Modélisation de la végétation urbaine et des stratégies d'adaptation au changement climatique pour l'amélioration du confort climatique et de la demande énergétique en ville

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant

Modélisation de la végétation urbaine et stratégies d'adaptation pour l'amélioration du confort climatique et de la demande énergétique en ville

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant. ABSTRACT : Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties

RÔLE DE L'OCCUPATION DU SOL VIS À VIS DE LA MODÉLISATION DES FLUX ENERGÉTIQUES ET HYDRIQUES EN MILIEU URBAIN ET PÉRIURBAIN

National audienceLe projet Rosenhy vise à étudier l’impact de l’occupation du sol sur la modélisation météorologique et hydrologique en termes de flux énergétiques et hydriques, en milieu urbain et périurbain. Trois sites appartenant aux observatoires français OTHU et ONEVU sont au centre de ce projet. Le quartier urbain hétérogène du Pin sec (Nantes), imperméabilisé à environ 45%, a fait l’objet d’une campagne expérimentale durant le mois de juin 2012, visant à estimer les flux de chaleur sensible et latente avec une haute résolution spatiale et temporelle par rapport aux mesures réalisées en continu sur ce site depuis 5 ans. Deux bassins versant périurbains (La Chézine à Nantes et l’Yzeron à Lyon), avec un taux d’imperméabilisation moins important (environ 10%) mais grandissant depuis plusieurs décennies, sont aussi étudiés. Ces deux derniers sites bénéficient d’un suivi hydrométéorologique depuis 10 ans pour la Chézine et 15 ans pour l’Yzeron. Sur ces trois sites, différentes sources de données d’occupation du sol à différentes résolutions sont disponibles :différentes bases de données géographiques communément utilisées par la communauté scientifique et les collectivités et des données télédétectées (multispectrales et hyperspectrales). L’utilisation de ces données en entrée de différents modèles météorologiques et hydrologiques implique un travail d’analyse et de classification pour adapter les informations aux besoins des modèles. Dans ce projet, les différents modèles adaptés au milieu urbain ou périrubain sont évalués et améliorés. Ainsi, les modèles hydrologiques périrubains sont en développement pour prendre en compte les différentes pratiques de gestion des eaux pluviales existantes (noues, toitures végétalisées, ...). L’utilisation conjointe des données simulées par les différents modèles aidera à déterminer le rôle de la part des surfaces naturelles et artificielles sur les bilans énergétique et hydrique en milieu plus ou moins urbanisé. Le milieu périurbain étant en évolution, le projet s’intéressera aussi à des scénarios d’urbanisation prospectifs en regardant d’une part l’impact de la densification sur les scénarios construits pour l’Yzeron lors du projet AVuPUR (ANR-VMCS, 2008-2011) et d’autre part, en réfléchissant conjointement avec Nantes Métropole, aux possibles voies d’évolution sur le bassin de la Chézine

Modelling of urban vegetation and adaptation strategies for improved comfort and energy demand in the city

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant.Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties

Detailed Mapping and Modeling of Urban Vegetation: What Are the Benefits for Microclimatic Simulations with Town Energy Balance (TEB) at Neighborhood Scale?

International audienceAbstract Cities develop a specific climate related to their morphology and the materials that constitute them. The addition of vegetation in urban areas induces cooling and shading effects that can modify local climate and thermal comfort conditions. The Town Energy Balance (TEB) urban canopy model offers several configurations for a more or less fine-tuned consideration of natural covers and associated physical processes in the urban environment. This study aims to evaluate the sensitivity of TEB to the representation of vegetation and the resolution of the chosen databases in the simulation of microclimatic variables, at the scale of a heterogeneous urban neighborhood located in Toulouse, France. First, the effect of the improved description of the vegetation input to the model is highlighted by comparing the results obtained with a readily available national database and then with a very-high-resolution satellite-derived vegetation database. Second, the two vegetation parameterizations, with or without explicit tree stratum, that are available in the TEB model are evaluated and compared. Measurements carried out on specific routes and stop points in a neighborhood of Toulouse allowed microclimatic variables to be evaluated. Results show that refining the vegetation database can somehow improve the modeling of air temperature. As a result of enhancing the vegetation description in the model, that is, physical processes associated with the presence of trees in urban canyons, the air temperature, but also the wind and the thermal comfort index, are better simulated. These results are encouraging for the use of TEB as a decision support tool for urban planning purposes

