Modelisation, Ville & Changement climatique

Présentation générale

Colette Marchadier — 2010-06-11T07:55:10Z

Le projet ACCLIMAT a pour objectif d'étudier les interactions entre les processus de développement urbain, de micro-climat urbain, et le changement climatique.

Le défi climatique à l'échelle urbaine

Relever le défi climatique impose aujourd'hui aux les Etats de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre, mais aussi de prendre des mesures d'adaptation afin d'atténuer les effets néfastes du réchauffement sur la population, l'économie et l'environnement. La question se pose particulièrement à l'échelle de la ville, qui présente une forte sensibilité au changement climatique.

La ville : un système complexe

Parce qu'elle présente une forte concentration des populations et des activités, en évolution et augmentation constantes, la ville constitue un système complexe, en terme de nombre et de diversité des acteurs (ménages, investisseurs, décideurs), d'échanges sociaux et économiques, et d'hétérogénéités physiques. De plus, la forme urbaine crée un microclimat spécifique des villes, caractérisé principalement par l'îlot de chaleur urbain.

Planifier la ville aujourd'hui pour le climat futur

Les constantes de temps propres au changement climatique et à l'évolution des villes obligent à raisonner à l'échelle du siècle pour répondre à la question de la durabilité de la ville.

Pour adapter les villes au climat de la fin du XXIème siècle, il est donc indispensable de commencer dès maintenant à modifier la conception des bâtiments et les stratégies de planification urbaine.

Des données objectives pour les décideurs urbains

Mais jusqu'à présent, il n'y a pas de consensus ni même d'idée claire de ce qui doit être fait, et encore moins comment le faire : Lors des choix d'aménagements urbains, il est pertinent de disposer de données chiffrées et objectives, sur des thèmes transversaux, pour évaluer
à priori des scénarios d'aménagement urbains, en tenant compte du changement climatique.

La « plateforme » ACCLIMAT pose les bases d'un outil de simulation numérique pour tester des mesures d'adaptation, identifier des leviers d'action et évaluer les résultats de mesures envisagées pour adapter la ville au climat futur.

Un partenariat toulousain multidisciplinaire …
– GAME : Changement climatique et climat urbain (CNRS/Météo France)
– AUAT : Aménagement urbain
– CERFACS : Couplage de modèles
– ENM-CIRED : Expansion urbaine, économie et changement climatique
– GEODE : Télédétection, prospective et 'étalement urbain (CNRS)
– LRA-GRECAU : Morphologie urbaine et systèmes d'indicateurs (ENSA)
– IMT : Incertitudes et fiabilité des modèles (UPS)
– ONERA : Classification des matériaux urbains

… et des organismes associés :
Mairie de Toulouse – ARPE – LISST –
CETE - CONTINENTAL

La démarche scientifique

Les éléments de la plateforme

Des scénarios d'évolution future seront appliqués à l'aire urbaine Toulousaine et serviront à contraindre les modèles numériques de socioéconomie et d'urbanisation, ainsi que des modèles physiques de climat et de bâti. Les impacts calculés par les modèles seront mis sous la forme d'indicateurs.

Les scénarios climatiques

L'objectif est d'extraire, à partir des scénarios climatiques sur l'Europe, des situations météorologiques pertinentes sur la région toulousaine, en adaptant une méthode de descente d'échelle appropriée.

Des scénarios pour Toulouse jusqu'en 2100

Il s'agit de construire des scénarios prospectifs d'évolution, à partir d'une analyse des grandes tendances globales (macro-économiques, démographiques, technologies, etc.) actuelles et futures, et de les traduire à l'échelle de l'agglomération toulousaine.
Le défi scientifique qui consiste à concilier résolution spatiale fine et horizon temporel éloigné est considérable ! La démarche méthodologique envisagée est participative, et repose sur la sélection progressive d'hypothèses de plus en plus générales à mesure que l'horizon temporel est éloigné.

Un modèle socioéconomique d'expansion urbaine …

Le modèle NEDUM, développé au CIRED, est conçu pour reproduire les mécanismes sous-jacents à la dynamique d'un système urbain (transports, logements, taxes, …). Il sera utilisé dans le projet pour créer les projections d'évolution de la ville jusqu'à la fin du XXI siècle en prenant en compte les aspects structurels et les conséquences socio-économiques.

… couplé à un modèle d'occupation des sols

A l'aide d'un tel modèle, on simulera spatialement l'évolution possible de l'étalement urbain.

