvellement Urbains du 13 décembre 2000 (Loi
SRU), les règles d'urbanisme des nouvelles ZAC sont incluses dans le plan local d'urbanisme
(PLU) afin de mieux intégrer celle-ci dans l'urbanisation environnante. Elles ne sont pas donc
plus accompagnées d’un plan d'aménagement de zone (PAZ) spécifique.
Les ZAC permettent à la commune d’introduire un règlement plus contraignant que celui du
PLU. C’est par exemple le cas de la ZAC Clichy Batignolles, qui devait initialement accueillir
le village olympique des JO de 2012, et pour laquelle « l’ensemble des aménagements [a été]
défini avec des exigences de développement durable exemplaires, l’objectif de « zéro émission
» concernant tous les aspects du projet urbain : déplacements, production et consommation
d’énergies, recueil des eaux de pluie, traitement des déchets, recherche de la Haute qualité
environnementale (HQE) pour les immeubles, etc. » (Ville de Paris). Une ZAC peut ainsi être
l’occasion d’intégrer des enjeux climatiques liés au changement climatique mais également au
climat urbain (nous présenterons une ZAC créée au sein de la ville de Couëron dans le
chapitre suivant).
Inscrire des éléments allant dans le sens d’une conception bioclimatique est ainsi possible et
permet, notamment par le biais de la question du confort d’été, de fixer des critères tels que :
couleur claire pour les façades exposées au soleil et pour la toiture, toiture végétalisée, etc.
118
Un dossier de création est établi par la personne publique à l’initiative de la ZAC et comprend : un rapport de
présentation indiquant l'objet et la justification de l'opération, comportant une description de l'état du site et
énoncent les raisons pour lesquelles le projet faisant l'objet du dossier de création a été retenu ; une étude
d’impact ; un plan de situation ; un plan de délimitation du ou des périmètres composant la zone ; l'indication du
mode de réalisation choisi (ZAC en régie, concédée ou conventionnée) ; le régime de la zone au regard de la taxe
locale d'équipement ; l'indication du document d'urbanisme applicable à l'intérieur de la zone (PLU ou plan
d'aménagement de zone).
119
Le dossier de réalisation comprend le programme des équipements publics et le programme global des
constructions à réaliser dans la zone.
268
Il est cependant nécessaire que les élus ou les personnes en charge de l’écriture du règlement
soient alors sensibilisés à ces questions de climat urbain et d’îlot de chaleur au point de
transcrire des critères plus contraignants.
Pour les lotissements, les procédures sont souples. Le lotissement est une opération
d'urbanisme réglementaire qui permet à un opérateur privé ou public, collectivité locale (le
plus souvent une commune), un office HLM, ou tout propriétaire, d'urbaniser une partie de
son patrimoine en ayant recours à un promoteur privé (une collectivité peut également réaliser
un lotissement, le « promoteur » est alors la puissance publique). C'est ce dernier qui construit
les éléments de viabilité : routes et espaces verts, réseaux d'assainissement, d'éclairage public,
d'adduction d'eau potable, etc. et qui se rémunère en vendant les parcelles aménagées. Cela
évite à la collectivité de financer des investissements importants
La création d’un lotissement peut s’accompagner d’un règlement s'il est prévu d'apporter des
compléments aux règles d'urbanisme en vigueur (la reprise pure et simple des dispositions du
POS ou du PLU reste envisageable). En tout état de cause, le règlement du lotissement ne
peut prévoir de règle moins sévère que celles contenues dans le règlement de POS ou du PLU.
L’opérateur à l’origine du lotissement peut donc établir des règles d’urbanisme plus
restrictives et environnementales. Mais est-ce vraiment son objectif ?
II.6 Conclusion
Les communes et leurs regroupements ont acquis durant ces dernières décennies des
compétences renforcées en matière d’environnement et d’urbanisme. L’outil essentiel mis à
disposition des communes reste cependant le permis de construire dont l’instruction avant
délivrance ou refus permet à l’autorité compétente de vérifier si le projet est en adéquation
avec les textes en vigueur, avec le PLU. Tout projet architectural doit ainsi inclure un volet
paysager qui précise son implantation, son organisation, son volume, le choix des matériaux
et des couleurs et doit être accompagné de documents graphiques ou photographiques
précisant l’insertion dans l’environnement et l’impact visuel des bâtiments.
A ce renforcement des compétences en matière d’environnement, s’ajoute le fait que le travail
et les différentes actions autour des problématiques environnementales en général ont permis
de créer un terrain favorable à la prise en compte de critères précis tels que l’îlot de chaleur
269
urbain. Le rôle non négligeable de la communauté scientifique a par ailleurs été soulevé par
Wackermann (2005c) : « La communauté scientifique mondiale est venue à la rescousse,
depuis surtout deux décennies, des responsables politiques, administrateurs et spécialistes de
l’aménagement, pour contribuer de manière efficaces à la rénovation de l’action
environnementale dans les aires urbaines, ainsi qu’en matière de rapports renouvelés entre
les territoires urbains, périurbains, rurbains et ruraux. » Les responsables des collectivités
sont également rendus de plus en plus attentifs aux nécessités et possibilités offertes par les
instruments juridiques existant dans le domaine de l’environnement.
Cependant, comme nous l’avons constaté l’urbanisme réglementaire n’offre pas de réelles
perspectives d’intégration de leviers d’action performants tels que l’albédo des surfaces.
L’albédo étant une propriété physique des matériaux, imposer sa valeur au sein d’un PLU
revient à empiéter sur le droit de la construction, ce qui n’est pas légal dans le contexte actuel.
L’albédo étant intimement lié à la couleur, l’utilisation de ce critère, qui est plus de l’ordre de
l’esthétique, est envisageable. Cependant, les murs et les toits, et donc leur couleur, font partie
du paysage urbain et doivent s’intégrer au paysage existant, qui est plus ou moins clair. Les
marges de manœuvre ne sont ainsi pas conséquentes.
Le Grenelle de l’environnement ne devrait pas apporter de nouvelles solutions sur ce point
particulier. La collectivité peut influencer la proportion d’espaces végétalisés ou encore la
géométrie des rues. Pour ce dernier aspect cependant, le taux de renouvellement du bâti
inférieur à 1% dans des grandes villes ne permet pas réellement de mettre en œuvre une action
déterminante.
Les projets d’aménagement et de développement durable des SCOT et des PLU peuvent
intégrer des enjeux globaux relatifs au climat urbain et à l’îlot de chaleur, permettant ainsi une
première sensibilisation des élus, des services techniques de la ville et des citoyens à la
question.
Le tableau 20 résume les atouts et les limites des SCOT, des PLU et des ZAC concernant la
prise en compte de l’environnement climatique et la mise en œuvre de mesures pour influer
sur le climat urbain.
Alors que les outils réglementaires offrent peu de possibilités, l’urbanisme opérationnel et,
plus précisément, les ZAC, en permettant aux communes d’introduire un règlement plus
270
contraignant que celui du PLU, peuvent être un premier outil adapté pour introduire de
nouveaux critères sur l’environnement climatique.
Tableau 20 : Atouts et limites des SCOT, des PLU et des ZAC pour la prise en compte de
l’environnement climatique et la mise en œuvre de mesures pour influer sur le climat urbain.
Domaines
d’action
Bâtiment
Forme du
bâtiment
Composition du
bâtiment
Espace public
Forme,
géométrie et
composition des
rues
Nature des
espaces
végétalisés
Organisation spatiale
Densités
(densité de
construction,
densité
d’espaces
végétalisés,
etc.)
Agencement des
espaces et forme
et profil de
l’espace urbain
+ Etat initial qui peut être
l’occasion d’effectuer une carte
climatique du territoire.
SCOT
Document d’orientation générale
avec de possibles
recommandations relatives au
climat urbain.
– Document non opposable aux
tiers.
Opposable
+ Possibilité d’intégrer au rapport de présentation et au PADD des éléments sur les enjeux du climat urbain
pour la collectivité.
– Documents non opposables aux tiers.
PLU
Opposable
+ Art. 6, 7, 8
et 10
(opposable aux
tiers) du
règlement sur
l’implantation
des
constructions et
la hauteur
maximum des
constructions.
– Taux de
renouvellement
du bâti <1% du
bâti.
+ Art. 11
(opposable aux
tiers) sur l’aspect
extérieur.
Art. 14 :
augmentation du
COS si critères
de performances
énergétiques.
– Aucune
possibilité
d’intégrer des
critères
thermiques
(limite droit
d’urbanisme/
droit de la
construction)
+ Art. 6, 7, 8 et
10 (opposable
aux tiers) du
règlement sur
l’implantation
des
constructions et
la hauteur
maximum des
constructions.
+ Gestion
par les
services de
la ville des
espaces
verts.
+ Art. 9, 13
et 14
(opposable
aux tiers) sur
l’emprise au
sol, les
espaces libres
et les
plantations, et
sur le COS.
Gestion par les
services de la
ville.
+ Zonage
(zones urbanisés,
à urbaniser,
agricole,
naturelles ou
forestières).
– Taux de
renouvellement
du bâti <1% du
bâti.
– Taux de
renouvellement
du bâti <1% du
bâti.
+ Règlement plus contraignant que celui du PLU et permettant d’introduire des
exigences sur les caractéristiques thermiques et radiatives du bâtiment.
ZAC
– Règlement sur un « morceau » de territoire.
Légende
Echelle spatiale inappropriée.
271
III Démarches incitatives et informatives à disposition des
collectivités pour intégrer des critères permettant d’améliorer
l’environnement climatique
Echelon politique et administratif le plus proche des citoyens, les collectivités locales peuvent
inciter les citoyens en les informant ou les soutenant à mettre en œuvre des pratiques plus
bénéfiques pour leur environnement climatique. La réglementation ne pouvant pas toujours
favoriser la mise en œuvre de nos leviers d’action, l’incitation, par exemple, ou encore
l’information sont des solutions que les collectivités peuvent mettre en place.
III.1 Une ville exemplaire dans son domaine de compétence
La ville, ou plus précisément la collectivité territoriale, a à la fois la position d’aménageur de
son territoire et celle de responsable (maîtres d’ouvrage, gestionnaire, etc.) en tout ou partie
des infrastructures et réseaux mis en place. Une commune possède ainsi de multiples
compétences120 pour gérer son territoire que nous pouvons catégoriser en compétences
« traditionnelles » (état civil, enseignement, voirie communale, protection de l’ordre public,
etc.)121 et compétences acquises suite à la décentralisation122.
120
Les compétences des communes se sont notamment élargies suite aux différentes lois de décentralisation des
années 1980 (lois des 7 janvier 1983 et 22 juillet 1983, loi du 12 juillet 1999, dite loi Chevènement).
121
Les compétences « traditionnelles » de la commune concernent : les fonctions d’état civil (enregistrement des
mariages, naissances et décès, etc.) ; les fonctions électorales (organisation des élections, révision des listes
électorales, etc.) ; l’action sociale (gestion des garderies, des crèches, et des foyers de personnes âgées) ;
l’enseignement (depuis la loi Ferry de 1881, l’école primaire est communale, et la commune gère la construction,
l’entretien et l’équipement des établissements) ; l’entretien de la voirie communale ; l’aménagement (logement
social, zones d’activités, assainissement, protection des sites, etc.) ; la protection de l’ordre public grâce aux
pouvoirs de police du maire.
122
Les compétences acquises suite à la décentralisation (loi du 13 août 2004 relative aux libertés et
responsabilités locales) sont principalement les suivantes :
•
L’urbanisme : c’est pour l’essentiel une compétence des communes. Celles-ci élaborent et approuvent
les PLU, ce qui permet au maire de délivrer entre autres des permis de construire.
•
L’enseignement : la commune a la charge des écoles publiques. Elle en est propriétaire et en assure la
construction, la reconstruction, l’extension, les grosses réparations, l’équipement et le fonctionnement.
•
L’action économique : Les communes et leurs groupements, tout comme les départements, peuvent
participer au financement des aides directes aux entreprises, dans le cadre d’une convention passée avec la
région et leur attribuer des aides indirectes. Par ailleurs, les communes et les EPCI peuvent instituer un
office de tourisme.
•
Les ports de plaisance et les aérodromes : les communes sont compétentes pour la création,
l’aménagement et l’exploitation des ports de plaisance et des aérodromes.
•
Le logement : les communes au sein d’un EPCI participent à la définition d’un programme local de
l’habitat qui fixe, pour six ans au moins, les objectifs et les principes d’une politique destinée à répondre
aux besoins en logements et à favoriser le renouvellement urbain et la mixité sociale à l’intérieur d’une
commune mais aussi entre les communes de l’EPCI. La commune a aussi des compétences en matière de
logements sociaux et étudiants.
272
Ses compétences en matière d’entretien de la voirie communale, d’aménagement,
d’urbanisme, de logement, etc. peuvent permettre une prise en compte du climat urbain au
travers des documents d’urbanisme, comme nous l’avons vu, mais également au travers du
patrimoine géré par la commune : les infrastructures routières comme le parc immobilier.
En ce qui concerne la voirie, on notera que les couleurs et matériaux choisis ont souvent pour
objectifs de donner une plus grande lisibilité des aménagements et une différenciation visuelle
de la fonctionnalité des voiries : trottoirs, parkings, pistes cyclables, couloirs de circulation,
bandes d’arrêt d’urgence, etc. La couleur claire est appréciée pour l’instant principalement
pour certains emplois particuliers comme les revêtements de chaussée de tunnel ou de passage
souterrain - il conduit à des économies d’éclairage et améliore la visibilité, donc la sécurité -,
ou en couche de roulement d’ouvrage d’art, il permet de diminuer la température atteinte par
le revêtement exposé au soleil et ainsi de limiter les contraintes thermiques sur le tablier de
l’ouvrage. L’avantage de la voirie, au sein d’une ville, par rapport aux murs ou aux toits, est
qu’elle est gérée par les services de la ville qui peuvent donc largement influer sur les critères
de choix du revêtement.
III.1.1 Infrastructures et parc immobilier
La sensibilisation des services techniques ou des élu(e)s aux enjeux climatiques est un des
moyens pour intégrer de nouvelles démarches plus « climatiques » dans leur pratique.
La Ville de Rennes à ainsi organisé en 2007 une journée de formation sous forme de
conférence/débat sur le thème « Rennes +6°C : Adaptation des territoires au réchauffement
climatique ». Cette formation s’adressait essentiellement aux cadres de la Direction de
l'Architecture et de l'Urbanisme (opérations d'aménagement et droit des sols), de la Direction
des Bâtiments Communaux (conduite d'opération), de la Direction des Jardins (maîtrise
d'ouvrage) ainsi que de la Direction Générale des Servies Techniques, ainsi qu’à ceux des
•
•
•
La santé : les communes peuvent, par exemple, tout comme les autres collectivités territoriales, dans le
cadre d’une convention conclue avec l’État exercer des activités en matière de vaccination, de lutte contre la
tuberculose, la lèpre, le sida et les infections sexuellement transmissibles.
L’action sociale : la commune a une action complémentaire de celle du département avec les centres
communaux d’action sociale (CCAS), qui notamment analysent les besoins sociaux de la population et
interviennent dans les demandes d’aides sociales (aide médicale…).
La culture : la commune joue un rôle à travers les bibliothèques de prêts, les musées, les conservatoires
municipaux. Les communes ou leurs groupements sont chargés de l’organisation et du financement de
l’enseignement artistique initial (musique, danse, art dramatique), les établissements qui en ont la
responsabilité étant intégrés dans un schéma départemental. Les communes ou leurs groupements peuvent
aussi, s’ils en font la demande et comme pour toute collectivité territoriale ou groupement de collectivités,
se voir transférer la propriété de monuments classés ou inscrits, et des objets qu’ils renferment, appartenant
à l’État ou au Centre des monuments nationaux et figurant sur une liste établie par décret en Conseil d’État.
273
études urbaines de Rennes Métropole et de la Direction de la Maîtrise d’Ouvrage. Cette
formation fut l’occasion de sensibiliser ces acteurs à l’îlot de chaleur urbain, au changement
climatique, et aux possibilités offertes par une modification des manières d’aménager, de
concevoir l’espace urbain.
Les services techniques de la ville de Grenoble n’ont pour leur part pas eu besoin de
formation pour être sensibilisés à la variation locale du climat. La position en cuvette de
Grenoble les a incité à connaître et évaluer l’intensité de l’îlot de chaleur présent sur la ville
mais également à identifier les éventuels puits de fraîcheurs présents dans la ville et leur
influence thermique. Des campagnes de mesures de températures ont été lancées. L’objectif
de la ville de Grenoble est de pouvoir justifier l’intégration de nouveaux éléments au sein de
leur guide environnemental (incitatif mais non opposable) et de mettre en œuvre des actions
justifiées au sein, dans un premier temps, de l’aménagement de l’espace public par le biais
d’un document référentiel interne. Cette action a été favorisée par la présence d’un maire
adjoint chargé conjointement de l’environnement et de l’urbanisme sensible à ces
problématiques et par la présence d’ingénieurs au sein des services techniques intéressés par
le sujet. La ville de Grenoble suit d’ailleurs avec intérêt les travaux menés par l’école
nationale
supérieure
d’architecture
de
Grenoble
sur
les
chaleurs
urbaines
(www.grenoble.archi.fr/chaleursurbaines/), travaux qui ont été par exemple été présentés lors
de leur biennale de l’habitat durable en juin 2008.
La Ville de Paris sensibilise également ses différents services à la problématique du
changement climatique de manière générale, c'est-à-dire sans se focaliser sur la question de
l’adaptation, par le biais également de journées ou demi-journées de formation. Suite à l’appel
à projets 2007 du programme de recherche sur la ville de Paris, la Ville de Paris finance
également un projet sur les impacts du changement climatique à l’échelle de l’agglomération
parisienne123, projet qui abordera la question de l’îlot de chaleur urbain et permettra une
sensibilisation plus conséquence des politiques et des services techniques.
Nous le pressentons au travers de ces premiers exemples, l’intégration de pratiques plus
soucieuses du climat n’est pas forcément le fait d’une volonté puissante mais peut être le fait
de services techniques ou de politiques sensibilisés et intéressés à ces questions. La figure 104
représente une forme de cercle d’influence vertueux ou politiques et services techniques
123
Il s’agit du projet EPICEA (Etude Pluridisciplinaire des Impacts du Changement climatique à l’Echelle de
l’Agglomération parisienne) auquel participe le CSTB, Météo-France et le CNRM.
274
peuvent être les points de départ d’une action sur la ville, c'est-à-dire que les uns et les autres
peuvent être à l’origine d’une action sur les infrastructures et les réseaux publics et le parc
immobilier appartenant à la collectivité, action qui sera perçue alors positivement par les
citoyens et qui entrainera une demande de leur part vers les services publics mais également
vers le secteur privé. Pour reprendre des termes plus particulièrement liés au commerce,
l’objectif est de créer la demande de la part des citoyens (d’espaces publics et privés dont la
conception améliore l’environnement climatique) en présentant, proposant une nouvelle offre
d’espaces publics améliorant l’environnement climatique.
Intérêts du
secteur privé
Actions sur
l’espace privé
Intérêts des
politiques, des élus
Demande des
citoyens
Satisfaction
des citoyens
A
B
Priorités des
services techniques
Actions sur
l’espace public
A influence B
Figure 104 : Influences permettant de favoriser la réflexion autour de problématiques telles
que le changement climatique ou le climat urbain.
III.1.2 Les démarches d’accompagnement pour un urbanisme plus conscient de
l’environnement : cas de l’approche environnementale de l’urbanisme (AEU)
Pour favoriser la prise en compte de l’environnement et donc peut-être du climat urbain, de
l’îlot de chaleur urbain, la collectivité peut se faire accompagner à l’occasion de différentes
démarches. Nous avons choisi pour illustrer ces outils l’approche environnementale de
l’urbanisme (AEU) développée par l’ADEME
La grille RST02 développée par le Réseau Scientifique et Technique (RST) avait également
été choisie pour illustrer ces outils, seulement sa démarche axée sur le développement durable
et englobant ainsi des dimensions à la fois sociales, économiques et environnementales, ne
275
permet pas une réelle approche des enjeux du climat urbain. L’outil est en effet trop large et
imprécis et nécessiterait des modifications conséquentes pour intégrer des critères pertinents
en termes de prise en compte du climat urbain. Actuellement seul le critère ‘anticiper les
effets du changement climatique’ pourrait éventuellement introduire indirectement le thème
de l’îlot de chaleur urbain. La grille RST02 est présentée au sein de l’annexe 15.
L’approche environnementale de l’urbanisme (AEU) est un outil d’aide à la décision dont
l’objectif est de favoriser et faciliter la prise en compte de critères environnementaux dans les
opérations d’aménagement et les documents d’urbanisme. Cette démarche d’accompagnement
des projets d’urbanisme en matière d’environnement et d’énergie est proposée par l’ADEME
aux maîtres d’ouvrage et maîtres d’œuvre, aux collectivités locales, ou encore aux
professionnels d’urbanisme124.
« La démarche AEU vise […] à permettre aux responsables de la planification territoriale, de
l’urbanisme et de l’aménagement urbain d’intégrer les contraintes liées à la gestion des
questions environnementales en amont des projets et aux différentes échelles de projets
(SCOT, PLU, aménagements opérationnels). Elle permet ainsi d’anticiper les problèmes à
venir, voire de contribuer à améliorer l’organisation de la gestion environnementale à
l’échelle d’un territoire en mobilisant et en associant « au bon moment » une pluralité
d’acteurs aux compétences diversifiées. » (ADEME, 2003).
Les objectifs de l’AEU, au nombre de quatre, sont ainsi de : 1. Contribuer au respect des
exigences réglementaires en matière d’environnement ; 2. Faciliter l’intégration des politiques
environnementales dans le projet ; 3. Concrétiser les principes d’une qualité urbaine plus
durable ; 4. Contribuer concrètement à la qualité environnementale des projets urbains.
Pour ce faire, plusieurs sujets, interférant avec l’économie des formes urbaines et la qualité
paysagère des projets sont traités :
•
Les choix énergétiques,
124
L’AEU peut s’appuyer sur les « cahiers de l’aménagement », supports méthodologiques et techniques de
l’ADEME. La mise en application d’une AEU permet au maître d’ouvrage de bénéficier d’une aide de
l’ADEME au taux de 50% du coût de l’étude plafonné à 20000 euros pour les projets d’aménagement (quartier,
îlot, zone d’activités...), et à 50000 euros pour les documents d’urbanisme (SCOT, PLU, PLH...). Des bureaux
d’étude formés par l’ADEME à l’AEU peuvent être sollicités pour accompagner la mise en œuvre d’une AEU.
« La méthode est issue de plusieurs années d’expérimentations menées dans les régions. Elle est connue et
répandue en France et a déjà 250 analyses l’utilisant ont vu le jour. Des formations sont organisées par
l’ADEME pour les bureaux d’études. Un dispositif de capitalisation des résultats de l’application de la méthode
a été aussi mis en place par l’ADEME. » (Belziti et Souami, 2007).
276
•
L’environnement climatique125,
•
La gestion des déplacements,
•
La gestion de l’eau,
•
La gestion des déchets,
•
L’environnement sonore,
•
Les sites et les sols pollués,
•
La diversité biologique.
On notera à propos de l’environnement climatique que l’AEU n’aborde pas uniquement la
notion de confort intérieur mais également celle de confort extérieur, ce qui va dans le sens
d’une meilleure prise en compte du climat urbain : « au cours des dernières décennies, la
conception des formes urbaines s’était peu à peu affranchie de la connaissance des
caractéristiques climatiques locales. Or la référence à l’environnement climatique va dans le
sens d’une meilleure maîtrise de l’énergie dans l’habitat : récupération active ou passive des
apports solaires, gestion du confort thermique d’hiver et d’été. Elle est aussi un facteur
important d’amélioration du cadre de vie ; il s’agit notamment d’offrir une ambiance
climatique favorable pour les déplacements piétonniers ou les espaces de vie extérieurs en
veillant à l’adéquation entre leurs usages et leurs conditions d’ensoleillement ou de
protection aux vents » (ADEME, 2003).
Si l'AEU peut potentiellement concerner tout type de projets territoriaux et urbains, elle a
cependant surtout vocation à accompagner l’élaboration des documents d’urbanismes tels que
les SCOT et les PLU, et des opérations d’aménagement de type ZAC, qui sont, nous l’avons
vu, susceptibles d’accueillir tous trois des éléments concernant le climat urbain et l’îlot de
chaleur urbain.
125
« Au cours des dernières décennies, la conception des formes urbaines s’étaient peu à peu affranchie de la
connaissance des caractéristiques climatiques locales. Or la référence à l’environnement climatique va dans le
sens d’une meilleure maîtrise de l’énergie dans l’habitat : récupération active ou passive des apports solaires,
gestion du confort thermique d’hiver et d’été. Elle est aussi un facteur important d’amélioration du cadre de
vie : il s’agit notamment d’offrir une ambiance climatique favorable pour les déplacements piétonniers ou les
espaces de vie extérieurs en veillant à l’adéquation entre leurs usages et leurs conditions d’ensoleillement ou de
protection aux vents » (ADEME, 2003).
277
La conception des projets urbains et opérationnels passe par un certain nombre d’étapes clés
(réalisation d’études préalables, finalisation d’un diagnostic, exercices de programmation,
définition du projet, réalisation des dossiers, passage à la phase opérationnelle), étapes pour
lesquels la réalisation d’une AEU est envisageable, depuis l’amont jusque l’aval (tableau 21).
La ville de Couëron, qui appartient à la Communauté Urbaine de Nantes, a par exemple mis
en application cette méthode pour une de ses ZAC. En mettant en place cette AEU
concomitamment au projet de ZAC, une intégration des exigences environnementales a été
possible dès la définition des principes d’aménagement de la ZAC126. L’ensemble des sujets
présentés
ci-dessus
(choix
énergétiques,
environnement
climatiques,
gestion
des
déplacements, etc.) n’ont pas été traités mais seulement six thèmes prioritaires ont été retenus,
en fonction des priorités et des exigences actuelles de la commune : « la maîtrise de l’énergie
et la promotion des énergies renouvelables ; l'économie des ressources en eau et la protection
de la qualité des eaux ; la limitation de l’imperméabilisation des sols et la gestion alternative
des eaux pluviales ; l'aide à la valorisation des déchets par la collecte sélective ; la réduction
de la pollution de l’air par l’amélioration des transports en commun et la promotion des
modes doux de circulation ; la mise en valeur et la construction du patrimoine paysager et
naturel, notamment à travers la création d’espaces verts et un programme de préverdissement ». Les principes de l’AEU faisant partie du projet d’aménagement de la ZAC,
ceux-ci sont intégrés au dossier de mise en compatibilité du PLU. Ces principes, pour la ville
de Couëron, au nombre de cinq, étaient : « principes de disposition des bâtiments sur les
parcelles et de hauteur des constructions pour favoriser l’éclairage naturel, l’ensoleillement
passif des bâtiments ; obligation de planter et préservation des éléments paysagers
remarquables (haies, arbres…) ; introduction d’un ratio de calcul du nombre de places de
stationnement pour les automobiles et pour les deux roues ; non-aggravation des apports
d’eaux pluviales par rapport à l’état existant et perméabilisation des espaces de parkings
extérieurs ; création de locaux adaptés à la collecte sélective des déchets à l’intérieur de
l’unité foncière ». Plusieurs mesures ont par la suite été prévues pour répondre aux objectifs
126
« Cette démarche a été incluse dans la mission de l'urbaniste en charge de l'analyse urbaine, architecturale
et paysagère et dans celle du bureau d'études en charge des études réglementaires. Les thèmes
environnementaux ont été pris en compte dans les différents documents d’aménagement : dossier de création,
schéma d’aménagement, dossier de mise en compatibilité du PLU, cahiers de recommandations architecturales,
urbaines et paysagères, annexés aux cahiers des charges de cession de terrain »
http://www.ademe.fr/paysdelaloire/inf/BP_PDF/180.pdf).
278
de l’AEU telles qu’une coulée verte, la création de noues127, une circulation hiérarchisée
favorable aux modes doux et aux transports en commun, etc.
Tableau 21 : L’AEU, des modalités d’assistance diverses, adaptables à la nature et au rythme
des projets (ADEME, 2003).
Un apport éventuel de
compléments
Une assistance à l’exposé
de l’état initial de
l’environnement et des
incidences des choix
retenus sur
l’environnement
Une contribution à la
définition d’objectifs
Une aide à la définition
d’orientations
Une contribution à la
formulation des
prescriptions
Une possibilité
d’optimiser le projet en
matière d’environnement
SCOT
PLU
OPERATIONS
D’AMENAGEMENT
Au diagnostic préalable
Au diagnostic et à
l’étude d’environnement
A l’étude d’impact
Dans le rapport de
présentation
Dans le rapport de
présentation
Dans le rapport de
présentation, inclus dans le
dossier de création
Dans le PADD
Dans le PADD
Dans le document
d’orientation
Dans le PADD
Dans le document
d’orientation
Dans le règlement
En s’assurant de la
cohérence entre la
politique de
développement urbain et
les politiques
environnementales
En intégrant des critères
environnementaux dans
l’élaboration du projet
urbain
En permettant d’ajuster le
projet au regard des
contraintes et des atouts en
matière d’environnement
Pour l’évaluation de la
conformité des permis
de construire
Pour la promotion de la
qualité environnementale des
espaces publics et des
constructions
Une possibilité de définir
Pour l’ouverture à
un cadre de référence
l’urbanisation de nouvelles
environnemental facilitant
zones et la création de
la mise en application du
quartiers nouveaux
projet et son suivi
Une assistance à la
conduite du projet
Une participation au
processus de concertation
Sur l’économie générale du
projet
Pour la programmation et la
définition du projet
Dans les cahiers des charges
de cession ou de concession
d’usage des terrains
Par une participation à
des groupes
Par l’animation de séances
pluridisciplinaires de
de travail collectif et
travail existants ou à
pluridisciplinaire
créer
Animation de réunions de travail réunissant
des représentants associatifs ou des collectifs d’habitants
Réunions publiques de concertation
Contributions aux documents d’information et de communication
Par une participation aux
groupes de travail
pluridisciplinaires mis en
place
Les cahiers des charges de cession de terrain au sein de la ZAC « Ouest centre ville » de
Couëron s'accompagneront par la suite de cahiers de recommandations architecturales,
urbaines, paysagères et environnementales qui compléteront les règles définies dans le cadre
de la mise en compatibilité du POS. Sur le plan environnemental, plusieurs points précis
concernant l’intégration du bâti dans son environnement, la gestion alternative des eaux
127
Noue : aménagement paysager, souvent peu profond et planté en surface, permettant de recueillir les eaux de
ruissellement, pour leur stockage et leur infiltration.
279
pluviales et la promotion de la maîtrise de l'énergie et des énergies renouvelables ont été
fixés128. La réflexion en amont offerte par l’AEU permet ainsi l’intégration de critères précis
au sein d’une ZAC et, aujourd’hui, des éléments concernant l’environnement climatique
peuvent être abordés.
Ainsi, comme le signale Jean-Pierre Troche du Groupe RE-SOURCES (ADEME, 2006),
« bien que les AEU n’aient pas vocation réglementaire, leur efficacité passe, en partie, par
leur traduction juridique dans les différents documents d’urbanisme et, plus particulièrement,
dans chaque document constitutif du plan local d’urbanisme (PLU) ».
Ainsi l’AEU peut permettre, grâce à la réflexion qu’il engage sur différents thèmes, de mieux
comprendre les enjeux environnementaux et plus précisément climatiques d’une ville ou d’un
de ces quartiers et d’agir en faveur d’une meilleure prise en compte de certains leviers
d’actions.
L’ADEME pourrait ainsi potentiellement être, par le biais de cette AEU, un vecteur pour une
meilleure sensibilisation à la question de l’îlot de chaleur urbain. Pour que cela soit clairement
exprimé au sein de l’AEU, il est nécessaire que le climat urbain devienne un enjeu de
plusieurs collectivités françaises permettant ainsi, selon une approche ascendante, une
remontée de la préoccupation auprès de l’ADEME qui pourrait alors en tenir compte et
expliciter plus clairement la notion d’îlot de chaleur urbain au sein de l’AEU.
III.2 Démarches et documents incitatifs et informatifs
Il existe un certain nombre de documents incitatifs et informatifs permettant de sensibiliser les
professionnels et les citoyens à l’environnement, au développement durable, au changement
climatique. Nous nous somme plus particulièrement penchés sur les plans climat territoriaux
128
•
•
•
Sur le plan environnemental, les recommandations porteront, pour la ZAC du Couëron, notamment sur :
l’intégration du bâti dans son environnement : adaptation au terrain naturel et au site environnant ; gestion
de la pente, choix de l’orientation ; végétalisation des parcelles par les essences végétales locales, prise en
compte des matériaux définis sur le site (utilisation des produits labellisés NF environnement – peintures
sans solvants… –, utilisation de charpentes bois…).
la gestion alternative des eaux pluviales : réduction des surfaces imperméabilisées sur les parcelles et en
particulier sur les zones de stationnement et sur les terrasses, par l'utilisation de matériaux de type greenblocks ; rétention de l'eau sur les parcelles (recueil des eaux de pluies pour l'arrosage des jardins et le
nettoyage des véhicules) ; plantation pour favoriser l'infiltration et l'évaporation et éviter le compactage des
sols.
