Le confort thermique des habitants d'une ville est principalement affecté par l'îlot de chaleur urbain. Ce phénomène se traduit par des températures plus chaudes en ville que dans sa périphérique, principalement la nuit. Il est causé par les relâchements de chaleur stockée dans les bâtiments et la route le jour mais aussi par des sources anthropiques comme le chauffage ou le trafic routier. L'îlot de chaleur urbain peut atteindre jusqu'à 10°C la nuit pour les plus grandes mégapoles. Mais au cœur d'un quartier, la variabilité de la température, en fonction des ombrages ou de la présence d'eau et de parcs peut aussi atteindre quelques degrés. Elle peut donc être de la même amplitude que l'îlot de chaleur urbain. L'objectif de cette thèse est d'étudier la variabilité de la température à l'échelle de la ville et à l'échelle de la rue. Le but est de mettre en place une chaîne de modélisation de la température à l'échelle de rue à partir de données de stations météorologiques opérationnelles en périphérie d'une ville. Cette chaîne de modélisation doit être rapide et faire appel à des données accessibles au plus grand nombre afin de pouvoir simuler des scénarios d'aménagement urbains sur le long terme en dehors des laboratoires de recherche. La première partie de la chaîne de modélisation s'appuie sur un modèle numérique physique, le générateur de climat urbain spatialisé, permettant de calculer l'îlot de chaleur à l'échelle du quartier à partir de données se situant en dehors d'une ville et d'un modèle de surface de ville comme le modèle TEB. La deuxième partie permet de modéliser statistiquement la variabilité de température à l'échelle de la rue à partir des conditions météorologiques simulées par le générateur au sein d'un quartier et d'une cartographie précise du tissu urbain du quartier considéré. Cette modélisation statistique s'appuie sur des campagnes de mesures effectuées en 2013 et 2014 dans des quartiers des villes de Marseille, Paris et Toulouse. / The thermal comfort of the inhabitants of a city is mainly affected by the urban heat island (difference in air temperature between urban and surrounding area. This effect is caused by anthropogenic sources, low vegetated areas and heat stored in buildings and roads during the night. The urban heat island can reach 10°C at night for the biggest cities. But inside a neighborhood, the temperature variability can reach a few degrees with the effect of the shadow of the trees or the presence of lake or parks. This variability may have the same magnitude than the urban heat island. The objective of this thesis is to study the temperature variability at the city-scale and at the street-scale. The aim of this PhD work is to develop a modeling chain of the temperature at the street-scale from data from operational weather stations located in airports.The modeling chain has to be fast in order to simulate long term urban planning scenarios and have a low computational cost in order to be run outside of atmospheric sciences laboratories. The first step of the modeling chain is the spatialized urban weather generator, a numerical physical scheme which calculated the urban heat island at the neighborhood scale from data of an operational weather station located outside of the city and with sur urban surface model TEB. The second part is a statistical model of temperature variability at the street scale calculated with meteorological data coming from the generator and a mapping of the urban tissue. The statistical model relies on field campaigns achieved in 2013 and 2014 in the neighborhoods of Marseille, Paris and Toulouse.

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.

