L’urbanisation engendre, par l’imperméabilisation des surfaces et la présence de bâtiments, une modification locale du climat et, plus spécifiquement, le phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU). Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la température en ville la nuit. Lors des vagues de chaleur ce phénomène peut causer un inconfort voire une surmortalité. Dans le contexte du changement climatique et d’une dynamique démographique importante, la thèse est réalisée sur le territoire de Rennes Métropole. Au cours de cette thèse, plusieurs objectifs sont poursuivis. Dans un premier temps, l’étude porte sur l’analyse de la variabilité spatiale de l’ICU selon l’occupation du sol et des formes urbaines. Afin d’observer ce phénomène sur le territoire de Rennes Métropole, plusieurs réseaux de mesuressont mis en place. Le premier réseau concerne l’échelle de l’agglomération avec 22 stations météorologiques. Le second réseau est établi à l’échelle intra-urbaine avec l’installation de 20 capteurs de température. Enfin, le troisième réseau de mesures vise à observer la variabilité de l’ICU au sein de deux quartiers rennais et d’une petite ville, Vezin-le-Coquet. Dans un second temps, des modèles de spatialisation de l’ICU sont construits à l’échelle de l’agglomération, puis, à l’échelle intra-urbaine. Ces modèles permettent de réaliser des cartes de l’ICU pour ces deux échelles emboitées. Dans un troisième temps, l’analyse temporelle est établie par la relation entre les types de temps et l’ICU. Cette analyse permet de construire un modèle de prévision de l’ICU quotidien. A partir de ce modèle, l’ICU quotidien est projeté par les sorties régionalisées des modèles du changement climatique. Plusieurs outils d’aide à la décision sont proposés à partir des modèles développés de l’ICU. L’exposition de l’agglomération rennaise au changement climatique est évaluée à partir des cartes de l’ICU et de plusieurs indices projetés par les sorties régionalisées des modèles du changement climatique / Urban development, characterized by the presence of buildings and impervious surfaces, modify the local climate and in particular, enhance the urban heat island (UHI). This phenomenon raises temperatures in cities at night, which could cause discomfort and over-mortality during heat waves. In the context of climate change and important population dynamics, this thesis is carried out in the Rennes Metropolitan area (in Brittany). Firstly, this thesis focuses on the spatial analysis of UHI variability according to land use and urban forms. To observe UHI in the Rennes Metropolitan area, a network of multiple measurement types were implemented at various scale. 1) a network of 22 permanents weather stations located in urban/rural sites; 2) a network of 20 temperature sensors placed in intra-urban area; and 3) a network of temperature measurements in two neighborhoods of Rennes and a small town, Vezin-le-Coquet. Secondly, spatial models of UHI were designed in this thesis at both the urban agglomeration and intra-urban scale. This multi-scale approach produced UHI map for these nesting-scales. Thirdly, this thesis determined the temporal variability of UHI by looking at the interaction between weather types and UHI. This analysis produced a statistical model of daily UHI magnitude according to meteorological observations. This model combined with data from downscaled climate change scenarios provided future projections of UHI. Lastly, this study deals with tools for town planning to prevent intensive UHI. UHI maps and downscaled climate change scenarios defined the risk assessment in the Rennes Metropolitan area

Les villes jouent un rôle majeur dans le changement climatique à l'échelle globale au travers des émissions de gaz à effet de serre qu'elles génèrent. Mais elles peuvent aussi influencer le climat aux échelles locale et régionale car elles traduisent une altération des modes d'occupation des sols qui modifie les échanges thermodynamiques entre la surface et l'atmosphère. Les études d'impacts en milieu urbain se concentrent principalement sur les effets du changement climatique sur le climat local des villes (et plus largement, sur un ensemble de dimensions environnementales) selon des approches ne tenant pas compte des rétroactions potentielles. Les hautes résolutions horizontales atteintes aujourd'hui par les modèles de climat régionaux rendent légitime et pertinent d'inclure une modélisation explicite des villes dans ces modèles pour traiter les interactions ville/climat. Le couplage du modèle de climat régional ALADIN à 12 km de résolution avec la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX intégrant le modèle de canopée urbaine TEB permet d'évaluer l'impact de l'urbanisation à l'échelle régionale. L'analyse de sensibilité comparant différentes approches de modélisation des zones urbaines montre