ANALYSE FINE DU CLIMAT URBAIN PARISIEN DANS LA PERSPECTIVE DU CHANGEMENT CLIMATIQUE Lien entre l’urbanisme et le climat urbain Raphaëlle KOUNKOU-ARNAUD 6èmes Rencontres des Utilisateurs de Meso-NH Toulouse, 13-14 octobre 2011

Objectifs du projet EPICEA Objectif principal du projet : Quantifier l’impact changement climatique à l’échelle de la ville et l’influence du bâti sur le climat urbain Dans le cadre des questions d’aménagement urbain, de météorologie urbaine et des conséquences du CC ; Pour apporter une contribution scientifique au processus de décision des élus et des directions de la Ville sur des questions à long terme. Réparti en 3 volets de travail : Volet V1 : Évolution du climat urbain dans la perspective du changement climatique Volet V2 : Étude particulière d’une situation extrême : la canicule de 2003, en guise d’extrapolation dans le futur (un été sur deux d’ici 2070) 2 configurations : Paris, ville uniforme (résolution 2 km) Paris, ville réaliste (résolution 250 m) : base de données élaborée avec l’Atelier Parisien d’Urbanisme (APUR) Volet V3 : Lien entre l’urbanisme et le climat urbain

Plan Méthodologie Caractéristiques de la simulation Validation de la simulation Analyse de l’ICU Tests de sensibilité : présentation et résultats

Méthodologie Simulation numérique MESO-NH couplé à SURFEX V6 de la période du 08 au 13 août 2003 Utilisation de la version végétalisée de TEB (TEB-Veg) dans sa version CANOPY : introduction de la végétation dans la rue et appel d’ISBA par TEB via la routine d’interface GARDEN Lemonsu, 2010

Caractéristiques de la simulation (1) 3 domaines imbriqués : Domaine France étendue (idem AROME), conditions initiales et conditions aux limites toutes les 6h fournies par modèle du CEPMMT (analyse opérationnelle) Domaine IDF Domaine Paris-PC Domaine France étendue x = 2.5 km Domaine Paris Petite Couronne x = 250 m Domaine Ile-de-France x = 1.25 km

Caractéristiques de la simulation (2) 1er run sur le domaine 1 seul 2ème run sur les domaines 2 et 3 (grid-nesting) Forçage atmosphérique du domaine 2 par les sorties de simulation sur le domaine 1 Couplage 2 ways des domaines 2 et 3 (rappel des champs météo du domaine 2 à chaque pas de temps vers la moyenne des champs du domaine 3) Paramétrisation des namelists : Résolution verticale : 55 niveaux, 1er niveau à 30m + 6 niveaux CANOPY Solveur de pression : Richardson Relaxation horizontale activée Turbulence : TKEL (turbulence 3D) Transfert radiatif : ECMWF Pas de schéma de convection profonde Schéma de convection peu profonde : EDKF (schéma Eddy-Diffusion-Kain-Fritsch) Microphysique : ICE3 (schéma de microphysique mixte qui inclut glace, neige et graupels : 6 classes d’hydrométéores) Advection : CEN4TH

Validation de la simulation (1) Comparaison aux observations sur domaine 3 : 6 stations avec mesures horaires Carte des stations disponibles sur le domaine 3 urbain ; péri-urbain ; rural : mesures horaires  : mesures quotidiennes Nom station Alt. (m) milieu % urbanisation PARIS-MONTSOURIS 75 péri-urbain 14.7 BELLEVILLE-PARC 80 urbain 59.2 COURBEVOIE 51 34.7 SAINT-DENIS 59.8 SAINT-MAUR 50 26.2 VILLACOUBLAY 174 35.4