La promotion de la maîtrise de l'énergie et des énergies renouvelables : utilisation des apports solaires
passifs ; réduction des déperditions énergétiques par des formes urbaines compactes et des enveloppes de
bâtiments adaptées (renforcement de l’isolation, limitation des ponts thermiques, vitrages faiblement
émissifs, augmentation de l’inertie des bâtiments par des toitures végétalisées) ; optimisation de l’éclairage
naturel dans toutes les pièces ; choix d’un éclairage artificiel économe.
280
et les agendas 21 locaux, tout en sachant que les démarches incitatrices peuvent passer certes
par le biais de ces documents mais pas seulement. La communication par le biais de
brochures, de dépliants comme le fait, par exemple, le conseil régional de l’environnement de
Montréal sur le thème ‘Pour ma santé, pour mon milieu de vie, je verdis !’, abordant ainsi les
bénéfices de la végétation mais également ceux des matériaux réfléchissants, est possible
(annexe 16). Nous ne pouvons cependant pas nous avancer sur l’efficacité d’une telle action.
III.2.1 Agenda 21 local
L’agenda 21 local est bien souvent au cœur de la stratégie locale de développement durable.
Bien qu’il n’ait aucune valeur juridique, il est l’outil le plus important pour œuvrer dans le
sens du développement durable selon Charlot-Valdieu et Outrequin (1999).
L’agenda 21 local « peut être réalisé à tous niveaux de pouvoir et de responsabilité, qu’ils
relèvent de territoires institutionnels (communes, agglomérations, département ou région), ou
de territoires ayant en commun une dimension économique (zone franchisée ou industrielle),
sociale, culturelle (quartier de centre ville) ou écologique (vallée) » (Charlot-Valdieu et
Outrequin, 1999). Son élaboration est, par ailleurs, aujourd’hui, encouragée par des contrats
entre l’Etat, les régions et les collectivités gestionnaires des agglomérations, des pays et des
parcs naturels régionaux. Pour une collectivité, l’Agenda 21, impulsé par l’élu, est élaboré et
mis en œuvre en concertation avec les acteurs locaux129 (collectivités, habitants, associations,
entreprises, structures déconcentrés de l’Etat, réseaux de l’éducation et de la recherche, etc.).
Pour faciliter la mise en place des Agendas 21 locaux, le ministère en charge du
développement durable a élaboré un cadre de référence130 pour les projets territoriaux de
129
Cette implication de l’ensemble des acteurs locaux est mise en avant au sein du chapitre 28.3 du programme
Action 21, programme adopté par les gouvernements au Sommet de Rio et qui constitue un plan global d'action
qui doit être mis en œuvre dans tous les domaines où l'activité humaine affecte l'environnement : « Il faudrait
que toutes les collectivités locales instaurent un dialogue avec les habitants, les organisations locales et les
entreprises privées afin d'adopter « un programme Action 21 à l'échelon de la collectivité. La concertation et la
recherche d'un consensus permettraient aux collectivités locales de s'instruire au contact des habitants et des
associations locales, civiques, communautaires, commerciales et industrielles, et d'obtenir l'information
nécessaire à l'élaboration des stratégies les plus appropriées. Grâce au processus de concertation, les ménages
prendraient davantage conscience des questions liées au développement durable. Les programmes, les
orientations et les dispositions législatives et réglementaires appliqués par les collectivités locales pour réaliser
les objectifs d'Action 21 seraient évalués et modifiés en fonction des programmes d'Action 21 adoptés à l'échelon
local. Les stratégies pourraient également servir à appuyer des projets de financement local, national, régional
et international. »
130
Le cadre de référence du ministère en charge du développement durbale, qui a fait l’objet d’une consultation
interministérielle et auprès des principales associations d’élus territoriaux et qui a fait l’objet d’une circulaire aux
préfets (circulaire en date du 13 juillet 2006), vise cinq finalités essentielles auxquelles doivent contribuer les
actions et projets de développement durable : 1)la lutte contre le changement climatique, 2)la préservation de la
biodiversité, des milieux et des ressources, 3) la cohésion sociale et la solidarité entre les territoires et les
281
développement durable, en s’appuyant notamment sur les membres du Comité national
« Agenda 21 » présidé par le Délégué interministériel au développement durable et sur les
Hauts fonctionnaires du développement durable. Un des objectifs est de donner plus de
visibilité aux démarches des collectivités. Cependant, alors que la lutte contre le changement
climatique est une finalité affichée des agendas 21, la question de l’adaptation n’apparait pas
au sein de ce cadre de référence récent (2006). L’agenda 21, en articulant différentes finalités,
pourrait pourtant permettre d’élaborer une vision écosystémique du territoire et d’intégrer des
enjeux climatiques de manière générale.
Ajouter au cadre de référence une nouvelle finalité sur le thème de l’adaptation au
changement climatique ou sur l’environnement climatique pourrait être une solution, qui
nécessiterait sans doute une nouvelle consultation interministérielle et auprès des principales
associations d’élus territoriaux.
L’absence d’une finalité affichée sur le thème de l’adaptation au changement climatique ou
sur l’environnement climatique n’empêche cependant pas les collectivités territoriales de
traiter ces thèmes au sein de leurs agendas 21 locaux, mais elle ne l’incite pas non plus.
III.2.2 Plan Climat territorial
L’Etat a adopté son Plan Climat en juillet 2004 dans l’objectif de réduire de 54 millions de
tonnes équivalent CO2 les émissions françaises annuelles à l’horizon 2010 (elles étaient en
2004 de 562,6 millions de tonnes équivalent CO2 (CITEPA)). L’objectif pour 2050 est de
diviser par quatre à cinq les émissions. Le Plan Climat s’articule autour des huit orientations
fortes suivantes :
•
Sensibiliser pour influencer les comportements individuels face au CC,
•
Changer le comportement des conducteurs et utilisateur de transports et favoriser le
transport propre,
•
Promouvoir un bâtiment plus économe en énergie et plus écologique,
générations, 4) l’épanouissement de tous les êtres humains, 5) une dynamique de développement suivant des
modes de production et de consommation responsables. Il retient aussi cinq éléments déterminants concernant la
démarche à conduire pour de tels projets : stratégie d’amélioration continue, participation, organisation du
pilotage, transversalité des approches, et évaluation partagée. Ce cadre de référence a permis d’améliorer la
qualité des agendas 21 et d’accroître leur nombre en France. D’après une étude de Charlot-Valdieu et al. (2001),
en ce qui concerne les questions de développement durable, la France cumulait au début des années 2000 de
nombreux handicaps tels que un manque de méthode et d’outils, un manque d’informations et de sensibilisation
de la population sur la notion de développement durable, une faible implication des industries locales, le manque
de planification et la sectorisation ou l’étanchéité des services municipaux ou territoriaux, etc.
282
•
Développer les énergies renouvelables et améliorer les procédés dans l'industrie,
l'énergie et les déchets,
•
Améliorer les pratiques agricoles et produire de la bioénergie dans le secteur de
l'agriculture,
•
Instaurer des bonnes pratiques dans la conception et l'utilisation de la climatisation,
•
Mettre en place des Plans Climats territoriaux (région, département, commune,
intercommunalité) et des mesures exemplaires au sein des services de l'Etat,
•
Promouvoir la recherche, agir au plan international, et préparer l'après 2010.
Nous pouvons noter, encore une fois, l’absence de référence, parmi ces orientations, à
l’adaptation au changement climatique, à la prise compte du contexte climatique en mutation.
Intéressons-nous plus particulièrement à la septième orientation du Plan Climat, à savoir la
mise en place des plans climats territoriaux. Cette dernière s’explique par le rôle prépondérant
des collectivités territoriales en matière de lutte contre le changement climatique notamment
en tant que donneurs d’ordres publics pour de nombreux secteurs. En effet, les collectivités
peuvent agir, du fait de leurs compétences nous l’avons vu, sur les bâtiments et les
équipements communaux, les achats publics, les déplacements de leurs salariés, la part des
énergies renouvelables dans l'approvisionnement énergétique de la commune ou du territoire,
l’organisation urbaine et de l’aménagement de l'espace, etc. Elles sont également le meilleur
interlocuteur pour encourager les initiatives locales, en informant et mobilisant les différents
acteurs pour les faire adhérer aux plans d’actions qui peuvent être établis. Les collectivités ont
aussi, vis-à-vis de la population, une mission d’incitation et d’encouragement des initiatives et
des bonnes pratiques à adopter.
L’élaboration d’un plan climat territorial, doit être appréhendée par les collectivités comme
une opportunité de développement durable de leur territoire. En effet, le plan climat est un
moyen direct ou indirect de garantir le développement économique local et l’emploi en
utilisant les ressources locales et en développant de nouvelles activités, de lutter contre la
précarité énergétique en permettant à chacun l’accès à des logements à basse consommation,
de réduire la vulnérabilité énergétique en multipliant les sources d’énergie, de réduire la
vulnérabilité climatique en protégeant les habitants et les activités contre les aléas, de
283
renforcer l’attractivité du territoire en proposant un environnement et une qualité de vie
meilleure, de favoriser le dialogue local en réunissant les acteurs du territoire et les citoyens
autour d’un projet de société, etc.
L’intérêt pour le climat urbain, et plus précisément pour l’îlot de chaleur urbain, peut
facilement s’intégrer aux questions concernant la vulnérabilité énergétique et climatique et
l’attractivité du territoire, encore faut-il que les élus en prennent conscience et décident
d’engager une démarche pour mieux mesurer la situation climatique de leur ville aujourd’hui,
mais également dans le futur.
Depuis l’adoption du Plan Climat National, plusieurs collectivités se sont engagées dans une
démarche de Plan Climat (la ville de Rennes, Grenoble Métropole, le conseil général des
Hauts-de-Seine, la Communauté d’Agglomération Mulhouse Sud Alsace, la Ville de Paris, la
Ville de Nantes, la région Aquitaine, etc.). Le grenelle de l’environnement a par ailleurs
proposé de rendre obligatoires, en cinq ans, les plans climat-énergie territoriaux par les
communautés d’agglomération et communautés urbaines.
Pour illustrer les possibilités offertes par un Plan climat territorial nous allons analyser celui
de la ville de Paris.
Le Plan Climat de la Ville de Paris a été adopté en octobre 2007, après une réflexion de
presqu’un an traduite notamment au sein du livre blanc (sorte de « cahier de doléances »),
puis objectivée au sein du Plan Climat, et ayant vu la participation de citoyens, de
professionnels, de personnes de l’administration parisienne, etc. (figure 106). Le Plan Climat
s’articule autour de plusieurs grands axes concernant l’administration elle-même et le
territoire parisien.
Des objectifs ambitieux ont été fixés pour le territoire parisien (habitants, entreprises et
administration), objectifs qui doivent permettre 25% de réduction des émissions de gaz à effet
de serre du territoire, 25% de réduction énergétique des consommations du territoire, et 25%
de consommation énergétique du territoire provenant des énergies renouvelables. Ce Plan
ambitieux s’appuie concrètement sur des normes plus sévères concernant les bâtiments131,
131
Un maximum de 50 kWh/m²shon/an en énergie primaire (consommations de chauffage, d’eau chaude,
d’éclairage, de ventilation et de climatisation) pour les opérations neuves, dépassant ainsi les normes du label
français le plus exigeant (bâtiment basse consommation), et un maximum de 80 kWh/m²shon/an en énergie
primaire pour les rénovations lourdes, s’inscrivant ainsi dans les recommandations de l’association Effinergie à
laquelle elle a adhéré.
284
tout en sachant que plus de 85% des bâtiments de Paris datent d’avant la première
réglementation thermique. Sur son patrimoine propre, la Ville de Paris entend également être
exemplaire et propose aussi des améliorations thermiques conséquentes au niveau du parc
existant132 ainsi qu’une augmentation des performances à l’égard des constructions neuves. La
Ville de Paris, exemplaire vis-à-vis de ses propres compétences devra ainsi atteindre : 30% de
réduction de ses émissions en 2020 par rapport à 2004, 30% de réduction des consommations
énergétiques du parc municipal et de l’éclairage public, et 30% de sa consommation
énergétique provenant des énergies renouvelables.
Ces objectifs ambitieux ont été accompagnés par de nombreux engagements de la part de la
Ville de Paris pour la réhabilitation des immeubles, pour réduire les consommations et
accroître la part des énergies renouvelables, pour mettre en œuvre des opérations
d’aménagement neutre en carbone, etc.
Ces grands objectifs, sur lesquels la Ville de Paris a particulièrement communiqué, concerne
une nouvelle fois uniquement le thème de la réduction des gaz à effet de serre, de la lutte
contre le changement climatique. Le thème de l’adaptation a toutefois fait l’objet d’une
réflexion et est abordé au sein du plan climat, thème qui permet, rappelons-le, d’introduire des
éléments ou leviers permettant d’agir sur le climat urbain et plus particulièrement sur l’îlot de
chaleur urbain.
Durant l’élaboration du livre blanc, la question de l’adaptation au changement climatique n’a
pas été particulièrement bien appréhendée par certains participants. La notion même
d’adaptation semble peu comprise et est souvent interprétée comme une adaptation à une
situation future plutôt que comme une adaptation aux impacts du changement climatique à
proprement parler. La raréfaction de l’énergie, la nécessité d’en consommer moins font ainsi
partie des préoccupations que les personnes veulent traiter sous le terme ‘adaptation’ alors
qu’elles ne sont pas directement des adaptations à une nouvelle donne climatique.
Dans le livre blanc du Plan Climat de Paris, la question de l’adaptation au changement
climatique est traitée au travers de trois grands thèmes ou questions :
132
Elle engagera un plan de rénovation de son parc, incluant à la fois la rénovation thermique des bâtiments, le
renouvellement des équipements de chauffage ou de ventilation, la réduction des consommations électriques, une
gestion performante de l’éclairage public, un accroissement de la part des énergies renouvelables dans la
consommation ; en agissant sur tous ces leviers, la Ville prévoit d’atteindre sur son patrimoine une baisse de
39% des émissions (hors transport) d’ici 2020.
285
•
La compréhension du phénomène et de ses impacts, c'est-à-dire l’identification des
vulnérabilités du territoire face à une modification du climat. Cette identification
s’appuie ici sur une densification des réseaux de mesures météorologiques et des
observations phénologiques (cycles de vies des plantes et des animaux), ou encore sur
l’amélioration des systèmes d’alerte avec des dispositifs d’information réactifs et
adaptés faces à des évènements climatiques extrêmes (canicule, inondation, tempête).
•
La problématique du confort d’été et le développement d’une filière économique
portant sur celui-ci. Cette amélioration du confort d’été passe par une amélioration du
bâtiment, une augmentation de la présence du végétal mais également par une
modification des rythmes de vie et surtout d’activité en période de canicule (télétravail
par exemple), évolution permise grâce aux nouvelles technologies de l’information.
•
Une politique de l’eau tenant compte du changement climatique, c'est-à-dire tenant
compte des modifications de pluviométrie.
L’objectif général qui découle du livre blanc est : « anticiper pour réduire la vulnérabilité au
changement climatique ». Comme les trois thèmes/questions le suggèrent, actuellement, des
collectivités comme Paris manquent de connaissances sur les effets du changement
climatique, sur ses impacts, ou encore sur le coût (humain, matériel, économique) de ses
impacts. La traduction en actions de la problématique de l’adaptation en est alors plus bancale
car la connaissance manque pour appuyer les choix politiques.
La traduction de la problématique de l’adaptation au sein du Plan Climat de Paris se fait ainsi
autour de cinq actions, pour lesquelles il existe déjà des éléments de connaissance :
•
Le Plan Canicule de Paris qui touche à la fois au recensement des personnes âgées et
handicapées (registre CHALEX pour chaleur extrême), particulièrement vulnérables
en cas de canicule, à des mesures d’aménagement spécifique des conditions de travail,
et au recensement des effets du réchauffement climatique dans la flore et la faune
locale (Est-ce vraiment sa place ?). Nous noterons que même s’il est fait allusion à
quelques mécanismes de la formation de l’îlot de chaleur urbain, ce terme n’est pas
employé au sein de ce paragraphe, ni celui plus général du climat urbain,
286
•
L’amélioration du confort d’été de la population par l’adaptation des bâtiments, ce qui
passe par une maîtrise du recours à la climatisation et le développement d’une filière
professionnelle concernant le confort d’été.
•
Un important programme de végétalisation de la capitale dont l’objectif est de lutter
contre « les microclimats engendrés par la densité urbaine » par le biais de
l’évapotranspiration133. Cette végétalisation passe par les espaces végétalisés, et les
toitures et les murs végétalisées.
•
Le Plan de Prévention des Risques d’Inondation (PPRI).
•
La compensation carbone.
Nous pouvons nous interroger sur la pertinence de classer la compensation carbone comme un
élément d’adaptation au changement climatique.
La ville de Paris n’est pas la seule commune à s’être lancée dans un plan climat (figure 105)
mais elle fait partie de celles, a priori peu nombreuses, ayant abordé la question de
l’adaptation. La Ville de Rennes, qui s’est pourtant engagée dans la sensibilisation des cadres
de la ville (cf. paragraphe précédent) aux thématiques de l’adaptation et de l’îlot de chaleur,
ne propose pas de chapitre sur l’adaptation au sein de son plan énergie climat134. De la même
façon, l’agglomération grenobloise pourtant intéressée et sensibilisée à la problématique des
îlots de chaleur urbains, n’a pas intégré de volet adaptation au sein de son plan climat135.
133
« L’effet sur le micro climat urbain de la végétalisation d’une partie de ces toits [314 ha de toits terrasses
végétalisables] devra être mesuré ».
134
Les principales actions qui constituent le Plan Energie Climat de la ville de Rennes, validé par les services de
la ville et approuvé à l’unanimité en Municipalité en septembre 2004, sont les suivantes :
• « Améliorer les performances énergétiques des logements d'habitation, des bâtiments municipaux et
tertiaires, existants et à venir ;
• Développer les sources d'approvisionnement en électricité verte ;
• Etudier la possibilité de développer de nouveaux réseaux de chaleur ;
• Poursuivre l'intégration des modes alternatifs de déplacement dans l'aménagement urbain ;
• Développer de nouvelles pratiques de déplacement pour les agents et les scolaires ;
• Informer et impliquer les habitants, etc. » (Ville de Rennes).
135
Lancé en mai 2005, le Plan climat de l’agglomération grenobloise associe aujourd'hui la majorité des
communes de l'agglomération (25 communes sur 26) et de nombreux acteurs du territoire (des collectivités
territoriales, des bailleurs sociaux, des fournisseurs d’énergie des universités, des associations, etc.). L'animation
et le suivi du Plan Climat Local ont été confiés à l'Agence Locale de L'Energie (ALE). Les objectifs du Plan
Climat Local sont cohérents avec les engagements de la France dans le cadre du protocole de Kyoto de
stabilisation des émissions de gaz à effet de serre. Le Plan Climat de l’agglomération grenobloise vise à l'horizon
2010, par rapport au niveau de référence de l'année 1999, à :
• Stabiliser les émissions de gaz à effet de serre sur le territoire de l'agglomération grenobloise ;
287
La ville de Paris n’est pas la seule à inscrire dans son plan climat des objectifs concernant
l’adaptation aux impacts du changement climatique. Celui de la ville de Lyon aborde
également le sujet (le Grand Lyon participe au programme AMICA – Adaptation and
Mitigation, an Integrated Climate policy Approach), celui de Nantes métropole également
(qui est axé sur l’évaluation des « vulnérabilités du territoire, le développement d’une
stratégie d’adaptation sur l’agglomération, et l’information et la sensibilisation des acteurs
de l’agglomération »).
Ces différents exemples montrent cependant la faible part qui est faite aujourd’hui à la
question de l’adaptation, et donc, dans notre cas, les moindres possibilités d’inscrire des
leviers pour agir sur l’îlot de chaleur urbain notamment.
III.2.3 Regards sur les travaux de la Grande-Bretagne
Sans être particulièrement plus touchée par la problématique du climat urbain et plus
particulièrement de l’îlot de chaleur urbain, les britanniques font a priori plus grand cas de
cette question au sein de leur document concernant l’adaptation au changement climatique.
Dans le rapport de l’association « Town and Country Planning Association » sur l’adaptation
au changement climatique par le design (Shaw et al., 2007), la question de l’îlot de chaleur
urbain et de sa relation avec la densité urbaine est abordée dès les premiers paragraphes
introductifs pour mettre en avant la nécessité de penser adaptation et mitigation de façon
conjointe. Les mesures et stratégies proposées par la suite pour gérer des fortes températures
tiennent compte de l’échelle du bâtiment mais également de celle de la ville, l’objectif étant
alors de contrecarrer l’effet de l’îlot de chaleur urbain. La figure 105 associée à ce paragraphe
résume les différentes stratégies qui sont en effet, comme nous pouvons le constater,
directement liées aux leviers d’action que nous avons identifiés.
SHAW et al. (2007) propose ainsi les mesures suivantes qui ont toutes une influence sur
l’intensité de l’îlot de chaleur : contrôle des apports solaires du bâtiment (et donc maîtrise des
consommations énergétiques), augmentation du rafraîchissement par le biais de l’évaporation
au sein des zones naturelles, matériaux réfléchissants pour les façades et les toits des
•
Stabiliser les consommations énergétiques (ressources fossiles, électricité) pour économiser les
ressources énergétiques non renouvelables (pétrole, gaz, uranium) ;
• Augmenter la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique totale de
l'agglomération pour atteindre 21% (elle n'est aujourd'hui que de 8%).
Dans le cadre d'objectifs plus ambitieux à long terme, la Métro veut contribuer de façon significative à la
réduction par un « Facteur 4 » de ses émissions de gaz à effet de serre à l'horizon 2050 : c'est le « Challenge
Carbone ».
288
bâtiments, matériaux de voirie rafraîchissant (« cool pavement »), utilisation du pouvoir
rafraîchissant de l’eau, infrastructure verte (« green infrastructure »), masse thermique du
cadre bâti, isolation des bâtiments et refroidissement mécanique, amélioration de la
ventilation par le biais de l’orientation des bâtiments et de la morphologie urbaine.
Figure 105 : Ensemble des actions et techniques disponibles pour augmenter la capacité
d’adaptation d’une ville aux fortes températures (Shaw et al., 2007).
Dans le rapport plus spécifique à l’adaptation de la ville de Londres (« Adapting to climate
change, lessons for London ») publié par le London Climate Change Partnership136 la partie
analysant les risques liés à la chaleur intègre également la présence d’un fort îlot de chaleur
urbain à Londres pour examiner les diverses solutions envisageables et mises en œuvre dans
d’autres villes occidentales.
136
Les membres du London Climate Change Partnership sont : Government office for London, Environment
Agency, Thames Water Utilities Ltd, Association of British Insurers, acclimatise , Corporation of London,
Association of London Government, London Sustainability Exchange, London Development Agency, London
Climate Change Agency, London Resilience, Transport for London, Thames Gateway London Partnership,
Housing Corporation, Régional Public Health Group – London, UK Climate Impacts Programme.
289
III.3 Conclusion
Même si la question du climat urbain et de l’îlot de chaleur reste encore peu abordée par les
collectivités locales, ces dernières ne sont pas dépourvues de moyens incitatifs ou informatifs.
Les collectivités locales peuvent tout d’abord donner l’exemple en intégrant dans leur propre
choix des critères permettant d’améliorer la qualité climatique du milieu urbain. Leurs
compétences comprennent en effet la gestion et l’entretien de nombreux bâtiments publics
(mairies, écoles, etc.), l’entretien de la voirie communale, et, bien sur, l’urbanisme. Pour cette
dernière compétence, l’approche environnementale de l’urbanisme, qui aujourd’hui déjà
intègre la question de l’environnement climatique, peut permettre un accompagnement
favorable à une meilleure prise en compte du climat urbain dans les documents d’urbanisme
de type SCOT, PLU ou ZAC. Pour les premières compétences citées, l’objectif, en étant
exemplaire, est d’amorcer la demande de la part des citoyens, demande qui s’adresserait alors
autant aux acteurs publics qu’aux acteurs privés.
Les thèmes de développement durable et de changement climatique ont intégré les politiques
publiques ces dernières années et ont donné lieu à la création de deux dispositifs : l’agenda 21
local et le plan climat territorial, plus ou moins utilisés à l’heure actuelle pour intégrer des
éléments propres au climat urbain par le biais notamment de l’adaptation au changement
climatique.
Les quelques exemples donnés de plans climat territoriaux ne nous contrediront pas, la plupart
d’entre eux sont axés sur l’énergie et sa (sur)consommation, beaucoup plus que sur
l’adaptation au changement climatique. Ce dernier thème revient par ailleurs souvent à traiter
de la question du risque face aux inondations et aux canicules beaucoup plus qu’à réfléchir sur
la nécessité de modifier notre façon d’aménager et de concevoir la ville. Le thème de
l’adaptation est perçu, il est vrai, de façon négative et synonyme d’échec des moyens de lutte
contre le changement climatique (annexe 2).
La France ayant un climat clément, cela explique peut-être également pourquoi la
modification de ce dernier et l’adaptation qu’il faudrait mettre en œuvre ne préoccupent pas
toujours les collectivités. Même le rapport de Perben (2008) sur « Imaginer les métropoles
d’avenir » aborde peu la problématique de l’environnement urbain et encore moins la question
de l’ambiance climatique, même pour les quartiers dits écologiques !
290
Malgré tout, certaines municipalités ont lancé ou participé à des évènements mettant en
relation changements climatiques, adaptation et climat urbain. C’est le cas de Rennes et de
Grenoble avec les travaux Rennes + 6°C et Grenoble + 6°C137, qui ont permis de sensibiliser
les citoyens, les élus, les services techniques et les entreprises à une thématique encore
récente : l’adaptation de l’environnement à une nouvelle donne climatique. Ce travail de
sensibilisation est encore partiel pour ne pas dire réduit et l’apport de connaissances de la part
des scientifiques devrait permettre de l’améliorer.
En plus d’un certain courage politique pour imposer la nécessité de penser l’adaptation au
changement climatique, les maires doivent penser à long, voire très long, terme, ce qui n’est
pas en adéquation avec les temps courts de la vie politique locale (environ 5 ans) et du
planning de l’urbanisme (entre 10 et 30 ans). Cependant, l’adaptation au changement
climatique ne doit pas se faire uniquement au travers des gestions de crise (canicule,
inondation, etc.), et les plans climat territoriaux ou les agendas 21 locaux peuvent ainsi être
perçus comme une porte d’entrée plus facile, car non réglementaire, pour faire partager cette
nouvelle préoccupation de l’environnement climatique actuel et futur. Les éléments tels que
les toitures, les murs ou les voiries réfléchissantes ou claires peuvent ainsi y être valorisés au
même titre que la végétalisation de l’espace urbain.
137
Nous noterons que ces deux évènements ont été en premier lieu à l’initiative soit d’étudiants architectes en fin
de cursus soit d’universités.
291
IV Synthèse
La modification du cadre bâti et non bâti comme élément de l’évolution de la ville est sans
doute ce qu’il y a de plus perceptible et de plus visible pour les citoyens. C’est également ce
qui nous a le plus particulièrement intéressé ici puisque ces modifications peuvent engendrer
des modifications climatiques locales plus ou moins perceptibles.
Le renouvellement des infrastructures est cependant loin de permettre une modification
fondamentale de la structure urbaine et il est aujourd’hui nécessaire de travailler sur ce qui fait
et fera dans ces prochaines années l’essentiel de la ville : l’existant. En effet, à l’échelle
nationale, selon la conjoncture, le bâtiment neuf représente chaque année de 1 à 1,5% du parc.
Ce faible pourcentage représente par ailleurs pour la majeure partie une extension du parc
existant et le taux de renouvellement, avec donc destruction du parc correspondant, serait de
l’ordre de 0,1 à 0,2% par an (CARASSUS, 2007). Le cadre bâti se renouvelle donc lentement,
voire très lentement et l’on peut s’interroger sur la possible articulation des temps longs de la
transformation urbaine avec les temps courts de la vie politique locale (environ 5 ans) et du
planning de l’urbanisme (entre 10 et 30 ans). Les politiques urbaines doivent ainsi tenir
compte de nombreux objets (organisation des transports et des services, construction et
attribution de logements, planification d’équipements culturels et d’enseignements,
préservation de sites naturels, protection contre les nuisances, procédures d’utilité publique,
etc.) et s’y employer en respectant plus particulièrement les temps courts de la vie politique
locale et du planning de l’urbanisme. Elles ont donc souvent quelques difficultés à intégrer de
nouvelles contraintes peu valorisante et valorisable auprès des citoyens tels que l’adaptation
au changement climatique, une des portes d’entrée possible pour intégrer dans la conception
urbaine des critères permettant d’améliorer ou, tout du moins, de tenir compte de
l’environnement climatique.
Cette nécessité de maîtriser et gérer les legs du passé pour concevoir la ville a été mise en
avant par WACKERMANN (2005a) : « chaque époque crée « sa » ville et […] chaque ville
est appelée à gérer, mieux encore, à maîtriser le legs architectural et urbanistique,
socioculturel et économique, pris en charge dans des conditions souvent très peu
optimales. ».
Les gestionnaires des villes ne sont pas pour autant dépourvus d’outils et peuvent agir en
faveur de leur environnement climatique sur leurs domaines de compétence directe (voirie,
292
bâtiments communaux, espaces verts, etc.), au niveau des documents stratégiques
d’orientation (SCOT et PLU) par le biais des procédures d’aménagement (ZAC, lotissement)
ou en incitant et informant leurs citoyens et leurs services (Agenda 21, Plans climats
territoriaux, Approche environnementale de l’Urbanisme, etc.).
Cependant, à l’heure actuelle, malgré un renforcement ces dernières décennies des
compétences des communes et de leurs regroupements en matière d’environnement et
d’urbanisme, l’urbanisme réglementaire n’offre pas de réelles perspectives d’intégration des
leviers d’action (modification de la part d’espaces végétalisés, modification des propriétés
radiatives – notamment l’albédo – des surfaces, modification de la forme urbaine, etc.) si l’on
excepte le cas des espaces végétalisés. L’albédo étant une propriété physique des matériaux,
imposer sa valeur au sein d’un PLU revient à empiéter sur le droit de la construction, ce qui
n’est pas légal dans le contexte actuel. L’albédo étant intimement lié à la couleur, l’utilisation
de ce critère, qui est plus de l’ordre de l’esthétique, est envisageable. Cependant, les murs et
les toits, et donc leur couleur, font partie du paysage urbain et doivent s’intégrer au paysage
existant, qui est, selon la ville, plus ou moins clair. Les marges de manœuvre sont ainsi
étroites. Le Grenelle de l’environnement ne devrait pas apporter de nouvelles solutions sur ce
point particulier des choix de matériaux et de leurs propriétés physiques. La collectivité peut
influencer la proportion d’espaces végétalisés (notamment au travers du coefficient
d’occupation du sol) ou encore la géométrie des rues, leur prospect. Pour ce dernier point
cependant, le très faible taux de renouvellement du bâti ne permet actuellement pas réellement
de mettre en œuvre une action déterminante.
L’intégration de nouveaux principes opposables aux tiers n’est donc pas aisée ou ne permet
pas une réelle modification de l’espace urbain.
Les projets d’aménagement et de développement durable des SCOT et des PLU (non
opposables aux tiers mais présentant les stratégies des communes avec lesquelles l’ensemble
du PLU doit être compatible) peuvent intégrer des enjeux globaux relatifs au climat urbain et
à l’îlot de chaleur. Ils permettent ainsi une première sensibilisation des élus, des services
techniques de la ville et des citoyens à la question du climat urbain.
Les ZAC, dont l’élaboration est à l’initiative des communes, offrent une plus grande liberté
quant aux prescriptions inscrites dans leur règlement et peuvent ainsi recommander des
couleurs claires pour les façades exposées au soleil, une toiture végétalisée, etc. Elles peuvent
293
donc devenir un outil pertinent pour intégrer à la conception urbaine une préoccupation de
l’environnement climatique, et devenir un outil de communication pour la ville au même titre
que les « éco-quartiers ».