En articulant les deux modèles, complémentaires en terme d'échelle et de représentation, il devient possible de faire évoluer les projections d'évolution de la ville sous la forme de cartographies.

Les modèles physiques

Pour modéliser l'impact du changement climatique et de l'urbanisation sur le climat local, on mettra en œuvre les modèles de météorologie Méso-NH et d'échanges ville-atmosphère TEB. La forme des quartiers urbains et leur influence sur la consommation énergétique, ainsi que le degré de confort/inconfort seront simulés par un modèle de morphologie urbaine MORPHOLOGIC.

Une plateforme unique de simulation

Afin d'intégrer scénarios et modèles sur une plateforme de simulation unique et conviviale, on utilisera le coupleur PALM développé par le CERFACS, qui permet d'assembler des applications parallèles complexes. Des outils seront également développés pour faciliter l'interprétation des nombreux impacts fournis par les modèles : calcul d'incertitudes, définition d'indicateurs et diagnostics multisectoriels.

4 grandes étapes scientifiques

Des éléments de réponse à des questions concrètes

–
Quels leviers socio-économiques agissent sur les processus d'expansion urbaine, à l'échelle du siècle ?
– Quels sont alors, pour l'aire urbaine toulousaine, les différentes projections possibles d'expansion et leurs impacts associés ?
– Quels impacts des interactions entre changement climatique et urbanisation sur une ville à l'échelle du siècle, en terme de : climat urbain, consommation énergétique, bilan de CO2, confort des habitants, coûts économique et environnemental de mise en œuvre des stratégies d'adaptation ?

Programme de travail

Colette Marchadier — 2010-05-12T10:22:35Z

Le projet ACCLIMAT comporte 4 grandes étapes scientifiques

– (1) La modélisation urbaine et (2) la modélisation climatique,

– une tâche transversale (3) qui permet l'intégration des éléments du projet dans l'outil PALM,

– puis la phase d'évaluation scientifique (4) qui permettra l'analyse interdisciplinaire des résultats obtenus.

– Enfin, le pilotage du projet (5), qui permet de coordonner les 4 grandes étapes scientifiques, est particulièrement important dans le cadre de ce projet pluridisciplinaire.

Partenariat

Colette Marchadier — 2010-05-12T10:20:30Z

Le GAME : changement climatique et climat urbain

Coordinateur du projet

Le CNRM-GAME (METEO-FRANCE/CNRS) est un groupe de recherche internationalement reconnu, qui aborde un large spectre de thématiques liées à l'étude de l'atmosphère météorologique. Il intervient dans le projet à travers deux axes de recherche majeurs que sont le changement climatique et le climat urbain.
Le GAME est fortement impliqué dans l'étude du changement climatique, notamment la compréhension de la sensibilité du système climatique et l'évaluation des impacts du changement climatique. Il participe activement aux travaux de modélisation et d'évaluation du GIEC. A ce titre, les chercheurs du GAME ont reçu, avec Al Gore et d'autres scientifiques de par le monde, le prix Nobel de la Paix 2007 par destination.

L'AUAT : Aménagement urbain

De statut associatif, l'AUAT est un outil technique inter-institutionnel reconnu. Centre de ressources sur le développement de la métropole toulousaine, l'agence est aussi un lieu de confrontation des idées et d'élaboration de projets partagés réunissant les territoires ainsi que leurs représentations élues, institutionnelles, associatives, économiques et sociales. Les missions de l'agence s'organisent selon deux grands axes :
– Une mission permanente de centre de ressources en urbanisme et en aménagement du territoire, au service du « bien public » (observatoire dynamique, outil de veille – évaluation, veille stratégique et prospective permanente, sensibilisation et information des acteurs, animation et organisation de débats prospectifs)
– Des missions prioritaires, pour un développement "soutenable" de l'aire métropolitaine toulousaine dans sa Région, en matière de planification urbaine (InterSCoT, SCoT ), d'aménagement des territoires, d'harmonisation des politiques publiques, de promotion de la qualité urbaine.

La vision transversale et opérationnelle de la planification urbaine par l'AUAT est complémentaire de celle des chercheurs. Son expertise sera particulièrement importante pour la description de la métropole toulousaine, sous ses multiples aspects, et la construction d'hypothèses de son évolution future, notamment en matière d'aménagement urbain.