que les villes modifient significativement la température de l'air proche de la surface. Les plus grandes agglomérations françaises induisent un réchauffement le jour et la nuit, qui s'étend au-delà des limites de la ville et affecte l'environnement à l'échelle régionale. La comparaison des simulations à de longues séries d'observation sur la région parisienne révèle que la modélisation explicite des processus urbains avec TEB reproduit mieux la dynamique journalière de l'îlot de chaleur urbain et son intensité en phase nocturne que l'approche conventionnelle des modèles de climat décrivant les villes comme de la roche. L'activation de TEB dans le modèle ALADIN permet donc de mieux représenter l'impact des villes sur les climat régional. Néanmoins, les études d'impacts du changement climatique sur les villes nécessitent une descente d'échelle complémentaire. Une simulation a été réalisée avec le modèle AROME couplé à SURFEX(TEB) à 2.5 km puis 1.3 km de résolution sur l'agglomération toulousaine pour la période couvrant la campagne expérimentale CAPITOUL (2004-2005). Les bénéfices de la paramétrisation urbaine sont confirmés à ces échelles. Les tests de sensibilité réalisés sur les différentes versions de TEB mettent en lumière la forte sensibilité des performances du modèle à la qualité des simulations atmosphériques AROME et à la précision des données de surface. Pour ces résolutions et avec les bases de données actuelles, les paramétrisations les plus sophistiquées de TEB (échanges turbulents dans la canopée urbaine, énergétique du bâtiment, végétation explicite) n'apportent pas d'amélioration par rapport à la version historique voire dégradent les résultats. Il reste donc des voies d'amélioration à explorer pour la configuration AROME-Climat avec SURFEX(TEB), aussi bien sur la physique et la dynamique du modèle atmosphérique que sur la qualité des bases de données. En parallèle, différentes méthodes de descente d'échelle à très haute résolution sur les villes sont envisagées pour raffiner encore les études d'impacts. / Greenhouse gas emissions generated by cities play a major role in climate change at a global scale. But cities can also influence the climate at the local and regional scales as they reflect an alteration of land-use that modifies the thermodynamic exchanges between the surface and the atmosphere. Impact studies in urban areas focus mainly on the effects of climate change on the local climate of cities (and more broadly on a range of environmental dimensions) using approaches that do not account for the feedback with the atmosphere. The high horizontal resolutions reached by regional climate models make it relevant to include explicit modeling of cities to address city/climate interactions. Coupling the ALADIN regional climate model ALADIN (12 km horizontal resolution) with the SURFEX modeling platform integrating the model of urban canopy TEB allows to evaluate the impact of the urbanization at the regional scale. Sensitivity analyses that compare different urban canopy modeling shows that cities significantly modify the near-surface air temperature. The largest French cities induce a warming day and night, which extends beyond the limits of the city and affects the environment on a regional scale. Comparison of the simulations with long-term time series of observations on the Paris region reveals that the explicit modeling of urban processes with TEB improve the daily dynamics of the urban heat island and its nocturnal intensity compare to the conventional approach of climate models that describes cities as rock. The activation of TEB in the ALADIN model thus makes it possible to represent the impact of cities on the regional climate. Nevertheless, impact studies of climate change on cities require a further downscalling. A simulation was carried out with the AROME model coupled with SURFEX (TEB) at 2.5 km and 1.3 km resolution on the agglomeration of Toulouse for the period covering the CAPITOUL experimental campaign (2004-2005). The benefits of urban parametrization are confirmed. The tests carried out on the different versions of TEB highlight the high sensitivity of the model's performance to the quality of the AROME atmospheric simulations and the accuracy of the surface description. For these resolutions and with the current databases, the most detail parametrization of TEB (turbulent exchanges in the urban canopy, building energy budget, explicit vegetation) do not seem relevant compared to the historical version. New develompents could thus benefits to the AROME-Climat configuration with SURFEX (TEB). In particular, The physics and dynamics of the atmospheric model as well as the accuracy of the databases could be improved. At the same time, various downscalling methods at very high resolution on the cities are envisaged to enhance the spatial resolution needed by the impact studies.