Les collectivités peuvent également s’appuyer sur d’autres outils, que ceux dédiés à la
planification urbaine et aux procédures d’aménagement, pour favoriser la mise en œuvre
d’une conception urbaine plus en adéquation avec son climat actuel et futur. La collectivité
n’est en effet pas uniquement un aménageur de son territoire mais aussi responsable d’une
grande partie des infrastructures et des réseaux de la commune, et d’un certain nombre de
bâtiments (écoles, bibliothèques, mairies, etc.). En étant exemplaire sur ces différents
domaines de compétence et en le montrant, la ville peut favoriser l’émergence d’un nouveau
besoin puis d’une nouvelle demande de la part des citoyens, qui, progressivement, s’adressera
autant aux acteurs publics que privés de l’aménagement urbain. L’approche environnementale
de l’urbanisme, développée par l’ADEME, peut également accompagner les collectivités, qui
ont le souci de leur environnement climatique, dans leur démarche pour intégrer ces questions
au sein des documents tels que le SCOT, le PLU ou la ZAC.
Même si aujourd’hui peu sont utilisés comme tel, les plans climat territoriaux et les agendas
21 locaux, peuvent être de bons vecteurs de la problématique du climat urbain au travers,
notamment pour le premier, de la question de l’adaptation au changement climatique. Si les
anglais semblent avoir bien intégré le lien entre ces deux sujets au sein de leur document sur
l’adaptation au changement climatique, ce n’est pas encore totalement le cas des collectivités
françaises. Certains évènements montrent cependant les prémices d’un intérêt de la part des
collectivités (Rennes + 6°C, Grenoble + 6°C), intérêt qu’il est nécessaire de pérenniser et
d’accroître.
Le travail et les différentes actions autour des problématiques environnementales en général
ont ainsi permis de créer un terrain favorable à la prise en compte de questions plus précises
telles que l’îlot de chaleur urbain. Le rôle de la communauté scientifique a par ailleurs été
soulevé par Wackermann (2005c) : « La communauté scientifique mondiale est venue à la
rescousse, depuis surtout deux décennies, des responsables politiques, administrateurs et
spécialistes de l’aménagement, pour contribuer de manière efficaces à la rénovation de
l’action environnementale dans les aires urbaines, ainsi qu’en matière de rapports renouvelés
entre les territoires urbains, périurbains, rurbains et ruraux. » Les responsables des
294
collectivités sont par ailleurs rendus de plus en plus attentifs aux nécessités et possibilités
offertes par les instruments juridiques existant dans le domaine de l’environnement.
Ainsi, les collectivités ne peuvent pas œuvrer totalement librement pour intégrer dans la
conception urbaine des critères permettant d’influer sur l’environnement climatique et ce
principalement du fait des limites entre droit de l’urbanisme, qui s’apparente à une forme de
droit d’affectation des sols, garant de l’équilibre et de l’esthétique des lieux, et droit de la
construction et de l’habitat. Malgré tout, à l’heure actuelle, plusieurs outils sont à leur
disposition (notamment les ZAC, les agendas 21 locaux et les plans climats territoriaux) et
permettent aux collectivités de s’engager. De plus, leurs compétences en matière de gestion et
d’entretien de nombreux bâtiments publics et de la voirie communale leur offrent la
possibilité d’être elles-mêmes exemplaires.
Ainsi des moyens et des outils, avec leur portée et leurs limites, sont disponibles pour intégrer
dans la conception urbaine des critères permettant d’améliorer l’environnement climatique.
295
296
Conclusion
297
Traditionnellement, le climat intervient dans la conception du cadre bâti et donc de la ville.
Inversement, le milieu urbain influe sur ce climat. Les villes modifient ainsi localement les
paramètres climatiques et il est constaté qu'elles induisent une augmentation des températures,
une diminution de la vitesse du vent, ou encore une modification de la pluviométrie. Ces
modifications ont des conséquences sur la consommation énergétique des bâtiments et
l’efficacité de la climatisation naturelle, la pollution atmosphérique, le confort en extérieur, la
santé ou encore la faune et la flore. La canicule de 2003 a permis de révéler le problème causé
par la présence concomitante d'un îlot de chaleur urbain et d'une vague de chaleur. L’îlot de
chaleur a pour effet de limiter la baisse des températures durant la nuit. Lors des vagues de
chaleur, cette diminution devient vitale pour permettre aux organismes humains une
récupération des fortes chaleurs du jour et son absence peut être mortelle.
Du fait de ces conséquences sanitaires, les collectivités territoriales ont intérêt à mieux
appréhender et à mieux intégrer les modifications climatiques locales induites par la ville. Ce
n’est cependant pas suffisant pour générer des initiatives avec des actions réfléchies et ayant
des influences réelles sur le climat urbain. Pour cela, les élus et les aménageurs ont besoin de
connaître de façon aussi précise que possible les impacts climatiques de leur(s) choix
d’aménagement mais également de savoir quels sont actuellement les moyens à leur
disposition pour leur prise en compte.
Nous nous sommes donc intéressés aux deux aspects suivants qui constituent le cœur de la
problématique de ce travail de recherche : 1) la compréhension de la formation du climat
urbain et la quantification de l'influence de différents facteurs sur celui-ci, 2) l'intégration de
nouveaux enjeux relatifs au climat urbain au sein des projets urbains et d'aménagement.
Pour le premier point, nous nous sommes appuyés sur l'état de l'art de la formation du climat
urbain pour comprendre le rôle joué par différents facteurs. Puis nous avons effectué des tests
de sensibilité du bilan d'énergie thermique de la ville à plusieurs variables, avec le schéma
Town Energy Balance. Ce modèle numérique a été développé par Météo-France pour
paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l'atmosphère.
Pour le second point, nous avons mené une réflexion autour des moyens existants et
permettant aux collectivités territoriales françaises d'intégrer dans la conception urbaine des
critères identifiés, à l’issue du premier point, comme influant sur le climat urbain.
298
A la manière de la ville, qui peut se comprendre et s’appréhender par les différentes relations
entretenues par ses composantes, le climat urbain s’analyse aussi, comme nous l'avons
constaté en première partie, à différentes échelles et par la mise en évidence de certaines
relations de cause à effet. A l’échelle micro, c'est-à-dire à l’échelle de la rue, les principaux
mécanismes physiques mis en jeu concernent les écoulements de l’air – fortement perturbés
par le milieu urbain –, l’évapotranspiration – en nette diminution –, les apports anthropiques
de chaleur, ou encore les perturbations radiatives et thermiques, dues principalement à la
géométrie de la ville et aux propriétés radiatives des matériaux de construction.
L’ensemble de ces mécanismes physiques initiés à l’échelle de la rue engendre des
phénomènes à l’échelle de la ville. Nous les avons explicités au travers du bilan radiatif –dont
l’ensemble des termes est affecté par le milieu urbain du fait de sa géométrie, des matériaux
ou de la pollution atmosphérique –, du bilan énergétique –dont l’étude permet d’expliquer
notamment la formation de l’îlot de chaleur urbain –, du bilan hydrique, de la circulation
atmosphérique et des précipitations et averses orageuses.
La ville influence ainsi, plus ou moins significativement, l’ensemble de ces phénomènes dont
l’appréciation nécessite de tenir compte de la situation géographique et de la topographie
(montagne, vallée, plaine, etc.).
Plusieurs facteurs participent à la formation du climat urbain :
•
des facteurs naturels : les conditions anticycloniques, la saison, les conditions
météorologiques de la journée, la vitesse du vent, la couverture nuageuse, etc.
•
et des facteurs urbains : la couche superficielle du sol (présence plus ou moins
importante de surfaces végétales ou d’eau), les activités humaines (rejets de chaleur
anthropique et de polluants), et la structure urbaine (morphologie du cadre bâti,
matériaux de construction).
L’îlot de chaleur est un des aspects du climat urbain les plus perceptibles. Des recherches sont
menées pour comparer l’influence de plusieurs critères pour permettre une diminution de
l’îlot de chaleur urbain. Différentes études mettent ainsi en évidence l'influence de la
végétalisation des espaces, de la variation des flux de chaleur d’origine anthropique, et de
l'augmentation de l’albédo des surfaces.
299
La troisième partie, à partir d’une proposition de domaines d’action qui sont le bâtiment,
l’espace public, l’organisation spatiale, les activités industrielles et le transport, complète ces
informations par le biais d’une modélisation du bilan d’énergie de plusieurs milieux urbains.
Comme le signale SASAKI et al. (2008), le bilan d’énergie permet de mettre en avant les
facteurs qui gouvernent l’augmentation et la diminution de la température de l’air. Cette
modélisation permet ainsi de tester la sensibilité du climat urbain à la variation de différents
facteurs.
Nos simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres radiatifs dans le
bilan d'énergie de la ville en été. Durant l'hiver, c’est un autre paramètre thermique,
l’isolation, qui a la plus grande influence. Hormis pour la végétation, que nos simulations ne
nous ont pas permis de prendre en compte comme nous l’aurions souhaité, nos résultats
concordent avec les études actuelles privilégiant pour l’été une augmentation de l’albédo et de
la surface végétalisée pour diminuer l’îlot de chaleur urbain. Les conséquences sur le bilan
d’énergie en hiver de cette augmentation d’albédo sont moindres et l’îlot de chaleur est
principalement influencé, durant cette saison, par les flux de chaleur anthropique dus au
chauffage.
La forme du cadre bâti influence la quantité et la proportion de surfaces de murs, de routes et
de toits. Ainsi, les modifications de cette forme entraînent des variations du bilan d’énergie
dues à la fois à une modification de l’accès au rayonnement solaire des différentes surfaces
mais également à la modification de leur proportion sachant que chaque surface possède ses
propres caractéristiques physiques et donc un comportement thermique différent. L’influence
de la forme du cadre bâti sur le bilan d’énergie est donc complexe.
Enfin, la quatrième et dernière partie a permis de montrer que les collectivités territoriales ne
peuvent pas œuvrer librement pour intégrer dans la conception urbaine des critères permettant
d’influer sur l’environnement climatique. Ceci s’explique principalement par les limites entre
droit de l’urbanisme, qui s’apparente à une forme de droit d’affectation des sols, garant de
l’équilibre et de l’esthétique des lieux, et droit de la construction et de l’habitat. En effet, le
PLU, dont les tenants et aboutissants sont réglementés par le droit de l’urbanisme, ne peut
fixer à l'heure actuelle de règles concernant des propriétés radiatives de matériaux ou alors, de
manière détournée, par le biais de la couleur ou encore de l'efficacité énergétique d'été.
300
Toutefois, le PLU permet d’influer sur la forme du cadre bâti et des rues notamment au
travers de la réglementation concernant le prospect des rues. Le très faible taux de
renouvellement du bâti et l’influence complexe de la forme du cadre bâti sur le bilan
d’énergie n’en fait cependant pas un levier facile à mettre en œuvre. Le PLU permet
également d’influer sur la présence d’espaces végétalisés par le biais des articles de son
règlement concernant l’emprise au sol, le coefficient d’imperméabilisation ou encore le
pourcentage d’emprise d’espaces végétalisés.
Ainsi, si le PLU permet, tout comme d’ailleurs le SCOT, d’inscrire au travers de son projets
d’aménagement et de développement durable des enjeux globaux relatifs au climat urbain et à
l’îlot de chaleur, la mise en pratique sur le terrain n’est pas évidente.
Malgré tout, aujourd’hui, plusieurs outils sont à la disposition des collectivités territoriales.
C’est le cas notamment des ZAC, qui offrent une plus grande liberté pour les prescriptions
inscrites dans leur règlement et peuvent ainsi recommander des couleurs claires pour les
façades exposées au soleil et la mise en œuvre de toitures végétalisées. C’est également le cas
des agendas 21 locaux et des plans climats territoriaux, même si aujourd’hui peu d’entre eux
abordent les questions d’îlot de chaleur urbain ou, plus globalement, de climat urbain.
L’adaptation aux impacts du changement climatique, thème qui peut être abordé par les plans
climat comme les agendas 21, peut en effet permettre une meilleure compréhension de l’enjeu
du climat urbain. Ces plans et agendas permettent ainsi aux collectivités de s’engager dans
différentes actions pour favoriser une meilleure prise en compte du climat.
Le travail et les différentes actions autour des problématiques environnementales en général
ont ainsi permis de créer un terrain favorable à la prise en compte de questions plus précises
telles que l’îlot de chaleur urbain. De plus, les compétences des collectivités territoriales en
matière de gestion et d’entretien de nombreux bâtiments publics et de la voirie communale
offrent aux collectivités la possibilité d’occuper un rôle de premier plan en étant elles-mêmes
exemplaires.
Ainsi des moyens et des outils, avec leur portée et leurs limites, sont disponibles pour intégrer
dans la conception urbaine des critères permettant d’influer sur l’environnement climatique.
301
Ce travail de recherche a investigué des domaines de connaissance distincts que sont la
climatologie urbaine et l’urbanisme. Il s’inscrit ainsi dans un cadre pluridisciplinaire tendant à
créer une passerelle entre deux champs qui ont encore peu l’habitude de se côtoyer. Cette
thèse ne clôt pas la problématique des facteurs influençant le climat urbain et sur lesquels
l’homme peut agir au travers de l’aménagement des villes. Elle ouvre au contraire plusieurs
perspectives de recherche sur ce sujet.
La première perspective est directement liée à un choix de recherche : l'étude du bilan
d'énergie. Pour permettre une meilleure sensibilisation des politiques, comme des
aménageurs, des urbanistes, des architectes ou, plus simplement, des citoyens à l'influence de
certains facteurs sur le climat, il est nécessaire de présenter des résultats relatifs aux
températures. Des simulations utilisant Town Energy Balance en mode couplé avec un
modèle atmosphérique peuvent le permettre. Ce travail va être en partie effectué dans le cadre
d’un projet de recherche (EPICEA - Etude Pluridisciplinaire des Impacts du Changement
climatique à l’Echelle de l’Agglomération parisienne) réunissant Météo-France et le CSTB.
Ce projet s’appuiera, entre autres, sur les résultats issus du travail de recherche présenté ici.
L’objectif est dans un premier temps de modéliser, à partir d’une description de Paris avec un
maillage ayant une échelle de 250*250m, la situation durant la canicule de 2003. Ensuite, une
sélection de stratégies, permettant principalement de diminuer l’intensité de l’îlot de chaleur
urbain, sera effectuée à partir notamment des résultats des simulations présentées dans la
troisième partie de cette thèse. Leur simulation durant la vague de chaleur de 2003 permettra
d’analyser, pour une situation de canicule, la sensibilité du climat urbain à différents facteurs,
qui comprendront notamment la part d’espaces verts et l’albédo des surfaces.
Dans un deuxième temps, il serait également intéressant de connaître pour chaque ville les
possibilités effectives d’intervention compte tenu de son architecture, de sa forme urbaine,
etc., afin d’identifier les leviers stratégiques et pertinents. A ces caractéristiques « physiques »
s'ajoutent également des contraintes économiques et sociales qu'il serait intéressant
d'identifier puisqu'elles pourraient constituer un frein à la mise en œuvre efficace d’une
nouvelle politique attentive au climat. Inversement, ces différentes stratégies peuvent apporter
des bénéfices supplémentaires qu’il est possible de valoriser.
A ces perspectives, principalement du domaine des sciences physiques, s’ajoutent la nécessité
d’interroger d’autres domaines tels que la politique urbaine ou l’économie. En effet, la
question du climat urbain, pour être intégrer consciemment à la pratique de l’aménagement
302
urbain, doit devenir un enjeu politique. Cela nécessite de comprendre comment se crée une
nouvelle préoccupation, pourquoi les politiques portent un intérêt important à telle
problématique et un intérêt moindre à une autre. L’économie peut également aider, au même
titre que pour la diminution des rejets en gaz à effet de serre, à réfléchir sur la création d’outils
permettant de favoriser la mise en œuvre de différents leviers permettant d’agir sur le climat
urbain.
La question du climat urbain et plus particulièrement de l'îlot de chaleur s'inscrit dans le sujet
plus général de l'adaptation aux impacts des changements climatiques. Les collectivités
territoriales sont aujourd'hui en demande croissante de connaissances sur les impacts mais
également sur les moyens disponibles et les solutions locales à envisager.
Cette thèse a ainsi contribué à une meilleure compréhension de la capacité du milieu urbain à
appréhender certains impacts des changements climatiques.
303
304
Lexique
305
Absorption :
L'absorption signifie qu'une certaine quantité d'énergie (ou de
matière) issue d'un premier lieu a pénétré dans un second lieu qui
se l'est "approprié". Dans le cadre de la physique, "phénomène par
lequel une partie de l'énergie de rayonnements électromagnétique
ou corpusculaires est dissipée dans un milieu matériel" (Petit
Larousse Illustré, 1991).
Adaptation :
L’adaptation dans le cadre des changements climatiques consiste à
« faire évoluer les activités humaines et les écosystèmes afin de
limiter les dommages que pourront occasionner les changements
climatiques qui n’auront pu être évités et, dans quelques cas, de
saisir les opportunités créées par les évolutions favorables de
certaines régions ou secteurs d’activité » (ADEME, 2007)
Advection :
En météorologie, l'advection constitue le déplacement dans le sens
horizontal d'une masse d'air. En météorologie et en océanographie,
l'advection se réfère surtout au transport horizontal de certaines
propriétés par les fluides considérés donc le transport par le vent
ou les courants : advection de vapeur d'eau, de chaleur, de salinité,
etc.
Aérosol :
Un aérosol est une particule, solide ou liquide, en suspension dans
un milieu gazeux.
Albédo (ou
réflectance) :
L'albédo d'une surface correspond au rapport du rayonnement
solaire réfléchi par cette surface sur le rayonnement solaire
incident. Il est compris entre 0 et 1. Les surfaces qui ont un faible
albédo absorbent une part importante du rayonnement solaire
incident et deviennent plus chaude que les surfaces ayant un fort
albédo. La plupart des surfaces ayant un faible albédo sont de
couleur claire.
Canopée urbaine :
La canopée urbaine est une sous-couche atmosphérique
d’écoulement fortement perturbé. Elle correspond à la couche
atmosphérique située entre le sol et le niveau des toits.
Capacité thermique
d'un corps :
La capacité thermique (ou capacité calorifique) d’un matériau est
la quantité de chaleur mise en réserve lorsque sa température
augmente de 1°C. Elle se calcule en faisant le produit de la masse
par la chaleur spécifique du matériau (quantité de chaleur
nécessaire pour élever la température de l’unité de masse de 1°C).
La capacité thermique permet de quantifier la possibilité qu’a un
corps d’absorber ou de restituer de l’énergie par échange
thermique au cours d’une transformation pendant laquelle sa
température varie. Plus elle est grande, plus la quantité de chaleur à
apporter à un matériau pour élever sa température est grande.
306
Chaleur latente :
La chaleur latente, ou enthalpie de changement d'état (molaire ou
massique) correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité
de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour
qu'il change d'état, cette transformation ayant lieu à pression
constante.
Chaleur sensible :
La chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée, sans
transition de phase, entre deux corps. Elle est qualifiée de
"sensible" parce que cet échange de chaleur sans changement de
phase change la température du corps , effet qui peut être ressenti
ou mesuré par un observateur.
Climat :
Le climat est l'ensemble des phénomènes météorologiques
(température, pression, vents, précipitations) qui caractérisent l’état
moyen de l’atmosphère et son évolution en un lieu donné (Petit
Larousse Illustré de 1991).
Coefficient d’emprise
au sol (CES) :
Le CES correspond à la fraction de l'emprise au sol du bâti sur la
surface de l’îlot, de la parcelle, ou encore du quartier.
Coefficient
d’occupation des sols :
Le coefficient d'occupation des sols (COS) détermine la densité de
construction admise sur une propriété foncière en fonction de la
superficie du terrain. Le COS fixe donc la densité maximale de
construction autorisée sur un terrain. En multipliant ce coefficient
par la surface du terrain, on obtient la Surface Hors Œuvre Nette
(SHON) constructible, c'est-à-dire la surface de plancher
constructible.
Compacité :
Le facteur de compacité est le rapport de la surface d’enveloppe
extérieure au volume total (chauffé) des bâtiments.
Conduction :
La conduction est le processus de transfert de chaleur à l'intérieur
d'un matériau solide allant des molécules les plus chaudes vers les
molécules les plus froides. Les molécules de n'importe quel
matériau vibrent et cette vibration devient plus vigoureuse quand la
température de la substance augmente. Le flux de chaleur
conductif est causé par le transfert d'énergie de des molécules
chaudes à forte vibration vers les molécules plus froides. De cette
façon, le transfert de l'énergie cinétique de la vibration est converti
en chaleur. La conduction thermique au sein des bâtiments
correspond au processus de transfert de chaleur à travers des
matériaux solides (murs, toits) et ce du coté le plus chaud de
l'élément vers celui le plus froid. Son importance dépend de la
conductivité du matériau et de l'épaisseur de l'élément considéré.
Conductivité
thermique :
La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant
le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par
conduction. Elle représente la quantité de chaleur transférée par
unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de
température
307
Convection :
En météorologie, la convection constitue le déplacement vertical
de l'air et est souvent d'origine thermique ou lié au relief. Plus
généralement, la convection est le mouvement d'un fluide, avec
transport de chaleur, du fait d'un différentiel de températures. La
convection est un transfert de chaleur par le biais d'un fluide
(comme l'air). L'échange de chaleur convectif arrive dans diverses
situations, quand la chaleur est transférée de la surface d'un solide
à l'air adjacent, et vis et versa, ou quand la chaleur est transférée
entre deux surfaces de températures différentes par le moyen d'un
flux d'air. La convection peut être causée, par exemple, par des
différences de température et/ou forcée le mouvement de l'air par
le vent.
Dépression :
En météorologie, la dépression est une masse atmosphérique sous
basse pression et qui est le siège de mouvements ascendants ; en
physique, pression inférieure à celle du milieu environnant.
Diffusion :
La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme
la lumière ou le rayonnement solaire, est dévié dans de multiples
directions par une interaction avec d'autres objets. La diffusion
peut avoir lieu à la rencontre d'une interface entre deux milieux
(dioptre), ou à la traversée d'un milieu (cas de la décomposition de
la lumière par un prisme ou effet de l'arc-en-ciel).
Diffusivité thermique :
La diffusivité représente la vitesse de pénétration et atténuation
d'une onde thermique dans un milieu. Physiquement, la diffusivité
thermique est la capacité d'un matériau à imposer sa température
au milieu extérieur.
durée d'insolation :
La durée d’insolation désigne la somme des intervalles de temps
durant lesquels un objet, un lieu est soumis à une insolation au
cours d’une période donnée que l’on choisit, sauf indication
contraire, comme égalant un jour entier, soit 24 heures à partir de
minuit. Il ne faut pas la confondre avec la durée géographique
d’insolation appelée également durée topographique d’insolation
qui correspond aux lever et coucher de soleil. (Météo-France)
Ecologie :
Le terme écologie vient du grec oikos (qui signifie la maison,
l’habitat) et logos (qui signifie la science, la connaissance). C’est
donc, étymologiquement parlant, la science de la maison, de
l'habitat. Cependant, lorsque Haeckel, biologiste allemand partisan
de la théorie de l’évolution de Darwin, invente en 1866 le mot
écologie, il désigne par ce terme « la science des relations des
organismes avec le monde environnant, c'est à dire, dans un sens
large, la science des conditions d'existence ». L’usage et les
définitions d’un mot évoluant toujours, aujourd’hui une définition
souvent admise de l'écologie est la « science qui étudie les
relations des êtres vivants entre eux et avec leur milieu. ». C’est
celle, par exemple, que l’on trouve dans le petit Larousse illustré
de 1991.
308
Ecosystème:
Le terme écosystème a été formulé en 1935 par A.G. Tansley, par
contraction de l'expression anglaise « ecological system ». En
écologie, l’écosystème correspond à l’ensemble formé par une
communauté d’êtres vivants (la biocénose) et son environnement
physique (le biotope). Un réseau d’interdépendance se crée entre
les différents éléments constitutifs de l’écosystème et permet ainsi
le développement puis le maintien de la vie. Il existe de
nombreuses sortes d’écosystèmes : forestier, montagneux,
aquatiques, marin, regroupés dans la biosphère (ensemble des
organismes vivants, végétaux et animaux). L’écosystème, qui
désigne avant tout un système naturel, tend à évoluer vers un état
stable. Ceci n’exclut pas l’évolution de l’écosystème ou son
adaptation au gré des contextes écologiques et physico-chimiques
auquel il peut être soumis. Si le système évolue vers un état moins
stable, on parle alors de régression écologique.
Emissivité :
L'émissivité d'une surface est le rapport de l'énergie qu'elle
rayonne par celle qu'un corps noir rayonnerait à la même
température. C'est donc une mesure de la capacité d'un corps à
absorber et à réémettre l'énergie rayonnée. Dans le cas du corps
noir, qui absorbe et réémet toute l'énergie, ε = 1. Et pour un corps
quelconque, de température uniforme, on aura ε < 1. Un objet
d'émissivité faible, en particulier un objet ayant une surface
métallique constitue un bon isolant au rayonnement thermique. En
effet, de même qu'ils stoppent les rayonnements radiofréquences,
les bons conducteurs stoppent le rayonnement infrarouge. Elle
dépend de plusieurs facteurs : la température, la direction du
rayonnement, et sa longueur d'onde. On suppose parfois, par
commodité de calcul, qu'elle ne dépend pas de cette longueur
d'onde. C'est l'approximation dite du corps gris.
Energie cinétique :
L'énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de
son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail
nécessaire pour faire passer le dit corps du repos à son mouvement
de translation ou de rotation.
Evaporation :
L'évaporation est le passage progressif de l'état liquide à l'état
gazeux, sans ébullition.
Evapotranspiration :
L'évapotranspiration correspond à l'ensemble des phénomènes
d’évaporation de l’eau du sol et des nappes liquides, et de
transpiration des végétaux. Elle participe au sein du bilan d'énergie
au flux de chaleur latente.
Facteur de vue du ciel : Le facteur de vue du ciel est la mesure de l'angle solide de vue du
ciel depuis un espace urbain. Il est une mesure de l'ouverture vers
le ciel d'une texture urbaine et a une influence sur divers
phénomènes climatologiques tels que l'îlot de chaleur urbain,
l'éclairage naturel et l'absorption de chaleur.
309
Force de friction :
La force de friction est la force de résistance au glissement d’un
objet au contact de l’autre.
Force de trainée :
La force de traînée est une force qui s'oppose au mouvement du
corps et c'est le travail de cette force qui entraîne une
consommation d'énergie.
Humidité absolue :
L'humidité absolue est définie pour l'air humide (ou d'autres gaz)
comme sa teneur en vapeur d'eau. Il s’exprime couramment
comme la masse de vapeur d'eau en kg par kg d'air sec (l'air sec
correspondant à l'air débarrassé de toute son eau).
Humidité relative :
L'humidité relative de l'air (ou degré d'hygrométrie) correspond au
rapport de la pression partielle de vapeur d'eau contenue dans l'air,
Pvap, sur la pression de vapeur saturante ou tension de vapeur à la
même température Psat.
Hydrostatique :
L’hydrostatique est liée à l’équilibre des liquides. Etude des
conditions d’équilibre des liquides ou Partie de la mécanique ou de
la physique qui traite de l'équilibre des liquides et des pressions
qu'ils exercent.
Ilot de chaleur urbain : Pour se représenter le fait que la température est souvent plus
élevée en milieu urbain qu’au sein du milieu rural voisin, le
concept d’« îlot de chaleur urbain » a été proposé. Cette notion
d’îlot traduit un phénomène homogène peu représentatif de la
réalité. En effet, le climat urbain et plus particulièrement l’îlot de
chaleur urbain s’apparente beaucoup plus à un archipel avec
différents quartiers chauds plus qu’à une couche uniforme
(Rosenzweig et al., 2005), ce qui est par ailleurs plus en accord
avec la complexité et la diversité des environnements urbains.
Inertie thermique :
L’inertie thermique est la capacité d’un corps à stocker de la
chaleur et se caractérise par la capacité thermique. L’inertie
contribue en règle générale au confort de l’habitation en atténuant
les variations des pointes de températures.
Insolation :
L'insolation est l'action des rayons du soleil qui frappent un objet.
En météorologie, synonyme d'ensoleillement, c'est-à-dire temps
pendant lequel un lieu est ensoleillé.
Locale (échelle) :
L’échelle locale (102 à 5x104m) correspond à l’échelle pour
laquelle sont conçues les stations météorologiques, c'est-à-dire que
les caractéristiques de la zone étudiée, comme la topographie, sont
prises en compte mais pas les effets micro. Dans le cas d’une zone
urbaine, l’échelle locale correspond à un quartier pour lequel il
peut être trouvé une unité dans le développement urbain (unité
architecturale, taille et espacement des bâtiments, activités, etc.).
310
Loi de StefanBoltzmann :
En physique, la loi de Stefan-Boltzmann (ou loi de Stefan) établit
que la puissance totale rayonnée par unité de surface dans le demiespace libre du corps noir s'exprime par la formule suivante : m =
σ T4, où σ est la constante de Stefan-Boltzmann (aussi appelée
constante de Stefan).
Longueur de rugosité :
Des mouvements turbulents et inhomogènes se créent au sein de ce
que l’on nomme la sous-couche rugueuse et dont l’épaisseur est
caractérisée par la « longueur de rugosité » z0, appelée également
rugosité par abus de langage. Cette longueur dépend du type de
surface et varie de 5.10-3 m pour la mer à plus de 1m pour les
milieux très rugueux comme une forêt ou une zone urbaine.
Masse d’air :
La masse d'air est un ensemble de particules d’air ayant une
température et une humidité qui leur sont propres au moins
pendant un certain intervalle de temps.
Micro (échelle) :
La micro-échelle (10-2 à 103 m) permet de distinguer le
microclimat qui existe au niveau d’un bâtiment, d’une rue, d’un
arbre, d’une cour, etc. En effet, à faible distance il peut être
observé des différences de températures de quelques degrés et le
flux d’air est également perturbé par le moindre objet.
Meso (échelle) :
La méso-échelle (104 à 2x105m) correspond à la zone influencée
par exemple par la présence d’une agglomération.
Morphologie urbaine :
La morphologie urbaine est la répartition spatiale des bâtiments,
leur élévation, la forme et l’orientation du réseau de rues. Forme
tridimensionnelle d'un groupe de bâtiments ainsi que des espaces
qu'ils créent.
Noyau de
condensation :
Un noyau de condensation est une particule solide ou liquide de
très petite taille, flottant au sein de l’atmosphère, et sur laquelle
peuvent s'accumuler des gouttelettes d'eau par changement de
phase de la vapeur d'eau environnante qui se transforme en eau
liquide par condensation.
Opposable :
Le caractère opposable "se dit d'un acte juridique ou d'un jugement
dont les tiers doivent tenir compte" (Petit Larousse, 1991).
Pluviométrie :
La pluviométrie est la répartition des pluies dans l'espace et dans
les temps.
Pression de vapeur :
La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'eau
d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.
Lorsque le système est à l'équilibre (les proportions relatives de
gaz et liquide ou solide ne varient pas), la pression de vapeur est
dite « saturante ».
Prospect :
Le prospect est la hauteur des bâtiments sur la largeur de la rue.
311
Quantité de
mouvement :
En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique
associée à la vitesse et à la masse d'un objet.
Rayonnement :
Le rayonnement est un mode de propagation de l'énergie sous
forme d'ondes ou de particules, et ensemble des radiations émises
par un corps.
Réflectance :
cf. albédo.
Résistance thermique :
La résistance thermique permet de quantifier le pouvoir isolant des
matériaux pour une épaisseur donnée. Elle s’exprime en K.m2.K-1.
Ainsi une paroi est d’autant plus isolante que sa résistance
thermique est élevée. R = e/λ = Σ ei/λi avec R = résistance
thermique (K.m2.K-1), e = épaisseur de la paroi (m), λ =
conductivité thermique (W.m-1.K-1). S’il y a plusieurs couches, la
résistance de la paroi vaut la somme des résistances de chacune de
ces couches.
Servitude d'utilité
publique :
Les servitudes utilité publique sont des servitudes administratives
qui doivent être annexées au plan local d'urbanisme conformément
à l'article L126-1 du Code de l'urbanisme français. Ces servitudes
se répartissent en quatre catégories :
• servitudes de protection du patrimoine (monuments
historiques et sites)
• servitudes relatives à l'utilisation de certaines ressources et
équipements
• servitudes relatives à la défense nationale
• servitudes liées à la salubrité et à la sécurité publique
(surfaces submersibles, plans de prévention des risques,
protection autour des mines et carrières).
Leur liste figure à l’article R. 126-1 du Code de l'urbanisme.
Substratum :
Le substratum représente la surface terrestre : sols, végétation,
surface en eau, etc.
