La ville de demain : la météo hectométrique et l’urbanisme

Dossier : La météorologie partie 2Magazine N°748 Octobre 2019
Par Nicolas FERRAND (92)
Par Valéry MASSON (89)

La ville est gérée au quotidien, mais également pensée pour faire face aux conditions climatiques en transition. La météo des villes est une discipline qui se développe aujourd’hui, après que les climatologues ont modélisé l’espace urbain et caractérisé son îlot de chaleur. Inventer une ville agréable aujourd’hui et demain est un défi pluridisciplinaire. L’exemple du Village olympique et paralympique des JO de Paris 2024 montre la voie.

 

D’un point de vue général, rendre la ville plus agréable, vivable et résiliente est un enjeu dont la météorologie constitue un aspect. Souvent un îlot de chaleur de plusieurs degrés se forme, ce qui peut donner lieu à des impacts accrus en termes de confort thermique, comme l’a tristement rappelé la canicule de 2003. En été, en période de canicule, cet écart de température peut atteindre, certaines nuits, 10 °C pour l’agglomération parisienne, ou 6 °C pour Toulouse, mais l’ensemble des villes présente un îlot de chaleur en conditions anticycloniques : la chaleur emmagasinée dans les matériaux urbains (pierre, bitume, béton, tuiles…) en journée par l’absorption du rayonnement solaire est restituée à l’atmosphère urbaine, limitant son refroidissement nocturne. Ce sont ces nuits chaudes, parfois tropicales, qui empêchent le corps humain de récupérer des chaleurs de la journée et expliquent la plus grande surmortalité en ville en période de canicule.

 


REPÈRES

Les villes regroupent à présent la majorité de la population mondiale. Cette proportion est bien plus grande dans les pays industrialisés. Elles concentrent biens, bâtiments, infrastructures et, de manière plus générale, une grande part de l’activité économique. Les villes et leurs habitants sont donc particulièrement sensibles aux aléas météorologiques, d’autant plus que la structure même d’une agglomération modifie la météorologie locale.


 

Les enjeux scientifiques des prévisions météorologiques pour la ville

Malgré l’importance de la météorologie pour les citadins, la prévision du temps en ville est encore difficile et représente un champ de recherche neuf et dynamique. La communauté de recherche en climat urbain est fortement interdisciplinaire, du fait de la complexité du système urbain. Météorologistes et géographes ont commencé dans les années 1970 à analyser les processus physiques donnant naissance au climat urbain via des études expérimentales, au Canada et au Japon principalement. Ces études ont permis de mieux comprendre et conceptualiser les interactions entre la ville et la météorologie locale. Toutefois, bien que les premiers modèles numériques de l’atmosphère datent aussi de cette époque, les villes n’y étaient pas représentées, car trop petites, les mailles des modèles faisant au mieux une dizaine de kilomètres de côté.

Il a fallu attendre les années 2000, et en particulier le premier modèle de climat urbain au monde, Town Energy Budget (TEB), développé au Centre national de recherches météorologiques (Météo-France, CNRS), pour pouvoir simuler sur ordinateur l’effet de l’ensemble d’une agglomération sur la météorologie locale et son îlot de chaleur. Moins de dix ans plus tard, TEB a été inclus dans le modèle opérationnel Arome (Applications de la recherche à l’opérationnel à méso-échelle) à échelle kilométrique de Météo-France, qui tourne plusieurs fois par jour pour fournir les prévisions météorologiques. Depuis, la plupart des modèles atmosphériques de prévision dans le monde disposent d’une telle représentation des villes.

Les objectifs pour la prochaine décennie

Les pistes explorées pour améliorer les services et les prévisions météorologiques en ville sont principalement de trois ordres : amélioration de la prise en compte de la complexité des villes, meilleure précision spatiale – pourquoi pas jusqu’à l’échelle des quartiers ? – et prise en compte des données connectées et de l’intelligence artificielle.