Le GIEC (groupe d’expert Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) dans leur 4 ème rapport souligne que les villes européennes seront impactées par des épisodes caniculaires plus fréquents et plus intenses dû aux modifications climatiques ayant lieu au cours du XXI ème siècle. La ville, espace climatique particulier, sensiblement plus chaud que son espace environnant amplifie le phénomène de l’îlot de chaleur urbain (ICU). Pour la ville de Paris, les îlots de chaleur urbains peuvent dépasser de 8 à 10°C les températures relevées quelques kilomètres plus loin. Cet effet est d’autant plus néfaste lors de période caniculaire comme a connu la France en 2003, 2006, 2010 ou bien même en 2015. La connaissance sur le phénomène de la canicule nécessite de mettre en relation des données autant spatiales que temporelles afin de définir des zones à risques .Pour pouvoir simuler une canicule, le modèle SURFEX-TEB, conçu par Météo-France, CNRS, a été choisi. Il permet d’estimer la température en ville à partir de conditions climatiques des plus hautes atmosphères. Ces prévisions sont importantes notamment en période de canicule où les écarts de température entre la ville et sa banlieue peuvent dépasser 8C°. Le risque caniculaire, induit par les ICU, est complexe à appréhender et à représenter.Pour caractériser, appréhender et représenter la canicule, avec l’aide du modèle SURFEX-TEB, nous avons effectué une assimilation avec des mesures réalisées pendant la canicule de 2015 sur Paris. Cette assimilation met en évidence par exemple les phénomènes d’accumulation et l’impact des configurations des appartements sur les températures intérieures et extérieures. Nos différentes configurations ont permis de confirmer l’importance de considérer les températures intérieures lors de périodes caniculaires.Ce travail de recherche propose donc un éclairage spécifique et technique de la représentation des canicules. Son objectif est une meilleure représentation des canicules et l’estimation de leur dangerosité en fonction de la durée du phénomène, de son intensité et des caractéristiques urbaines et humaines. Des cartes décrivant la canicule et sa dangerosité sont mises en valeur grâce à l’élaboration d’un site web grand public.Les résultats de cette recherche soulèvent une interrogation sur les seuils de canicule. Ils soulignent l’importance d’introduire un seuil de canicule intérieur et démontrent le rôle de la configuration urbaine et en particulier des types d’habitation pour mieux prendre en compte la dangerosité des canicules et espérer mieux atténuer leurs effets / The IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) in its 4th report underlines that the European cities will be impacted by more frequent and more intense scorching episodes due to the climatic modifications taking place during the XXIth century. Peculiar climatic areas, significantly hotter than their surroundings, cities amplify the phenomenon of the urban heat island (UHI). In the example of Paris, the urban islands of heat can exceed by 8°C to 10°C the temperatures measured a few kilometers away. This effect is all the more fatal as heat wave periods become more and more regular (2003, 2006, 2010, 2015). The knowledge on the heat wave phenomenon requires to put in relation spatial and temporal data so as to define high-risk areas.To be able to simulate a heat wave, the SURFEX-TEB model, designed by Météo-France, and CNRS, was chosen. It allows to estimate the temperature in town from weather conditions of the highest atmospheres. These forecasts are particularly important in heat wave periods where temperature differences between cities and suburban areas can exceed 8°C. The heat wave risk, resulting from the UHI, is complex to both understand and represent.To characterize, understand and represent the heat wave by the means of the SURFEX-TEB model, we made a data fusion with measures realized during the 2015 heat wave in Paris. This assimilation highlights, for instance, the accumulation phenomena and the impact of the apartments configuration on the inside and outside temperatures. Our various configurations allowed to confirm the importance of taking into account the internal temperatures during heat waves periods.This research thus proposes a specific and technical perspective of the heat waves representation. Its objectives are a better representation of heat waves and a sharper estimation of their dangerousness according to the phenomenon duration, its intensity and the urban and human features. Maps describing the heat wave and its dangerousness are highlighted thanks to the elaboration of a public Web site.The results of this research rise an interrogation on the thresholds of heat wave. They underline the importance to introduce an internal threshold of heat wave and demonstrate the role of the urban configuration, particularly the types of house. This should contribute to better take into account the dangerousness of heat waves and to improve the mitigation of their effects