L'objectif majeur de ce travail est d'étudier le climat urbain, principalement en mettant l'accent sur les tendances de la température. Il s’agit principalement de l’augmentation des températures grâce à des techniques d'observation et de modélisation. A cet effet, des données températures de 1950 à 2004 ont étudiées sur plusieurs stations de mesure au Pakistan. Les données de températures annuelles et saisonnières moyennes quotidiennes minimales (Tmin) et maximales (Tmax) de 37 observatoires météorologiques du Pakistan (17 urbain, 7 petite ville et 13 rurale) pour la période 1950-2004 ont d'abord été homogénéisées, puis analysées. Les résultats montrent qu’après les années 1980, Tmin et Tmax tendent à augmenter plus vite que la période d'avant 1980 sur les zones urbaines. Au cours de la période 1980-2004, l'augmentation annuelle de Tmin sur les stations urbaines est observée plus élevée que sur les stations des petites villes et les stations rurales. Pour comprendre l’effet de la taille de la ville, le changement du l’utilisation des sols et la hauteur du bâtiment sur l'évolution des températures minimales et maximales des zones urbaines a été étudié en utilisant le model FVM (Finite Volume Model) et des simulations ont faites pour trois jours à partir de 00:00 (GMT) le 19e jour de chaque mois et se terminant à 00:00 (GMT) le 22e jour de chaque mois. Pour chaque mois, 48 combinaisons possibles de scénarios de simulation sont exécutés (4*4*3) et au total, 576 simulations (48*12) sont exécutés pendant un an. Les résultats centre montrent que Tmin et Tmax augmente lorsque fraction urbaine u, taille de la ville r et hauteur du bâtiment h augmente. Mais on remarque que Tmax augmente plus que le Tmin quand u augmente, Tmin augmente plus que Tmax lorsque r augmente et Tmin augmente plus que Tmax lorsque h augmente. Parmi tous les facteurs urbains (fraction urbaine u, taille de la ville r et hauteur du bâtiment h), la taille de la ville est le facteur majeur qui contribue principalement à augmenter la température minimale plus que température maximale dans les zones urbaines. / The objective of this work is to study the urban climate, mainly by focusing on urban temperature trends. The specific focus is to understand the reasons of increase in minimum temperature through observational and modelling techniques. For this purpose, the temperatures data from 1950 to 2004 measured on several meteorological stations of Pakistan is studied and analyzed. Daily averaged annual and seasonal minimum (Tmin) and maximum (Tmax) temperature data of 37 meteorological observatories of Pakistan (17 urban, 7 town and 13 rural) from 1950 to 2004 is first homogenized and then analyzed. The results show that after 1980s Tmin and Tmax increase faster than the period before 1980s at urban areas. During 1980–2004, the increase in Tmin at major urban stations is observed higher than the smaller towns and rural stations. To understand, the effect of the size of the city, changing land use and the building height on the evolution of minimum and maximum temperatures in urban areas has been studied by using the FVM (Finite Volume Model) model and the simulations are run for three days starting at 00:00 (GMT) on 19th day of each month and ending at 00:00 (GMT) on 22nd day of each month. For each month, 48 possible combinations of simulation scenarios are run (4*4*3) and in total, 576 simulations (48*12) are run for a year. The main results show that Tmin and Tmax increase when urban fraction u, city size r and building height h increase. But it is noticed that Tmax increases more than the Tmin when u increases, Tmin increases more than the Tmax when r increases and Tmin increases more than the Tmax when h increases. Among all urban factors (urban fraction u, city size r and building’s height h), city size is the major factor that mainly contributes to increase the minimum temperature more than the maximum temperature in urban areas.