312
Système :
L'approche-système permet de schématiser et simplifier un
ensemble complexe (ville, espace naturel, industrie, projet, etc.) et
d'aboutir à une forme de modélisation permettant de mieux le
comprendre, d’anticiper sa réaction et parfois d'agir sur lui. D’un
point de vue structurel, les composants suivants peuvent être
distingués au sein d’un système : Les éléments constitutifs (on peut
en évaluer le nombre et la nature, même si ce n’est
qu’approximativement et ils sont plus ou moins homogènes.) ; une
limite (ou frontière) qui sépare la totalité des éléments de son
environnement (cette limite est toujours plus ou moins perméable
et constitue une interface avec le milieu extérieur) ; des réseaux de
relations (les relations peuvent être de toutes sortes et les deux
principaux types de relations sont : les transports et les
communications) ; des stocks (ou réservoirs, où sont entreposés les
matériaux, l’énergie ou l’information constituant les ressources du
système qui doivent être transmises ou réceptionnées). Les
systèmes peuvent être ouverts ou fermés. Les systèmes ouverts
échangent avec leur environnement alors que les systèmes fermés
jouissent d’une plus grande autonomie (auto-organisation).
Evidemment, la réalité n’est pas si tranchée et aucun système n’est
complètement fermé ou ouvert.
Télédétection :
La télédétection désigne, dans son acception la plus large, la
mesure ou l'acquisition d'informations sur un objet ou un
phénomène, par l'intermédiaire d'un instrument de mesure n'ayant
pas de contact avec l'objet étudié. C'est l'utilisation à distance (par
exemple, d'un avion, d'un engin spatial, d'un satellite ou encore
d'un bateau) de n'importe quel type d'instrument permettant
l'acquisition d'informations sur l'environnement. On fait souvent
appel à des instruments tels qu' appareils photographiques, lasers,
radars, sonars, sismographes ou gravimètres. La télédétection
moderne intègre normalement des traitements numériques mais
peut tout aussi bien utiliser des méthodes non numériques.
Thermographie :
La thermographie est une technique d'enregistrement graphique
des températures de divers points d'un corps par détection du
rayonnement infrarouge qu'il émet. Cette technique est utilisée en
télédétection.
Toit réfléchissant ou
"cool roof" :
Le toit réfléchissant est un système de toit qui possède une
réflectance (ou albédo) élevée (habilité à réfléchir le rayonnement
visible, infrarouge et ultraviolet du soleil et réduisant les transferts
de chaleur vers le bâtiment) et une émissivité thermique élevée
(capacité à rejeter une part importante de l'énergie solaire absorbé
ou non réfléchi).
313
Urbanisme
opérationnel :
L’urbanisme opérationnel concerne les opérations d’aménagement
(comme les zones d’aménagement concerté ou les lotissements),
les outils de financement, ou encore les outils de maîtrise foncière
(comme le droit de préemption urbain ou la zone d’aménagement
différé).
Urbanisme
réglementaire :
L’urbanisme réglementaire détermine, en respectant le droit de
l’urbanisme, l’affectation des espaces à travers des plans
d’urbanisme et assure le contrôle de ces affectations au travers de
différentes procédures d’autorisation (permis de construire
notamment). Les principaux documents sont le schéma de
cohérence territoriale, le plan local d’urbanisme et la carte
communale.
314
Bibliographie
315
ABRAHAM, B. FARKH, S. FONTAN, J. MANGILI, S. LEGUILLON, F. LEJEUNE? C.
RUOT, B. Recensement des techniques d’enveloppe dans le bâti d’habitation ancien. CSTB,
novembre 2007, 87 p.
ACKERMAN, B. CHANGNON, S.A. DZURISIN, G. et al. Summary of METROMEX,
volume 2: Causes of Precipitation Anomalies. Illinois State Water Survey, Urbana, Bulletin
63, 1978.
ADEME. Approche Environnementale sur l’Urbanisme, Pour une prise en compte de
l’environnement dans les opérations d’aménagement, l’AEU en 5 questions. Dispositif de
formation Interrégional Grand Ouest, 1ère journée de sensibilisation, Nantes, 1er juillet 2003
[réf.
du
17
juillet
2008],
12
p.
Disponible
sur :
http://www.ademe.fr/paysdelaloire/downloads/AEU_synth5questions.doc
ADEME. Inscription de critères environnementaux dans les documents d’urbanisme et dans
les documents contractuels des opérations d’aménagement. Synthèse des exposés et débats de
la journée d’étude organisée par l’ADEME, Délégation Régionale des Pays de la Loire,
Nantes,
15
juin
2006
[réf.
du
17
juillet
2008],
21
p.
Disponible
sur :
http://www.ademe.fr/paysdelaloire/downloads/dge/aeu/atelier_juridique_urbanisme_1506200
6.pdf
ADEME. Gestion du risque climatique et adaptation aux changements. Ademe et vous –
Recherche, n°1, 25 juillet 2007 [réf. du 10 octobre 2008], 6 p. Disponible sur :
http://www2.ademe.fr
ADOLPHE, L. CHATELET, A. AIT AMEUR, K. et al. SAGACités, Système d’Aide à la
Gestion des Ambiances urbaines, Rapport final. MENRT, Action Concertée Incitative Ville,
février 2002.
AGENCE NATIONALE POUR L’AMELIORATION DE L’HABITAT. MINISTERE DE
L’URBANISME ET DU LOGEMENT. Habitat ancien : Guide du diagnostic des structures.
Paris : Agence Nationale pour l’Amélioration de l’Habitat et Ministère de l’Urbanisme et du
Logement, 1984, 201 p.
AIDA, Masaru. GOTOH, Kiyoshi. Urban albedo as a function of the urban structure – a twodimensional numerical simulation. Boundary-Layer Meteorology, vol.23, n°4, 1982, p.415424.
AKBARI, H. POMERANTZ, M. TAHA, H. Cool surfaces and shade trees to reduce energy
use and improve air quality in urban areas. Solar Energy, vol.70, n°3, 2001, p. 295–310.
AKBARI, H. BRETZ, S. KURN, D.M., HANFORD, J. Peak power and cooling energy
savings of high-albedo roofs. Energy and Buildings, vol.25, 1997, p.117-126.
316
AKBARI, H. POMERANTZ, M. TAHA, H. Cool surfaces and shade trees to reduce energy
use and improve air quality in urban areas. Solar Energy, vol.70, n°3, 2001, p. 295-310.
ALCOFORADO, Maria João. Planning procedures towards high climatic quality cities.
Example referring to Lisbon. Finisterra, vol. XLI, n°82, 2006, p. 49-64.
ALCOFORADO, Maria João. LOPES, Antonio. ANDRADE, Henrique. VASCONCELOS,
João. VIERA, Rute. Climatic guidelines for urban planning in Lisbon. In: Sixth International
Conference on Urban Climate, Göteborg, Suède, 12-16 juin, 2006.
ALI TOUDERT, Fazia. Dependence of outdoor thermal comfort on street design in hot and
dry climate. Berichte des Meteorologischen Institutes des Universität Freiburg, Rreiburg,
Allemagne, novembre 2005, 224 p.
ALLAIN, Rémy. Morphologie urbaine – Géographie, aménagement et architecture de la
ville. Paris : Armand Colin, 2004, 254p. (Collection U)
AMAT-ROZE, J.M. Les sociétés humaines et leur environnement face aux risques
climatiques. Médecine et Maladies Infectieuses, vol.29, 1999, p.277-284.
ARNFIELD, A.J. Street design and urban canyon solar access. Energy and Buildings, vol.14,
n°2, 1990, p. 117-131.
ARTIS, David A. CARNAHAN, Walter H. Survey of emissivity variability in thermography
of urban areas. Remote sensing of environment, vol.12, 1982, p. 313-329.
ASAEDA, Takashi. CA, Vu Thanh. WAKE, Akio. Heat storage of pavement and its effect on
the lower atmosphere. Atmospheric Environment, vol.30, n°3, 1996, p. 413-427.
ASCHER, François. Les nouveaux principes de l’urbanisme. Editions de l’Aube, 2004, 103 p.
(collection l’Aube poche essai)
ATELIER PARISIEN D’URBANISME. L’évolution de la population de Paris. Tome 1: Évolutions
1954-1999. Paris : Atelier Parisien d’Urbanisme, décembre 2001 [réf. du 10 octobre 2008], 53 p.
Disponible sur : http://www.apur.org/
ATELIER PARISIEN D’URBANISME. La densité, un bon outil pour connaître Paris ? Notes
de 4 pages [en ligne]. mars 2002, n°4 [réf. du 10 octobre 2008], 4 p. Disponible sur :
http://www.apur.org/
ATELIER PARISIEN D’URBANISME. Développer le végétal à Paris, les nouvelles règles
du Plan local d’urbanisme de Paris. Notes de 4 pages [en ligne]. octobre 2004, n°13, [réf. du
10 octobre 2008], 4p. Disponible sur : http://www.apur.org/
ATELIER PARISIEN D’URBANISME. Consommation d’énergie et émissions de gaz à effet
de serre liées au chauffage des résidences principales parisiennes. Paris : Atelier Parisien
d’Urbanisme, décembre 2007, 46 p.
317
ATKINSON, B.W. The effect of an urban area on the precipitation from a moving
thunderstorm. Journal of Applied Meteorology, vol.10, n°1, 1971, p. 47-55.
AUER, Jr. A.H. Correlation of land use and cover with meteorological anomalies. Journal of
Applied Meteorology, vol.17, 1978, p. 636-643.
BAKLANOV, A. MESTAYER, P. CLAPPIER, A. ZILITINKEVITCH, S. JOFFRE, S.
MAHURA, A. NIELSEN, N.W. On the parameterisation of the urban atmospheric sublayer in
meteorological models. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, vol.5, 2005, p.
12119-12176.
BARLES, Sabine. Le métabolisme de Paris et de la région Ile-de-France. In : Mairie de Paris
(éd), Paris sous l’œil des chercheurs. Paris : Belin, 2007, 206 p.
BAUMÜLLER, J. HOFFMAN, U. REUTER, U. Climate booklet for urban development.
References for zoning and planning. Baden-Württemberg Innenministerium, 2005 [réf. du 29
mars 2008], 380 p. Disponible sur : http://www.staedtebauliche-klimafibel.de/
BEAUGRAND, Grégory. Un réchauffement inquiétant. TDC, n°906, 15 au 31 décembre
2005.
BELZITI, Daniela. SOUAMI, Taoufik. Rapport de l’activité 6 : Impacts sur les documents
d’urbanisme – Projet RIVES, protection du territoire des risques naturels. CSTB, 2007, 184
p.
BENZERZOUR, Mohamed. Transformations urbaines et variations du microclimat :
application au centre ancien de Nantes et proposition d’un indicateur « morpho-climatique ».
Thèse : sciences pour l’Ingénieur, option architecture, Ecole d’Architecture de Nantes, 2004,
325 p.
BERNATZKY, Aloys. The contribution of trees and green spaces to a town climate. Energy
and Buildings, vol.5, 1982, p. 1-10.
BERRIER, Hervé. Enjeux et modalités du renforcement de la réglementation thermique de la
construction en France. In : JOURNEES DE L’EQUIPEMENT(éd.), Table ronde sur la
construction, performances énergétiques des bâtiments, Varsovie, 16 et 17 mars 2000 [réf. du
9
février
2008],
30
p.
Disponible
sur :
http://www2.urbanisme.equipement.gouv.fr/cdu/texteintegral/journeesequipement/constructio
n.rtf,
BERTRAND, François. LARRUE, Corinne. Gestion territoriale du changement climatique,
une analyse à partir des politiques régionales. Rapport final, volume 1, synthèse, programme
GICC-2. Laboratoire Ville-Société-Territoire, UMR CITERES 6173, Université de Tours,
juillet 2007, 64p.
318
BESANCENOT, Jean-Pierre. Incidences possibles du réchauffement climatique sur la santé
en France métropolitaine et dans les DOM-TOM au XXIe siècle. In : PREMIER MINISTRE,
MINISTERE DE L’AMENAGEMENT DU TERRITOIRE ET DE L’ENVIRONNEMENT.
Impacts potentiels du changement climatique en France, 1999 [réf. du 19 juin 1999].
Disponible sur : http://www.agora21.org/mies/chan-clim.html
BESANCENOT, J.P. Vagues de chaleur et mortalité dans les grandes agglomérations
urbaines. Environnement, Risques et Santé, septembre–octobre 2002, vol.1, n°4, p. 229-240.
BEST, Martin. BETTS, Richard. The impact of climate change on our cities. The impact of
climate change on our cities [en ligne]. 2004 [réf. du 10 octobre 2006]. Disponible sur ::
http://ams.confex.com/ams/84Annual/techprogram/paper_74035.htm
BITAN, A. The methodology of applied climatology in planning and building. Energy and
Buildings, vol.11, n°1-3, 1988, p. 1-10.
BITAN, Arieh. The high climatic city of the future. Atmospheric Environment, vol.26B, n°3,
1992, p. 313-329.
BONAN, Gordon. Ecological climatology – concepts and applications. Cambridge University
Press, 2002, 678 p.
BONELLO, Yves-Henri. La ville. 2e éd. Paris : Presse Universitaire de France, 1998, 125 p.
(Que sais-je ?)
BOONE, Aaron. Modélisation des processus hydrologiques dans le schéma de surface ISBA :
Inclusion d'un réservoir hydrologique, du gel et modélisation de la neige. Thèse : hydrologie
et météorologie, Toulouse III (Paul Sabatier), 2000, 236 p.
BORNSTEIN, R.D. Observation of the urban heat island in New-York city. Journal of
Applied Meteorology, vol.7, 1968, p. 575-582.
BORNSTEIN, Robert. LIN, Qinglu. Urban heat islands and summertime convective
thunderstorms in Atlanta: Three case studies. Atmospheric Environment, vol. 34, n°3, 2000, p.
507-516.
BOSSEL, Hartmut. Indicators for Sustainable Development: Theory, Method, Applications. A
Report to the Balaton Group. Winnipeg (Canada): International Institute for Sustainable
Development, 1999, 125 p.
BOZONNET, Emmanuel. Impact des microclimats urbains sur la demande énergétique des
bâtiments – Cas de la rue canyon. Thèse : Génie Civil, La Rochelle, 2005, 175 p.
BRAHAM, Roscoe R. DUNGEY, Maureen J. A study of urban effects on radar first echoes.
Journal of Applied Meteorology, vol.17, 1978, p. 644-654.
319
BRANDT, Karsten. Does an « ideal » urban climate exist? In: Sixth International Conference
on Urban Climate, Göteborg, Suède, 12-16 juin 2006.
BRESSOL, Elyane. Les enjeux de l’après Kyoto. Paris : Conseil Economique et Social, 2006,
84 p.
BREST, Jean-Pierre. Réflexion sur la maîtrise de la climatisation dans le bâtiment [en ligne].
29 juillet 2004, [réf. du 24 mai 2007]. Disponible sur : http://www.ingenieur-tpe.net/
BRETZ, S.E. AKBARI, H. Long-term performance of high albedo roof coatings. Energy and
Buildings, vol.25, 1997, p. 159-167.
BRIDGMAN, H. WARNER, R. DODSON, J. Urban Biophysical Environments. Oxford:
Oxford University Press, 1995, 166 p.
BRODACH, Ari. GOFFI, Mélanie. La politique de la ville : une trajectoire de développement
urbain durable ? Développement Durable & Territoires [en ligne]. 17 nov. 2005. [réf. du 10
octobre 2008]. Disponible sur : http://developpementdurable.revues.org/document1493.html
BULLETIN EUROPEEN DU MONITEUR. Le développement urbain durable dans la
politique régionale européenne de 2007 à 2013. Bulletin Européen du Moniteur, 9 janvier
2006, n°749, p. 13-18.
BRUSE, Michael. Simulating microscale climate interactions in complex terrain with a highresolution numerical model: A case study for the Sydney CBD Area (Model Description). In:
Proceedings International Conference on Urban Climatology and International Congress of
Biometeorology, Sydney, Australia, 8-1. Novembre 1999, 6 p.
BRUSE, Michael. ENVI-met V3.0, a microscale urban model. IAUC Newsletter [en ligne].
juin 2004, n°5, [réf. du 10 octobre 2006], p. 2-4. Disponible sur : http://www.urbanclimate.org/
BUECHLEY, Robert W. VAN BRUGGEN, John. TRUPPI, Lawrence E. Heat island = Death
island? Environmental research, vol. 5, 1972, p. 85-92.
CANTAT, Olivier. Influence de l’urbanisation sur le climat de l’agglomération parisienne,
physio-géo, n°16, 1986, p. 25-40.
CANTAT, Olivier. Télédétection spatiale et microclimats – Le cas de la région Ile-deFrance. Institut d'aménagement et d'Urbanisme de la Région Ile de France (IAURIF), 1987,
190 p.
CANTAT, Olivier. L’incidence des gradients thermiques de surface sur les précipitations en
Ile-de-France. Les apports de la télédétection spatiale de surface. Physio-Géo., 1989, n°19, p.
15-25.
320
CANTAT, Olivier. Conséquences climatiques des variations du bilan d’énergie en région
parisienne. Géographie physique et environnement, 1993, n°1, p. 19-36.
CANTAT, Olivier. L’îlot de chaleur urbain parisien selon les types de temps. Norois, 2004,
n°191, p.75-102.
CERTU. Prendre en compte le développement durable dans un projet, guide d’utilisation de
la grille RST02. CERTU, 2006, septembre 2006, 71 p.
CHALINE, Claude. Les étapes d’un interface complexe entre ville et environnement. In :
WACKERMANN, Gabriel (éd.), Ville et environnement. Paris : Ellipses, 2005, 400 p.
(collection Carrefours)
CHANDLER. Absolute and relative humidities in towns. Bulletin of the American
Meteorological Society, n°48, 1967, p. 394-399.
CHANGNON, Stanley A. HUFF, Floyd A. SEMONIN, Richard G. METROMEX: an
investigation of inadvertent weather modification. Bulletin American Meteorological Society,
vol.52, n°10, octobre 1971, p.958-967.
CHANGNON, S.A. SEMONIN, R.G. HUFF, F.A. A hypothesis for urban rainfall anomalies.
Journal of Applied Meteorology, vol.15, 1976, p. 544-560.
CHANGNON, Stanley A. HUFF, Floyd A. SCHICKEDANZ, Paul T. VOGEL, John L.
Summary of METROMEX, volume 1: Weather Anomalies and Impacts. Illinois State Water
Survey, Urbana, Bulletin 62, 1977.
CHANGNON, Stanley A. Inadvertent weather modification in urban areas: Lessons for global
climate change. Bulletin of the American Meteorological Society, vol.73, n°5, 1992, p. 619627.
CHARLOT-VALDIEU, Catherine. OUTREQUIN, Philippe. La ville et le développement
durable. Cahier du CSTB, n°3106, février 1999.
CHARLOT-VALDIEU, Catherine. EMELIANOFF, Cyria. OUTREQUIN, Philippe. Le
développement durable urbain et l’agenda 21 local : évolution des documents d’urbanisme et
de l’approche quartier. Cahier du CSTB, n°3331, avril 2001.
CHATELET, A. FERNANDEZ, P. LAVIGNE, P. Architecture climatique. Aix-en-Provence :
Edisud, 1998, tome 2, 159 p.
CHATZIDIMITRIOU, Angeliki. CHRISSOMALLIDOU, Niobe. YANNAS, Simos. Ground
surface materials and microclimates in urban open spaces. In: PLEA2006, The 23rd
Conference on Passive and Low Energy Architecture, Genève, Suisse, 6-8 septembre 2006.
321
CHERY, Vincent. Inondations : quels risques pour l’agglomération parisienne ? Les annales
des Mines – réalités industrielles : L’Ile de France, Logistique et Sécurité pour une région de
11 millions d’habitants, mai 2000, p. 73-79.
CHIMKLAI, Parichart. HAGISHIMA, Aya. TANIMOTO, Jun. A computer system to support
Albedo Calculation in urban areas. Building and Environment, vol.39, 2004, p. 1213-1221.
CHIRKOV, Vadim Anthropogenic Heating of the Atmosphere. Anthropogenic Heat [en
ligne].
2003,
[réf.
du
10
octobre
2008].
Disponible
sur :
http://www.iiasa.ac.at/Research/TNT/WEB/heat/
CHRISTEN, A. VOGT, R. ROTACH, M.W. Profile measurements of selected turbulence
characteristics over different urban surfaces. In: Actes du 4th International Conference on
Urban Air Quality, Prague, 25-27 mars 2003, p. 408-411.
CHUINE, Isabelle. SEGUIN, Bernard. Système d’Information Phénologique pour l’Etude et
la Gestion des Changement Climatiques. Rapport annuel d’activité du GDR. 2006, 48p.
CICEK, I. TURKOGLU, N. Urban effects on precipitation in Ankara. Atmosfera, vol.18, n°3,
2005, p. 173-187.
CHUINE, Isabelle. YIOU, Pascal. VIOVY, Nicolas. SEGUIN, Bernard. DAUX, Valérie. LE
ROY LADURIE, Emmanuel. Historical phenology: Grape ripening as a past climate
indicator. Nature, n°432, Novembre 2004, p. 289-290.
CLERGEAU,
Philippe.
CROCI,
Solène.
2006.
L'urbanisation
induit-elle
une
homogénéisation de l'avifaune ? In : Colloque du Musée National d'Histoire Naturelle « Le
réveil du Dodo », Paris, 7-9 mars 2006.
CLERGEAU, Philippe. SAVARD, Jean-Pierre L. MENNECHEZ, Gwenalle. FALARDEAU,
Gilles. Bird abundance and diversity along an urban-rural gradient: a comparative study
between two cities on different continents. The Condor, vol. 100, n°3, août 1998, p. 413-425.
CLUZEL, Denis. Habitat et santé : la maison milieu de vie. Annales de l’Institut Technique du
Bâtiment et des Travaux Publics, n°449, novembre 1986, p. 53-76.
COMINSKY, R.J. HUBER, G.A. KENNEDY, T.W. ANDERSON, M. The Superpave Mix
Design Manual for New Construction and Overlays. SHRP-A-407, National Research
Council, Washington, DC, 1994.
CRICHTON, David. Role of Insurance in Reducing Flood Risk. The Geneva Papers, vol. 33,
2008, p. 117–132
CROS, B. DURAND, P. CACHIER, H. DROBINSKI, Ph. FREJAFON, E. KOTTMEIER, C.
PERROS, P.E. PEUCH, V.-H. PONCHE, J.-L. ROBIN, D. SAID, F. TOUPANCE, G.
322
WORTHMAN, H. The ESCOMPTE program: an overview. Atmospheric Research, n°69,
2004, p. 241-279.
CRUTZEN, Paul J. New directions: The growing urban heat and pollution « island » effect –
impact on chemistry and climate. Atmospheric Environment, vol. 38, 2004, p. 3539-3540.
DAGORNE, Andrée. DARS, René. Les risques naturels. 2e éd. Paris : Presses Universitaires
de France, 2001, 129 p. (Que sais-je ?)
DAVENPORT, A.G. GRIMMOND, C.S.B. OKE, T.R. WIERINGA, J. Estimating the
roughness of cities and sheltered country. In: Proceedings of the 12th Conference on Applied
Climatology, American Meteorological Society, Boston, USA, 2000, p. 96-99.
DE PARCEVAUX, Sané. HUBERT, Laurent. Bioclimatologie, concepts et applications.
Éditions Quae, 2007, 336 p.
DESJARDINS, Xavier. Le Grenelle de l’environnement face à la ville ou l’épuisement des
modèles classiques d’action publique. Communication en interne, CSTB, décembre 2007.
DESJARDINS, Xavier. Villes rêvée et ville réelle, veut-on vraiment lutter contre l’étalement
urbain ? Etudes foncières, n°131, janvier-février 2008, p 16-19.
DETTWILLER, J. L’évolution séculaire de la température à Paris. La Météorologie, 1978,
n°13, p. 95-130.
DGUHC. CERTU. Le projet d’Aménagement et de Développement Durable du P.L.U.
DGUHC et CERTU, avril 2002, 87 p. (Collection Référence)
DHAKAL, S. HANAKI, K. Improvement of urban thermal environment by managing heat
discharge sources and surface modification in Tokyo. Energy and Buildings, 2002, vol.34, p.
13-23.
DOUSSET, Bénédicte. GOURMELON, Françoise. MAURI, Elena. Application of satellite
remote sensing for urban risk analysis: a case study of the 2003 extreme heat wave in Paris.
In: Urban Remote Sensing Joint Event, Paris, 2007.
DUBOIS-MAURY, Jocelyne. CHALINE, Claude. Les risques urbains. 2e éd. Paris : Armand
Collin, 2004, 207 p. (Collection U – géographie)
DUCHENE-MARULLAZ, Philippe. Recherche exploratoire en climatologie urbaine. CSTB,
1980, 86 p.
DUMONT, Marc. L’espace public, prisme efficace des recompositions de l’action publique ?
L’espace public, prisme efficace des recompositions de l’action publique [en ligne]. 11 mars
2005, [réf. du 10 octobre 2008]. Disponible sur : http://espacestemps.net/document1178.html
323
DUPONT, Sylvain. CALMET, Isabelle. MESTAYER, Patrice. Urban canopy modelling
influence on urban boundary layer simulation. 4th symposium on Urban Climatology, 20-24
Norfolk, Etats-Unis, VA. Proceedings AMS, Mai 2002, p. 151-152.
DUPONT, Sylvain. OTTE, Tanya L. CHING, Jason K. S. Simulation of meteorological fields
within and above urban and rural canopies with a mesoscale model. Boundary-Layer
Meteorology, vol.113, n°1, Octobre 2004, p. 111-158.
DUVIGNEAUD, P. L'écologie et l'homme: biosphère, noosphère et sophiosphère. In
ESCANDE, J.-P. DUVIGNEAUD, P. BOUCGARDEAU, H. Santé de l'homme et
environnement, Symposium international, Luxembourg. Paris : Sang de la Terre, 1988, 301 p.
DYURGEROV, Mark B. MEIER, Mark F. Twentieth century climate change: Evidence from
small glaciers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of
America, vol.97, n°4 , 15 février 2000, p. 1406-1411.
ELIASSON, Ingegärd. Urban geometry, surface temperature and air temperature. Energy and
buildings, vol.15, 1990/91, p. 141-145.
ELIASSON, Ingegard. The use of climate knowledge in urban planning. Landscape and
urban planning, vol.48, n°1-2, 2000, p. 31-44.
ELLEFSEN, R. Mapping and measuring buildings in the urban canopy boundary layer in ten
US cities. Energy and Buildings, vol.15-16, 1990/91, p. 1025-1049.
EMELIANOFF, C. Les villes européennes face au développement durable : une floraison
d'initiatives sur fond de désengagement politique. Cahier du PROSES, n°8, Fondation
Nationale des Sciences Politiques (FNSP), Paris, janvier/février 2004, 34 p.
ESCOURROU, Gisèle. Climat et environnement, les facteurs locaux du climat. Masson,
1981, 168 p. (Géographie)
ESCOURROU, Gisèle. Le climat de l’agglomération parisienne. L’information géographique,
1986, n°50, p. 96-102.
ESCOURROU, G. La spécificité du climat de l’agglomération parisienne. Revue de
géographie de Lyon, vol.65, n°2, 1990, p. 85 à 89.
ESCOURROU, Gisèle. Le climat et la ville. Editions Nathan, 1991, 190 p.
ESTOURNEL, Claude. VEHIL, Raoul. GUEDALIA, Daniel. FONTAN, Jacques.
DRUILHET, Aimé. Observations and modeling of downward radiative fluxes (solar and
infrared) in urban/rural areas. Journal of climate and applied meteorology, vol. 22, 1983, p.
134-142.
324
FAN, H. SAILOR, D. J. Modeling the impacts of anthropogenic heating on the urban climate
of Philadelphia: A comparison of implementations in two PBL schemes. Atmospheric
Environment, 2005, vol.39, n°1, p. 73-84.
FIJALKOV, Yankel. Sociologie de la ville. Paris : La découverte, 2004, nouvelle édition, 120
p. (repères ; n°331)
GARCIA DE CORTAZAR, Iñaki Atauri. BRISSON, Nadine. SEGUIN, Bernard. Estimation
de l’impact du changement climatique sur les résultats agronomique de la vigne avec le
modèle STICS. In : Actes Mondiaviti, Bordeaux, 1-2 décembre 2004.
GAUZIN-MULLER, D. L’architecture écologique, 29 exemples européens. Paris : Le
Moniteur, 2001, 290 p.
GEODE. L’inondation de Paris en 1910 : De l’événement aux réflexions actuelles. Aquadoc
France [en ligne]. 30 avril 2004, [réf. du 10 octobre 2008]. Disponible sur :
http://www.aquadoc.fr/article.php3?id_article=159
GEROS,
V.
SANTAMOURIS,
M.
KARATASOU,
S.
TSANGRASSOULIS,
A.
PAPANIKOLAOU, N. On the cooling potential of night ventilation techniques in the urban
environment. Energy and buildings, vol. 37, 2005, p. 243-257.
GHORRA-GOBIN, Cynthia. De la ville à l’urban sprawl : la question métropolitaine des
Etats-Unis. Cercles 13, 2005, p. 123-138.
GROUPE D’EXPERTS INTERGOUVERNEMENTAL SUR L’EVOLUTION DU CLIMAT.
Changements climatiques 2007 : les éléments scientifiques. GIEC, 2007(a).
GROUPE D’EXPERTS INTERGOUVERNEMENTAL SUR L’EVOLUTION DU CLIMAT.
Bilan 2007 des changements climatiques : adaptation et vulnérabilité. GIEC, 2007(b).
GILL, Susannah. Literature review: Impacts of Climate Change on Urban Environments.
University of Manchester, Centre For Urban and Regional Ecology, janvier 2004, 72 p.
GIRIDHARAN, R. LAU, S.S.Y. GANESAN, S. GIVONI, B. Urban design factors
influencing heat island intensity in high-rise high density environments of Hong Kong.
Building and Environment, vol.42, 2007, p. 3669-3684.
GIVONI, B. L’Homme, l’Architecture et le Climat. Paris : Editions du Moniteur, 1978, 460 p.
GIVONI, B. Climate considerations in building an Urban Design. John Wiley & Sons, 1998,
480 p.
GOLANY, Gideon S. urban design morphology and design performance. Atmospheric
Environment, vol.30, n°3, 1996, p. 455-465.
GOLDREICH, Yair. Urban climate studies in Johannesburg, a sub-tropical city located on a
ridge – review. Atmospheric Environment, vol.26B, n°3, 1992, p.407-420.
325
GOMEZ, F. TAMARIT, N. JABALOYES, J. Green zones, bioclimatics studies and human
comfort in the future development of urban planning. Landscape and Urban Planning. 2001,
vol.55, n 3, p. 151-161.
GRAFMEYER, Yves. Sociologie urbaine. Paris : Nathan, 1995, 128 p. (collection 128)
GRIDAUH, GIS Socio-Economie de l’Habitat. L’intégration de l’environnement dans les
documents d’urbanisme, compte rendu du séminaire du 6 février, 2005, 56 p.
GRIMMOND, C.S.B. OKE, T.R. Aerodynamic Properties of Urban Areas Derived from
Analysis of Surface Form. Journal of applied climatology, vol.38, n°9, 1999(a), p. 1262–
1292.
GRIMMOND, C.S.B. OKE, T.R. Heat Storage in Urban Areas: Local-Scale Observations and
Evaluation of a Simple Model. Journal of Applied Climatology, vol.38, n°7, 1999(b), p. 922940.
GRIMMOND, C. S. B. OKE, T. R. Turbulent Heat Fluxes in Urban Areas: Observations and
a Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme (LUMPS). Journal of applied
meteorology, vol.41, 2002, p. 792-810.
GRIMMOND, C. S. B. CLEUGH, H. A. OKE, T. R. An objective urban heat storage model
and its comparison with other schemes. Atmospheric Environment, vol.25, n°3, 1991, p. 311326.
GRIFFITHS, John F. Climate and the Environment, The atmospheric impact on man.
London: Paul Elek, 1976, 148 p.
GROLEAU, Dominique. FRAGNAUD, Fernand. ROSANT, Jean-Michel. Simulation of the
radiative behavior of an urban quarter of Marseille with SOLENE model. In: Fifth
International Conference on urban climate, Lodz, Pologne, 1-5 septembre 2003.
GUIBET, Jean-Claude. Carburants liquides. Techniques de l’ingénieur, BE 8545, avril 1998.
GUILLAUIC, Isabelle. Les forêts urbaines. In : 2e colloque de l’EDVE : Ville éphémère –
Ville durable – Quels acteurs pour la ville de demain ? Champs-sur-Marne, 17 janvier 2008.