Validation de la simulation (2) : températures Station EQM tempe horaire EQM tempe horaire 09/08 EQM tempe horaire 10/08 EQM tempe horaire 19/08 EQM tempe horaire 12/08 EQM tempe horaire 13/08 Paris-Montsouris 1.698 1.005 0.798 1.771 1.501 2.920 Belleville_Parc 1.658 1.351 0.928 1.720 1.520 2.621 Courbevoie 1.702 1.555 0.955 1.415 2.813 St-Denis 1.793 1.386 1.699 1.330 2.636 St-Maur 2.450 2.175 2.865 2.695 2.651 2.352 Villacoublay 1.796 1.173 0.765 1.348 1.663 3.239 Moyenne 1.85 1.50 1.28 1.83 1.68 2.76 Très bonne corrélation (R = 0.9573) ; Tendance à surestimer les températures, notamment les plus basses. NB : EQM calculée sur les 45 stations horaires du domaine 2 à 1.25 km : EQM = 2.47 °C  Gain en EQM de 0.6°C en diminuant la résolution

Analyse de l’îlot de chaleur urbain (1) : mise en évidence de l’ICU Températures les plus élevées sur le centre de Paris au niveau des arrondissements 2, 3, 9 et 10 (28 à 30°C) Températures les plus basses sur les zones plus aérées (nombreux parcs et forêts) au niveau du sud-ouest de Paris, des bois de Vincennes et de Boulogne ou du nord de Paris (23 à 25°C).  Amplitude maximale de 4 à 7°C de l’ICU simulé Moyenne des températures à 2m des échéances nocturnes horaires de 02, 03 et 04 UTC des 5 nuits de simulation Arrondissements les plus chauds du centre densément bâti 6 à 7°C d’écart Bois de Boulogne

Analyse de l’îlot de chaleur urbain (2) : analyse au-dessus de la ville Température à 30m maximale (>28°C) sur le centre de Paris (arrondissements 1 à 11) ainsi que sur l’ouest du 12ème, le 13ème et le 15ème arrondissements. Léger refroidissement au-dessus du Bois de Vincennes (27°C), moins net au-dessus du Bois de Boulogne. Température à 30m de l’ordre de 26°C sur les zones plus aérées au sud-ouest et au nord-est de Paris  Amplitude maximale de l’ordre de 2°C de l’ICU simulé Moyenne des températures à 30m des échéances nocturnes horaires de 02, 03 et 04 UTC des 4 dernières nuits de simulation (10, 11, 12 et 13 août),

Tests de sensibilité : présentation (1) Simulation de référence à très fine échelle (250 m) permet : L’utilisation d’inventaires détaillés de l’existant (base de données sur Paris élaborée avec l’APUR) ; L’étude détaillée de processus urbains (ICU, panache urbain, CLU) ; L’identification de zones urbaines plus vulnérables aux processus urbains (arrondissements fortement urbanisés du centre de Paris, zones situées dans le panache urbain, etc.) Identification au préalable de paramètres susceptibles d’agir sur les caractéristiques des ICU (leviers urbains) : propriétés radiatives des surfaces zones vertes, ie. végétales zones bleues, ie. aquatiques

Tests de sensibilité : présentation (2) Choix de valeurs « extrêmes » pour dégager un signal Paramètre Valeurs extrêmes Observations Albédo Couverture: 0.9 Murs : 0.8 Paris « la blanche » Durabilité/entretien (coût) Émissivité Couvertures et murs : 0.9 Végétalisation Surfaces de terre verdies Larges rues verdies en partie Faisabilité (voies ferrées, chaussées)? Eau Humidification des chaussées Faisabilité Entretien (coût) Géométrie A préciser en regard des résultats obtenus Difficilement faisable techniquement mais horizon 2100 12

Tests de sensibilité : scénario 1 « réfléchissant » (1) Toitures : mise en place de couvertures rafraîchissantes (« cool roofs ») par le biais de membranes ou enduits spécifiques Albédo des toits : Référence Scénario réfléchissant

Tests de sensibilité : scénario 1 « réfléchissant » (2) Toitures : mise en place de couvertures rafraîchissantes (« cool roofs ») par le biais de membranes ou enduits spécifiques Emissivité des toits : Référence Scénario réfléchissant

Tests de sensibilité : scénario 1 « réfléchissant » (3) Murs : modification donnant aux matériaux de façade les propriétés d’un marbre très « blanc » par le biais de peintures spécifiques adaptées aux différents supports existants ou par la mise en place d’un bardage Albédo des murs : Référence Scénario réfléchissant