Cette thèse explore le potentiel des dispositifs de l’aménagement architectural et urbain à très petite échelle afin d’améliorer le confort piétonnier dans un contexte d’inconfort thermique estival. Partant du postulat que le plaisir et la capacité d’adaptation thermique du piéton reposent sur l’expérience d’états climatiques non uniformes et transitoires, on cherche à identifier les événements climatiques court-terme qui représentent des« invites » de rafraîchissement. Pour caractériser les invites des événements climatiques du piéton, on définit d’abord une échelle « pico » et ses descripteurs.La thèse présente trois corpus d’étude d’expériences climatiques proposées dans des contextes et périodes différentes. Au sein du premier corpus, on présente et discute les expériences climatiques proposées dans les travaux théoriques et expérimentations réalisés dans la période des années 1950-70 par les auteurs de l’avant garde artistique et architecturale. Dans le deuxième corpus, on s’intéresse aux installations artistiques et architecturales contemporaines dédiées aux variations climatiques, apparues dans les deux dernières décennies,in vitro ou dans l’espace urbain. Le troisième corpus est une recherche d’identification plus précise des adaptations comportementales manifestées par les habitants lors de leur rencontre avec les dispositifs climatiques de rafraîchissement dans un contexte urbain.La ville de Madrid en période estivale est ici considérée comme laboratoire donnant à voir les usages et les stratégies réalisés par les habitants en vue de se rafraîchir. L’expression corporelle est considérée comme un indice d’appréciation et du ressenti thermique et comme premier instrument du contrôle de son propre état de confort.On discute les potentiels de l’échelle « pico » pour la conception des dispositifs de rafraîchissement et la mesure dans laquelle l’accessibilité des indices sur la présence et le fonctionnement d’une « invite » peut être mise en relation avec les modèles d'adaptations comportementales particulières. / This thesis investigates the potential of architectural and urban design schemes on a very small scale so as to improve pedestrian comfort during excessive summertime heat conditions. Starting from the premise that pedestrian’s pleasure and ability to thermally adapt are based upon experience of transient and non-uniform climate states, attempts are being made to identify short-term climate events named cold inducing"affordances". In order to enhance affordances of climate events related to the pedestrian, firstly a scale denominated "pico" and its descriptors are defined.The thesis outlines three study corpuses of climatic experiences that have been proposed in different periods of time and various contexts. The first corpus introduces and discusses climatic experiences that have been proposed in theoretical studies and experiments realized between 1950 and 1970 by the authors from the artistic and architectural avant-garde. The second corpus is focused on contemporary artistic and architectural installations dedicated to climatic variations, which showed up during the last two decades, in vitro or in urban space. The aim of the third corpus is to identify more precisely behavioral adaptations expressed by inhabitants during their encounter with selected cooling climate features in an urban context. The city of Madrid during summertime is considered as a laboratory, revealing uses and strategies of inhabitants in order to cool down. Behavioral expression is regarded as an index parameter revealing appreciation and thermal feel and as a prime instrument of control of one’s own comfort state.The potentials of the "pico" scale are discussed inregard to cold inducing design schemes along with the extent to which the accessibility of information related to existence and usability of an "affordance" can be related to specific behavioral adaptations.