Le CERFACS : Couplage de modèles

Le CERFACS possède une expertise reconnue internationalement en calcul scientifique haute performance (HPC). Ses chercheurs et ingénieurs sont impliqués dans de nombreux projets français (ANR) ou européens (FP6, FP7). L'équipe GLOBC « modélisation du climat et de son changement global » possède une grande expérience en couplage de codes de calcul, et a pour cela développé des outils performants de couplage (OASIS : Valcke et al. 2007, PALM : Buis et al. 2006) dont elle fait largement profiter les laboratoires de recherche partenaires du CERFACS (CNRS, GAME, INRA, …) ou les centres opérationnels (MERCATOR OCEAN, CEPMMT, …)

De nombreux outils de couplage (MPCCI-SCAI, SALOME-EDF, FLUME-UKMO, CASTE-INRIA), ciblés sur une discipline, sont utilisés pour réaliser des couplages multi-physiques, sujet en plein essor. Par rapport à ces coupleurs, l'outil PALM, développé par le CERFACS et choisi pour ce projet, présente l'avantage de définir très facilement un algorithme de couplage autour des composants de l'application, et permettra donc l'évolutivité future de la plateforme.

L'ENM-CIRED : Expansion urbaine, économie et changement climatique

L'Ecole Nationale de la Météorologie est le centre de formation de Météo-France. L'école conduit une activité de recherche sur la météorologie, le climat, et les aspects socio-économiques associés. En particulier, elle travaille sur les aspects socio-économiques du changement climatique, en lien avec le Centre International de Recherche sur l'Environnement et le Développement (CIRED), un laboratoire d'économie appliquée du CNRS, de l'EHESS, de l'ENPC, et de l'ENGREF.

Dans ce projet, les recherches du groupe ENM-CIRED porteront sur la théorie de l'économie urbaine, qui est en développement constant afin de décrire les problématiques cruciales liées à l'organisation spatiale des activités et des agents à l'échelle urbaine. Dans ce projet, le CIRED utilisera son modèle économique urbain NEDUM (Gusdorf et Hallegatte 2007a,b, Gusdorf et al. 2008) permettant de simuler l'évolution continue de villes (prenant en compte les aspects structurels, et les conséquences socio-économiques), en y améliorant la structure spatiale de l'agglomération et les liens avec les aspects macro-économiques. Il sera utilisé pour créer les projections à long terme d'évolution des villes. Il présente l'avantage d'être le seul modèle aujourd'hui publié capable de simuler les effets de transition d'une structure de ville à une autre.

GEODE : Télédétection, prospective et simulation de l'étalement urbain

Le laboratoire GEODE s'inscrit depuis ses origines dans une approche transdisciplinaire d'identification, d'analyse et de modélisation des relations nature/société sur des temps historiques et contemporains. Un axe de recherche de l'équipe porte en particulier la modélisation prospective spatialisée des dynamiques des territoires et leurs conséquences environnementales à l'aide de la géomatique (télédétection, SIG).

Si le laboratoire témoigne d'une forte expérience dans le domaine sur des territoires ruraux (Paegelow et Camacho Olmedo, 2005 ; Houet et Hubert-Moy, 2008 ; Houet et al, 2008), il s'est investi récemment sur des territoires urbains à travers l'utilisation du modèle LCM sur l'agglomération rennaise en partenariat avec l'agence d'urbanisme (Aguejdad et Houet, 2008).

Outre ses compétences en prospective territoriale, le laboratoire GEODE s'investit par ailleurs dans d'autres programmes de recherche dont les avancées méthodologiques pourront être mises à profit pour ce projet : télédétection en milieu urbain (Programme Interdisciplinaire de Recherche "Ville et Environnement" - CNRS) ; modélisation dynamique et spatialement explicite des paysages (ANR BiodivAgriM).

Le GRECAU : Morphologie urbaine et systèmes d'indicateurs

Le GRECAU est un laboratoire habilité par le Bureau de la Recherche Architecturale et Urbaine (DAPA/MCC), créé en 1982 (sous le nom de LAB pour Laboratoire d'Architecture Bioclimatique), et est membre du PRES.

La problématique originelle du laboratoire, fondée essentiellement sur la gestion de la ressource énergétique à travers l'architecture solaire et bioclimatique, a aujourd'hui évolué vers une problématique plus globale liée à l'étude des relations entre le milieu construit et son environnement.

Le GRECAU travaille depuis une douzaine d'années sur la caractérisation du lien entre morphologie architecturale et urbaine, consommation énergétique et impacts climatiques et environnementaux.

