L'urbanisation des surfaces est à l'origine de l'îlot de chaleur urbain : les températures au centre des villes sont plus élevées que dans les zones rurales environnantes. Ces phénomènes ont été étudiés pour deux campagnes de mesures. La première a eu lieu à Marseille pendant l'été 2001. L'îlot thermodynamique a été suivi par un réseau optimisé pour cette ville côtière. La nuit, l'urbanisation est le premier facteur d'explication de la variabilité de température alors que le jour cet effet est balayé par le régime de brise. Le jour les mesures des flux turbulents sont affectées par cet écoulement frais et humide. La deuxième campagne a été menée sur Toulouse pendant un an de février 2004 à mars 2005. Les données acquises ont permis de montrer l'impact des rejets anthropiques de chaleur sur le bilan d'énergie en hiver : ils peuvent atteindre plus de 100 W m-2 et compenser la moitié du déficit d'énergie solaire.

The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

Le phénomène d'îlot de chaleur urbain engendre de l'inconfort thermique auprès des habitants. Améliorer le microclimat en zone urbaine est donc l'une des préoccupations des aménageurs. La végétalisation des villes s'avère une solution prometteuse, car l'évapotranspiration des plantes etles ombres portées des arbres ont un impact significatif sur le bilan thermique de l'atmosphère alentour. Un défi majeur aujourd'hui est le développement d'un modèle de simulation microclimatique capable de reproduire les conditions climatiques d'une rue, voire d'un quartier urbain végétalisé, dans l'objectif de proposer un outil d'aide à la décision pour l'aménagement des villes durables. L'objectif de cette thèse est d'étudier comment prendre en compte la végétation et plus particulièrement les arbres, dans un modèle microclimatique 30 afin de simuler le microclimat d'un quartier. Deux modèles, LASER/F et RATP sont appliqués à l'échelle d'un arbre et d'un parc urbain pour mener à bien cette étude. / The urban heat island phenomenon causes thermal discomfort to residents. lmproving the microclimate in urban areas is therefore one of the concerns of urban plan ners. The greening of cities (with lawns, trees, green roofs, etc.) is a promising solution, as the transpiration of plants and the shadows of trees have a significant impact on the thermal balance of the surrounding atmosphere. This act must be planned to optimize the benefits of vegetation. A key challenge today is thus the development of a microclimatic simulation model capable of reproducing the climatic conditions of a street, or even a vegetated urban neighborhood, with the aim of proposinga decision support tool for the development of sustainable cities. The aim of this thesis is to study how to consider vegetation and especially trees, in a 30 microclimatic model to simulate the microclimate of a neighborhood. Two models, LASER/F and RATP were applied at the scale of a tree and an urban park to carry out this study.

Dans le contexte du changement climatique, la chaleur est, depuis le début des années 2000, une préoccupation grandissante, d’abord en tant qu’enjeu sanitaire puis comme problématique affectant la qualité de vie des citoyens. Au Québec, le concept d’îlot de chaleur urbain, issu de la climatologie urbaine, a graduellement émergé dans le discours des autorités et de certains acteurs de l’aménagement. Or, on constate l’existence d’un certain décalage entre les connaissances scientifiques et l’interprétation qu’en font les urbanistes. Dans le cadre de ce mémoire, on a tenté d’identifier les facteurs explicatifs de ce décalage en s’intéressant au processus d’acquisition des connaissances des urbanistes québécois. Par le biais d’entretiens réalisés auprès des principaux acteurs ayant contribué à l’émergence de l’ICU au Québec, on a été en mesure d’identifier les éléments ayant entraîné certaines distorsions des connaissances. L’absence d’interdisciplinarité entre la climatologie urbaine et l’urbanisme tout au long du processus d’acquisition des connaissances ainsi qu’une interprétation tronquée de la carte des températures de surface expliquent principalement la nature du décalage observé. / In the context of current debates on climate change, heat has become a growing concern since the early 2000s, as it impacts people’s health and quality of life. As an element of urban climatology, the concept of urban heat islands emerged as a standard reference used by a number of Quebec scholars and practitioners in environmental management. However, there appears to be certain discrepancies between our current scientific knowledge and its interpretation by urban planners. The objective of this thesis is to better understand the factors that explain this discrepancy, through a study of knowledge acquisition among Quebec urban planners. Using a series of interviews with key actors in the emerging field of UHI’s in Quebec, it has been possible to identify the elements that caused distortions in knowledge transfer. Generally, the lack of interdisciplinarity in the areas of urban climatology and planning throughout the knowledge acquisition process, as well as a partial understanding of the surface temperature maps, help explain the nature of these discrepancies.