GUILLERME, André. Les temps de l’eau : la cité, l’eau et les techniques. Seyssel : Champ
vallon, 1990, 263 p. (Milieux)
GROMAIRE, M. C. WAINTROP, N. CHEBBO, G. CONSTANT, A. Importance of zinc
roofs in Paris and their impact on urban runoff pollutant loads = Importance des toitures en
zinc à Paris et leur impact sur la pollution des eaux urbaines. In : Congrès NOVATECH
2001 : les nouvelles technologies en assainissement pluvial, Villeurbanne, 25-27 juin 2001.
GUO, Xueliang. FU, Danhong. WANG, Jing. Mesoscale convective precipitation system
modified by urbanization in Beijing City. Atmospheric Research, vol.82, 2006, p. 112-126.
326
GUYOT, Alain. Le vent - l'architecture et l'aménagement urbain, Intervention de cours conférence en 4eme année à l'école d'architecture de Marseille Luminy [en ligne]. [réf. du
jeudi 12 juillet 2007]. Disponible sur: http://www.marseille.archi.fr/~M35/M45/vent01.pdf
HAGE, K.D. Urban-Rural Humidity Differences. Journal of Applied Meteorology, vol.14,
1975, p. 1277-1283;
HALLEGATTE, Stéphane. Adaptation to climate change: do not count on climate scientists
to do your work. Reg-Markets Center, Related Publication 08-01, February 2008.
HAMDI, R. SCHAYES, G. Sensitivity study of the urban heat island intensity to urban
characteristics. International journal of climatology, vol.28, 2008, p. 973-982.
HEMON, Denis. JOUGLA, Eric. Surmortalité liée à la canicule d’aout 2003 – Rapport
d’étape (1/3). Estimation de la surmortalité et principales caractéristiques épidémiologiques.
Paris : INSERM, septembre 2003, 59 p.
HJELMFELT, Mark R. Numerical simulation of the effects of St. Louis on mesoscale
boundary layer airflow and vertical air motion: Simulations of urban vs non-urban effects.
Journal of Applied Climatology, vol.21, n°9, 1982, p. 1239-1257.
HUFF, F.A. VOGEL, J.L. Urban, topographic and diurnal effects on rainfall in St. Louis
region. Journal of Applied Meteorology, vol.17, 1978, p.565-577.
HUGREL, Charlotte. JOUMARD, Robert. Transport routier – Parc, usage et émissions des
véhicules en France de 1970 à 2025. INRETS, rapport LTE n°0420, septembre 2004, 133 p.
HUYNEN, MM. MARTENS, P. SCHRAM, D. WEIJENBERG, MP. KUNST AE. The
impact of heat waves and cold spells on mortality rates in the Dutch population.
Environmental Health Perspectives, vol.109, n°5, 2001, p. 463–470.
ICHINOSE, Toshiaki. SHIMODOZONO, Kazuhiro. HANAKI, Kazuhiro. Impact of
anthropogenic heat on urban climate in Tokyo. Atmospheric Environment, vol.33, 1999, p.
3897-3909.
INSTITUT D’AMENAGEMENT ET D’URBANISME DE LA REGION ILE-DE-FRANCE.
Appréhender la densité - Les repères historiques. IAURIF : Note rapide sur l’occupation du
sol, n°382, juin 2005, 6 p.
INSEE. Projections de population à l’horizon 2050 : un vieillissement inéluctable, rédigé par
Chantal BRUTEL, Economie et statistique, n°355-356, mars 2002.
INSTITUT DE VEILLE SANITAIRE. Impact sanitaire de la vague de chaleur d’août 2003
en France – Bilan et perspectives. Institut de Veille Sanitaire, octobre 2003, 120 p.
327
INSTITUT DE VEILLE SANITAIRE. Vague de chaleur de l’été 2003 : relations entre
températures, pollution atmosphérique et mortalité dans neuf villes française, rapport
d’étude. INVS, septembre 2004, 44 p.
INSTITUT DE VEILLE SANITAIRE. Etude des facteurs individuels et des comportements
ayant pu influencer la santé des personnes âgées pendant la vague de chaleur de 2003. INVS,
février 2006, 60 p.
JAUREGUI, E. Possible impact of urbanization on the thermal climate of some large cities in
Mexico. Atmosfera, 2005, vol.18, n°4, p. 247-252.
JAUREGUI, Ernesto. ROMALES, Ernesto. Urban effects on convective precipitation in
Mexico city. Atmospheric Environment, vol.30, n°20, 1996, p. 3383-3389.
JONAS, Olivier. Rêver la ville, voyage au pays des villes rêvées : l’Oniropolis, l’Utopia, la
Virtuapolis, la Cyberpolis, la Futurapolis. Editions de la DGUHC, 2003, 134 p.
KATZSCHNER, Lutz. The Urban Climate as a Parameter for Urban Development. Energy
and Buildings, vol.11, 1988, p.137-147.
KERSCHGENS, Michael J. KRAUS, Helmut. On the energetics of the urban canopy layer.
Atmospheric Environment, vol.24B, n°2, 1990, p.321-328.
KLYSIK, K. Spatial and seasonal distribution of anthropogenic heat emissions in Lodz,
Poland. Atmospheric Environment, vol.30, n°20, 1996, p. 3397-3404.
KLYSIK, K. FORTUNIAK, K. Temporal and spatial characteristics of the urban heat island
of Lodz, Poland. Atmospheric Environment, vol.33, 1999, p. 3885-3895
KONDOH, A. NISHIYAMA, J. Changes in hydrological cycle due to urbanization in the
suburb of Tokyo Metropolitan Area, Japan. Advances In Space Research, vol.26, n°7, 2000,
p. 1173-1176.
KRPO, Andrea. CLAPPIER, Alain. MULLER, Clive. Numerical simulation of the interaction
between buildings and atmosphere over large urban areas. In: colloque numérique suisse
(Schweizer Numerik Kolloquium), Lausanne, 12 April 2006.
KUHN, Ingolf. KLOTZ, Stefan. Urbanization and homogenization – Comparing the floras of
urban and rural areas in Germany. Biological Conservation, vol. 127, 2006, p. 292-300.
LAFORE, P STEIN, J. ASENCIO, N. et al. The Meso-NH Atmospheric Simulation System.
Part I: adiabatic formulation and control simulations. Annales Geophysicae, 1998, vol.16, n°1,
p.90-109.
LANDSBERG, Helmut. The meteorologically utopian city. Bulletin American Métérological
Society, vol.54, n°2, 1973, p86-89.
328
LANDSBERG, Helmut E. Atmospheric changes in a growing community (the Columbia,
Maryland experience). Urban Ecology, vol.4, 1979, p. 53-81.
LANDSBERG, H.E. The urban climate. International Geophysics Series, vol.28, Academic
Press, New York, 1981.
LAROCHE, Dany. MITCHELL, Anne-Marie. PELOQUIN, Sophie. Les toits verts
aujourd’hui ; c’est construire le Montréal de demain. [en ligne]. 2004, [réf. du 10 octobre
2008], 20 p. Disponible sur : http://www2.ville.montreal.qc.ca/ocpm/pdf/41/8aa.pdf
LARUELLE, Nicolas. Structure de l’espace urbain francilien et contrainte énergétique. In :
Ateliers de prospective de l’IAURIF : les contraintes énergétiques et les mutations urbaines
Contribution à l’atelier 5 - Gestion de l'espace (1) : Formes urbaines, densités et enjeux énergétiques, Paris, 11
mai 2007.
LARRUE, Corinne. BERTRAND, François. Les processus d’institutionnalisation de la
question climatique. Anticipations et réactions des territoires face aux effets du changement
climatique. In : Journées de l’Association Natures Sciences Sociétés Dialogues, Paris, 7-8
octobre 2008.
LEMONSU, Aude. Modélisation des processus de surface et de la couche limite en milieu
urbain. Thèse : météorologie urbaine, Toulouse III, 2003, 242 p.
LEMONSU, Aude. MASSON, Valery. NOILHAN, Jacques. Hydrological Validation of The
Teb Scheme On A Suburban Basin. In: EGS XXVII General Assembly, Nice, 21-26 avril
2002.
LEMONSU, A. BASTIN, S. MASSON, V. DROBINSKI, P. Study of the stratification of the
urban boundary layer of Marseille under sea-breeze condition. In: Fifth Conference on Urban
Environment, Vancouver, Canada, 23-27 août 2004.
LEROYER, Sylvie. Simulations numériques de l’atmosphère urbaine avec le modèle
SUBMESO : application a la campagne CLU-Escompte sur l’agglomération de Marseille.
Thèse : dynamique des fluides et des transferts, École Centrale de Nantes et Université de
Nantes, 2006, 262p.
LEROYER, Sylvie. CALMET, Isabelle. MESTAYER, Patrice G. A sensitivity of urban
boundary layer on canopy description. In: 9th International Conference within Atmospheric
Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, Garmisch-Partenkirchen, Allemagne, 1-4 juin
2004.
LIEBARD, Alain. DE HERDE, André. Traité d’architecture et d’urbanisme bioclimatiques.
Concevoir, édifier et aménager avec le développement durable. Le Moniteur, 2006, 776 p.
329
LINKE, F. Das Klima der Groszstadt. In : LINKE, F. DE RUDDER, B (éd.), Biologie der
Groszstadt, Dresden : Theodor Steinkopff, 1940.
LONDON CLIMATE CHANGE PARTNERSHIP. Adapting to climate change : Lessons for
London. Londres : Greater London Authority, 2006, 158 p.
LORRAIN, Dominique. La gig@city, nouveau lieu de la production de capital. Réalités
industrielles - Annales des Mines, février 2008, p. 63-69.
MANIN, Anaïs. Améliorer le climat urbain grâce aux petits espaces verts. Bulletin
Electronique Allemagne, n°350, 2007.
MARTILLI, Alberto. Development of an urban turbulence parameterisation for mesoscale
atmospheric models. Thèse : sciences, Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Lausanne,
Suisse, 2001, 192 p.
MARTILLI, Alberto. CLAPPIER, Alain. ROTACH, Mathias W. an urban surface exchange
parameterisation for mesoscale models. Boundary-Layer Meteorology, vol.104, 2002, p.261–
304.
MARTILLI, Alberto. ROULET, Yves-Alain. JUNIER, Martin. et al. On the impact of urban
surface exchange parameterisations on air quality simulations: the Athens case. Atmospheric
environment, vol.37, 2003, p. 4217-4231.
MASSON, Valéry. A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric
models. Boundary-Layer Meteorology, n°94, 2000, p. 357-397.
MASSON, Valéry. Urban surface modeling and the meso-scale impact of cities. Theoretical
and Applied Climatology, vol.24, 2006, p. 35-45.
MASSON, V. GRIMMOND, CSB. OKE, TR. Evaluation of the Town Energy Balance (TEB)
Scheme with Direct Measurements from Dry Districts in Two Cities. Journal of Applied
Meteorology, vol.41, n°10, 2002, p. 1011-1026.
MAYERE, Jacques. Règles Neige et Vent NV 65. Techniques de l’Ingénieur, dossier c3305,
mai 2001.
MEADOWS, D. H., et al. The Limits to Growth. Potomac Associates, 1972.
MENUT, Laurent. Etude expérimentale et théorique de la couche limite atmosphérique en
agglomération parisienne. Thèse : Physique de l’Atmosphère, Paris VI, 1997, 213 p.
MESTAYER, P.G. ANQUETIN, S. « climatology of cities ». In 3rd International Conference
on Air Pollution, Air Pollution 95, Actes du colloque, 1995.
MESTAYER, Patrice G. DUPONT, Sylvain. CALMET, Isabelle. Et al. SM2-U, Soil Model
for Sub-Meso scales – Urbain, Model Description. In: Contribution to WP, Deliverable D4.4
of FUMAPEX, Nantes, ECN, printemps 2004.
330
MERLIN, Pierre. L’urbanisme. 6e éd. Paris : Presses Universitaires de France, 2005, 127 p.
(Que sais-je !,)
MESTAYER, PG. DURAND, P. AUGUSTIN, P. et al. The urban boundary-layer field
campaign in marseille (ubl/clu-escompte): set-up and first results. Boundary-Layer
Meteorology, vol.114, n°2, 2005, p. 315-365.
MIES. Bilan de la mise en œuvre du Plan Climat. In : Actes des Rendez Vous Climat des 14 et
15 novembre 2005, janvier 2006, 189 p.
MILLS, Gerald M. Simulation of the energy budget of an urban canyon – I. Model structure
and sensitivity test. Atmospheric environment, vol.27B, n°2, 1993, p. 157-170.
MILLS, Gerald. The meteorologically utopian city revisited. In: 5th International Conference
on Urban Climate, Lodz, Pologne, 2003.
MILLS, Gerald. Cities as agents of global change. International Journal of Climatology,
n°27, 2007, p. 1849-1857
MINISTERE DE L’ECOLOGIE ET DU DEVELOPPEMENT DURABLE. Les tempêtes,
dossier d’information. MEDD, décembre 2002, 26 p.
MINISTERE DE L’ECOLOGIE ET DU DEVELOPPEMENT DURABLE. Les inondations,
dossier d’information. MEDD, août 2004, 22 p.
MINISTERE DE L'EQUIPEMENT, DIRECTION GENERALE DE L'URBANISME, DE
L'HABITAT ET DE LA CONSTRUCTION. MINISTERE DE L'ECOLOGIE ET DU
DEVELOPPEMENT DURABLE. Promouvoir l’environnement et l’aménagement durable
dans les documents d’urbanisme. Paris : Ministère de l'équipement, direction générale de
l'urbanisme, de l'habitat et de la construction et Ministère de l'écologie et du développement
durable, juin 2007, 26 p.
MORAND-DEVILLER, Jacqueline. Le droit de l’environnement. 7e édition. Paris : Presses
Universitaires de France, 2006, 125 p. (Que sais-je ?)
MURAKAMI, Shuzo. MOCHIDA, Akashi. OOKA, Ryozo. et al. Evaluation of the Impacts
of Urban Tree Planting in Tokyo Based on Urban Heat Balance Model. In: 11th International
Conference on Wind Engineering, vol.2, 2003, p. 2641-2648.
MUSY, Marjorie. RAMOS, Fabien. SIRET, Daniel. MOREAU, Guillaume. MARENNE,
Christian.
Développement
d’un
SIG
3D
dédié
au
diagnostic
des
potentialités
environnementales des bâtiments. Revue Internationale de Géomatique, vol.16, n°1, 2006, p.
71-91.
NAJJAR, G. KASTENDEUCH, P.P. RINGENBACH, N. COLIN, J.R. STOLL, M. P.
NERRY, F. BERNARD, J. DE HATTEN, A. LUHAHE, R. VIVILLE, D. Bilans radiatif et
331
d’énergie dans un canyon urbain. Annales de l’Association Internationale de Climatologie,
vol.2, 2005.
NAKAMURA, Y. OKE, T. R. Wind, temperature and stability conditions in an east-west
oriented urban canyon. Atmospheric Environment, vol.22, n°12, 1988, p. 2691-2700
NASCIMENTO, Iuli. Mieux comprendre le développement durable. IAURIF : Note rapide
sur le développement durable, n°346, décembre 2003, 4 p.
NIKOLOPOULOU, Marialena. BAKER, Nick. STEEMERS, Koen. Thermal comfort in
outdoor urban spaces: understanding the human parameter. Solar Energy, vol.70, n°3, 2001,
p. 227-235.
NIKOLOPOULOU, Marialena. STEEMERS, Koen. Thermal comfort and psychological
adaptation as a guide for designing urban spaces. Energy and Buildings, vol.35, 2003, p. 95101.
NOILHAN, J. PLANTON, S. A simple parameterization of land surface processes for
meteorological models. Monthly Weather Review, 1989, vol.117, n°3, p.536-549.
NOILHAN, J. MAHFOUF, J-F. The ISBA land surface parameterisation scheme. Global and
Planetary Change, vol.13, 1996, p. 145-159.
NUNEZ, M. OKE, T.R. The energy balance of an urban canyon. Journal of Applied
climatology, vol.16, n°1, 1977.
OBSERVATOIRE REGIONAL DE L’ENVIRONNEMENT DE BOURGOGNE. Sécheresse
et canicule 2003 – rapport de présentation. Observatoire régional de l’environnement de
Bourgogne, octobre 2004, 100 p.
OKE, T.R. City size and the urban heat island. Atmospheric Environment, vol.7, 1973, p.
769–779.
OKE, T.R. Boundary Layer Climates. London: Methuen & Co Ltd, 1978, 372 p.
OKE, T.R. Advectively-assisted evapotranspiration from irrigated urban vegetation.
Boundary-Layer Meteorology, vol.17, n°2, 1979, p. 167-173.
OKE, T.R. Canyon geometry and the nocturnal urban heat island : Comparison of scale model
and field observations. Journal of climatology, vol.1, 1981, p. 237-254.
OKE, T.R. Overview of interactions between settlements and their environments, WMO
experts meeting on Urban and building climatology. WPC-34, WMO, Genève, 1982.
OKE, T.R. Towards a prescription for the greater use of climatic principles in settlement
planning. Energy and buildings, vol.7, n°1, 1984, p. 1-10.
OKE, T.R. Boundary Layer Climates. 2e éd. London: Routledge, 1987, 435 p.
332
OKE, T.R. Street design and urban canopy layer climate. Energy and Buildings, vol.11, n°13, 1988, p. 103-113.
OKE, T.R. Sitting and exposure of meteorological instruments at urban sites. In: 27th
NATO/CCMS International Technical Meeting on Air Pollution Modelling and its
Application, Banff, 25-29 octobre 2004(a).
OKE, T.R. Initial guidance to obtain representative meteorological observations at urban
sites. World Meteorological Organization, Report n°81, 2004(b), 47 p.
OKE, T.R. Towards better scientific communication in urban climate. Theoretical an applied
climatology, vol.84, n°1-3, 2006, p. 179-190.
OKE, T.R. HANNELL, F.G. The form of the urban heat island in Hamilton, Canada. In:
Urban climates. WMO Tech. Note, n°108, 1970, p.113-126.
OKE, T.R. JOHNSON, G.T. STEYN, D.G. WATSON, I.D. Simulation of surface urban heat
islands under ‘ideal’ conditions at night – part 2: Diagnosis and causation. Boundary Layer
Meteorology, vol.56, n°3, 1991, p. 275-294.
OKE, TR. ZEUNER, G. JAUREGUI, E. The surface energy balance in Mexico City.
Atmospheric Environment, vol.26B, n°4, 1992, p.433-444.
OKE, T.R. SPRONKEN-SMITH, R.A. JAUREGUI, E. GRIMMOND, C.S.B. The energy
balance of central Mexico City during the dry season. Atmospheric Environment, vol. 33,
1999, p. 3919-3930.
ONERC. Conséquences du réchauffement climatique sur les risques liés aux évènements
météorologiques extrêmes : sur la base des dernières connaissances scientifiques, quelle
action locale ? Paris : ONERC, 2003, 70 p.
ONERC. Stratégie d'adaptation au changement climatique. Document de travail soumis à
consultation, version V.1 du 8 juillet 2005, Paris, 43 p.
PAGNEY, Pierre. La climatologie. 7e éd. Paris : Presse Universitaire de France, 2000, 127 p.
(Que sais-je ?)
PARRIS, Kirsten M. HAZELL, Donna L. Biotic effects of climate change in urban
environments: the case of the grey-headed flying-fox (Pteropus poliocephalus) in Melbourne,
Autralia. Biological conservation, vol.124, 2005, p. 267-276.
PENEAU, Jean-Pierre. Des densités aux rugosités, les modalités instrumentales d’une
transposition. Les Annales de la Recherche Urbaine, 1995, n°67, p. 128-134.
PERBEN, Dominique. Imaginer les métropoles d’avenir. Rapport de l’Assemblée Nationale,
Janvier 2008, 79 p.
333
PETERSON, James T. FLOWERS, Edwin C. Interactions between air pollution and solar
radiation. Solar Energy, vol.19, 1977, p. 23-32.
PIGEON, Grégoire. DURAND, Pierre. MASSON, Valéry. Evaluating parameterization of
anthropogenic heat release in urban land surface scheme from field measurements and energy
consumption inventory over Toulouse during Capitoul. In: The 86th AMS Annual Meeting :
Symposium on the urban environment, Atlanta, Etats-Unis, 30 janvier – 2 février 2006.
PIGEON, G. LEGAIN, D. DURAND, P. MASSON, V. Anthropogenic heat release in an old
European agglomeration (Toulouse, France). International Journal of Climatology, vol.27,
n°14, 2007, p.1969-1981.
PIRINGER, M. JOFFRE, S. (éds.). The urban surface energy budget and mixing height in
European cities: data, models and challenges for urban meteorology and air quality. Final
Report of Working Group 2 of Cost-715 Action, 2005, 198 p.
POLI, Tiziana. GATTONI, Luca P. ARLUNNO, Riccardo. PANSA, Giorgio. ZAPPALA,
Daniele. The influence of albedo of surfaces on microclimatic modifications. New scenarios
for Milano. In: PLEA 2007, The 24th Conference on Passive and Low Energy Architecture,
Singapore, 22-24 novembre 2007.
POMERANTZ, M. PON, B. AKBARI, H. CHANG, S.-C. The Effect of Pavements’
Temperatures On Air Temperatures in Large Cities [en ligne]. Avril 2000, [réf. du 10 octobre
2008], 22 p. Disponible sur: http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/PUBS/2000/43442rep.pdf
PRADO, Racine Tadeu Araújo. FERREIRA, Fabiana Lourenço. Measurement of albedo and
analysis of its influence the surface temperature of building roof materials. Energy and
buildings, vol.37, 2005, p. 295-300.
PRUD’HOMME, Rémy. KOPP, Pierre. BOCAREJO, Juan Pablo. Evaluation économique de
la politique parisienne des transports. Revue Transports, n°434, 2005, p. 346-359.
PUYGRENIER, V. LOHOU, F. CAMPISTRON, B. SARDA, F. PIGEON, G. BENECH, B.
SERÇA, D. investigation on the fine structure of sea-breeze during ESCOMPTE experiment.
Atmospheric Research, vol.74, 2005, p.329-353.
RACHELE, Henry. TUNICK, Arnold. Energy balance model for imagery and
electromagnetic propagation. Journal of applied meteorology, vol.33, 1993, p.964-976.
REDMAN, C. GROVE, M. KUBY, L. Integrating Social Science into the Long-Term
Ecological Research (LTER) Network: Social Dimensions of Ecological Change and
Ecological Dimensions of Social Change. Ecosystems, vol.7, 2004, p. 161-171
334
RIBERON, J. VANDENTORREN, S. BRETIN, P. et al. Building and urban factors in heat
related deaths during the 2003 heat wave in France. In: Proceedings of Healthy buildings,
Lisbon, Portugal, 4-8 juin 2006.
RINGENBACH, Nicolas. Bilan radiatif et flux de chaleur en climatologie urbaine : mesures,
modélisation et validation sur Strasbourg. Thèse : climatologie et temps, Strasbourg I, 2004,
167 p.
RIZWAN, Ahmed Memon. DENIS, Y.C. Leung. LIU, Chumbo. A review on the generation,
determination and mitigation of Urban Heat Island. Journal of Environmental Sciences,
vol.20, 2008, p. 120-128.
ROAF, Sue. Crichton, David. NICOL, Fergus. Adapting buildings and cities for climate
change, a 21st century survival guide. Elsevier, 2005, 363 p.
ROBERTS, Sarah M. OKE, TR. VOOGT, JA. GRIMMOND, CSB. LEMONSU, A. Energy
storage in a european city center. In: Fifth International Conference on urban climate, Lodz,
Pologne, 1-5 septembre 2003.
ROBERTS, Sarah M. OKE, TR. LEMONSU, A. GRIMMOND, CSB. JACKSON, P.
Sensitivity of surface-atmosphere energy exchanges within urban areas derived from
simulations. In : 84th AMS Annual Meeting : Symposium on planning, nowcasting, and
forecasting in the urban zone, Seattle, Etat-Unis, 12-15 janvier 2004.
ROBINSON, Darren. Urban morphology and indicators of radiation availability. Solar
Energy, vol.80, 2006, p.1643-1648.
RONCAYOLO, Marcel. La ville et ses territoires. Editions Gallimard, 1997, 281 p. (Folio
essais)
ROETZER, T. WITTENZELLER, M. HAECKEL, H. NEKOVAR, J. Phenology in central
Europe - differences and trends of spring phenophases in urban and rural areas. International
Journal of Biometeorology, vol.44, n°2, 2000, p. 60-66.
ROSENFELD, Arthur H. AKBARI, Haschem. BRETZ, Sarah. et al. Mitigation of urban heat
island : materials, utility programs, updates. Energy and Buildings, n°22, 1995, p. 255-265.
ROSENFELD, Arthur. AKBARI, Hashem. ROMM, Joseph. POMERANTZ, Melvin. Cool
communities: strategies for heat island mitigation and smog reduction. Energy and buildings,
vol.28, 1998, p. 51-62.
ROSENZWEIG, Cynthia. SOLECKI, William D. PARSHALL, Lily. Et al. Characterizing the
urban heat island in current and future climates in New-Jersey. Environmental Hazards, 2005,
n°6, p. 51-62.
335
ROSENZWEIG, C. SOLECKI, W. PARSHALL, L. et al. Mitigating New York City's heat
island with urban forestry, living roofs, and light surfaces. In: 86th American Meteorological
Society Annual Meeting, Atlanta, Georgia, 31 janvier 2006.
ROTACH, M.W. Profiles of turbulence statistics in and above an urban street canyon.
Atmospheric Environment, vol.29, n°13, 1995, p. 1473-1486
ROTACH, Mathias W. CHRISTEN, Andreas. VOGT, Roland. Profiles of turbulence statistics
in the urban roughness sublayer with special emphasis to dispersion modelling. In: 5th
International Conference on Urban Climate, Lodz, Poland, 1-5 septembre 2003.
ROULET, Yves-Alain F. Validation and application of an urban turbulence parameterisation
scheme for mesoscale atmospheric models. Thèse : sciences techniques, Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne, 2004, 224 p.
ROUSE, Wayne R. Noad, Donald. McCUTCHEON, John. Radiation, temperature and
atmospheric emissivities in a polluted urban atmosphere at Hamilton, Ontario. Journal of
climate and applied meteorology, vol.12, 1973, p. 798-807.
ROUTHIER, Jean-Louis. Du transport de marchandises en ville à la logistique urbaine. 2001
Plus, n°59, avril 2002, 67p.
ROZOFF, Christopher M. COTTON, William R. ADEGOKE, Jimmy O. Simulation of St.
Louis, Missouri, Land Use Impacts on Thunderstorms. Journal of Applied Meteorology,
vol.42, n°6, 2003, p. 716–738.
SACRE, Christian. Le confort dans les espaces extérieurs : analyse microclimatique. Nantes :
Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, division climatologie, 1983, 138 p.
SAILOR, D.J. FAN, H. Modeling the diurnal variability of effective albedo for cities.
Atmospheric Environment, vol.36, n°4, 2002, p. 713-725.
SAILOR, David J. LU, Lu. A top-down methodology for developing diurnal and seasonal
anthropogenic heating profiles for urban areas. Atmospheric Environment, vol.38, 2004, p.
2737-2748.
SAILOR, David J. DIETSCH, Nikolaas. The urban heat island mitigation impact screening
tool (MIST). Mitigation impact screening tool [en ligne]. 2005 [réf. du 26 mars 2007], 22p.
Disponible sur : http://www.heatislandmitigationtool.com/
SALAGNAC, Jean-Luc. Lessons from the 2003 heat wave: a French perspective. Building
Research and Information, vol.35, n°4, 2007, p. 450-457.
SAMAALI, Mehrez. Évaluation d'un modèle de couche limite atmosphérique 3d dans un cas
homogène : application à une parcelle agricole de soja. Thèse : mécanique énergétique, Aix336
Marseille 1, 2002 [réf. Du 14 octobre 2008] Disponible sur : http://www.inra.fr/theses/theseintegrale/Theses/samaali/html/these.html
SANDERSON, Marie. GORSKI, Richard. The effect of metropolitan Detroit-Windsor on
précipitation. Journal of Applied Meteorology, vol.17, 1978, p.423-427.
SANTAMOURIS, M. Heat-island effect. In : SANTAMOURIS, M. Energy and climate in
the urban built environment. London: James and James, 2001(a), 402 p.
SANTAMOURIS, M. The role of green space. In : SANTAMOURIS, M. Energy and climate
in the urban built environment. Londres: James and James, 2001(b), 402 p.
SANTAMOURIS,
M.
Appropriate
materials
for
the
urban
environment.
In
:
SANTAMOURIS, M. Energy and climate in the urban built environment. Londres: James
and James, 2001(c), 402 p.
SANTAMOURIS, Matheos. Passive cooling of buildings. Advances of solar energy, ISES,
James and James Science Publishers, London, 2005.
SANTAMOURIS, M. DOULOS, L. Comparative study of almost 70 different materials for
streets and pavements, Master of Science. Final report, University of Athens, Department of
physics, Athens, 2001.
SANTAMOURIS, M. ADNOT, J. ALVAREZ, S. et al. Cooling the cities – rafraichir les
villes. Paris : Ecole des Mines de Paris-Les Presses, 2004, 263 p.
SARRAT, C. LEMONSU, A. MASSON, V. GUEDALIA, D. Impact of urban heat island on
regional atmospheric pollution. Atmospheric Environment, vol.40, 2006, p. 1743-1758.
SASAKI, Kiyoshi. MOCHIDA, Akashi. YOSHINO, Hiroshi. Et al. A new method to select
appropriate countermeasures against heat-island effects according to the regional
characteristics of heat balance mechanism. Journal of Wind Engineering and Industrial
Aerodynamics, 2008, doi:10.106/j.jweia.2008.02.035
SCHERER, D. FEHRENBACH, U. BEHA, H.-D. PARLOW, E. Improved concepts and
methods in analysis and evaluation of the urban climate for optimizing urban planning
processes. Atmospheric Environment, 1999, vol.33, p. 4185-4193.
SCUDO, Gianni. DESSI, Valentina. ROGORA, Alessandro. Evaluation des conditions de
rayonnement dans les espaces urbains. In : NIKOLOPOULOU, Marialena (éd.). Concevoir
des
espaces
extérieurs
en
environnement
urbain :
une
approche
bioclimatique.
NIKOLOPOULOU, 2004, 85 p.
SERINA, Guillaume. « Un million d’arbres à L.A. ». Urbanisme, n°361, juillet-août 2008, p.
56.
337
SHAW, R. COLLEY, M. CONNELL, R. Climate change adaptation by design: a guide for
sustainable communities. London: Town and Country Planning Association (TCPA), 2007,
50 p.
SHEPHERD, J. Marshall. PIERCE, Harold. NEGRI, Andrew J. Rainfall Modification by
Major Urban Areas: Observations from Spaceborne Rain Radar on the TRMM Satellite.
Journal of Applied Meteorology, vol.41, n°7, 2002, p.689-701.
SOUAMI, Taoufik. L’intégration des technologies énergétiques dans l’action urbaine. Les
annales de la recherche urbaine, n°103, 2007, p. 6-17.
STANHILL, G. KALMA, J. D. Solar dimming and urban heating at Hong Kong.
International Journal of Climatology, vol.15, n°8, 1995, p. 933-941.
STEEMERS, Koen. Human comfort and urban form. In: 6th International Conference on
Urban Climate, Göteborg, Suède, 12-16 juin 2006a.
STEEMERS, Koen. Environmental Urban Design: The Role of Diversity on Human
Biometeorology. In: Symposium on Urban Climate and Urban Greenery, Hong Kong, Chine,
2 décembre 2006b.
STERN, Nicholas. Stern Review : The Economics of Climate Change. 2006.
STONE, Brian Jr. Urban Heat and Air Pollution, An Emerging role for Planners in the
Climate Change Debate. Journal of the American Planning Association, vol.71, n°1, 2005, p.
13-25.
STHÜPNAGEL, A. Klimatische Veränderungen in Ballungsgebieten unter besonderer
Berücksichtigung der Ausgleichswirkung von Grünflächen, dargestellt am Beispiel von Berlin
(West). Diss. am Fachbereich 14 der Technischen Universität Berlin, Berlin, 1987.
SUKOPP, Herbert. Human-caused impact on preserved vegetation. Landscape and urban
planning, vol.68, 2004, p. 347-355.
SUNDBORG, A. Local Climatological Studies of the Temperature Conditions in an Urban
Area. Tellus 2, 1950, p. 221-231.
TAHA, H. Nighttime air temperature and the sky view factor: a case study in San Francisco,
CA. Lawrence Berkeley Laboratory Report n°24009. Proceedings Technical Conference in
Mexico City: urban climatology and its applications with special regard to tropical areas.
WMO-n°652, World Meteorological Organization: Genève, Suisse, 1988.
TAHA, H. Modeling the impacts of increased urban vegetation on the ozone air quality in the
South Coast Air Basin. Atmospheric Environment, vol.30, n°20, 1996, p. 3423–3430.