La position d'interface recherche/profession du GRECAU l'incite également à la valorisation de cette recherche, en particulier par la production d'outils adaptés pour l'aide à la décision architecturale ou urbaine (maîtrises d'œuvre et d'ouvrage) et l'aide à la conception (maîtrise d'œuvre). Les systèmes d'indicateurs environnementaux (comme OMS 1999, OCDE 1999, TERM 2001, WHO 2000) sont issus de deux approches concomitantes, les indices ou indicateurs d'impacts mono-nuisances, et les (récents) tableaux de bord environnementaux multithématiques.

L'IMT : Incertitudes et fiabilité des modèles

L'Institut de Mathématiques de Toulouse (IMT) regroupe l'essentiel de la recherche en Mathématiques de Toulouse (environ 200 permanents et autant de non permanents). Labellisé A+ lors de la dernière évaluation, ce groupe de recherche, largement reconnu dans son domaine, a été sollicité pour être l'un des quatre intervenants internationaux de la prestigieuse école d'été EDF-CEA-INRIA sur la construction de méta modèles.

Dans le cadre du projet, l'IMT apportera son expertise sur la technique émergente des méta-modèles. Cette technique ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l'aide à la décision, en permettant de quantifier le degré de fiabilité des indicateurs fournis par les modèles.

L'ONERA : Classification des matériaux urbains

La classification des matériaux des milieux urbains est complexe du fait de l'hétérogénéité spatiale (Ben-Dor 2001, Herold 2003) et de la structure 3D de la ville (Carilero 2001, Takashi 2002, Dare 2005, Lachérade 2005). Plusieurs classifications existent : Anderson 1976, ASTER 2000, et Heiden 2001, mais peu de travaux évaluent la variabilité inter- et intra-classe de chaque matériau (Herold, 2004, Lachérade, 2005).
Afin de mieux décrire la ville, l'ONERA-DOTA travaille depuis plusieurs années à la constitution de la base de données MEMOIRES (propriétés optiques de plus de 4000 matériaux) à partir des moyens de mesures terrain acquis (spectroradiomètre) ou développés (MISTERE) permettant de couvrir le spectre électromagnétique de 0,4 µm à 14µm. Il a également mis en place une méthode novatrice d'estimation de la réflectance spectrale de matériaux urbains à partir de mesures aéroportées (Lachérade 2008). Il travaille aussi sur la formalisation des méthodes d'agrégation des propriétés optiques (Pallotta 2006).

Autres partenaires : Comité consultatif d'experts

Afin d'enrichir les compétences du partenariat de recherche et des experts internationaux, le projet ACCLIMAT a sollicité certains acteurs liés à la prospective, à l'urbanisation et à la problématique d'adaptation de la ville au changement climatique, pour de constituer un comité consultatif d'experts.

Le CIEU : Etudes urbaines et transformation des sociétés.

Le Centre Interdisciplinaire d'Etudes Urbaines, équipe pluridisciplinaire des SHS (géographes, sociologues, politistes), étudie la ville ou l'urbain, et appréhende la ville comme le résultat tangible d'interactions entre du social et du spatial (Jaillet 2005). Sa très bonne connaissance de l'aire urbaine toulousaine, les liens entretenus avec les acteurs institutionnels, et son approche de la ville en tant que dispositif socio-spatial et terrain de lecture des transformations des sociétés seront particulièrement pertinents dans la phase de construction des hypothèses d'évolution « grandes tendances », ainsi que lors de l'évaluation interdisciplinaire des résultats.

Le CETE : transports et déplacements.

Membre du réseau scientifique et technique du MEDAD, les Centres d'Etudes Techniques de l'Equipement ont pour vocation principale de faire évoluer le territoire en apportant une réponse adaptée et durable aux besoins de la société. Au sein de sa branche « transports et déplacements », le CETE du Sud-ouest s'appuie sur une approche transversale de développement durable et assure à la fois une observation et une analyse des déplacements sur la région toulousaine. De plus, son implication dans la recherche se traduit par des collaborations avec différents laboratoires et organismes de recherche (LCPC,EPFL, Ecole Polytechnique, Universités de Bordeaux et de Toulouse...). Lors de la construction des hypothèses d'évolution, le projet ACCLIMAT s'appuiera donc sur l'expertise du CETE, en terme de transports et déplacements, d'évaluation de l'impact des projets, et profitera également de ses liens privilégiés avec les travaux nationaux de recherche prospective sur les transports.

CONTINENTAL : technologies automobiles.