En vue de comprendre et prévoir les modes de dispersion des polluants émis dans les zones urbanisées, des simulations numériques sont menées à haute résolution. L'objectif est de reproduire les caractéristiques atmosphériques au-dessus d'un milieu complexe urbanisé. On a développé une méthode précise de mise en œuvre des simulations numériques de l'atmosphère urbaine à haute résolution spatiale en se basant sur trois outils complémentaires, optimisés sur l'exemple de Marseille : le modèle atmosphérique SUBMESO, en mode SGE (simulation des grandes échelles), le modèle de sol pour les échelles sub-meso urbanisé SM2-U, le logiciel de cartographie des caractéristiques morphologiques de la canopée urbaine DFMap. Pour pouvoir simuler l'atmosphère de villes côtières, on a développé et validé une méthode de calcul des flux à l'interface mer – atmosphère adaptée aux données de température disponibles par mesure ou télédétection. Une étude de sensibilité est ensuite menée sur une configuration académique de ville dans son environnement rural et/ou côtier, à l'aide de douze simulations permettant d'évaluer les rétroactions entre le modèle de sol et le modèle atmosphérique. Cinq autres simulations sont effectuées sur la région marseillaise au cours d'une période d'observation intensive de la campagne expérimentale CLU – ESCOMPTE, avec trois grilles emboîtées, permettant la première validation du couple SUBMESO – SM2-U, l'analyse des interactions entre la ville, les systèmes de brise et la topographie, et aussi l'étude des champs turbulents à très haute résolution. La méthode développée peut être utilisée pour l'étude de la qualité de l'air d'autres agglomérations.

Les bâtiments représentent 40 pourcents de la consommation finale d'énergie. Ils sont ainsi le fer de lance des politiques de réduction des dépenses énergétiques. Récemment, des systèmes de modèles climatiques qui incluent un modèle atmosphérique régional et des paramétrisations urbaines sophistiquées ont été développés. Ils considèrent la complexité de l’îlot de chaleur urbain et ses interactions avec les besoins énergétiques des bâtiments. Dans quelle mesure ces systèmes constituent-ils des outils d’aide à la décision pour les autorités locales ? Cette étude menée sur le territoire de l'Eurodistrict (Strasbourg - Kehl) en 2010, puis en 2030, à l’aide du système de modèles de climat WRF/ARW-BEP+BEM a démontré que si le système de modèles estimait de manière fiable les besoins en chauffage des bâtiments, ces derniers étaient davantage sensibles aux caractéristiques intrinsèques des bâtiments qu'aux formes urbaines et à l'îlot de chaleur urbain induit par ces formes. / Buildings represent 40 percent of the end-use energy. Thus, they constitute a key point of the energy saving policies. Recently, climate modeling systems that include a mesoscale atmospheric model, sophisticated urban parameterizations have been developed to account for the complexity of the urban climate and its interactions with the building energy loads. This study aims to assess the capability of such climate modeling systems to provide climate and energy guidelines to urban planners. For this, we used the research collaborative WRF/ARW-BEP+BEM climate modeling system and performed sensitivity tests considering the territory of the Eurodistrict in 2010, and then in 2030. The results reveal that the climate modeling system achieves estimating the building energy needs over the study area, but also indicate that the building energy needs are more sensitive to the building intrinsic properties and occupant behavior than to the urban forms and their induced urban heat island.