Améliorer les prévisions, en particulier pour les situations extrêmes, nécessite de mieux simuler certains processus : par exemple ceux associés à la végétation urbaine (dont les toitures végétalisées) en lien avec l’hydrologie et le stockage de l’eau en cas d’orage, ou avec le pouvoir rafraî­chissant des plantes par ombrage et évaporation. Si l’îlot de chaleur est principalement dû à l’imper­méabilisation des sols et à la forme tridimensionnelle du bâti, qui permet plus de stockage de chaleur, les rejets de chaleur d’origine humaine doivent aussi être considérés. Les plus significatifs sont le chauffage en hiver et la climatisation en été, l’air chaud intérieur étant rejeté vers l’extérieur. Les processus à représenter dans les modèles numériques ne sont donc plus seulement physiques, mais aussi biologiques et sociaux.

Une météo à l’échelle du quartier

Qui ne rêve de connaître la prévision météo dans son quartier, dans le parc voisin ou sur cette belle place dallée ? Un tel défi pourrait à première vue relever uniquement de la puissance de calcul ; en fait, il entraîne plusieurs défis scientifiques. L’un est purement météorologique, lié à la turbulence atmosphérique, ces mouvements d’air aléatoires et chaotiques mais primordiaux pour simuler la météo au voisinage du sol et dans les premiers kilomètres de l’atmosphère.

Seul l’effet statistique de l’écoulement turbulent est nécessaire dans les modèles de résolution kilométrique, mais à 100 m et mieux, certains de ces rafales et tourbillons doivent être représentés explicitement. Une autre problématique est liée à la description plus fine de l’architecture du tissu urbain à fine échelle. L’utilisation conjointe de données satellites et de bases de données cartographiques libres et globales ouvre des voies vers des solutions réplicables dans n’importe quelle ville. Les modèles de climat urbain se fondent actuellement sur des géométries simplifiées des quartiers (sous la forme de rue « canyon »). Dans le futur, une représentation plus fidèle sera recherchée, allant même jusqu’à représenter à long terme, pour les modèles à résolution décamétrique, la forme de chaque bâtiment.

 

“Qui ne rêve de connaître la prévision météo
dans son quartier ?”

 

La révolution des données de masse

Enfin, la modélisation numérique doit être nourrie d’observations. La masse d’informations disponible à partir d’objets connectés ouvre des voies prometteuses pour la connaissance du climat urbain. En effet, les stations météorologiques sont rares en ville, car leur première vocation était la mesure à l’échelle du territoire. Des villes comme Toulouse, Rennes et Dijon ont collaboré avec des laboratoires de recherche pour observer l’îlot de chaleur avec une cinquantaine de stations, qui peuvent être connectées en temps réel.

De plus, les données non conventionnelles, nombreuses mais peu précises, révolutionnent l’étude expérimentale du climat urbain : les mesures de stations météorologiques personnelles, comme celles de la firme française Netatmo, qui compte près de 10 000 unités sur la région parisienne, permettent aussi de recueillir nombre de données. Météo-France poursuit de même un partenariat avec l’équipementier automobile Continental afin d’utiliser les données des véhicules connectés, dont la température de l’air. Cette révolution en termes de données de masse impose des approches méthodologiques innovantes, dont l’utilisation de techniques d’intelligence artificielle.

Atténuation et adaptation

Le changement climatique devient une priorité dans la gestion et l’aménagement urbain. Figurant parmi les premiers émetteurs de gaz à effet de serre, les zones urbanisées sont aussi très vulnérables, notamment aux canicules (aggravées par l’îlot de chaleur), aux précipitations intenses ou, pour les villes côtières, à la montée du niveau des mers. Il leur est donc nécessaire de s’adapter au changement climatique pour en limiter les impacts. La réforme du code de l’urbanisme en 2015 a donné mission aux politiques publiques en matière d’urbanisme d’atteindre les objectifs de « lutte contre le changement climatique et l’adaptation à ce changement ». Cette notion d’adaptation est très nouvelle pour la plupart des collectivités territoriales.