La végétation influence le climat urbain de l'échelle de la rue à l'échelle de la ville. Les arbres de rue, en particulier, constituent une technique alternative à l'atténuation de l'îlot de chaleur urbain et à l'amélioration du confort thermique. Ils modifient les bilans radiatif et énergétique en interceptant et absorbant une partie du rayonnement solaire incident, créent de l'ombre, augmentent l'humidité relative de l'air par évapotranspiration et modifient également les écoulements d'air dans le canyon urbain. Le modèle TEB est un des rares modèles de climat urbain prenant en compte la végétation. Il intègre des paramétrisations dédiées à la végétation basse dans les canyons urbains et aux toitures végétalisées, et peut représenter les interactions de petite échelle entre les surfaces minéralisées, la végétation et l'atmosphère. Dans le cadre de cette thèse, une paramétrisation a été implémentée dans TEB pour modéliser les aspects radiatifs, énergétiques et aérauliques liés à la présence d'arbres de rue dans l'espace urbain. Une canopée arborée explicite a été intégrée dans le canyon urbain au-dessus de la chaussée et des jardins. Le modèle ISBA est utilisé pour représenter les strates haute et basse de la végétation. Les calculs radiatifs du modèle TEB ont été modifiés afin de prendre en compte les effets d'ombrage et d'atténuation du rayonnement solaire et IR liés à la présence de cette canopée, et les interactions IR entre l'ensemble des éléments urbains du canyon. Une évaluation du bilan radiatif a été réalisée grâce à une comparaison avec le modèle architectural d'ensoleillement à haute résolution SOLENE, sur la base de simulations de canyons urbains idéalisés et pour différentes configurations d'arbres de rue. Les flux d'énergie calculés par ISBA selon l'approche \textit{big leaf} ont ensuite été désagrégés entre les contributions de la végétation haute et basse. Les flux des arbres ont été redistribués sur la verticale de façon à modifier le microclimat à hauteur réaliste vis-à-vis de la position de la canopée arborée. Un effet de traînée lié à la présence de la canopée arborée a été intégré dans les équations de quantité de mouvement et d'énergie cinétique turbulente résolues par la paramétrisation de couche limite de surface de TEB pour le volume d'air au sein du canyon. Une évaluation en cas réel de cette nouvelle version du modèle a été conduite sur un site expérimental, à savoir une cour semi-fermée aménagée avec des arbres et où ont été collectées différentes variables microclimatiques. Les résultats montrent des améliorations considérables quant à la modélisation des températures de surface des murs et du sol, de la température de l'air sous la canopée arborée, et de la vitesse du vent. Ces implémentations visent à simuler de façon plus réaliste différentes stratégies d'adaptation par la végétalisation et d'évaluer leurs performances sur l'atténuation de l'îlot de chaleur urbain, le confort thermique, et la consommation d'énergie des bâtiments. / Vegetation influences the urban climate, from road to city scale. Street trees implementation is an alternative technic to reduce the urban heat island and to improve the thermal comfort. They modify the radiative and energetic balances by intercepting and absorbing a part of the solar radiation, provide shade, increase the humidity with evapotranspiration, and alter the air flow in the urban canyons. The TEB model is one the rare urban climate models taking into account vegetation. It integrates parameterizations dedicated to low vegetation and green roofs. It can represent the small-scale interactions between mineral surfaces, vegetation and the atmosphere. During this PhD thesis, a parameterization has been developed to model the radiative, energetic and dynamical effects of street and garden trees in urban spaces. An explicit tree canopy has been integrated into the urban canyon, above gardens but also streets. The ISBA vegetation scheme has been used, and included in TEB, to represent these vegetated entities (both low and high strata). The radiative computations of the TEB model have been improved in order to represent the shading and attenuation of radiation due to trees, as well as all the infra-red interactions between the urban elements. An evaluation of the radiative budget has been done thanks to a comparison with the high- resolution architectural model SOLENE, using numerous different urban canyons with several layouts of tree canopies. Then, the energy fluxes computed by ISBA have been dis- aggregated between contributions from high and low vegetation. Fluxes allocated to the trees have been redistributed on the vertical in order to alter the microclimate at realistic height, i.e. respecting the position of the tree crown. A specific drag force of trees on the airflow is simulated. An evaluation has been done on a real experimental site in a canyon-like courtyard with trees where several microclimatic data were collected. The results show an impressive improvement of the surface temperatures of walls and ground, air temperature and wind speed. In the future, these implementations will allow to simulate more realistically several adaptation strategies using greening at city scale, and to evaluate their efficiency in terms of urban heat island mitigation, improvement of human comfort and building energy consumption.