De nombreuses études au cours des dernières décennies ont porté sur l'effet l’îlot de chaleur urbain (ICU). Les efforts initiaux visant à comprendre les facteurs qui influent sur l’ICU ont contribué à la mise en place de solutions et de stratégies d'atténuation adaptées. Les stratégies d'atténuation comprennent généralement l'augmentation de l'albédo urbain (réflectivité au rayonnement solaire) et l'évapotranspiration. Les augmentations d'albedo sont obtenues grâce à des technologies de toiture et de pavage ayant un albédo élevé. Une augmentation de l'évapotranspiration est obtenue par une combinaison de la diminution de la fraction de surfaces imperméables et la plantation de végétation dans les zones urbaines. Le confort thermique extérieur est défini à partir d’indices prenant en compte différents paramètres physiques et traduit la perception et la satisfaction des piétons. Ce confort est très difficile à obtenir en climat chaud et aride. Par conséquent, le travail présenté dans ce document met l'accent sur les méthodes appropriées pour réduire l’ICU et ainsi améliorer le confort thermique en plein air des piétons. Jusqu’à présent, peu de recherches ont été menées sur le confort thermique extérieur dans un climat chaud et aride. Les études sur l'atténuation de l'ICU et le confort thermique extérieur sont pratiquement inexistantes pour la ville de Bagdad. Bagdad a un tissu urbain complexe avec des constructions modernes, des maisons traditionnelles et des éléments caractéristiques du patrimoine local. Le climat en été est chaud, et les mois d'été sont considérés comme la plus longue saison avec près de 7 mois de l'année. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur l'étude des stratégies d'atténuation à envisager afin d’évaluer comment le confort des piétons est affecté par les choix de conception des constructions, en comparant un quartier traditionnel à un quartier moderne. L’étude envisage ensuite la façon dont la végétation et les ombrages contribuent à réduire l'effet de l'ICU et à améliorer le confort thermique extérieur. Quatre scénarios différents sont élaborés pour évaluer le rôle d’éléments végétaux tels que les arbres, l'herbe et les différents modèles d'ombrage. L'évaluation a été effectuée le jour le plus chaud de l'été, la température radiante moyenne, l'humidité spécifique, la température de l'air et les distributions de la vitesse du vent ont été analysées à l'aide du logiciel ENVI-met. Le confort thermique est ensuite évalué à l'aide des indices thermiques de la température équivalente physiologique PET et du PMV étendu aux ambiances extérieures. En outre, une proposition de solution est abordée afin d’étudier son impact sur le confort thermique pour la journée la plus chaude (situation extrême) et une journée typique d’été. Les résultats ont révélé une amélioration du confort thermique dans la journée typique d’été. L'étude montre comment les facteurs urbains tels que le rapport d'aspect, la couverture végétale, les ombres et la géométrie du quartier sont des éléments cruciaux que les urbanistes et les municipalités doivent prendre en compte, en particulier pour les nouveaux aménagements urbains dans un climat chaud et aride. Une proposition d’aménagement global pour atténuer les ICU dans le cas d’un nouveau quartier sous climat aride, est détaillée en fin de mémoire. / Numerous studies over the past several decades focused on the effect of the Urban Heat Island. Initial efforts on understanding the factors affecting UHI contributed to proceed the appropriate solutions and mitigation strategies. Mitigation strategies comprise increase both urban albedo (reflectivity to solar radiation), and evapotranspiration. Albedo increases are obtained through high albedo roofing and paving technologies. An increase in evapotranspiration is achieved through a combination of decreasing the fraction of impervious surfaces and planting vegetation in urban areas. The outdoor thermal comfort is influenced by the perception and satisfaction of the pedestrians, especially in hot and arid climates. Consequently, this work focuses on the appropriate methods for reducing the Urban Heat Island and thus to enhance the pedestrians outdoor thermal comfort. However, there is limited research conducted on the outdoor thermal comfort in hot and arid climate. The studies on the mitigation the Urban Heat Island and the outdoor thermal comfort are almost non-existent for Baghdad city. Baghdad has a complex urban fabric with modern design constructions buildings, traditional and heritage houses. The climate in summer is hot, and summer months are considered the longest season with nearly 7 months of the year. This study focuses on investigating possible mitigation strategies to ensure how pedestrian comfort is affected by the constructions design choices comparing a traditional district to a modern one, and on how vegetation and shading patterns contribute to reducing the effect of UHI and improving the outdoor thermal comfort. Four different scenarios are designed to assess the role of vegetation elements such as trees, grass, and different shading patterns. The evaluation was performed on the hottest day in summer, the mean radiant temperature, specific humidity, air temperature, and wind speed distributions have been analyzed using ENVI-met software. Thermal comfort is assessed using the thermal indices the Physiological Equivalent Temperature PET and the Predicted Mean Vote PMV. Also, a proposal model is designed to evaluate the thermal comfort on the hottest day and the typical day in summer. The results revealed an improvement on thermal comfort in the typical day in summer. The study shows how the urban factors such as the aspect ratio, vegetation cover, shadings, and geometry of the canyon are crucial elements that urban planners and municipalities have to take into account, especially for new urban developments in hot, arid climate.