 

Des stratégies diversifiées

La complexité du système « ville » se traduit par une complexité d’appréhension des questions d’adaptation au changement climatique. Les stratégies d’adaptation peuvent être menées à des échelles très différentes, par des acteurs variés, et non nécessairement en lien entre eux. Une approche radicalement interdisciplinaire est donc nécessaire. De nombreux projets de recherche associant climatologues, sociologues, architectes, économistes, juristes, géographes, hydrologues ont ainsi été conduits en collaboration étroite avec des collectivités territoriales (cf. les projets ayant été menés ou en cours au CNRM sur ce thème : Epicea, Vurca, Muscade, Acclimat, Bridge, Mapuce, Paendora, Urclim).

Des approches architecturales existent pour rafraîchir : solutions technologiques (tuiles de couleur classique mais réfléchissantes dans le proche infrarouge) ou adaptation de techniques anciennes de ventilation ou de brise-soleil. Enfin, les solutions fondées sur la nature sont des stratégies qui peuvent être menées à différentes échelles par divers acteurs, allant du bâtiment ou du jardin jusqu’à la planification et l’urbanisme. Conserver ou réhabiliter des corridors de verdure peut ainsi ventiler le centre de la ville avec de l’air frais venant des alentours. De plus la végétation apporte des services écosystémiques variés (rafraîchissement, bien-être, lien social…) et permet de réimplanter de la biodiversité.

L’évaluation de ces stratégies et l’évaluation des diverses sources d’incertitude en climat futur sont des champs actifs de recherche qui imposent un pont entre les deux extrêmes des échelles climatique (l’évolution du climat sur plusieurs décennies) et microclimatique (le climat urbain). Les modèles climatiques atteignent maintenant des résolutions kilométriques sur certaines régions d’intérêt, ce qui permettra d’approfondir l’analyse du climat urbain et des stratégies d’adaptation sur de longues périodes en climat futur.

Comment adapter nos villes : l’exemple du Village olympique

Situé sur les bords de Seine, sur les communes de Saint-Ouen-sur-Seine, Saint-Denis et L’Île-Saint-Denis, le Village olympique et paralympique a vocation à héberger les quelque 15 000 athlètes et officiels participant aux Jeux de Paris 2024. Plus de 25 000 journalistes visiteront le Village pendant les Jeux. Après l’événement, le futur quartier sera multifonctionnel, accueillant 6 000 habitants et 6 000 emplois dans une trentaine de bâtiments. Des équipements d’accompagnement – groupes scolaires, petite enfance, équipements sportifs – viendront compléter l’offre de cette ville mixte, placée au cœur de la métropole du Grand Paris.

Le Village olympique vise trois objectifs : la neutralité carbone globale et plus singulièrement en phase de construction, une approche systémique du Village comme substrat à une biodiversité urbaine riche et le confort intérieur et extérieur sous le climat urbain de 2050.

Un prototype de la ville de 2050

Le Village doit être une vitrine de l’excellence urbaine française et préfigurer la ville européenne de 2030-2050. Aussi, la Solideo (Société de livraison des ouvrages olympiques) et Météo-France ont établi un partenariat stratégique pour modéliser sur 51 hectares non seulement un état initial en 2050 mais également l’impact dynamique des différentes solutions passives ou technologiques envisagées.

La question du confort des usagers sous la contrainte d’un climat qui change et se durcit est un objectif primordial dans la conception de ce nouveau morceau de ville dense. Et la réflexion porte autant sur la qualité intérieure des ouvrages et leur capacité à résister à des périodes de chaleur prolongées et récurrentes que sur l’aptitude des espaces extérieurs à pourvoir des parcours et des lieux de fraîcheur aux citadins. Tous les moyens disponibles sont ici exploités pour concrétiser une ville qui demeurera agréable, confortable et désirable.

Du point de vue de la morphologie urbaine, l’articulation des masses bâties et des espaces libres s’organise de manière à assurer le meilleur ensoleillement tout en favorisant le libre parcours des vents frais à travers le quartier et combattre les effets d’îlot de chaleur. La ville se dessine ainsi suivant une logique de confort urbain et de microclimat bienveillant pour l’habitant.