Evaluation of greening scenarios to reduce Paris city vulnerability to future heat waves

International audienc

A new hydro-climate model for urban water management including nature based solutions : a preliminary application on Paris metropolitan area

Second International Conference 'Water, Megacities and Global Change', Paris, FRANCE, 01-/12/2021 - 01/12/2021Cities are highly sealed resulting in less infiltration in the ground and so on in high quantities of runoff water and less evapotranspiration. A large part of stormwater is then drained by separate or combined sewer systems. In case of heavy rainfalls, stormwater can join directly the river, eventually leading to urban floods, or overflows through the combined sewer, then increasing the risk of river pollution. Allowing notably the study of water management and thermal comfort in cities, the Town Energy Balance (TEB) hydro-climatic urban model, constitutes a tool to evaluate adaptation strategies to urbanisation effects. Indeed, it makes it possible to study different nature based solutions scenarios (green-roofs, watering, ...). Few studies are modelling the combining effects of hydrology and micro-climate in cities while they are jointly involved in urban planning strategies. This study relies on a reconstructed sewerage network in the Paris metropolitan area adapted to the model resolution. Such a large area requires a specific multi-watershed calibration approach, rarely applied in urban areas. It will be based on the division of watersheds into hydrological response units. In light of an eighteen years simulation, an evaluation of the performances of the model (stormwater or combined flows) is performed using a multi-site objective function

A new hydro-climate model for urban water management including nature based solutions : a preliminary application on Paris metropolitan area

Second International Conference 'Water, Megacities and Global Change', Paris, FRANCE, 01-/12/2021 - 01/12/2021Cities are highly sealed resulting in less infiltration in the ground and so on in high quantities of runoff water and less evapotranspiration. A large part of stormwater is then drained by separate or combined sewer systems. In case of heavy rainfalls, stormwater can join directly the river, eventually leading to urban floods, or overflows through the combined sewer, then increasing the risk of river pollution. Allowing notably the study of water management and thermal comfort in cities, the Town Energy Balance (TEB) hydro-climatic urban model, constitutes a tool to evaluate adaptation strategies to urbanisation effects. Indeed, it makes it possible to study different nature based solutions scenarios (green-roofs, watering, ...). Few studies are modelling the combining effects of hydrology and micro-climate in cities while they are jointly involved in urban planning strategies. This study relies on a reconstructed sewerage network in the Paris metropolitan area adapted to the model resolution. Such a large area requires a specific multi-watershed calibration approach, rarely applied in urban areas. It will be based on the division of watersheds into hydrological response units. In light of an eighteen years simulation, an evaluation of the performances of the model (stormwater or combined flows) is performed using a multi-site objective function

Réaliser une campagne de mesure par drones à Paris

International audienceEn juillet 2023, une grande campagne expérimentale de recherche (PANAME2023) a eu lieu pour étudier la météorologie de l’agglomération parisienne, en particulier l’îlot de chaleur urbain.Au cours de cette campagne le CNRM a réalisé plus de 300 profils (température, humidité et vent) avec des drones instrumentés sur 9 sites différents (parc urbain ou site urbain).La mise en place de tels vols nécessite d’anticiper les démarches administratives. Cette présentation consiste à exposer les démarches effectués ainsi que les moyens logistiques mis en place pour mener à bien cette campagne

Sensitivity analysis of the soil parameters of a green roof for the TEB-GREENROOF model (v7.3)

International audienc