De par ses caractéristiques, l’environnement urbain influe significativement sur le climat observé dans et à la périphérie des villes. Il est communément admis que le centre des villes présente fréquemment des températures d’air plus élevées que celles mesurées dans les zones rurales environnantes. Ce phénomène appelé îlot de chaleur urbain intéresse les enjeux relatifs à la santé publique, au confort urbain et à la demande énergétique. Ce travail de thèse propose de caractériser le phénomène d’îlot de chaleur à partir de l'association d'un zonage climatique et de mesures mobiles à haute résolution spatiale dans la canopée urbaine. Il repose sur une approche méthodologique en trois temps. Une classification climatique ("Local Climate Zones" (LCZ)) est tout d'abord appliquée à l'agglomération de Nancy. Ce découpage climatique du territoire sert de support à la réalisation de mesures embarquées effectuées en période estivale à l'aide d'un véhicule instrumenté. Celles-ci ont pour but d'observer in situ les spécificités climatiques des LCZ recensées dans l'agglomération. L'association d'une base de données de relevés météorologiques et de la classification LCZ permet de caractériser le comportement climatique du milieu urbain et de comparer le comportement de différentes typologies de quartiers en présence d'un îlot de chaleur urbain. Cette démarche propose également un cadre théorique pour le développement d'un modèle de diagnostic à partir d'indicateurs urbains et climatiques, avec la perspective de construction d'un outil de prise en compte de l'îlot de chaleur dans le processus de planification urbaine / Urban environment impacts significantly the climate observed within and around cities. In this context, city centers frequently present higher air temperatures than those measured in the rural areas nearby. This phenomenon called urban heat island impacts major issues such as public health, urban comfort and energy demand. This Ph.D. thesis proposes to characterize the urban heat island phenomenon based on the combination of a climatic zoning and high spatial density mobile measurements performed within the urban canopy layer. This study is divided into three steps. A climate classification ("Local Climate Zones" (LCZ)) is first applied to the conurbation of Nancy, France. This climatic zoning is used in order to perform mobile measurements thanks to an instrumented vehicle. These measurements target to observe the climatic patterns of the LCZ built in this conurbation. The combination of meteorological database and LCZ classification scheme allows to characterize the urban climate behavior and to compare the thermal behavior of different neighbourhood types. This approach provides a theoretical framework for the development of a diagnosis model based on urban and climatic indicators. It also brings outlooks regarding the building of a decision-support tool that aims to supply information about urban heat island adapted to the urban planners needs