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

Dossier : La météorologie partie 2Magazine N°748 Octobre 2019
Par Nicolas FERRAND (X92)
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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