Tests de sensibilité : scénario 2 « verdissement » (1) Verdissement sans toucher au bâti des surfaces « disponibles » : Verdissement des surfaces de terre Fraction de surface de terre par rapport à la végétation totale dans le cas de référence  833 ha disponibles soit une hausse de 25,8% de végétation effective (mais pas de suppression de surfaces minéralisées)

Tests de sensibilité : scénario 2 « verdissement » (2) Verdissement partiel des chaussées larges : On retient un seuil de rue « large » de 15 m (9ème décile Q90 : 15.44 m) On obtient 602 ha de surface de « rues larges » On en verdit la moitié soit 301 ha de routes végétalisables  on verdit 12 % des routes de la ville avec de la végétation basse, ce qui conduit à une hausse de 8 % de la végétation totale et 23 % de la végétation basse sur Paris intra-muros Surface de végétation basse supplémentaire suite au verdissement partiel des chaussées larges Répartition des largeurs de route dans Paris

Tests de sensibilité : scénario 2 « verdissement » (3) Verdissement des surfaces de terre et des chaussées larges : Fraction de végétation dans la maille dans le cas de référence Fraction de végétation dans la maille dans le scénario 2

Tests de sensibilité : scénario 2 « verdissement » (3) Verdissement des surfaces de terre et des chaussées larges : Fraction de végétation supplémentaire dans le scénario 2 (végétation basse) Fraction de végétation dans la maille dans le cas de référence Fraction de végétation dans la maille dans le scénario 2

Tests de sensibilité : scénario 3 « Humidification » Humidification des chaussées en permanence par ruissellement d’eau en surface. Utilisation du réseau d’eau non potable présent dans Paris. Expérience menée à Tokyo (Sato 2008, Sera 2006)

Tests de sensibilité : scénario 4 «  Réfléchissant + Verdissement + Humidification » Le scénario 4 additionne les scénarios 1, 2 et 3 (modification des propriétés radiatives des parois, verdissement des surfaces de terre et des chaussées larges et humidification des chaussées) Scénario de verdissement Scénario réfléchissant

Tests de sensibilité : Analyse de l’ICU (1) Ref - S1 Référence Ref - S2 Impacts sur l’ICU (T2m) ICU défini comme la moyenne des températures à 2 m des échéances nocturnes horaires de 02, 03 et 04 UTC des 5 nuits de simulation (09, 10, 11, 12 et 13 août),

Tests de sensibilité : Analyse de l’ICU (2) 11/08/2003 12/08/2003 Impact maximal les journées les plus chaudes (baisse jusqu’à 3°C de l’ICU) Impact principalement sur Paris intra muros mais également dans le panache urbain

Tests de sensibilité : Températures des bâtiments – scénario 1 (1) jour nuit Différence de température des toits par rapport à la référence jour nuit Différence de température des murs par rapport à la référence

Tests de sensibilité : Températures des bâtiments – scénario 1 (2) Température interne des bâtiments Diminution de 1 à 3 °C de la température des bâtiments

Analyse sur la verticale Températures moyennes diurnes et nocturnes (référence, scénario 1 et scénario 2) A9 Scénario 2 A12 Différence (référence – scénario) des températures moyennes nocturnes Scénario 1

Conclusions Scénario 1 (réfléchissant) : Scénario 2 (verdissement) : Impact sur la partie bâtie uniquement Impact essentiellement sur Paris intra-muros Peu d’impacts en surface sur les Tmax, mais plus prononcés en surface sur les Tmin Plus fort impact en altitude sur les Tmin et Tmax Diminution importante des températures de surface des toits et murs Fort impact au niveau de la température interne des bâtiments Scénario 2 (verdissement) : Impact très faible et localisé Impact visible sur les Tmin Le verdissement partiel par ajout de végétation basse ne suffit pas à refroidir significativement la ville Verdissement à plus grande échelle ? L’ajout de végétation haute (arbres) pourrait avoir plus d’impact ? Scénario 3 (humidification) : problème de phasage SURFEX (modifié) / Meso-NH !

Merci de votre attention