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Atualmente, no Brasil, há avanços em relação aos trabalhos realizados em cidades de pequeno e médio porte, sendo fundamentais para planificação e o ordenamento territorial. Considerando-se a carência de estudos sobre a qualidade do ambiente urbano, sobretudo, em cidades de pequeno e médio porte em zonas costeiras no Brasil, e a necessidade de se realizar pesquisas que se referem à qualidade ambiental necessária para o desenvolvimento da vida humana, foi proposto o estudo do clima urbano em Ubatuba-SP. Este trabalho buscou compreender até que ponto a dimensão de uma cidade pode gerar um clima urbano específico e, também, quais seriam as formas de espacialização das ilhas de calor em uma cidade localizada na zona costeira. O objetivo principal deste estudo foi compreender e analisar o clima urbano de Ubatuba-SP, buscando identificar os níveis de interferência humana no ambiente, caracterizar as temperaturas de acordo com os sistemas atmosféricos atuantes e sua distribuição no espaço geográfico, levando em consideração os diferentes padrões construtivos e as características do relevo. A pesquisa teve como aporte teórico o Sistema Clima Urbano com ênfase no subsistema termodinâmico. Buscou-se trabalhar as relações entre os atributos geoecológicos do sítio, a morfologia e as funções urbanas. Os procedimentos metodológicos realizados se basearam na coleta de dados por medidas móveis, por pontos fixos e imagens de satélites. Os transectos móveis para a coleta de dados de temperatura foram realizados nos períodos da manhã (9h), tarde (15h) e noite (21h), em três episódios, durante os dias 11, 18 e 27 de novembro de 2015, totalizando nove medidas simultâneas em dois trajetos S-N e O-L. Foram instalados 15 miniabrigos meteorológicos (pontos fixos) distribuídos pela malha urbana para a coleta dos dados de temperatura e umidade relativa do ar no mês de novembro de 2015, neste caso, também foram utilizados os dados das estações meteorológicas automáticas do Instituto Agronômico de Campinas (IAC) e do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IOUSP), totalizando 17 pontos de registro. Os dados das estações meteorológicas também foram utilizados para realizar a caracterização da direção e velocidade predominante dos ventos e na identificação das brisas marítimas e terrestres. Também foram utilizadas técnicas de sensoriamento remoto com o objetivo de realizar a modelagem da ilha de calor urbana, considerando as características de uso e a ocupação da terra. Os resultados apontaram diferenças de até 5,4ºC nas medidas móveis e diferenças de até 6ºC nas medidas fixas. A modelagem foi capaz de explicar cerca de 50% da variabilidade das temperaturas com a formação de ilha de calor bem definida na área central da cidade, apresentando intensidade de 5°C em relação ao entorno rural. O sistema de brisas contribuíram, em alguns casos, para o deslocamento da temperatura, sendo mais eficiente durante o dia sob efeitos das brisas marítimas com o deslocamento do calor da área central para o interior do continente e menos frequente durante a noite sob atuação da brisa terrestre. De modo geral as áreas mais quentes da cidade com a geração de ilhas de calor se apresentaram como resultados dos processos de ocupação desigual do espaço, sendo as áreas densamente construídas, com baixo padrão construtivo e baixa vegetação arbórea, e sobretudo, localizadas fora das áreas de interesse turístico, de valorização cênica e forte especulação imobiliária dos espaços residenciais fechados nas orlas das praias. / Les études sur le climat urbain effectuées jusqu'à présent ont donné une plus grande importance aux grandes villes, supposément en raison d’une plus grande attention accordée à la qualité de vie de ses habitants et par l'aggravation des problèmes environnementaux. Actuellement, au Brésil, des avancées ont permis d’améliorer les connaissances au cours d’études menées sur les petites et moyennes villes, fondamentales pour la planification de l’aménagement du territoire. Compte tenu de l'absence d'études sur la qualité de l'environnement urbain, en particulier dans les petites et moyennes villes des zones côtières du Brésil, le cas du climat urbain de la ville d'Ubatuba-SP a été étudié en profondeur afin de répondre à cette nécessité. Le but de ce travail est de chercher à comprendre dans quelle mesure la dimension d'une ville peut générer un climat urbain spécifique, et aussi, quelles seraient les formes de spatialisation de l’îlot de