TAHA, H. Urban climates and heat islands: albedo, evapotranspiration, and anthropogenic
heat. Energy and Buildings. vol.25, n°2, 1997(a), p. 99-103.
338
TAHA, Haider. Modeling the impacts of large-scale albedo changes on ozone air quality in
the south coast air basin. Atmospheric Environment, vol.31, n°11, 1997(b), p. 1667-1676
TAHA, Haider. AKBARI, Hashem. ROSENFELD, Arthur. HUANG, Joe. Residential
Cooling Loads and the Urban Heat Island the Effects of Albedo. Building and Environment,
vol.23, n°4, 1988, p. 271-283.
TAHA, H. SAILOR, D. AKBARI, H. High albedo materials for reducing cooling energy use.
Lawrence Berkeley Laboratory Report, 1992(a).
TAHA, H. AKBARI, H. SAILOR, D. RITSCHARD, R. Causes and effects of heat islands:
sensitivity to surface parameters and anthropogenic heating, Lawrence Berkeley Laboratory
Report, 1992(b).
UMR 1563 Ambiances architecturales et urbaines (École d’architecture de Nantes – CERMA
et École d’architecture de Grenoble – CRESSON). Rapport d’activité 2002-05. Deuxième
partie : Bilan scientifique du quadriennal 2002-2005
VACHON, Gaëlle. ROSANT, Jean-Michel. MESTAYER, Patrice. Et al. Experimental
investigation of pollutant dispersion within a street in low wind conditions, the experiment
Nantes’99. In: 9th International Scientific Symposium Transport and Air Pollution, Avignon,
France, 5-8 juin 2000.
VERON, Jacques. L’urbanisation du monde. Paris : La découverte, 2006,119 p. (Repères)
VIGNEAU, Jean-pierre. Climatologie. Paris : Armand Colin, 2005, 200 p.
VOGT, R. CHRISTEN, A. ROTACH, M.W. Vertical structure of sensible heat flux in an
urban canopy layer. EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice, 6-11 avril 2003 Abstract N°
EAE03-A-12252.
VINCENT, Christian. RIBSTEIN, Pierre. FAVIER, Vincent. Et al. Glacier fluctuations in the
Alps and in the tropical Andes. Comptes Rendus Geosciences, vol.337, n°1-2, janvier-février
2005, p. 97-106.
WACKERMANN, Gabriel. Démocratie, gouvernance urbaine et environnement. In :
WACKERMANN, Gabriel (éd.), Ville et environnement. Paris : Ellipses, 2005, 400 p.
(Carrefours)
WEISS,
Karine.
CORBEAU-JUSTIN,
Ludvina.
MARCHAND,
Dorothée.
Entre
connaissance, mémoire et oublis : représentations de l’environnement et réactions face à une
catastrophe naturelle. In : WEISS, Karine. MARCHAND, Dorothée (éds.). Psychologie
sociale de l’environnement. Presses Universitaires de Rennes, 2006, 248 p. (Didact
Psychologie sociale)
339
WILMERS, Fritz. Green for Melioration of Urban Climate. Energy and Buildings, vol.11,
1988, p. 289-299.
YAMASHITA, Shuji. SEKINE, Kiyoshi. SHODA, Masahiro. YAMASHITA, Kohji. HARA,
Yoshio. On relationships between heat island and sky view factor in the cities of Tama river
basin, Japan. Atmospheric Environment, vol.20, n°4, 1986, p. 681-686.
YANNAS, Simos. Toward more sustainable cities. Solar Energy, vol.70, n°3, 2001, p. 281294.
YAP, D. Seasonal excess urban energy and the nocturnal heat island – Toronto. Theoretical
and Applied Climatology, vol.23, n° 1-2, 1975, p. 69-80.
YOSHINO, Masatoshi. Development of urban climatology and problems today. Energy and
buildings, vol.15, 1990-1991, p. 1-10;
YU, Chen. HIEN, Wong Nyuk. Thermal benefits of city parks. Energy and buildings, n°38,
2006, p. 105-120.
Sites web consultés
ADEME. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.ademe.fr
AGORA 21, site francophone du développement durable. [réf. du 14 octobre 2008] :
http://www.agora21.org/
Anah, Agence Nationale de l’Habitat. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.anah.fr/
Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.cstb.fr/
CITEPA. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.citepa.org/
Comité 21. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.comite21.org/
CNRM. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.cnrm.meteo.fr/
DIACT. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.diact.gouv.fr/
EEA,
Agence
européenne
pour
l’environnement.
[réf.
du
14
octobre
2008] :
http://local.fr.eea.europa.eu/
Efisol, isolation thermique des maisons. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.efisol.com
Energie-Cités, promouvoir les politiques énergétiques durables par l’action locale. [réf. du 14
octobre 2008] : http://www.energie-cites.org/
ESPERE. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.espere.net
Grenelle
environnement.
[réf.
du
14
octobre
2008] :
http://www.legrenelle-
environnement.gouv.fr/grenelle-environnement/
Institut de Veille Sanitaire. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.invs.sante.fr/
340
IPCC, Intergouvernmental Panel on Climate Change. [réf. du 14 octobre 2008] :
http://www.ipcc.ch/
IFEN. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.ifen.fr/
IPSL, recherches en sciences de l’environnement, climat, pollution, planétologie. [réf. du 14
octobre 2008] : http://www.ipsl.jussieu.fr/
Météo-France. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.meteofrance.com/
Ministère de l’Écologie, de l’Energie, du Développement Durable et de l’Aménagement du
territoire. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.developpement-durable.gouv.fr/
Mission Interministérielle de l’Effet de Serre. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.effet-deserre.gouv.fr/
Observatoire national sur les effets du réchauffement climatique (ONERC). [réf. du 14
octobre 2008] : http://www.onerc.gouv.fr
Organisation des Nations Unis (ONU). [réf. du 20 octobre 2008] : http://www.un.org/french/
Portail architecture, urbanisme et environnement en Midi-Pyrénées. [réf. du 14 octobre
2008] : http://www.caue-mp.fr/
Prim.net. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.prim.net/
Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE). [réf. du 14 octobre 2008] :
http://www.unep.org/french/
Réseau Action Climat France. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.rac-f.org/
UK Climate Impacts Programme. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.ukcip.org.uk/
Ville de Paris. [réf. du 20 octobre 2008] : http://www.paris.fr/
WIKIPEDIA. [réf. du 14 octobre 2008] : http://www.wikipedia.fr/
Dictionnaires
DE VIGAN, Jean. DICOBAT, dictionnaire général du bâtiment. Ris-Orangis : Arcature,
1992.
Petit Larousse illustré, 1991.
Petit Larousse illustré, 2000.
341
342
Annexes
343
Annexe 1 Prise en compte du climat dans la conception des villes
Par le passé, la conception des bâtiments et, par extension, des villes s’est souvent faite dans
une volonté d’adéquation au climat (Givoni, 1978), c'est-à-dire de façon la plus adaptée
possible aux conditions climatiques locales. Empirisme puis approche scientifique de la
construction ont permis de répondre en partie aux besoins humains de sécurité physique et de
confort.
L’amélioration
des
connaissances
scientifiques
et
techniques
a
permis
progressivement aux architectes, ingénieurs ou urbanistes de tenir compte d’autres contraintes
telles que la dépense énergétique ou la qualité de l’air, mais également de prendre conscience
des modifications climatiques locales engendrées par leurs aménagements.
Bâtiment et climat
« Les bâtiments sont notre troisième peau » nous signalent Roaf et al. (2005) ; il est vrai que
d’abord conçu pour protéger les personnes et les biens des contraintes et aléas climatiques
extérieurs, le bâtiment a vu et voit l’étendue de ses fonctions s’élargir au fur et à mesure de
son évolution dans le temps138. Aujourd’hui, en plus de nous protéger nous et nos biens des
évènements climatiques, il doit pouvoir proposer un environnement agréable, ce qui passe par
exemple par un contrôle du climat intérieur (chauffage en hiver, climatisation en été, etc.),
mais également par une attention au bruit, à la lumière, etc., et ce toujours en tenant compte
des contraintes de coût et de limitation des impacts environnementaux.
Ces dernières décennies, la question de l’efficacité énergétique s’est également imposée avec
la mise en place de réglementations thermiques de plus en plus ambitieuses. Aux contraintes
économiques, qui ont motivé ces actions, s’ajoute également aujourd’hui la perspective d’un
changement climatique, intimement lié aux consommations d’énergies fossiles.
Les éléments du climat qui sont pris en compte dans la conception du bâti sont nombreux (le
rayonnement solaire, la température, les vents, l’humidité atmosphérique, les précipitations,
etc.). Chaque région, française ou du monde, possède ainsi un habitat traditionnel dont la
138
A ce sujet, Cluzel (1986), s’inspirant des besoins fondamentaux de Maslow (dans l’ordre : la santé, la
sécurité, l’appartenance, l’estime des autres et l’accomplissement de soi), estime que les habitations possèdent
aujourd’hui des « fonctions d’usage », « liées essentiellement aux besoins de santé et de sécurité (maisonabri) », et des « fonctions d’estime », « directement liées à l’appartenance, l’estime des autres et
l’accomplissement de soi ».
344
conception et la forme sont intimement liées au climat (figure A 1). Givoni (1978), Griffiths
(1976) ou encore Escourrou (1991) ont noté et expliqué ces différences. Des climats secs et
chauds aux climats froids en passant par des climats chauds et humides ou de type
méditerranéen, le choix des matériaux et la forme du bâtiment sont en partie conditionnés par
les contraintes climatiques. Les ressources locales ont également largement influencé le choix
des matériaux.
Figure A 1 : Habitat traditionnel selon les régions du Monde (Griffiths, 1976).
Pour les climats chauds et secs ou encore méditerranéens (étés chauds et secs, hivers doux et
humides), l’objectif est de laisser pénétrer à l’intérieur du bâtiment le moins de chaleur
possible. Les murs et les toits blancs ou avec des teintes claires sont ainsi privilégiés (cela
limite l’absorption de la chaleur par les murs grâce à une plus grande réflexion du
rayonnement solaire), les murs sont épais pour freiner la diffusion de la chaleur et amortir les
fluctuations de températures à l’intérieur, les ouvertures sont petites, et selon la région des
puits de fraicheur avec de la végétation et de l’eau peuvent également être mis en place.
345
Pour les milieux froids et très froids, un des objectifs est d’éviter la perte de chaleur du
bâtiment chauffé. Cela passe par une organisation à l’intérieur du logement, comme la
création de sas pour entrer au sein du logement, par l’utilisation de matériaux approprié bien
sûr, ou encore par une forme de construction particulière. Par exemple dans certaines villes de
Russie des constructions sont conçues sur pilotis profondément enfoncés dans le sol où celui
restera toujours gelé même en été. Le matelas d’air entre le rez-de-chaussée et le sol gelé
permet de protéger, selon Escourrou (1991), l’habitation du froid issu du substratum139. Cette
couche d’air permet surtout de protéger le pergélisol140 d’un réchauffement par le bâtiment et
donc d’une fonte des glaces sous celui-ci qui engendrerait des mouvements de terrain.
Les différences architecturales entre les climats influencent quatre formes d’interaction entre
le bâtiment et son environnement (Givoni, 1998) :
•
l’exposition solaire effective des éléments opaques ou vitrés de l’enveloppe du
bâtiment (ses murs, ses fenêtres et son toit) ;
•
le gain effectif en chaleur solaire du bâtiment ;
•
le gain ou la perte de chaleur avec l’air ambiant par convection141 et conduction142 ;
•
et le potentiel pour mettre en place une ventilation naturelle ou un système de
refroidissement passif au sein du bâtiment.
Ces interactions sont plus ou moins affectées par les éléments suivants (Givoni, 1998) :
•
la forme du bâtiment ;
139
Le substratum représente la surface terrestre : sols, végétation, surface en eau…
Le pergélisol (permafrost en anglais) désigne un sous-sol gelé en permanence, au moins pendant deux ans.
141
En météorologie, la convection constitue le déplacement vertical de l'air et est souvent d'origine thermique ou
orographique. Plus généralement, la convection est le mouvement d'un fluide, avec transport de chaleur, du fait
d'un différentiel de températures. La convection est un transfert de chaleur par le biais d'un fluide (comme l'air).
L'échange de chaleur convectif arrive dans diverses situations, quand la chaleur est transféré de la surface d'un
solide à l'air adjacent, et vis et versa, ou quand la chaleur est transféré entre deux surfaces de températures
différentes par le moyen d'un flux d'air. La convection peut être causée, par exemple, par des différences de
température et/ou forcée le mouvement de l'air par le vent.
142
La conduction est le processus de transfert de chaleur à l'intérieur d'un matériau solide allant des molécules
les plus chaudes vers les molécules les plus froides. Les molécules de n'importe quel matériau vibrent et cette
vibration devient plus vigoureuse quand la température de la substance augmente. Le flux de chaleur conductif
est causé par le transfert d'énergie de des molécules chaudes à forte vibration vers les molécules plus froides. De
cette façon, le transfert de l'énergie cinétique de la vibration est converti en chaleur. La conduction thermique au
sein des bâtiments correspond au processus de tranfert de chaleur à travers des matériaux solides (murs, toits) et
ce du coté le plus chaud de l'élément vers celui le plus froid. Son importance dépend de la conductivité du
matériau et de l'épaisseur de l'élément considéré.
140
346
•
l’orientation des fenêtres et l’ombre dont elles bénéficient ;
•
l’orientation et la couleur des murs ;
•
la taille et la localisation des fenêtres (pour la ventilation et les apports solaires) ;
•
et l’effet des conditions de ventilation d’un bâtiment sur son climat intérieur.
La connaissance scientifique a permis de maitriser petit à petit de nombreux aspects de la
construction en relation avec son climat et son environnement plus généralement. La
réglementation n'a, depuis le milieu du XXe siècle, cessé de prendre en compte de nouvelles
exigences pour satisfaire un certain niveau de confort pour les occupants, préserver le bâti,
réduire le bruit et la consommation énergétique ou encore augmenter la sécurité en cas
d'incendie. En France, par exemple, les règles définissant les effets de la neige et du vent sur
les constructions sont d’actualité depuis 1965 (règles NV 65143) ; la première réglementation
thermique est né en 1974 ; et la réglementation acoustique est elle-aussi récente (le premier
arrêté relatif à l’isolation acoustique des bâtiments d’habitation date du 14 juin 1969).
La réglementation thermique tient compte en France de différentes zones climatiques. Il est
vrai qu’énergie, ou plus précisément consommation d’énergie, et climat sont intimement liés
comme le montre la figure A 2. Cette relation est également fortement influencée par le
comportement des personnes, et leur relation au bâtiment et au confort.
Aujourd’hui, la technique permet de s’affranchir des conditions climatiques locales et des
savoir-faire traditionnels pour concevoir des bâtiments au climat intérieur agréable en toute
saison. Cela conduit à une généralisation des modes de constructions, et par voie de
conséquence à une uniformisation des cadres bâtis144, mais peut également mener à des
aberrations. Les gratte-ciels vitrés et climatisés de Dubaï en sont une illustration. Escourrou
(1991) explique ainsi que : « La maîtrise du milieu par des techniques de jour en jour plus
perfectionnées s’est développée dans la civilisation dite « occidentale », c'est-à-dire dans un
143
« Les règles NV 65 fixent les valeurs des charges de la neige et du vent et permettent d’évaluer les efforts
correspondant agissant sur la structure d’une construction. Rédigées en 1965, elles ont fait l’objet d’annexes, de
révisions, d’addenda en 1967, 1970, 1975, 1976, 1985 (carte neige), 1996 (carte neige), 1999 (carte vent) et
2000 (accumulation de la neige). » (Mayere, 2001)
144
Jacques Veron (2006), dans son ouvrage sur l’urbanisation du monde, note également cette évolution au sein
des villes : « Un autre enjeu urbain, c’est d’éviter que la mondialisation ne se traduise par une uniformisation
totale des villes, notamment de leurs centres, avec la présence des mêmes enseignes, des mêmes chaines
hôtelières internationales, du même design urbain, etc. »
347
milieu où les contraintes climatiques restent modérées et, par suite, les urbanistes et
architectes n’ont guère eu à se soucier du climat dans l’élaboration de leurs projets. »
La ville accueille aujourd’hui un grand nombre de ces bâtiments au climat intérieur agréable
mais qu’en est-il de sa propre relation avec le climat ?
Personnes
La culture et les
préférences sont
en partie
déterminées par
le climat
extérieur
Climat intérieur
et extérieur
L’utilisation
d’énergie est
influencée par le
contexte climatique,
social, économique
et culturel.
Les personnes
contrôlent les
bâtiments pour
avoir un climat
intérieur à leur
convenance
Bâtiments
Le bâtiment améliore le climat selon les règles traditionnellement mises en œuvre pour
satisfaire les occupants et pour fournir un confort fixé en partie par des normes culturelles
Figure A 2 : Interactions traditionnelles entre le climat (intérieur comme extérieur), les
personnes et les bâtiments qui influencent nos besoins énergétiques (D’après Roaf et al.,
2005).
Ville et climat
Jusqu’à très récemment, le climat n’a pas été une préoccupation majeure des urbanistes.
Comme le signalent Adolphe et al. (2002), « Les acteurs de la planification urbaine et de
l’aménagement de l’espace ont aujourd’hui perdu cette mémoire sur les effets climatiques de
la forme urbaine, sur l’influence régulatrice de la végétation, ou sur le rôle bénéfique des
espaces d’eau (couloirs fluviaux, fontaines…). Ces acteurs sont aujourd’hui dépourvus
d’outils et de données de base indispensables pour intégrer à leur réflexion les
caractéristiques de l’environnement climatique aux trois échelles fortement imbriquées du
climat régional, du mésoclimat (à l’échelle de l’agglomération), et du microclimat (à
l’échelle du bloc). Pourtant ces outils et ces connaissances existent, mais sont affaires de
spécialistes (d’un côté, architectes et thermiciens sur le comportement énergétique des
bâtiments à « Haute Qualité Environnementale »145, de l’autre les climatologues ou
145
La Haute Qualité Environnement (HQE) est une démarche qualitative récente qui vise l'intégration dans le
bâti des principes du développement durable et qui intègre toutes les activités liées à la conception, la
construction, le fonctionnement et la déconstruction d'un bâtiment (logement, bâtiment public, tertiaire ou
348
aérauliciens). La complexité des phénomènes participe à cette technicisation du domaine
[…], par minéralisation et imperméabilisation du substrat, et augmentation de l’énergie
anthropique, ou l’impact réciproque du climat et de la concentration de polluants en milieu
urbain (inversion de température, dispersion horizontale, précipitations…). »
L’absence de préoccupations d’ordre climatique n’a pas toujours existé et différentes
interventions ont même eu comme objectif affiché d’améliorer la qualité de l’air ou le climat
qui régnait dans la ville comme le montre Benzerzour (2004). Avant la seconde moitié du
XXe siècle, les aménageurs ne parlent pas encore du climat urbain mais ont pris ou prennent
conscience des modifications qu’ils peuvent apporter.
Benzerzour (2004) a étudié les modifications climatiques engendrées par la ville en
distinguant quatre périodes successives : le Moyen Age (et sa prise de conscience d’une
possibilité d’intervention sur le microclimat malsain des villes), le XVIIIe siècle (et la mise en
œuvre des interventions), la période moderne du XIXe siècle (et ses utopies sociales) et la
période contemporaine. Nous reprenons ici ce découpage temporel. Les influences
climatiques des différentes interventions effectuées sur la ville depuis la fin du Moyen-âge et
que nous allons ici présenter succinctement sont résumés au sein du tableau A 1.
Au Moyen Age, la ville s’est créée avant tout dans un objectif de protection, de survie et pour
répondre à un certain contexte militaire et économique146. Ainsi, les besoins de protection
imposent aux villes en plus des murailles de s’entourer de larges fossés, ce qui crée un climat
local plus humide. A ceci s’ajoute l’ensemble des activités économiques concentrées dans la
ville intra-muros pour lesquelles l’humidité est nécessaire et qui crée des zones malsaines au
sein de la ville147. A défaut de pouvoir supprimer les sources malsaines, l’adaptation des
industriel). Elle s’appuie sur 14 cibles : des cibles d’écoconstruction (C1. Relations harmonieuses du bâtiment
avec son environnement immédiat / C2. Choix intégré des produits, systèmes et procédés de construction / C3.
Chantier à faible impact environnemental) ; des cibles d'éco-gestion (C4. Gestion de l'énergie / C5. Gestion de
l'eau / C6. Gestion des déchets d'activités / C7. Maintenance - Pérennité des performances environnementales) ;
des cibles de Confort (C8. Confort hygrothermique / C9. Confort acoustique / C 10. Confort visuel / C 11.
Confort olfactif) ; des cibles de santé (C 12. Qualité sanitaire des espaces / C 13. Qualité sanitaire de l'air / C 14.
Qualité sanitaire de l'eau).
146
« La ville fonctionne comme une entité sociale, capable d’assurer la mise en œuvre de la solidarité devant les
périls.[…] Le tracé se fait à partir d’un centre attractif et d’un souci de sécurité : d’où l’importance des
murailles, des pont-levis qu’on lève, et des portes qu’on ferme pour s’abriter du monde hostile » (Bonello, 1998)
147
« Textiles, cuirs, papier et salpêtre représentent en volume la majeure partie des produits transformés dans et
par la ville jusqu’au début du XVIIIème siècle. Leurs modes de production dépendent intimement de l’humidité et
de la putréfaction ou plutôt de la quantité d’excréments produits dans la ville. L’eau et les fientes sont dans
l’économie artisanale des richesses premières qu’il faut stocker, sinon accumuler. En ce sens, les déchets et
l’eau sont à l’artisan ce que l’or et l’argent sont à l’état dans la théorie mercantiliste. » (Guillerme, 1990.
D’après Benzerzour, 2004)
349
populations se fait quand cela est possible par l’éloignement. Ainsi les espaces les moins
pollués sont investis par les religieux ou les riches alors que les ouvriers vivent aux abords de
ces sources. La disparition des causes militaires et économiques et l’avancée scientifique vont
permettre aux villes d’améliorer leur climat et surtout d’assainir leur air.
Dès le XVIIIe siècle, qui est le siècle des Lumières, la qualité sanitaire de l’air des villes
devient un enjeu. Il y a désormais une volonté de réduire, au sein des habitats et des espaces
urbains, l’humidité et d’accéder à l’air, au soleil et à la lumière naturelle. Les interventions
salubristes vont alors se dérouler sur plusieurs décennies et même siècles148.
Un assainissement des surfaces malsaines va donc s’opérer (minéralisation du sol des rues et
renouvellement du crépi des murs, comblement des fossés et canalisation des rivières, et
drainage en sous-sol des eaux de surface) ainsi qu’une ventilation des vides urbains
(alignement des rues, élargissement et percées de nouvelles rues, normalisation du prospect
des rues).
Le XIXe siècle va, pour sa part, voir apparaître des propositions utopistes sur l’avenir des
villes et leurs conceptions.
L’urbanisme moderne s’ancre sur les utopies sociales du XIXe siècle et propose de nouvelles
formes urbaines parfois opposées à la forme de la ville ancienne. Les auteurs les plus connus
du XIXe siècle ayant écrit sur les formes urbaines refusent la ville héritée du passé synonyme
pour eux d’inégalités et d’insalubrité. Comme le signale Benzerzour (2004), « les solutions
proposées sont de deux types : construire une nouvelle ville de toute pièce en alliant ville et
campagne ou transformer (actualiser) la ville existante de telle sorte à obtenir une nouvelle
ville ». Si c’est la première solution qui est préconisée dans la première moitié du XXe siècle,
sans réussir réellement à être mise en œuvre hors cas particuliers, c’est la seconde qui l’est
aujourd’hui pour nos villes.
148
« […] tout nanti cherche à réduire l’humidité de son habitat. Le pavage des rues et la construction de fosses
d’aisance contribuent à réduire les dépôts d’immondices intra-muros, tandis que les populations des grands
centres économiques s’adonnent à des métiers moins polluants, laissant aux campagnes le soin de pousser
d’avantage la préparation des matériaux ; L’élite urbaine goûte le bon air des promenades et des jardins
publics. La grande ville s’épure et se dégage subrepticement de ses fanges. La putréfaction qui avait fait sa
richesse et celle de la nation va être écartée, éliminée, réduite. » (Guillerme, 1990. D’après Benzerzour, 2004)
350
Figure A 3 : La cité jardin circulaire d’Ebenezer Howard
(www.library.cornell.edu/Reps/DOCS/howard.htm)
Pour illustrer ces propos, les figures A 3 présentent la cité idéale imaginée par Ebenezer
Howard dans son ouvrage les cités jardins de demain (1902), cité qui est un « modèle de
développement urbain alternatif qui veut apporter une réponse au problème de l’habitat à
l’ère industrielle » (Jonas, 2003)149.
Les figures A 4 représentent pour leur part la façon dont Le Corbusier150 s’imaginait une ville
contemporaine de trois millions d’habitants. L’objectif est de « resserrer la ville en densifiant
son centre par la juxtaposition de gratte-ciel (dix-huit tours de deux cent mètres de haut pour
le Plan Voisin) » (Jonas, 2003). Le Plan Voisin (figure A 4) fut un projet proposé par Le
Corbusier en 1925 pour le centre de Paris.
149
« La cité-jardin est de taille limitée (la population ne doit pas dépasser trente mille personnes), elle regroupe
toutes les fonctions administratives et les activités tertiaires au centre, lui-même entouré de jardins et d’avenues
arborées bordées d’habitations et de commerces. L’urbanisation des quartiers et leur entretien sont gérés de
manière mixte par des promoteurs privés et les pouvoirs publics qui régulent l’éventuelle spéculation
immobilière et la concentration de la propriété foncière (tout en laissant sa place à l’initiative privée). Les villes
sont cernées par une couronne de terre agricole où sont également implantées les industries. A terme les citésjardins, reliées les unes aux autres par un réseau de chemin de fer, formeraient des grappes d’agglomérations à
dimension humaine, toutes fondées sur le même système de gestion collectif, mi public, mi privé. Les premières
cités-jardins sur le modèle imaginé par Ebenezer Howard ont été réalisées à partir de 1903 dans les environs de
Londres à Letchwork et Weiwyn Garden City. » (Jonas, 2003).
150
« Le Corbusier, dans l’esprit du Purisme, courant artistique qu’il a contribué à fonder et qui s’inspire de
l’esthétisme fonctionnel des machine, prône une nouvelle architecture rationnelle et mono fonctionnelle. […]
L’« homme-machine » vivra dans une « ville-machine » : les unités d’habitation sont des blocs, disposés
régulièrement dans un espace vert, logeant chacun mille six cents personnes et disposant de services collectifs
intégrés […] ; espacés les uns les autres de cent cinquante mètres, chaque immeuble de bureaux de l’hyper
centre accueille dix à cinquante mille employés. » (Jonas, 2003).
351
Ville de trois millions d'habitants, conçue par
Le Corbusier en 1922. Maquette présentée
dans le cadre de l'exposition « à la recherche
de la cité idéale » à la Saline d'Arc-et-Senans.
(http://www.athenaeum.ch/corbu3m1.htm)
Le Plan Voisin proposé par Le Corbusier en
1925. Source : site internet de la fondation
Le Corbusier
(http://www.fondationlecorbusier.asso.fr/)
Figure A 4 : Les projets de Le Corbusier.
Une prise de conscience environnementale contemporaine va avoir lieu dans la continuité des
préoccupations salubristes du XIXe siècle et du début du XXe siècle. Comme l’écrit
Benzerzour (2004), « le développement durable est devenu le leitmotiv de l’urbanisme
contemporain ». Le microclimat urbain, la pollution atmosphérique, le changement climatique
deviennent de nouveaux enjeux. Gauzin-Müller (2001) préconise trois objectifs pour que la
ville puisse répondre au critère de qualité environnementale : une ville compacte (l’étalement
augmente l’utilisation de la voiture), un habitat dense (économie d’énergie pour le chauffage
et économie de matériaux de construction) et un verdissement des vides urbains et des toitures
(humidification de l’air, fixage des poussières, abaissement des températures, stockage du
carbone et libération de l’oxygène, affaiblissement de la propagation du bruit, réduction de
l’impression de densité, augmentation de l’inertie thermique, etc.).
Cette densification s’oppose à l’étalement urbain observé actuellement en France et, d’une
manière plus générale, dans les pays européens ou du monde. En 2003, selon l’IFEN, les
surfaces artificialisées (routes, parkings, chantiers, pelouses, espaces bâtis) occupent 8% du
territoire métropolitain. Entre 1982 et 2003, elles ont augmenté de plus de 40% au détriment
des zones agricoles et naturelles, ce qui s’explique plus par l’évolution du mode de vie des
français que par la croissance démographique : la population française a en effet augmenté de
seulement 10% dans la même période (IFEN).
Selon le Bulletin Européen du Moniteur n°749 (janvier 2006), « les problèmes de l’étalement
urbain (l’extension non maitrisée de l’urbanisation vers la campagne environnante) et de la
périurbanisation (l’exode des habitants et des activités économiques hors du centre des villes
352
et vers les périphéries) sont susceptibles de détériorer sensiblement la qualité
environnementale des zones urbaines. Cette tendance est fréquente dans les anciens Etats
membres [de l’Union Européenne] et souvent la règle dans les nouveaux Etats membres. »
Tableau A 1 : Tableau synthétique des modes d’intervention sur la forme urbaine visant la
régulation du microclimat urbain (Benzerzour, 2004).
Types d’intervention
Périodes
Intentions
microclimatiques
Interventions sur la forme
urbaine
Modalités
1. Adaptation
spatiale
… Jusqu’au
XVIIème siècle
Eloignement des
sources et des espaces
malsains
Choix d’une situation spatiale
pour habiter dans la ville intramuros selon :
- La hauteur des édifices
(abandon des RDC) ;
- La rue (voir toponymie) ;
- Le quartier (ouvriers,
religieux…) ;
- La topographie (rivière,
hauteurs de la ville).
- Différenciation spatiale de la
qualité du microclimat urbain :
d’un étage à un autre, d’une rue
à une autre, d’un quartier à un
autre, ou d’une situation
topographique à une autre.
- Différenciation foncière des
parcelles selon leur qualité
microclimatique.
2. Ajustements
morphologiques
Des Lumières au
XVIIIème à la
reconstruction des
villes au XXème
siècle
- Améliorer
l’accessibilité de l’air,
du soleil et de la
lumière naturelle.
- Favoriser le rejet de
l’air pollué vers
l’extérieur des villes.
- Destruction des saillies.
- Elargissement des rues selon
une ligne droite (alignements).
- Limitation des hauteurs de
rues selon leurs largeurs
(prospects).
- Percées de rues nouvelles
avec des directions nouvelles.
- Pavage des sols.
- Comblement des fossés.
- Comblement des cours d’eau
malsains (égouts à ciel
ouvert).
- Enterrement des réseaux
d’évacuation d’eau.
- Ouverture progressive des
vides urbains.
Eliminer les sources
malsaines
- Minéralisation et
imperméabilisation des
surfaces.
3. Nouvelles formes
urbaines
XIXème et XXème
siècle
+ de soleil
+ d’air naturel
+ de lumière
+ de verdure
+ de logements
- Densification verticale.
- Inversion des rapports
« plein-vide ».
- Choix des orientations des
parois.
- Nouvelle forme d’ouverture
du vide urbain (étalement).
- Espaces verts considérables.
4. La ville
contemporaine ?
XXème siècle
- Réduire l’étalement
des espaces bâtis.
-Economiser l’énergie.
- Augmenter les
surfaces plantées.
- Economiser l’espace.
- Densifier la ville existante.
- Optimiser la constructibilité
des vides urbains existants.
- Nécessité d’optimisation
- Quels connaissances ?
- Quels outils ?
Les villes américaines sont sans doute un bon exemple de ce que l’étalement urbain à l’excès
peut provoquer. Comme le signale Ghorra-Gobin (2005) pour les villes américaines,
« l’urbanisation se poursuit en dehors de toute notion de limite spatiale au détriment de
l’environnement naturel ou encore du domaine rural, suivant le principe de la faible densité.
[…] L’urban sprawl correspond à un phénomène d’étalement urbain se poursuivant au gré
de la construction des routes et des autoroutes, de la dynamique d’implantation d’entreprises
soucieuses de bénéficier d’un cadre agréable au moindre coût et des lotissements résidentiels
(y compris les lotissements sécurisés, les gated communities). »
353
Si la relation avec la pollution atmosphérique est tout de suite évoquée, cet urban sprawl a
également des conséquences climatiques de par l’artificialisation toujours plus importante des
surfaces.
Nombre des interventions urbaines explicitées ici et listées au sein du tableau A 1 se sont
inscrites dans les règlements d’urbanisme ou ont été influencées par eux. Ce fut le cas, par
exemple, des rues parisiennes, souvent caractérisées par l’homogénéité des bâtiments qui la
bordent151.