En 2003 des mesures au spectromètre IR à Transformée de Fourier (FTIR) ont permis d'identifier et de mesurer les COV émis par la décharge à ciel ouvert de la Gabarre, principale de l'île Guadeloupe, située entre une zone urbaine et une mangrove. Ces COV ont été retrouvés (2004) la nuit dans les cités, justifiant les plaintes des riverains. Dans le cadre de cette thèse, des mesures au spectromètre de masse portatif MS 200 ont validé ces résultats du FTIR. De nouvelles mesures au MS 200 ont été menées dans toute la zone de la décharge. Les cités concernées étant à l'opposé du flux synoptique d'Alizés-Est, les facteurs météorologiques permettant la dispersion et le transport des COV de la décharge vers la zone urbaine ont été recherchés. La diminution nocturne de l'intensité des Alizés au dessus de l'ile peut laisser place à des phénomènes locaux tels les brises. L'idée d'une brise terre-mer a été éliminée. Un maillage autou~ de la décharge (cités et mangrove) avec 8 thermomètres a révélé un îlot de chaleur urbain nocturnegénérant une brise thermique d'environ Ims- I (mesurée et calculée). Avec les radiosondages Météo France et un SODAR installé dans la décharge, une très forte stabilité dans les basses couches atmosphériques de la couche limite nocturne avec une inversion de surface d'environ 120mvv apparait. Ces facteurs expliquent la pollution des cités par les COV de la décharge, Un modèlevGaussien en tenant compte a été validé par les mesures de COV.vCette étude peut être étendue à d'autres décharges à ciel ouvert et à d'autres types de traitement de polluants de décharge. / In 2003, the VOC emissions coming from "La Gabarre", the main open landfill in Guadeloupe, located in-between an urban area and a mangrove, were identified and quantified with a portable FTIR spectrometer. In 2004, COVs found at nighttime in the urban area nearby confirmed why residents complain about. As part of this thesis, portable mass spectrometer MS 200 measurements validated these FTIR figures. New systematic SM measurements have been carried on around the landfill. Since the polluted urban area stands on the opposite way of the East Trade winds synoptic flux, aIl the weather factors likely to scatter and transport the dump COVs were scrutinized. At night, the strength of the Trade winds decreases over Guadeloupe, which may give way to local phenomena such as breezes. The occurrence of land/sea breeze was eliminated. A close surveying surrounding the landfill with 8 thermometers both in the projects and in the mangrove revealed an urban heat island causing thermal breezes of about lms-l (measured and calculated). Using soundings from Meteo France, and a SODAR inside the dump, we found a great stability of the night boundary layer with a surface inversion near 120m. Pollution of the nearby urban area with landfill COVs is elucidatcd by the above factors. A transport Gaussian model is in agreement with COV measurements. This study can be extended to different open landfills and different types of polluting matters processes in dumps

Le phénomène d’ilot de chaleur urbain « ICU » souvent observé dans les villes à forte densité urbaine, provoque des impacts négatifs surtout sur le confort thermique extérieur et sur la consommation énergétique des bâtiments. D’où l’importance d’intégrer des dispositifs d’atténuation de ce phénomène dans la conception des projets et des espaces urbains. Cette thèse vise à étudier les effets des différentes stratégies de limitation d’ICU sur les paramètres microclimatiques sous climat méditerranéen. Le cas étudié est un quartier compact de la ville libanaise Beyrouth qui est classifié comme un territoire artificialisé. Jusqu’à présent, peu de recherches microclimatiques ont été réalisées pour le cas Libanais et il y absence des codes et des mesures d’adaptation luttant contre l’ICU. Des simulations numériques sont réalisées à l’aide d’un outil microclimatique « ENVI-met », permettant d’identifier le potentiel rafraichissant de chaque stratégie proposée. Ces stratégies sont basées sur l’augmentation de l’albédo des revêtements du sol et de l’enveloppe des bâtiments, l’augmentation des espaces verts et des surfaces végétalisées, ainsi que sur la mise en place des sources d’eau comme les fontaines et les brumisateurs. Les charges de climatisation relatives à chaque mesure d’atténuation ont été évaluées à l’aide du couplage des données extraites avec ENVI-met avec le logiciel Hourly Analysis Program. Le travail de cette thèse a présenté la capacité des scenarios proposés à modifier les charges de climatisation sensibles ainsi que celles latentes. Le confort du piéton est aussi étudié en analysant l’indice de confort PET. / The urban heat island "UHI" phenomenon, frequently detected in cities with high urban density, leads to negative impacts especially on outdoor thermal comfort and buildings energy consumption. Accordingly, it is important to integrate mitigation measures into the design of projects and urban spaces. This thesis aims to study the effects of different UHI limitation strategies on microclimatic parameters in Mediterranean climate. The case of study is a com pact district of the Lebanese city Beirut which is classified as an artificial territory. Little microclimatic researches have been done for the Lebanese case and there is a lack of codes and adaptation measures to mitigate the effect of UHI. Numerical simulations are realized using "ENVI-met" software, to identify the cooling potential of each proposed strategy. These strategies are based on increasing the albedo of urban surfaces and buildings facades and roofs, increasing green spaces and vegetation surfaces, as well as the implementation of water sources such as fountains and water sprays. The cooling loads for each mitigation strategy were evaluated by linking ENVI-met results to the “Hourly Analysis Program” software. This thesis presented the capacity of the proposed scenarios to modify the sensible and latent cooling loads. The pedestrian comfort is also studied by analyzing the index of comfort PET.

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.