chaleur dans une ville située en zone côtière. L'objectif principal de cette étude était de comprendre et d'analyser le climat urbain de la ville d'Ubatuba-SP, pour tenter d’identifier les niveaux d'interférences humaines avec l'environnement, de caractériser les températures selon les systèmes atmosphériques et leur distribution dans l'espace géographique, tout cela tenant compte desdifférents standards établis en matière de construction et des carctéristiques du relief. Cette recherche est nourrie par l’apport théorique le Système Climat Urbain dont notamment le sous-système thermodynamique. On a cherché à travailler les relations entre les attributs géoécologiques du site, la morphologie et les fonctions urbaines. Les procédures méthodologiques réalisées se basent sur la collecte de données par mesures mobiles, par mesures fixes et par images de satellites. Les transects mobiles pour la collecte des données de température ont été effectués le matin (9h), l'après-midi (15h) et la nuit (21h), en trois épisodes, lors des 11, 18 et 27 novembre 2015, totalisant neuf mesures simultanées sur deux axes S-N et O-E. Quinze points de mesures fixes ont été répartis en divers secteurs de la ville pour procéder à la collecte des donneés, à savoir sur la température et l'humidité relative au mois de novembre 2015. Les données des stations météorologiques automatiques de l'Institut Agronomique de Campinas (IAC) et de l'Institut Océanographique de l'Université de São Paulo (IOUSP), totalisant 17 points d'enregistrement, ont aussi été exploitées. Les données des stations météorologiques ont également été utilisées pour caractériser la direction et la vitesse prédominante des vents ainsi que pour l’identification des brises maritimes et terrestres. La modélisation de l’îlot de chaleur urbain, qui considère les caractéristiques d'occupation et d'usage du sol, a nécessité l’emploi de techniques de télédétection. Les résultats ont montré des différences de 5,4°C dans les mesures mobiles et des différences de 6ºC dans les mesures fixes. Le modéle a permis d'expliquer environ 50% de la variabilité des températures avec la formation d'un îlot de chaleur bien défini dans la zone centrale de la ville, présentant une température supérieure de 5°C par rapport au milieu rural. Le système de brise a contribué, dans certains cas, au brassage de la température, à effacer pendant la journée sous les effets des brises de mer avec le déplacement de chaleur de la zone centrale vers l'intérieur du continent mais moins fréquent pendant la nuit sous l’effet de la brise terrestre. En général, les zones plus chaudes de la ville, où est généré l’îlot de chaleur ont seraient le résultats de processus d'occupation inégale de l'espace. Ces zones correspondent aux secteurs densément construits, avec des standards établis en matière de construction, un faible taux de végétation arborée et particulièrement en dehors des zones d'intérêt touristique, de l'évaluation scénique et de la forte spéculation immobilière des espaces résidentiels fermés dans les rives des plages. / The studies on urban climate carried out so far have given greater importance to large cities, presumably because the greater quality of life of its inhabitants and the aggravation of environmental problems. Currently, in Brazil, there are advances related to works carried out in small and medium-sized cities, being fundamental territorial planning. Considering the lack of studies on the quality of the urban environment, especially in small and medium-sized cities in coastal areas in Brazil, and the need to carry out research that refers to the environmental quality necessary for the development of human life it was proposed the study of the urban climate of the city of Ubatuba-SP. This study aimed to understand how the extent size of a city can generate a specific urban climate and, even, which would be the forms of spatialization of the heat islands in a city located in the coastal zone. The main objective of this study was to understand and analyze the urban climate of the city of Ubatuba, looking for to identify the levels of human interference in the environment, to characterize the temperatures according to the atmospheric systems and their distribution in the geographic space, taking into account the different constructive patterns and the characteristics of the relief. The research had as theoretical contribution the Urban Climate System with emphasis in the thermodynamic subsystem. It was aimed to work the relations between the