Cependant la « perte de mémoire », pour reprendre le terme d’Adolphe et al. (2002), des
acteurs de la planification urbaine sur les effets climatiques de la ville a pour conséquence
qu’aujourd’hui peu de villes et d’acteurs de la ville (urbanistes, architectes, ingénieurs,
politiques, etc.) tiennent compte des modifications climatiques locales qu’ils engendrent de
par leur choix et décisions, et ce sans doute parce ces modifications ne sont pas perçues
aujourd’hui nécessairement comme négatives. Le phénomène est pourtant connue depuis déjà
plusieurs décennies (cf. première partie).
151
« Dès le XVIIIème siècle, les règles d’urbanisme ont proportionné la hauteur maximale des façades et la
forme du couronnement des immeubles à la largeur des rues. Ces dispositions ont peu varié au cours du XIXème
siècle et ont largement été respectées dans le règlement d’urbanisme de 1902 qui a été en vigueur jusqu’à la fin
des années 1950. Aussi, le paysage des onze premiers arrondissements ainsi que des 16ème, 17ème et 18ème
arrondissements est-il très largement issu de l’application de ces règles.
Cependant en 1961, sous l’influence du mouvement moderne, des préoccupations hygiénistes et du
développement de la circulation automobile, le plan d’urbanisme directeur a imposé un urbanisme nouveau qui
abandonnait l’alignement des voies, la gradation mesurée des hauteurs et, de manière plus générale, le souci
d’insertion des constructions dans la ville ancienne. Dans les arrondissements périphériques, particulièrement
sur la rive gauche et sur la couronne de Paris, cette rupture a produit des formes urbaines et architecturales
inhabituelles qui vont très vite susciter un rejet et conduire à l’élaboration et à l’application anticipée dès 1975
du plan d’occupation des sols (POS) approuvé en 1977.
Le POS de 1977 a rétabli la continuité des formes urbaines. Il a réintroduit l’exigence d’homogénéité du bâti
inscrite dans les règlements anciens par l’obligation d’alignement et le retour aux gabarits traditionnels sur rue.
Révisé à deux reprises et modifié de très nombreuses fois, il nécessite aujourd’hui une révision générale pour
répondre aux nouveaux objectifs que se fixe la Ville de Paris en matière d’occupation du sol et de paysage. »
Diagnostic du PLU de Paris (2007)
354
Annexe 2 Perturbations climatiques : sources d’instabilité à gérer
par la ville
Une ville conçue a priori en adéquation avec son climat reste vulnérable quand survient un
évènement extrême. Du fait des enjeux152 que présentent les espaces urbains et de leur
vulnérabilité153, les pouvoirs publics se sont organisés pour faire face aux différents aléas154
climatiques et minimiser ainsi les risques155 qui pourraient survenir. C’est ce dont nous allons
discuter au sein du premier paragraphe de ce chapitre.
A cette variabilité naturelle du climat s’ajoute aujourd’hui la problématique plus préoccupante
du changement climatique. Face à ce dernier, la question de l’adéquation de la ville à un
nouveau climat est plus délicate, plus complexe, et pleine d’incertitudes. Il est alors difficile
d’engager des actions d’adaptation pour minimiser le risque (et quel risque justement ?)
comme nous le verrons.
Les villes ont une position complexe. Elles sont souvent à l’origine des modifications locales
et globales du climat et subissent à la fois les effets conjoints du changement climatique et du
climat urbain. Ce sont ainsi elles qui vont devoir le plus mettre en œuvre des actions pour
lutter contre les rejets en gaz à effet de serre tout comme agir pour s’adapter à un nouveau
climat.
152
Les enjeux sont « l’ensemble des personnes et des biens susceptibles d’être affectés par un phénomène
naturel » (MEEDDAT) ou encore « les personnes, les biens, les équipements, l’environnement menacé par
l’aléa, et susceptibles de subir des dommages et des préjudices » (Dagorne, 2001).
153
La vulnérabilité « exprime et mesure le niveau de conséquences prévisibles de l’aléa sur les enjeux.
Différentes actions peuvent la réduire en atténuant l’intensité de certains aléas ou en limitant les dommages sur
les enjeux. » (Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable) ou encore « mesure les conséquences
dommageables de l’évènement sur les enjeux concernés » (Dagorne, 2001).
154
L’aléa est « la manifestation d’un phénomène naturel d’occurrence et d’intensité données » (MEEDDAT Ministère de l'écologie, de l'énergie, du développement durable et de l'aménagement du territoire) ou encore
« la probabilité d’un évènement qui peut affecter le système étudié naturel ou technologique » (Dagorne, 2001).
155
Le MEEDDAT évoque également le risque majeur et le définit comme « la conséquence d’un aléa d’origine
naturelle ou humaine, dont les effets peuvent mettre en jeu un grand nombre de personnes, occasionnent des
dégâts importants et dépassent les capacités de réaction des instances directement concernées » et Dagorne
(2001) préfère lui le terme simple de risque et le définit comme la « possibilité de survenance d’un évènement
susceptible de porter atteinte à l’équilibre naturel ». De façon plus simple, « Le risque est le produit combiné
d’une vulnérabilité et d’un aléa » selon Dubois-Maury (2004). La définition de l’ONERC (Observatoire national
sur les effets du réchauffement climatique) (2003), plus détaillée présente le risque comme « la combinaison de
divers éléments : les phénomènes (le vent, la crue, la foudre etc.) – les enjeux pouvant être impactés par des
phénomènes (les personnes, les biens, l'environnement) - et une troisième composante : la vulnérabilité, c'est à
dire la plus ou moins grande capacité des enjeux à résister aux phénomènes. » (ONERC, 2003)
355
Gestion des risques climatiques par les villes françaises
Dans l’étude des risques, la ville est désormais régulièrement considérée de manière
particulière par rapport aux milieux plus ruraux. En effet, la ville est un milieu
particulièrement vulnérable aux évènements climatiques du fait de la forte présence d’enjeux.
Le triangle du risque de Crichton (2008) permet une représentation de ce qui crée le risque
(figure A 5), c'est-à-dire l’association d’un aléa (hazard), d’une vulnérabilité (vulnerability) et
d’une exposition ou des enjeux (exposure)
Figure A 5 : Le triangle du risque (Crichton, 2008).
Les principaux risques naturels d’origine climatique sont pour les villes françaises : les
inondations, les averses orageuses, les cyclones, les tempêtes, et les canicules. Nous
n’aborderons ici que trois d’entre eux, à savoir les inondations (les averses orageuses ont
souvent pour conséquences une inondation), les tempêtes, et les canicules qui affectent plus
particulièrement la France métropolitaine.
Inondations
Selon l’ONERC, « Les enjeux liés aux inondations concernent 3 à 4 % de la population
française (2 millions de personnes – 7600 communes). Les conséquences économiques et
humaines sont importantes. Les inondations ont fait 185 victimes sur la période 1980/2000.
Le coût annuel moyen est de 600 millions d’euros ». Le risque d’inondation est, en France, le
risque le plus fréquent et le plus coûteux pour la société (80 % du coût des dommages
nationaux imputables aux risques naturels, d’après l’IFEN - Institut Français de
l'Environnement).
Les inondations peuvent avoir trois origines : une remontée des nappes phréatiques (due à un
surplus régulier de pluies pendant un long moment, ce qui entraine un affleurement de la
nappe), le ruissellement pluvial (dû à l’imperméabilisation croissante des sols du fait des
356
aménagements ou des pratiques culturales, comme le remembrement156) ou le débordement
d’une voie d’eau, une crue (due à l’augmentation du débit de la voie d’eau lors de
précipitations intenses).
Figure A 6 : Les inondations de Nîmes du 3 octobre 1988 : un sinistre exceptionnel pour une
inondation en France, 9 morts, 4 milliards de francs de dégâts (http://www.prim.net/).
Un exemple d’inondation par ruissellement est celle survenue à Nîmes le 3 octobre 1988 suite
à des pluies diluviennes (figure A 6). Les caractéristiques naturelles de la ville ont favorisé ce
phénomène : Nîmes se situe en piémont d'un plateau calcaire qui domine la ville d'une
centaine de mètres. Six cours d'eau temporaires la traversent et drainent les eaux du « plateau
des Garrigues » vers la plaine du Vistre, par des bassins versants peu étendus (4 à 12 km de
longueur totale pour 10 à 25 km² de superficie). Nîmes est en quelque sorte « un
amphithéâtre » naturel, au pied de sept collines. A cela s’ajoute une structure géologique
complexe (karst157) qui favorise la circulation des eaux souterraines vers la Fontaine de Nîmes
et d'autres résurgences158 temporaires avec de brutales augmentations de débit. L’urbanisation
progressive et l'extension des voies de communication dans la plaine et sur les hauteurs
immédiates ont également eu des effets défavorables sur le ruissellement et l'écoulement des
eaux et accru le risque d’inondation pour la ville de Nîmes (site de la ville de Nîmes :
http://www.nimes.fr/).
Pour les crues, la notion de période de retour159, dépendant du débit et de l’intensité, a été
définie. Quatre types de crue sont ainsi distingués (MEDD, 2004) : Les crues fréquentes (la
156
Le remembrement est une « réunion de différentes parcelles en un seul tenant afin d’effectuer une
redistribution rationnelle pour l’agriculture (remembrement rural) ou pour l’aménagement urbain » (Le Petit
Larousse illustré, 2000). Il a notamment pour conséquence de supprimer les talus, sources de biodiversité, et
surtout protections face au ruissellement.
157
Le karst est une « région possédant un relief karstique », c'est-à-dire un « relief particulier aux régions
calcaires et résultant de l’action, en grande partie souterraine, d’eaux qui dissolvent le carbonate de calcium »
(Le petit Larousse illustré, 2000).
158
La résurgence est la « réapparition à l’air libre, sous forme de grosse source, d’eaux infiltrées dans un massif
calcaire » (Le petit Larousse illustré, 2000).
159
La période de retour est « l’inverse de la probabilité d’occurrence du phénomène. Un phénomène ayant une
période de retour de cent ans (phénomène centennal) a une chance sur cent de se produire ou d’être dépassé
357
période de retour est comprise entre un et deux ans), les crues moyennes (la période de retour
est comprise entre dix et vingt ans), les crues exceptionnelles (la période de retour est de
l’ordre de cent ans) et la crue maximale vraisemblable (elle occupe l’intégralité du lit
majeur160).
Dans le cadre de l’élaboration des documents réglementaires, la référence utilisée est la crue
centennale ou le plus fort évènement connu. Pour Paris, c’est par exemple la crue de 1910 qui
est utilisée.
La période de retour fait partie des paramètres permettant de qualifier l’aléa inondation avec
la hauteur et la durée de submersion, la vitesse du courant et le volume de matière transportée.
Les zones urbaines sont plus vulnérables aux inondations, par rapport aux zones rurales et
naturelles, du fait notamment de la densité en infrastructures. Cette vulnérabilité s’est accrue
avec le temps du fait de la sophistication du fonctionnement de notre société (qui correspond à
une augmentation des enjeux). Prenons le cas par exemple de la crue de 1910 à Paris. Les
dégâts ont été évalué à 400 millions de francs de l’époque, soit presque un milliard d’euros, et
200 000 personnes ont été touchées. Si une crue de cette ampleur avait lieu aujourd’hui, il est
estimé qu’elle affecterait plus ou moins gravement 500 000 personnes et coûterait entre huit et
neuf milliards d’euros (Geode, 2004).
L’imperméabilisation du sol et la survenue plus fréquente de pluie orageuse au niveau de
l’agglomération ou des villes sous le vent de celle-ci pourrait favoriser de rapides et faibles
inondations par ruissellement.
La prévision, l’information, la prévention ou encore la protection sont les maitres-mots de la
gestion du risque inondation, gestion dont l’objectif est de minimiser les conséquences d’une
nouvelle crue de cette importance. Cependant, comme le signale Chery (2000), « quelles que
soient les dispositions prises à ce jour, une crue de type 1910 en région Ile-de-France
constituerait une catastrophe économique nationale. […] On peut considérer qu’un tel
scénario aurait pour conséquences : Une crise majeure d’alimentation en eau potable, en
électricité, en téléphone ; Une désorganisation générale des transports (vulnérabilité
chaque année. Cela est vérifié à condition de considérer une très longue période. Mais elle peut aussi, sur de
courtes périodes (quelques années, parfois une seule), se répéter plusieurs fois. » (MEDD, 2004)
160
Le lit mineur correspond au lit du cours d’eau occupé lors des crues fréquentes. Le lit majeur s’étend pour sa
part jusqu’aux limites des crues exceptionnelles sur une distance qui peut donc aller de quelques mètres à
plusieurs kilomètres. (MEDD, 2004)
358
particulière des transports en commun), réseau routier coupé en de nombreux points et,
évidemment, sursaturé ; une perturbation majeure de l’acheminement des matières premières
et des biens de consommation ainsi que de l’évacuation des déchets… »
Pour gérer le risque inondation, plusieurs éléments ont été mis en place. La prévision, gérée
par Météo-France, en est le premier aspect (SHAPI - Service Central d’Hydrométéorologie et
d’Appui à la Prévention des Inondations – a été créé en juin 2003 pour servir d’appui aux
services de prévision des crues au niveau national ainsi que pour assurer une veille
hydrométéorologique 24 heures sur 24 localisée sur les bassins rapides). Elle est basée à la
fois sur une surveillance météorologique et sur un suivi des débits de plusieurs cours d’eau.
A cela s’ajoute la prévention qui « regroupe l’ensemble des dispositions à mettre en œuvre
pour réduire l’impact d’un phénomène naturel prévisible » (MEDD, 2004). Cela consiste
donc à réduire la vulnérabilité des enjeux, anticiper la crise (exemple : le plan familial de mise
en sureté, http://www.prim.net/citoyen/moi_face_au_risque/222_anticiper.html), ou encore
réduire la gravité des crues torrentielles (réalisation de travaux de correction active ou
passive).
L’aménagement doit également prendre en compte le risque. Cela se fait au travers des
documents d’urbanisme, d’aménagements particuliers (bassins de retenue, bassins de
compensation, fossés, etc.) et surtout du plan de prévention des risques naturels prévisibles
(PPR) qui ne concerne par ailleurs pas uniquement le risque inondation (mais également les
séismes, les éruptions volcaniques, les mouvements de terrain, les avalanches, les feux de
forêt, les cyclones et les tempêtes). Ce plan, établi par l’Etat, définit les zones d’interdiction et
les zones de prescription, constructibles sous réserve.
Une information préventive envers les populations est également mise en place (dossier
départemental des risques majeurs161, document d’information communal sur les risques
majeurs). Cependant, comme le constatent Weiss et al. (2006)162, cela ne suffit pas forcément
161
Le risque majeur est la possibilité d'un événement d'origine naturelle ou anthropique, dont les effets peuvent
mettre en jeu un grand nombre de personnes, occasionner des dommages importants et dépasser les capacités de
réaction de la société. Huit risques naturels principaux sont prévisibles sur le territoire national : les inondations,
les séismes, les éruptions volcaniques, les mouvements de terrain, les avalanches, les feux de forêt, les cyclones
et les tempêtes. Les risques technologiques, d'origine anthropique, sont au nombre de quatre : le risque nucléaire,
le risque industriel, le risque de transport de matières dangereuses et le risque de rupture de barrage.
(http://www.prim.net/)
162
« Les différentes études menées par notre équipe sur les risques naturels, et plus particulièrement sur les
inondations en France ces dernières années, ont mis en évidence la difficile acceptation du risque, et ce quelles
que soient la situation et la connaissance que peuvent en avoir les individus. En effet, qu’il s’agisse de régions
359
pour que la population se sente concernée, accepte le risque. De plus, la loi du 30 juillet 2003
relative à la prévention des risques technologiques et naturels et à la réparation des dommages
a créé dans son article 77 (codifié à l’article L 125-5 du code de l’environnement) une
obligation d’information de l’acheteur ou du locataire de tout bien immobilier (bâti et non
bâti) situé en zone de sismicité ou/et dans un plan de prévention des risques prescrit ou
approuvé. A cet effet sont établis directement par le vendeur ou le bailleur : 1. un état des
risques naturels et technologiques pris en compte par ces servitudes, à partir des informations
mises à disposition par le préfet de département ; 2. Une déclaration sur papier libre sur les
sinistres ayant fait l’objet d’une indemnisation consécutive à une catastrophe reconnue
comme telle.
Ces outils permettant l’information préventive sont donc élaborés pour les communes
exposées à des risques d’inondations mais également en cas d’exposition à des risques de
séismes, volcanisme, cyclones, feux de forêts, mouvement de terrain et risques
technologiques.
Tempêtes
« Une tempête correspond à l’évolution d’une perturbation atmosphérique, ou dépression,
pouvant s’étendre sur une largeur atteignant 2 000 km et le long de laquelle sont confrontées
deux masses d’air aux caractéristiques distinctes (température, teneur en eau). De cette
confrontation naissent notamment des vents pouvant être très violents. On parle de tempêtes
lorsque les vents dépassent 89 km/h » (MEDD, 2002).
Nous n’abordons pas dans cette thèse le cas particulier des tornades et des cyclones, qui
concerne peu la France métropolitaine (nos pouvons citer cependant la mini tornade
exceptionnelle qui s’est abattue en août 2008 sur le Nord de la France).
Une tempête se manifeste donc par la vitesse des vents, et s’accompagne de façon plus ou
moins importante de pluies (avec les conséquences telles que les inondations, les glissements
de terrain ou encore les coulées boueuses) et également, en zones littorales, de marées
anormalement hautes (marée de tempête) et de hauteur de vagues importante.
dans lesquelles les inondations constituent un problème récurrent (dans le sud de la France), un phénomène
oublié (dans la Somme) ou encore un risque diffus non expérimenté personnellement (dans la Loire), les
populations ne semblent pas se sentir suffisamment concernées. » (Weiss et al., 2006)
360
Comme l’explique le document sur les tempêtes du Ministère de l’Environnement et du
Développement Durable (MEDD, 2002), « du fait des forces de frottement : la vitesse des
vents à l’intérieur des terres est souvent inférieure à celle des rafales soufflant sur les mers.
De plus, l’intensité des vents décroît au fur à mesure de l’avancement de la perturbation sur
le continent. Ceci explique la menace pesant plus particulièrement sur les zones littorales. En
revanche, en raison du caractère turbulent de l’écoulement de l’air, la violence (et donc le
pouvoir destructeur) des vents terrestres peut être sensiblement supérieure à celle des vents
marins. »
Les dommages d’une tempête peuvent être importants. Si la prudence permet bien souvent
d’éviter un trop grand nombre de décès et de blessés (dus notamment à la projection d’objets
par le vent, à la chute d’arbres, ou encore à des glissements de terrain), les activités sont pour
leur part très perturbées. Les conséquences économiques peuvent être importantes du fait de
la destruction et des dommages sur les infrastructures, de l’interruption des réseaux de
communication, électriques ou d’eau, des dommages sur le bétail et les cultures.
A ces conséquences humaines et économiques s’ajoutent les conséquences environnementales
qui peuvent survenir comme la destruction des forêts, ou la pollution en cas de naufrage
côtier, de « trop-plein » des égouts, d’utilisation des déversoirs d’orage, etc.
Comme le signale Christian Sacré (ONERC, 2003), « la forêt et la ville correspondent à de
fortes rugosités qui freinent beaucoup la vitesse du vent mais qui génère en revanche plus de
rafales, plus de turbulence. […] L’analyse [des dommages du point de vue de l’exposition du
vent] permet aussi de constater que les bâtiments sous le vent d’une forte rugosité (ville,
banlieue) ont subi plus de dommages sur leurs menuiseries (fenêtres et portes). La rugosité
au vent des bâtiments ne joue pas comme une protection sur les dommages aux éléments de
couverture. »
Le risque tempête n’entre pas en général pour les documents de prévention des risques dans la
catégorie des risques majeurs. La prévention, dans le cas des tempêtes, s’appuie
principalement sur la prévision météorologique et sur la procédure Vigilence Météo, mise en
service depuis octobre 2001 par Météo-France (http://www.meteo.fr/meteonet/vigilance/#).
En plus de cette procédure, comme le signale le Ministère de l’Ecologie et du développement
Durable (MEDD, 2002), « la prévention la plus efficace consiste à respecter les normes de
construction en vigueur fixant les efforts à prendre en compte pour résister aux vents. […]
361
Dans l’idéal, une conception adaptée de l’habitat doit s’accompagner de mesures portant sur
les abords immédiats de l’édifice construit ».
Canicules ou vagues de chaleur
Canicule et vague de chaleur ne possèdent pas de définition rigoureuse (Besancenot, 2002).
Ainsi, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) reste floue et définie une vague de
chaleur comme étant un « réchauffement important de l’air », une « période caractérisée par
des températures anormalement élevées » ou encore une « invasion d’air très chaud ».
Ce manque de clarté a pour conséquence une pluralité de définitions selon les pays. Ainsi les
météorologues français et américains apprécient l’anomalie thermique en valeur absolue en
fixant un seuil respectivement à 30 et 32°C ; alors que les britanniques fonctionnent en valeur
relative et préfèrent parler de vague de chaleur lorsque les températures sont 4°C au-dessus de
la moyenne trentennale du lieu et du mois (Besancenot, 2002). A ceci s’ajoute la confusion
concernant la durée de l’anomalie thermique pour pouvoir parler de canicule. En effet, alors
que le National Weather Service des Etats-Unis hésite entre un minimum de deux ou de trois
jours consécutifs (Besancenot, 2002), l’Institut royal de météorologie des Pays-Bas définit
une vague de chaleur comme une période d’au moins cinq jours consécutifs avec une
température maximale d’au moins 25°C, incluse trois jours au moins où la température
maximale dépasse les 30°C (Huynen, 2001).
Si la mesure des températures permet de se faire une première idée de l’exposition à la
chaleur à laquelle sont soumis les individus, il est nécessaire, pour mieux appréhender cette
exposition, de prendre en compte d’autres paramètres météorologiques (vitesse du vent,
niveau de rayonnement solaire, humidité) et non météorologiques (niveau d’activité physique,
habillement, adaptation physiologique) (INVS, 2003). Pour prendre en compte ces différents
éléments, des indices biométéorologiques ou « indices de confort » sont définis et permettent
ainsi d’évaluer les risques sanitaires inhérents aux vagues de chaleur. La température
apparente AT163, l’indice d’inconfort ID164, l’indice de chaleur (Hi)165 en sont des exemples
(INVS, octobre 2003).
163
Température apparente (AT) : AT = 2,719 + 0,994*t + 0,016*(tdr)2
t correspond à la température de l’air sous abri en Celsius (15,6<t<50°C).
tdr correspond à la température du point de rosée en Celsius (tdr<31°C).
164
Indice d’inconfort (DI) : DI = t – 0,55*(1-0,01*hu)*(t-14,5)
t correspond à la température de l’air sous abri en Celsius.
362
Prenons le cas de la canicule européenne de 2003. La France a vécu durant cette période un
évènement météorologique exceptionnel. En moyenne, les températures maximales étaient
plus élevées de 2°C que celles atteintes lors des étés chauds de 1976, 1983 et 1994. Dans deux
tiers des stations météorologiques françaises les températures ont franchi 35°C, et 15% de ces
stations ont même enregistré des températures de 40°C. Les températures minimales, atteintes
en fin de nuit, ont également été largement supérieures aux normales. A Paris, entre le 7 et le
14 août, les températures sont restées de façon continue au-dessus des 23°C.
Si l’intensité de la canicule de 2003 a beaucoup marqué, sa durée a également été atypique.
Cette canicule a engendré une vague de surmortalité à laquelle personne ne s’attendait dans
toutes les régions de France. La période de surmortalité a épousé la période de canicule
(établie du 4 au 13 août) comme on peut le constater sur la figure A 7. Ainsi dès le 4 août
2003, on assiste à un excès de près de 400 décès. La surmortalité se stabilise aux alentours du
20 août avec une surmortalité cumulée de près de 15 000 décès. (Hémon et Jougla, 2003)
Figure A 7 : Excès de décès observé quotidiennement en France pendant le mois d’août 2003
et relevé des températures extérieures (Hémon et Jougla, 2003).
hu correspond au taux d’humidité.
165
Indice de chaleur (Hi) : Hi = -42,379 + 2,04901523*t + 10,14333127*hu – 0,22475541*t*hu – (6,83783*103 2
*t ) – 5,481717*10-2*hu2 + 1,22874*10-3*t2*hu + hu + (8,5282*10-4)*t*hu2 - 1,99*10-6*t2*hu2
t correspond à la température de l’air sous abri en Fahrenheit17.
hu correspond au taux d’humidité.
L’indice de chaleur développé par le National Weather Service des Etats-Unis est une version modifiée de la
température apparente simplifiant la procédure informatique de calcul.
363
L’intensité de la surmortalité n’a pas été la même dans toutes les régions et des disparités
importantes ont pu être observées (Hémon et Jougla, 2003). Les ratios de surmortalités les
plus élevés ne correspondent pas aux régions les plus touchées par la canicule mais à l’Ile-deFrance et à la région Centre où la mortalité a plus que doublé. La région Ile-de-France a
contribué à elle seule à 33% de la surmortalité (elle constitue « seulement » un peu plus de
18% de la population en France métropolitaine).
Cette surmortalité n’est pas le seul effet sur l’individu de la canicule. En effet, l’exposition à
des températures élevées peut entrainer soit un coup de chaleur soit un épuisement par la
chaleur avec des conséquences plus ou moins graves pour l’organisme, ces conséquences
pouvant donc aller jusqu’au décès (INVS, 2003).
Dans ce genre de situation, « l’effet de moisson » (harvesting effect) est souvent évoqué en
arguant que la vague de chaleur n’a emporté que des personnes à haut risque qui seraient
décédé dans les mois suivants la canicule. Cette compensation, si elle existe, est en générale
partielle et « force est d’admettre que la chaleur tue des sujets qui, sans elle, auraient survécu
et, pour certains, survécu longtemps » (Besancenot, 2002).
Une étude de l’Institut nationale de veille sanitaire (INVS, 2004) a confirmé cela pour la
canicule de 2003 puisque « le déficit de décès observé dans les 3 semaines qui ont suivi la
période caniculaire est très largement inférieur à la surmortalité observée pendant la vague
de chaleur. »
De nombreux facteurs individuels et environnementaux influent sur les effets sanitaires d’une
vague de chaleur. Dans les facteurs individuels, peuvent être cités (Besancenot, 2002 ; INVS,
2003 ; INVS, 2006) : le mode de vie et les contacts sociaux, le statut social l’âge, le sexe,
l’acclimatation physiologique, la prise de drogue et de médicaments, et l’état de santé
générale. Les caractéristiques de l’habitat, la localisation géographique (ville ou campagne) et
la pollution constituent les trois facteurs environnementaux pouvant le plus influencer les
effets sanitaires de la canicule.
L’Institut nationale de veille sanitaire (INVS) a étudié les facteurs de risque de décès des
personnes âgées résidant à domicile durant la vague de chaleur d’août 2003 (INVS, 2004).
Cette étude a fait ressortir de nombreux paramètres liés aux caractéristiques du bâtiment, du
logement et de l’environnement proche. Ainsi « deux facteurs apparaissent les plus liés au
risque de décès : les caractéristiques d’isolation du logement et du bâtiment et la situation en
364
dernier étage ou sous les toits ». Il apparaît que les personnes vivant dans une habitation bien
isolée avaient un risque de mortalité divisé par cinq, alors que les personnes vivant au dernier
étage d’un bâtiment mal isolé avaient un risque de mortalité multiplié par quatre (Ribéron et
al., 2006). L’indice thermique (température moyenne des surfaces mesurée par satellite dans
un rayon de 200 m du domicile) apparaît également comme un facteur de risque significatif.
RIBERON et al (2006) notent également que l’îlot de chaleur local accroît le risque de
mortalité.
Dans un article sur les vagues de chaleur et la mortalité dans les grandes agglomérations
urbaines, Besancenot (2002) met en avant le rôle joué par l’îlot de chaleur urbain. Les
températures minimales permettent souvent un repos nocturne réparateur. Elles jouent donc
un rôle décisif dans la récupération de l’organisme face à de fortes chaleurs. Or, le milieu
urbain empêche les températures nocturnes de diminuer suffisamment pour permettre ce repos
réparateur, ce qui a pour effet de provoquer un impact sanitaire plus marqué dans les centres
villes que dans les campagnes.
3,5
3
2,5
0 - 44 ans
2
45 - 74 ans
75 ans et plus
1,5
Tous âges
1
0,5
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0
De
5
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0
à
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Figure A 8 : Nombre de décès observés sur nombre de décès attendus au cours de la période
du 1er au 20 août 2003 en France en fonction de la tranche d’unité urbaine (D’après Hémon et
Jougla, 2003).
Hémon et Jougla (2003) ont également analysé l’impact du degré d’urbanisation sur la
surmortalité. Il constate ainsi que « la surmortalité, de +54% sur la France entière, a été
moins importante, bien que marquée, dans les zones rurales, les petites agglomérations et les
365
villes de moyennes et grandes tailles (environ +40% pour toutes ces catégories de
communes), et très élevée dans la région parisienne où elle a plus que doublé (+141%) »
(figure A 8).
Une étude de l’Institut nationale de veille sanitaire (INVS, septembre 2004) a présenté
également les relations entre températures, pollution atmosphérique et mortalité dans neuf
villes françaises (Bordeaux, Le Havre, Lille, Lyon, Marseille, Paris, Rouen, Strasbourg et
Toulouse). Cette étude cherchait entre autres à estimer l’excès de risque de mortalité lié
conjointement à la température et à l’ozone, et la part relative de chacun des facteurs, lors de
la vague de chaleur de 2003 (figure A 9). Une des conclusions a été que : « Il semble que les
excès de mortalité observés les plus élevés soient liés dans leur quasi totalité à l’effet propre
de la chaleur : c’est ce que l’on observe à Paris et Lyon. Dans ces villes, les fortes
températures semblent avoir un effet persistant à court terme (3 jours). Dans les villes où
l’excès de mortalité observé est plus modéré, les parts relatives des effets de la température et
de l’ozone se répartissent de façon plus hétérogène, selon le niveau atteint localement par
chacun des deux facteurs mais également selon leur excès de risque local. »
Figure A 9 : Excès de risque166 (%) liés à l’ozone et à la température et représentation des
parts relatives de chaque facteur pour la population tous âges. Période du 3 au 17 août 2003.
(INVS, 2004).
166
Cet excès de risque représente, en pourcentage, l’augmentation du risque de mortalité à court terme
expliquée par le niveau des deux facteurs pendant cette période par rapport à leur niveau moyen pendant la
même période en 2000, 2001 et 2002.
366
La canicule et la sécheresse ont eu également d’autres effets. Parmi les secteurs touchés,
peuvent être cités la santé et la qualité de l’air, l’habitat, le tourisme, les activités industrielles,
l’énergie, l’alimentation en eau potable, les activités agricoles, les forêts et les écosystèmes
terrestres, ou encore la qualité de l’eau et les écosystèmes aquatiques (OREB, 2004).
Le Plan Canicule mis en place en France suite à la canicule de 2003 doit permettre de gérer la
situation de crise. Cependant, de nombreux aspects sont à prendre en compte pour les futures
décennies comme la modification des comportements humains et le vieillissement de la
population en France, qui accroît par conséquent le nombre de personnes vulnérables (INSEE,
2002). La climatisation est une de ces avancées qui, en permettant d’améliorer par certains
aspects la qualité de vie de l’homme, la met également en péril si elle est mal gérée ou mal
choisie. Ainsi, les grandes tours réfrigérées sont des sources de légionellose, les climatiseurs
individuels rejettent un surplus de chaleur à l’extérieur augmentant ainsi en ville l’effet îlot de
chaleur, ou encore la consommation d’énergie liée à l’utilisation de ces appareils provoque
des problèmes au niveau des centrales de production.
La gestion de la canicule de 2003 a été inadaptée. L’évènement et surtout ses répercutions sur
la santé n’avaient pas été prévus ou encore étaient peu connus en France avant cette canicule
de 2003. Suite à la canicule de 2003, le gouvernement a mis en place un Plan Canicule
National, publié en mai 2004, décliné en trois niveaux d’alerte, qui définit les actions dans les
domaines de la prévention et de la gestion d’une crise et qui repose sur la mobilisation de tous
(Etat, collectivités territoriales, associations, professionnels de la santé...). Ce plan vise
notamment, à repérer et à intervenir auprès des personnes à risques dont la fragilité se
trouverait aggravée durant une canicule. A ce titre, la réglementation prévoit que chaque
commune se charge de recenser les personnes âgées et personnes handicapées, isolées et de
tenir à jour, tout au long de l’année un registre nominatif confidentiel.