La chasse aux îlots de chaleur

Dans cette aventure exceptionnelle, la Solideo bénéficie de l’apport essentiel des spécialistes des questions climatiques pour innover, mesurer et mettre en œuvre les nouvelles pratiques. Ainsi, pour accompagner la conception du Village, Météo-France a produit des représentations météo tenant compte non seulement des projections climatiques de 2050, mais aussi des effets d’îlot de chaleur urbain à l’échelle du site. Grâce aux simulations thermiques dynamiques et des études aérauliques, le projet est donc évalué et apprécié au regard de l’évolution climatique de cette hyperlocalité, à court et long terme. L’information météo-climatique joue donc dès lors pleinement son rôle d’aide à la décision.

Vis-à-vis du stockage de la chaleur, la matérialité de la cité porte évidemment sa part. Au-delà des ombres générées par les bâtiments, l’ensemble des revêtements mis en œuvre doit veiller à limiter le rayonnement en contrôlant l’albédo. Parallèlement, le projet s’attelle à maximiser la végétalisation des espaces pour générer de la fraîcheur lors des périodes estivales : espaces libres publics et privés, toitures et façades sont autant de surfaces disponibles pour un paysagement urbain massif, résistant à la chaleur. En plus de sa qualité de régulateur thermique, la prédominance de la nature dans le Village permet aussi le déploiement de services écosystémiques incontournables pour le confort des citadins.

La biodiversité, en prolongement du corridor écologique de la Seine, réinvestit l’espace urbain jusque dans les interstices pour conforter le vivant dans la ville. La qualité du sol naturel et de l’eau joue alors un rôle majeur dans l’organisation du futur quartier. Mise en scène par une gestion des eaux pluviales à ciel ouvert, l’eau parcourt l’ensemble du quartier et, combinée à la démultiplication des espaces paysagers, participe au confort urbain par évapotranspiration.

 


Le piège de la climatisation

À l’échelle du logement, il est possible d’installer un climatiseur. Cependant, si cette technique énergivore permet en un sens de s’adapter à la hausse de température, il convient d’en limiter l’usage au maximum, tant elle aggrave le réchauffement climatique et renforce l’îlot de chaleur urbain (jusqu’à 2 °C).


 

Vers la Ville-Nature

Avec la Ville-Nature, la question du sol représente un enjeu fort du projet. La strate végétale, qui retient souvent toutes les attentions dans un projet d’aménagement a fortiori qualifié d’écologique, n’a de sens que si le sol sur lequel elle repose est en adéquation avec ce qu’elle est. Le sol est un poumon : il s’observe, se pense, s’étudie, se construit et s’accompagne.

Pour cela, le projet agit comme un catalyseur de pédogenèse (du grec pedon, sol, et geneseôs, naissance : l’ensemble des processus physiques, chimiques et biologiques qui, en interaction les uns avec les autres, aboutissent à la formation, la transformation ou la différenciation des sols) en mélangeant des produits de démolition, des déblais issus des tunnels du Grand Paris Express et de la matière organique issue du compostage. Cette action s’inscrit en cela dans la poursuite du programme Siterre (Système d’informations territoriales énergétiques, un outil cartographique d’aide à la définition de la politique du territoire), auquel le projet envisage de se rallier.

En résonance avec la thématique des cités-jardins de la fin du XXe siècle, la Ville-Nature bas carbone nous semble constituer une réponse satisfaisante et raisonnable au changement climatique. Notre exercice comporte d’ailleurs une variable supplémentaire : si les cités-jardins d’Ebenezer Howard prônaient une densité limitée, le Village olympique et paralympique engage, lui, la notion de masse métropolitaine. À nous de démontrer que la Ville-Nature contemporaine sait allier densité et respiration et, quelle que soit l’ampleur des dérèglements climatiques, qu’elle restera confortable et attirante, creuset et centre rayonnant de nos cultures et de nos économies depuis plus de dix siècles !

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