geoecological attributes of the site, the morphology and the urban functions. The methodological procedures were based on the collection of data by mobile measurements, by fixed points and satellite images. The mobile transects for the collection of temperature data were performed in the morning (9 A.M.), afternoon (3 P.M.) and night (9 P.M.), in three episodes, during November 11th, 18th and 27th of the year of 2015, totaling nine simultaneous measurements on two routs S-N and W-E. Fifteen fixed measurement points were installed in the urban network of the city to collect data on temperature and relative humidity in the month of November 2015, in this case, were also used data from automatic weather stations of the Agronomic Institute of Campinas (IAC) and the Oceanographic Institute of the University of São Paulo (IOUSP), totaling 17 registration points. The data of the meteorological stations were also used to characterize the direction and the predominant velocity of the winds and in the identification of the maritime and terrestrial breezes. Were also used remote sensing techniques in order to carry out the modeling of the urban heat island, considering the use and occupation of land characteristics. The results showed differences of up to 5,4ºC in mobile measurements and differences of up to 6°C in fixed measures. The modeling was able to explain about 50% of the temperature variability with the formation of a well defined heat island in the central area of the city, presenting intensity of 5°C in relation to the rural environment. The system of breezes contributed, in some cases, to the displacement of the temperature, being more efficient during the day under effects of the sea breezes with the displacement of the heat of the central area to the interior of the continent and less frequent during the night under the action of the terrestrial breeze. In general, the hottest areas of the city with the generation of heat islands were presented as results of the processes of uneven occupation of space, being the areas densely constructed, with low constructive pattern and low tree vegetation, and mainly, localized outside the areas of tourist interest, of scenic valuation and strong real estate speculation of the residential spaces closed in the borders of the beaches. / FAPESP: 2015/04784-1 / FAPESP: 2016/06880-0

Ce travail a consisté à développer un modèle de canopée (CIM), qui pourrait servir d’interface entre des modèles méso-échelles de calcul du climat urbain et des modèles micro-échelles de besoin énergétique du bâtiment. Le développement est présenté en conditions atmosphériques variées, avec et sans obstacles, en s’appuyant sur les théories précédemment proposées. Il a été, par exemple, montré que, pour être en cohérence avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov, un terme correctif devait être rajouté au terme de flottabilité de la T.K.E. CIM a aussi été couplé au modèle méso-échelle WRF. Une méthodologie a été proposée pour profiter de leurs avantages respectifs (un plus résolu, l’autre intégrant des termes de transports horizontaux) et pour assurer la cohérence de leurs résultats. Ces derniers ont montré que ce système, en plus d’être plus précis que le modèle WRF à la même résolution, permettait, par l’intermédiaire de CIM, de fournir des profils plus résolus près de la surface. / This study consisted in the development of a canopy model (CIM), which could be use as an interface between meso-scale models used to simulate urban climate and micro-scale models used to evaluate building energy use. The development is based on previously proposed theories and is presented in different atmospheric conditions, with and without obstable. It has been shown, for example, that to be in coherence with the Monin-Obukhov Similarity Theory, that a correction term has to be added to the buoyancy term of the T.K.E. CIM has also been coupled with the meteorological meso-scale model WRF. A methodology was proposed to take advantage of both models (one being more resolved, the other one integrating horizontal transport terms) and to ensure a coherence of the results. Besides being more precise than the WRF model at the same resolution, this system allows, through CIM, to provide high resolved vertical profiles near the surface.

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.

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant. / Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties.

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