Les trois niveaux d’alerte ou de veille mis en œuvre sont :
•
Le niveau de veille saisonnière : déclenché automatiquement du 1er juin au 31 août, il
permet la mise en place d’un numéro vert d’information et de communication et la
transmission quotidienne d’un point météorologique au ministère.
•
Le niveau « mise en garde et actions » : déclenché par les préfets de département, il
permet :
367
o La mise en œuvre de mesures de prévention et de gestion de la canicule dans
les établissements de santé, sociaux, médico-sociaux, etc. En prévision, le
dispositif « Établissement de santé en tension » est activé pour adapter les
capacités d’hospitalisation ;
o La réquisition des médias pour diffuser des messages de prévention,
notamment en direction des personnes les plus exposées (personnes âgées,
handicapées, etc.) ;
o L’envoi quotidien des données sanitaires au ministère par les départements.
•
Le niveau de mobilisation maximale : Il est déclenché sur instruction du Premier
ministre dans le cas où la canicule est aggravée par des effets collatéraux : rupture de
l’alimentation électrique, pénurie d’eau potable, saturation des établissements de
santé, etc.
Le Plan Canicule ne concerne pas uniquement l’organisation de la gestion en cas de survenue
d’une nouvelle vague de chaleur. Comme le signale Salagnac (2007), un chapitre du Plan
Canicule concerne également des recommandations pour améliorer les conditions à l’intérieur
des bâtiments des maisons de retraites. Ces actions concernent à la fois les défauts de
conception du bâtiment que l’exploitation de ce dernier, et s’adressent au bâti existant et aux
futures constructions. Au sein d’un chapitre du Plan canicule, une liste de moyens à mettre en
œuvre prioritairement est donnée (Salagnac, 2007) :
•
Réduire les sources internes de chaleur telles que les équipements pour l’éclairage ou
la cuisine.
•
Limiter la pénétration du soleil en utilisant par exemple des volets, des rideaux, des
stores, ce qui permet d’occulter les fenêtres.
•
Améliorer l’isolation thermique du bâtiment.
•
Rafraichir les pièces durant la nuit en y faisant circuler de l’air frais venant de
l’extérieur (cela suppose que les températures nocturnes sont suffisamment fraiches et
que l’habitation le permet, c'est-à-dire qu’il n’y a pas de risque d’intrusion, ou encore
de sources de bruit à proximité).
368
Un passage de quelques heures dans des pièces naturellement fraiches (celliers, églises, etc.)
ou encore dans des endroits climatisés (zones commerciales, musées, cinémas, etc.) a
également été préconisé.
En juin 2005, une vague de chaleur est survenue dans huit régions françaises et plus
particulièrement dans la région de Lyon. Elle a permis en partie de tester l’efficacité du Plan
Canicule et l’INVS a montré qu’aucune surmortalité n’avait été enregistrée (Salagnac, 2007).
Comme le signale l’INVS (septembre 2004), « les actions de prévention relatives à l’habitat
et l’urbanisme ne pourront être mises en place qu’à moyen et long terme compte tenu de
l’ampleur des travaux qu’elles nécessitent et de leur coût. Cependant, leur intérêt est à
étudier à l’aune du réchauffement climatique qui fait augurer la répétition de périodes de
fortes chaleurs. »
La ville est donc soumise à la variabilité climatique face à laquelle elle tente de se sécuriser,
de se protéger au mieux. Pourtant, comme on peut le voir pour les trois types d’aléas
présentés ici, elle est également souvent à l’origine de sa propre vulnérabilité du fait d’une
ignorance et/ou d’une mauvaise prise en compte durant plusieurs décennies des modifications
qu’elle engendre sur son environnement.
Le changement climatique annoncé devrait modifier la fréquence de ces différents aléas. S’il
y a déjà une quasi certitude sur l’augmentation de la fréquence des vagues de chaleur, ce n’est
pas le cas encore pour les autres risques climatiques.
Changement climatique
La population du globe est passée de 1850 à 2000 de 1,26 milliards à 6,06 milliards
d’individus (ONU) et les découvertes scientifiques et techniques effectuées durant ces 150
années ont donné aux hommes plus de pouvoirs sur la nature qu’en 10 000 ans d’histoire. « Le
dialogue homme-nature conditionne des dynamiques, fruits du politique, du culturel, de
l’économique mêlés, qui produisent à la fois des risques (comme les gaz à effet de serre) et
des systèmes plus ou moins efficaces pour faire face à ces risques. L’homme est autant acteur
qu’usager du milieu. Il le subit ou s’y adapte, le transforme, déclare le contrôler, le modeler à
sa convenance comme un artiste modèlerait l’argile. Il peut aussi feindre de l’ignorer. Toutes
ces attitudes modulent les risques climatiques et leurs effets » (Amat-Roze, 1999).
369
La Convention-cadre des nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC) de 1992
définie ainsi dans son premier article le changement climatique : « On entend par
«changements climatiques» des changements de climat qui sont attribués directement ou
indirectement à une activité humaine altérant la composition de l’atmosphère mondiale et qui
viennent s’ajouter à la variabilité naturelle du climat observée au cours de périodes
comparables. » En effet, comme le signale Amat-Roze (1999), « les évolutions climatiques
sont naturelles, mais en 150 ans, modes de vie et systèmes de production ont donné aux
hommes le pouvoir de bouleverser les équilibres globaux jusqu’ici régulés par la seule
nature ».
Aujourd’hui, la majorité de la communauté scientifique s’accorde sur la présence d’un
changement climatique. Un certain nombre d’indicateurs permet de montrer qu’il y a bel et
bien déjà un changement climatique en cours. Ces indicateurs ne s’appuient pas uniquement
sur la mesure de paramètres climatiques (températures, nombre de jours de gel, nombre de
journées estivales, niveau de la mer marégraphique, etc.) mais également sur l’évolution des
cycles de vie de plusieurs plantes (phénologie) ou encore sur l’apparition de nouvelles espèces
dans certaines régions. Les prévisions pour demain ne sont pas toujours très optimistes
comme nous allons le voir.
Le changement climatique lié à l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans
l’atmosphère est aujourd’hui bien documenté. L’objectif n’est pas de présenter ici l’ensemble
de la problématique climatique. Nous n’aborderons donc pas la variabilité naturelle du climat,
la difficile prise en compte de certains éléments pour évaluer la situation future (nuages,
relâchement de méthane, comportement des puits de carbone, circulation thermoaline, etc.), la
position des sceptiques, ou encore les solutions de type géoingénierie proposées aujourd’hui.
Nous présentons ici uniquement les modifications climatiques qui sont déjà sensibles depuis
quelques décennies ainsi que les conséquences déjà observables. Les résultats du GIEC
(Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) sont ensuite présentés pour
analyser les possibles situations futures. Nous terminerons par les mesures mises en œuvre
aujourd’hui par les collectivités locales en France pour lutter et s’adapter au changement
climatique et par la difficulté que ce dernier pourra apporter dans leur fonctionnement et leurs
prises de décision.
370
Changement climatique : une évolution déjà en cours
Un certain nombre d’indicateurs permet aujourd’hui de montrer qu’il y a bel et bien déjà un
changement climatique en cours. Ces indicateurs ne s’appuient pas uniquement sur la mesure
de paramètres climatiques (températures, nombre de jours de gel, nombre de journées
estivales, niveau de la mer marégraphique, etc.) mais également sur l’évolution des cycles de
vie de plusieurs plantes (phénologie) ou encore sur l’apparition de nouvelles espèces dans
certaines régions.
Le tableau A 2 présente l’évolution de différents paramètres climatiques, et plus
particulièrement des températures, durant le XXe siècle.
Tableau A 2 : Evolution de différents paramètres climatiques, et plus particulièrement des
températures, durant le XXe siècle.
Evolution des températures moyennes mondiales de
1856 à 2005.
Evolution des températures moyennes en France
métropolitaine depuis 1901.
L'évolution de la température moyenne annuelle
mondiale est représentée sous forme d'écart à la
moyenne sur la période de référence 1961-1990. Le
réchauffement de la température moyenne mondiale
est très net : écart fortement négatif jusqu'en 1940,
écart ensuite le plus souvent négatif jusque vers
1980, puis réchauffement net, l'écart est presque
systématiquement positif depuis le début des années
1980. L'année la plus chaude de la série est 1998,
avec une température supérieure de 0.58°C à la
moyenne 1961-1990. L'année 2005 arrive au 2ème
rang des années les plus chaudes après 1998, avec
une température supérieure de 0.48°C à la moyenne
1961-1990. Huit des dix années les plus chaudes de
la série sont situées sur les 10 dernières années
(1996-2005). (site internet de l’ONERC, d’après
Climate Research Unit (CRU))
L'évolution de la température moyenne annuelle sur
la France métropolitaine est représentée sous forme
d'écart à la moyenne de 1971 à 2000. On retrouve les
mêmes caractéristiques que pour l'évolution à
l'échelle mondiale : le réchauffement des
températures moyennes est très net. L'année 2003 est
l'année la plus chaude de la série. Sur la dernière
décennie, on trouve 7 des 10 années les plus chaudes.
Jusqu'au milieu des années 1980, l'écart est le plus
souvent négatif : la température moyenne annuelle
est le plus souvent inférieure à la moyenne de la
période 1971-2000. A partir de la fin des années
1980, les températures moyennes augmentent
rapidement et l'écart est presque systématiquement
positif. ( site internet de l’ONERC, d’après MétéoFrance)
371
La température moyenne annuelle est en hausse sur
la France métropolitaine sur la période 1901-2000.
Cette augmentation est de l'ordre de 0,7°C sur le
siècle sur le nord-est du pays ; elle est plus marquée
sur le sud-ouest où elle atteint plus de 1,1°C. (site
internet de l’ONERC, d’après Météo-France)
Augmentation de la température moyenne annuelle
en France métropolitaine sur la période 1901-2000.
Le réchauffement de la moyenne annuelle des
températures minimales journalières au cours du XXe
siècle est bien marqué. L'augmentation atteint 0,9°C
sur le siècle dans l'est du pays et atteint jusqu'à 1.5°C
au nord-ouest. (site internet de l’ONERC, d’après
Météo-France)
Augmentation de la moyenne annuelle de la
température minimale journalière en France
métropolitaine sur la période 1901-2000.
La moyenne annuelle de la température maximale
journalière est en hausse sur la France métropolitaine
au cours du XXe siècle. Cette hausse est de l'ordre de
0,3°C sur la période 1901-2000 au nord, et
l'augmentation de température maximale atteint
0,9°C au sud. Le réchauffement constaté sur les
températures maximales est inférieur à celui des
températures minimales. (site internet de l’ONERC,
d’après Météo-France).
Augmentation de la moyenne annuelle de la
température maximale journalière en France
métropolitaine sur la période 1901-2000.
372
Evolution du nombre annuel de journées estivales à
Toulouse et Paris depuis 1951.
Les courbes représentent l'évolution du nombre
annuel de journées estivales sur deux stations
françaises au climat différent : en rouge, à Toulouse
et en bleu, à Paris. Les droites correspondent à la
tendance linéaire sur la période 1951-2007. On
constate que Toulouse enregistre davantage de
journées estivales que Paris. Le nombre de journées
estivales présente de fortes variations d'une année sur
l'autre mais, en moyenne, il augmente à Paris et à
Toulouse. L'augmentation est de l'ordre de 4 jours
tous les 10 ans sur à Paris et de plus de 5 jours tous
les 10 ans à Toulouse. Cet indicateur permet
également d'identifier le caractère exceptionnel de
l'été 2003. L'année 2003 correspond au record du
nombre de journées estivales sur la période 19512007 pour ces deux stations : 115 journées estivales à
Toulouse et 78 à Paris. L'année 1976 ressort
également nettement sur le graphique avec 102
journées estivales à Toulouse et 65 à Paris. (site
internet de l’ONERC, d’après Météo-France).
Une des conséquences de ces augmentations de températures, et un des indicateurs de la
présence d’un changement climatique, est le recul des glaciers dans de nombreux pays
(Dyurgerov et Meier, 2000). En s’appuyant sur des séries disponibles de position des fronts
glaciaires et de bilans de masse comparés et interprétés en fonction de la variabilité
climatique, Vincent et al. (2005) ont montré qu’un net recul des glaciers alpins pouvait être
observé tout au long du XXe siècle. Leurs analyses ont également permis de corréler ce recul
avec les changements de la température de l’air (par exemple, pour les glaciers des Andes,
c’est plus particulièrement la précipitation neigeuse qui a de l’influence).
Le règne végétal est également un bon indicateur du réchauffement climatique. Comme le
précise Chuine et Seguin (2006), la phénologie (étude des variations des phénomènes
périodiques de la vie végétale et animale en relation avec le climat) est un marqueur du climat
et son étude permet de retracer finement l’évolution du climat des derniers millénaires. Cet
exercice a été effectué par exemple pour le climat de la Bourgogne qui a été reconstitué
depuis 1370 à partir des dates de vendanges du Pinot noir (Chuine et al., 2004). La
Bourgogne a ainsi connu entre 1370 et 1850 (Petit Age Glaciaire) plusieurs périodes aussi
chaudes que les années 1990. L'année 2003 apparaît cependant de loin comme l'année la plus
chaude qu'ait connue la Bourgogne, avec une anomalie de + 5,86°C, soit 43% plus élevée que
l'anomalie de la deuxième année la plus chaude enregistrée en 1523 (+ 4,10°C).
Différentes études présentées sur le site internet de l’ONERC montrent l’évolution de
différents végétaux. Ainsi l’étude de l'évolution des dates de début de vendanges pour
l'appellation d'origine contrôlée Tavel sur la période 1951 à 2005 et pour l'appellation
373
d'origine contrôlée Châteauneuf du Pape sur la période 1945 à 2005 par le Syndicat
intercommunal de l'appellation Châteauneuf du Pape et Château d'Aqueria montre qu'en
l'espace de 50 ans, pour ces deux appellations, les vendanges ont avancé de trois semaines et
que ce phénomène s'intensifie depuis le début des années 1990. L’INRA (Institut National de
la Recherche Agronomique) et le CTIFL (Centre Technique Interprofessionnel des Fruits et
Légumes) se sont intéressés à l’évolution de la date de floraison du pommier et du poirier. Ils
observent ainsi que, malgré des fluctuations annuelles courantes, les séries chronologiques de
la seconde moitié du XXe siècle présentent des évolutions assez similaires vers plus de
précocité de la floraison (en moyenne 7-8 j pour le pommier et 10-11 j pour le poirier entre la
fin des années 80 et 2005).
L’évolution phénologique, dont nous n’abordons pas ici tous les éléments explicatifs, dépend
du niveau d'accentuation des températures moyennes annuelles mais aussi de la répartition de
cette accentuation au cours des saisons. L’effet n’est en effet pas identique selon le stade
phénologique (dormance, débourrement, etc.) auquel se situe le végétal (Garcia De Cortazar
et al, 2004).
Figure A 10 : Evolution du front d'expansion de la chenille processionnaire du pin dans le
Bassin Parisien entre 1972 et 2004 (ONERC, d’après INRA – Orléans).
Les végétaux ne sont pas les seuls dont les comportements sont modifiés par le climat. La vie
animale est également perturbée par ces évolutions climatiques. L’ONERC prend l’exemple
de la chenille processionnaire du pin étudié par l’INRA (figure A 10) et montre que « le front
374
d'expansion de la chenille processionnaire dans le sud du Bassin Parisien s'est déplacé en
moyenne de 87 km vers le nord entre 1972 et 2004 en parallèle à une augmentation moyenne
de la température hivernale de 1.1°C dans la même zone. La progression qui était
relativement limitée entre 1972 et 1992 avec un rythme de 2.7km/an, s'est notablement
accélérée ensuite, avec un déplacement moyen de 5.5 km/an durant les 10 dernières années. »
Beaugrand (2005) montre également que la survie de la morue en mer du Nord est fragilisée
par le réchauffement des températures de surface, responsable de la modification des
écosystèmes et plus particulièrement de la qualité et de la quantité des larves planctoniques
disponibles pour les morues. Il présente également les résultats de deux études sur l’évolution
et la migration des espèces du fait du changement climatique. La première, dirigée par le
docteur Camille Parmesan de l’Université du Texas (Etats-Unis) suggère, à partir d’une base
de données sur l’abondance ou la présence de 1 700 espèces appartenant à des écosystèmes
terrestres et marins, que les espèces ont progressé vers les pôles ou migré en altitude de 6,1
kilomètres par décennie. La seconde étude, dirigée par la biologiste anglaise Alison Taylor,
s’est penchée sur les changements à long terme de la répartition spatiale de 90 espèces de
poissons en mer du Nord. « Pendant la période étudiée (de 1977 à 2001), cette mer s’est
réchauffée d’à peine 1,05 °C. Pourtant, sur les espèces de poissons ayant leur limite nord ou
sud de répartition dans la mer du Nord (trente-six espèces), quinze ont migré en réponse au
réchauffement des eaux (exemples : la sole commune et la morue de l’Atlantique) ».
Le changement climatique peut donc aujourd’hui déjà s’observer par le biais de mesures
climatiques mais également par le biais de l’observation des évolutions de la vie animale et
végétale. Ses conséquences sur les écosystèmes naturels, semi-naturels, agricoles ou urbains
du Monde sont cependant encore mal mesurées et les prévisions pour les futures décennies ne
sont pas toujours des plus optimistes pour les partisans d’un changement minime comme nous
allons le voir.
Changement climatique : prévisions pour demain
Si à l’heure actuelle, les modifications climatiques sont mesurables avant tout sur les
températures, ce n’est pas le seul paramètre climatique qui devrait évoluer durant les
prochaines décennies. Les derniers rapports du GIEC (2007(a), 2007(b)) font ainsi clairement
ressortir que le changement climatique déjà observé est relativement faible en regard du
changement climatique attendu. Ce dernier est estimé pour un ensemble de scénarii socio375
économiques prévus pour le XXIe siècle : alors que la planète s’est réchauffée en moyenne
d’environ 0,6°C au cours du XXe siècle, ces scénarii conduisent à une estimation du
réchauffement moyen à l’horizon 2100 dans une fourchette comprise entre 1,1°C et 6,4°C par
rapport à la température moyenne de 1990 (la fourchette est due pour moitié aux scénarii et
pour l’autre à l’incertitude). Une augmentation de 3°C peut sembler anecdotique, c’est
pourtant l’écart de température qui nous sépare du dernier âge glaciaire arrivé il y a plus de
10 000 ans, époque durant laquelle le nord de l’Europe était recouvert de glaces.
A ces modifications attendues des températures moyennes s’ajoutent des effets majeurs pour
certaines régions du Monde. Les évolutions régionales des précipitations moyennes en sont
un. Elles devraient nettement s'accentuer dans les latitudes élevées et autour de la ceinture
équatoriale. En revanche, la région méditerranéenne, l’Afrique du Nord, le Sahel, le MoyenOrient, le sud de l'Amérique Latine ou encore l’Australie deviendront probablement plus secs
ou arides. Une élévation du niveau de la mer de 10 à 80 cm due à la dilatation thermique, à la
fonte des glaciers et des calottes glaciaires, et à la fonte du Groenland et de l’Antarctique, est
également attendue durant ce siècle avec les conséquences dramatiques que cela peut avoir :
250 millions d’habitants vivent entre 0 et 1 m d’altitude.
En ce qui concerne les phénomènes météorologiques plus turbulents (tempêtes, tornades,
ouragans), les projections ne sont pas encore sûres et sont encore à l’étude167.
Les impacts du changement climatiques affectent de nombreux domaines : écologique,
sanitaire, économique, démographique, social, politique, etc. (figure A 11), et toutes les
sociétés ne possèdent pas les mêmes armes pour les affronter. « Ainsi, le réchauffement
climatique annoncé, perturbant des équilibres, aura des effets et des conséquences très
variables selon les lieux et les hommes » (Amat-Roze, 1999). La figure A 11 fait par ailleurs
bien apparaitre le seuil de 2-3°C d’augmentation des températures au-dessus duquel de
nombreux changements devraient survenir.
167
Par exemple, l’étude IMFREX (IMpact des changements anthropiques sur la FRéquence des phénomènes
EXtrêmes de vent, de température et de précipitations) menée en collaboration par le CSTB et Météo-France a
entre autre permis de conclure en partie sur l’évolution des vents extrêmes (http://imfrex.mediasfrance.org/web/).
Deux modèles de circulation générale ont été utilisés : ARPEGE-Climat de Météo-France et LMDZ de l’Institut
Pierre Simon Laplace (IPSL). Des biais ont été constatés entre les observations et les simulations de climats
présents ; cependant, des tendances pour le futur ont pu être dégagées. Dans le cas des vents extrêmes, la
tendance vers un renforcement ou une diminution de ceux-ci à 10 m du sol dans le futur n'est pas très
significative (-2,8 m.s-1 à +1,5 m.s-1 pour ARPEGE-Climat et -2,0 m.s-1 à +1,5 m.s-1 pour LMDZ). La tendance
pour ARPEGE-Climat n'est pas non plus très homogène sur toute la France avec une diminution au Centre et à
l'Est et une augmentation ou pas de changement ailleurs. Pour LMDZ une diminution au Centre et au Sud de la
France est observée et une augmentation des fortes vitesses est visible sur la pointe de la Bretagne et le quart
Nord Est. Le reste du territoire ne présente pas de changement notable.
376
1. Large est défini ici comme supérieur à 40%.
2. Sur base d’une élévation du niveau de la mer de 4.2 mm/an entre 2000 et 2080.
Figure A 11 : Impacts fondamentaux en fonction de l’accroissement de température moyenne
planétaire (les impacts varieront en fonction de l’étendue de l’adaptation, du rythme de
variation de température, du scénario socio-économique) (GIEC (2007(b)).
En ce qui concerne la santé par exemple, Besancenot (1999) estime que « si l'on extrapole à
partir des situations rencontrées aujourd'hui lors des hivers particulièrement doux sur les
deux tiers septentrionaux de la France, il est permis d'avancer pour le milieu du XXIème
siècle, ou un peu plus tard, un recul de l'ordre de 5 à 7 % du nombre des décès enregistrés en
hiver. […] A l'inverse, il faut s'attendre à ce que les nouvelles dispositions thermiques
régnant au XXIème siècle déterminent une assez franche surmortalité de saison chaude. »
Besancenot (1999) signale également que « dans ces conditions, tout porte à croire que
l'évolution de la mortalité au cours des prochaines décennies se fera dans le sens d'un double
accroissement des gradients N-S et W-E, ainsi que d'un renforcement du nombre des décès
survenant au plus fort de l'été dans les grandes villes de l'intérieur. »
377
Climat urbain et changement climatique
Comme le signale Mills (2007), beaucoup de livres, d’articles ou de rapports qui abordent le
changement climatique et la politique à mettre en œuvre face à ce dernier, en relation avec les
zones urbaines, se focalisent sur l’adaptation aux changements pour protéger les
infrastructures de valeur et les ressources en eaux. L’exception à cette focalisation sur
l’adaptation et la protection des infrastructures et des ressources est l’intérêt porté à la
question suivante : comment le changement climatique va-t-il interagir avec l’îlot de chaleur
urbain ?
Roaf et al. (2005) présentent une étude effectuée sur Londres (Grande-Bretagne) pour essayer
de prévoir l’évolution de l’îlot de chaleur urbain du fait du changement climatique. L’intensité
de l’îlot de chaleur urbain à Londres peut atteindre au centre jusqu’à 8°C. L’étude note les
variations journalières de l’îlot de chaleur urbain (il est plus important la nuit) et les
influences du climat régional comme la vitesse du vent, la couverture nuageuse, ou encore le
rayonnement solaire global, pour ensuite mettre en relation l’évolution de ces influences avec
l’évolution du climat en Grande-Bretagne. Ainsi, les simulations montrent une diminution
importante en été de la couverture nuageuse sur toute la Grande-Bretagne, et plus
particulièrement dans le sud. Les réductions de la couverture nuageuse pour le scénario le plus
optimiste en termes de rejets en GES sont autour de 10% pour 2080, mais pour les scénarii les
plus pessimistes cette réduction est plutôt de l’ordre de 25% ou plus, ce qui aura pour effet
d’exacerber l’îlot de chaleur urbain. La couverture nuageuse devrait faiblement augmenter en
hiver, pas plus de 2-3%, et ce pour tout le pays. L’automne et le printemps devraient devenir
plus ensoleillés, et ce particulièrement dans le sud-est du pays. En été, le rayonnement solaire
devrait ainsi augmenter de 10, 20 ou même 30 W.m-2 dans le sud de la Grande-Bretagne.
L’augmentation des températures devrait être plus importante les nuits que les journées durant
l’hiver, et inversement durant l’été. Il devrait également faire chaud plus longtemps en été.
L’îlot de chaleur urbain est également influencé par le vent, dont la vitesse devrait augmenter
en moyenne entre 4 et 10% et ce particulièrement en hiver ; en été, l’augmentation devrait être
plus faible.
L’ensemble de ces changements climatiques permet de déterminer l’évolution possible de
l’intensité de l’îlot de chaleur de Londres (figure A 12).
378
Figure A 12 : Intensité de l’îlot de chaleur de Londres aujourd’hui et dans le futur (Roaf et al.
(2005), d’après R.L. Wilby, The Environment Agency).
Best et Betts (2004) ont essayé de modéliser l’impact du changement climatique sur la ville de
New-York. Ils ont utilisé le modèle climatique atmosphérique HadAM3 du Hadley Centre et
le schéma de surface MOSES 2.2 du Met Office (en Grande Bretagne). Ils ont intégré au bilan
énergétique de la surface une source supplémentaire de chaleur pour représenter la présence
de New-York (Etats-Unis) dans leurs modélisations. Les simulations ont été faites
principalement avec deux valeurs pour la chaleur anthropique (20 W.m-2, qui correspond
environ à ce qui est rejeté actuellement en milieu urbain, et 60 W.m-2) et deux valeurs de taux
de CO2 dans l’atmosphère (concentration actuelle (1xCO2) et double de la concentration (2x
CO2)).
Les modélisations effectuées dont une partie des résultats est représentée figures A 13 (a et b)
montrent que le changement climatique (soit le doublement de CO2) a plus d’impact que la
chaleur anthropique sur les températures. En revanche c’est l’inverse en ce qui concerne
l’intensité de l’îlot de chaleur.
Best et Betts (2004) concluent plusieurs éléments de leur étude :
•
Les zones urbaines doivent être intégrées au sein des simulations climatiques si nous
voulons construire une réelle image de l’impact du changement climatique au sein des
villes elles-mêmes ;
•
L’impact de la chaleur anthropique sur le réchauffement des zones urbaines est
significatif mais pas autant que celui lié à l’augmentation de la concentration en CO2
dans l’atmosphère. Cela signifie que même si l’on essaie de limiter le réchauffement
direct lié aux sources de chaleur anthropique, d’autres mesures vont être nécessaires
379
pour avoir plus d’effets significatifs en association avec le réchauffement global de la
planète.
•
L’impact d’une augmentation de chaleur anthropique dans le futur peut changer de
façon significative l’intensité de l’îlot de chaleur urbain. Il pourrait y avoir moins
régulièrement un îlot de chaleur d’intensité nulle. Il pourrait y avoir également un plus
grand nombre d’îlot de chaleur avec une intensité plus importante que celle observée
actuellement, et ceci particulièrement la nuit.
(a) Comparaison entre l’impact des sources
anthropiques de chaleur et le changement
climatique dû à un doublement du taux de
CO2 dans l’atmosphère. Le nombre
d’occurrences correspond à 20 ans de
simulations (≈20*365 jours de simulations).
(b) Modification de l’intensité de l’îlot de
chaleur urbain (différence de températures
entre la zone urbaine et la zone rurale) du fait
des sources anthropiques de chaleur et du
changement climatique (doublement du taux
de CO2 dans l’atmosphère). Le nombre
d’occurrences correspond à 20 ans de
simulations.
Figure A 13 : Changement climatique et îlot de chaleur urbain (Best et Betts, 2004).
Rosenzweig et al. (2005) ont essayé de caractériser l’îlot de chaleur urbain pour le climat
actuel et future du New Jersey (Etats-Unis) et ont regardé comment le changement climatique
(qui comprend des modifications de température, de vitesse du vent, et de couverture
nuageuse) pouvait altérer l'intensité, la fréquence, et l'extension spatiale de l'îlot de chaleur
urbain à Newark et Camden, deux villes du New Jersey. Ils se sont appuyés pour les
émissions de gaz à effet de serre sur les scénarii A2 (pessimiste-émissions élevées) et B2
(optimiste-réduction des émissions) du GIEC et sur des scénarii utilisés par le Metropolitan
380
East Coast Regional Assessment of Climate Variability and Change. La forte relation entre la
vitesse du vent et l’intensité de l’îlot de chaleur urbain ainsi qu’entre la couverture nuageuse
et l’intensité de l’îlot de chaleur urbain dans la région impliquent que les changements dans
l’amplitude de l’îlot de chaleur urbain durant le XXIe siècle vont dépendre en partie de la
manière dont la couverture nuageuse et la vitesse du vent vont évoluer. L’analyse des scénarii
de changement climatique montre que la vitesse du vent va diminuer alors que la couverture
nuageuse va augmenter dans le New Jersey. Ces tendances faibles et peu significatives
suggèrent que les différences de température entre les zones urbaines et non-urbaines vont, a
priori, peu évoluer avec le changement climatique.
Les villes étant des contributeurs majeurs du changement climatique global, elles sont en
première ligne pour mettre en œuvre des solutions performantes pour réduire leurs émissions.
Ces solutions s’orientent généralement vers des villes plus compactes. Comme le signale
Mills (2007), Les villes « compactes », bien conçues, densément occupée sur un espace
restreint, sont intrinsèquement plus efficientes que les villes à faible densité, qui nécessitent
des services et des déplacements couteux. Ainsi, pour beaucoup, « la ville de demain devra
être dense, économe de son espace et de ses consommations d’énergie ; elle sera encore plus
la ville des réseaux » (Lorrain, 2008). Cependant, comme le signale Laruelle (2007) ou Shaw
et al. (2007), la question des formes urbaines est délicate. Autant la réduction des émissions
de gaz à effet de serre, c'est-à-dire par exemple la réduction des consommations énergétiques,
orientent plutôt vers une densification des espaces urbains, autant l’adaptation au changement
climatique et aux fortes chaleurs orientent plutôt vers « l’aération de la ville », la mise en
place de forêt urbaine, permettant une diminution de l’îlot de chaleur. Les deux orientations
proposées ici sont donc en opposition.
Ces différentes études montrent que la compréhension du climat urbain peut permettre de
proposer des outils d’adaptation au changement climatique mais qu’il ne peut être le seul et
unique moyen.
Les collectivités territoriales vont être un acteur important de la lutte et de l’adaptation au
changement climatique. Elles ne sont cependant pas les seules. L’Etat, les entreprises, les
centres de recherche, les citoyens, etc., tous ont un rôle à jouer.
381
Organisation face au changement climatique
Face au changement climatique, les Hommes doivent s’organiser pour prévenir tout
changement excessif et se protéger face aux risques encourus. Les villes sont des acteurs
indispensables mais pas les seuls.
Politique d’atténuation et d’adaptation à mettre en œuvre
La politique d’atténuation est destinée à diminuer les rejets en gaz à effet de serre mondiaux.
Les actions portent ainsi sur les différents secteurs contributeurs : l’industrie, l’agriculture, le
transport, le bâtiment, la production d’énergie, les déchets ou encore la déforestation.
Parallèlement, des recherches sur les puits de carbone, ou les techniques de stockage du
dioxyde de carbone sont effectuées. L’article 3 du protocole de Kyoto168 précise ainsi que :
« Les Parties visées à l’annexe I font en sorte, individuellement ou conjointement, que leurs
émissions anthropiques agrégées, exprimées en équivalent-dioxyde de carbone, des gaz à
effet de serre indiqués à l’annexe A ne dépassent pas les quantités qui leur sont attribuées,
calculées en fonction de leurs engagements chiffrés en matière de limitation et de réduction
des émissions inscrits à l’annexe B et conformément aux dispositions du présent article, en
vue de réduire le total de leurs émissions de ces gaz d’au moins 5 % par rapport au niveau de
1990 au cours de la période d’engagement allant de 2008 à 2012 ». L’Europe des quinze169
doit globalement diminuer ses émissions de 8% et la France doit pour sa part stabiliser ses
émissions à leur niveau de 1990.
L’adaptation part du principe que malgré les efforts effectués en termes de réductions des
rejets en gaz à effet de serre, une modification climatique probable aura lieu à laquelle il sera
nécessaire de s’adapter. « Elle consiste à faire évoluer les activités humaines et les
écosystèmes afin de limiter les dommages que pourront occasionner les changements
climatiques qui n’auront pu êt