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

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 XX^e 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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