L'expertise de CONTINENTAL dans le domaine de la projection des technologies automobiles apportera au projet une dimension à la fois prospective et pratique, et permettra de construire des scénarios des technologies automobiles au plus proche des réflexions engagées par les constructeurs et équipementiers automobiles, en particulier au regard des émissions de CO2..

La Mairie de Toulouse : planification urbaine.

En tant qu'acteur de la planification urbaine, le servie « urbanisme et environnement » de la ville de Toulouse apportera une vision pragmatique de la ville, des contraintes et des enjeux de la planification urbaine.

L'ARPE : indicateurs et développement durable.

L'Agence Régionale Pour l'Environnement, participant au groupe de travail initié par le Ministère de l'Aménagement et du Développement Durable sur les indicateurs de développement durable, apportera son expertise lors de la définition des indicateurs de la plateforme.

Objectifs

Colette Marchadier — 2010-05-12T10:13:10Z

L'objectif scientifique d'ACCLIMAT est d'étudier les interactions entre les processus de développement urbain, de micro-climat urbain, et le changement climatique.

Pour permettre l'étude de ces interactions, les partenaires développeront une plateforme interdisciplinaire de modélisation numérique, qui simulera l'évolution de l'expansion urbaine et du micro-climat urbain et évaluera les impacts du changement climatique.

L'étude sera réalisée à l'échelle du siècle, pour tenir compte d'une part de l'inertie des modifications structurelles de la ville, et d'autre part des scénarios climatiques issus du 4ème rapport du GIEC (IPCC 2007a). Celui-ci montre que les effets globaux du changement climatique sont significatifs à partir de 2070.

De plus, en Europe, il a fallu des siècles pour parvenir à la structure des villes actuelles (Grazi et van den Bergh 2008, Goldstein et Moses 1973) et un bâtiment a une durée de vie variant de 50 ans à plus de 100 ans (Balaras et al. 2007). Pour adapter les villes au climat de la fin du XXIème siècle, il est donc indispensable de commencer dès maintenant à modifier la conception des bâtiments et les stratégies de planification urbaine.

L'objectif technique d'ACCLIMAT est de développer une plateforme interdisciplinaire de modélisation numérique, forcée par des scénarios locaux de climat et des scénarios socio-éconimiques de développement urbain, qui simulera l'évolution de l'expansion urbaine et du micro-climat urbain et évaluera les impacts du changement climatique.

Cette plateforme de simulation sera appliquée à l'aire urbaine toulousaine, de nos jours jusqu'à la fin du siècle.

Résumé

Colette Marchadier — 2010-04-28T13:53:11Z

Le projet ACCLIMAT propose d'étudier les interactions entre les processus de développement urbain, de micro-climat urbain et le changement climatique, à l'aide d'une plateforme interdisciplinaire de modélisation numérique. Des modèles de base physique (atmosphère, échanges ville-atmosphère, morphologie urbaine) et urbanistique (expansion urbaine et spatialisation) seront développés ou mis en œuvre, couplés puis forcés par des scénarios locaux du changement climatique et des scénarios socio-économiques de développement urbain.

L'évaluation scientifique, à l'aide d'indicateurs multicritères, apportera des pistes pour l'adaptation de la ville au changement climatique, en identifiant d'une part les leviers socio-économiques qui agissent sur les processus d'expansion urbaine, et d'autre part les impacts de leur interaction avec le changement climatique, en terme de micro-climat urbain, consommation énergétique, bilan de CO2, état hydrique du sol, confort des habitants.

L'étude sera réalisée à l'échelle du siècle, pour tenir compte de l'inertie des modifications structurelles de la ville, et des scénarios climatiques issus du 4ème rapport du GIEC, montrant des effets globaux du changement climatique significatifs à partir de 2070. La complexité du « système ville » et l'échelle de temps lointaine seront appréhendés à travers une modélisation des processus et de leur interaction (développement urbain et micro-climat urbain, expansion et spatialisation, morphologie urbaine et consommation énergétique), et s'appuieront sur le développement de méthodes (descente d'échelle, couplage de bases de données et de code).

Ainsi, ces modèles et méthodes, appliqués dans le cadre d'ACCLIMAT à l'aire urbaine toulousaine, se veulent généralisables à d'autres métropoles Européennes. L'architecture modulaire de la plateforme permettra d'intégrer les évolutions des modèles et de l'enrichir d'autres modèles (hydrologie, transports).

Cet outil de recherche souhaite ainsi répondre aux questions émergentes, scientifiques et interdisciplinaires, que pose la ville durable.