Climat urbain

Bases

A quoi est dû le climat urbain ?

Le climat urbain est le résultat des interactions entre des facteurs naturels et anthropiques (=causés par les humains). La pollution de l'air, les matériaux de surface de la ville, l'émission de chaleur ajoutés à des causes naturelles créent des différences climatiques entre les villes et les zones rurales.

Le climat d'une ville donnée dépend de causes naturelles, à une grande échelle (par exemple la latitude) et à une plus petite échelle (par exemple le relief, la présence d'eau). Quand une ville se développe, de nouveaux paramètres s'ajoutent à ces caractéristiques naturelles pour modifier le climat local et contribuer à la formation de climats urbains différents.

Note: les couleurs utilisées dans le texte correspondent aux couleurs de la figure ci-dessous !

1. Paramètres qui font le climat urbain 
Auteur: Sebastian Wypych

Dans les centre-villes, la grande majorité du sol est recouverte de bâtiments, de rues, etc... qui sont construits en matériaux imperméables (ciment, asphalte...). La couverture du sol naturelle peut être présente dans des parcs ou des jardins, mais ne représente souvent qu'une petite partie de la ville. La surface urbaine est complexe et consiste en une mosaïque de matériaux différents. Chaque matériau a un albédo¹ différent qui modifie la fraction d'énergie solaire réfléchie ou absorbée par la surface. Une ville dans son ensemble a souvent un albédo très bas, de l'ordre de 10 à 15% (en comparaison, l'albédo de la neige fraîche est supérieur à 80%), ce qui signifie qu'une grande partie de l'énergie solaire est absorbée par la ville. De plus, les matériaux dont sont faites les villes sont caractérisés par une capacité et une conductivité thermiques élevées.   

¹: l'albédo est la fraction d'énergie solaire réfléchie par une surface

Une surface réchauffée émet des rayons infrarouges. Les villes, caractérisées par leur geométrie en trois dimensions ont tendance à capturer ce rayonnement. L'énergie est conservée dans la ville pendant la journée et lentement réémise pendant la nuit. Ainsi, le refroidissement nocturne est plus lent dans les villes que dans les zones rurales.  

Un autre paramètre important qui lui aussi modifie le climat dans les villes est la pollution de l'air. En changeant la composition de l'atmosphère, la pollution fait diminuer la quantité d'énergie solaire qui arrive jusqu'au sol. En d'autres mots, les polluants atmosphériques gardent une partie de la lumière solaire et rendent l'air moins transparent. En général le centre-ville est plus pollué que la banlieue, mais cela dépend malgré tout de l'emplacement des industries et des rues qui ont un trafic routier important. C'est dans les heures où le trafic est le plus dense que les concentrations de la plupart des polluants dans l'air sont maximales, et c'est aussi en hiver qu'on les retrouve. En effet en hiver le chauffage domestique est une source de pollution non négligeable, auquel s'ajoute le fait que l'atmosphère est plus stable et que les polluants se mélangent moins bien quand il fait froid. Cependant, l'ozone et le smog photochimique se forment en été lorsque les températures sont élevées (vous pouvez lire aussi la partie "pollution de l'air: les effets néfastes").

4. Evolution journalière de la pollution de l'air un jour d'été typique à Cracovie (Pologne, 22 août 2003). 
  
En été les transports sont la première source de pollution atmosphérique. Le matin, le trafic intense est source de pollution par les oxydes d'azote et le monoxyde de carbone (Fig. a et b). Vers midi et dans l'après-midi, la température augmente et le vent est faible (Fig. c), les réactions chimiques due aux rayonnement solaire entraînent une diminution des oxydes d'azote qui réagissent pour donner de l'ozone (Fig. a).
Ces mesures ont été réalisées dans une mince zone arborée située entre deux rues au trafic intense (Krasinskiego Avenue). Les polluants ont été mesurés à 4 mètres au dessus du sol, la vitesse du vent à 10 mètres au dessus des toits, et la température à 6m en dessous des toits.
Auteurs: Anita Bokwa, Sebastian Wypych
Source des données : Voivodship Inspectorate of Environmental Protection in Cracow

5. Evolution journalière de la pollution de l'air typique en hiver à Cracovie, Pologne (26-27 décembre 2002)

En hiver, la pollution de l'air résulte principalement de la production d'énergie nécessaire au chauffage des bâtiments. La température descend en dessous de zéro (Fig. c) et la production de chaleur amène à de fortes concentrations de particules (appelées PM10, car ce sont des particules de diamètre de 10 micromètres ou moins), de monoxyde de carbone et de dioxyde de soufre (Fig. a et b). La vitesse du vent est faible et la température de l'air négative (situation idéale pour conduire à une inversion de température, c'est à dire que la température de l'air croît avec l'altitude, ce qui n'est habituellement pas le cas) ( voir figure c). La pollution reste donc près du sol et n'est pas emmenée loin de la ville où elle reste élevée. 
Les mesures de polluants ont été réalisées au milieu du parc central de la ville (Main Market Square), à 12 m au dessus du sol. La vitesse du vent est mesurée à 10 mètres au dessus des toits, la température de l'air à 6 mètres au dessous des toits.
Auteurs: Anita Bokwa, Sebstian Wypych
Source des données: Voivodship Inspectorate of Environmental Protection in Cracow

Un autre facteur qui modifie le climat des villes est la chaleur anthropique. C'est la chaleur émise du fait du chauffage en hiver (ou de la climatisation en été) ou d'autres activités (combustion des énergies fossiles, production industrielle et transport). Cette quantité de chaleur anthropique dépend de l'énergie utilisée par les individus, de la densité de population, de la quantité d'industries et de l'emplacment de la ville.

Dans une ville, l'évaporation est aussi beaucoup réduite car les surfaces artificielles n'aborbent pas l'eau comme le font les surfaces naturelles. Ainsi lorsqu'il pleut, l'eau est rapidement emmenée vers les réseaux de récupération et la surface de la ville sèche rapidement. La chaleur qui sert habituellement à l'évaporation est conservée et réchauffe l'atmosphère. Cependant dans de nombreuses villes, ou portions de villes, on peut voir des quantités non négligeables de végétation.

L'impact des paramètres humains par rapport aux paramètres naturels dépend de la taille et de la structure spatiale de la ville, du nombre d'habitants, et de la concentration des industries. Une petite ville, avec peu de bâtiments, et qui sont répartis au milieu de nombreux espaces verts, sans usines ni centrale électrique, aura tendance à peu modifier la météorologie dans ses rues par rapport à une grosse ville avec de grands immeubles.  

L'influence des facteurs anthropiques va aussi dépendre de l'environnement naturel dans lequel la ville se situe. Par exemple, une ville cernée par des montagnes peut connaître fréquemment le brouillard et des flux d'air faibles. Ceci additionné à de fréquentes inversions de température conduit à une mauvaise qualité de l'air (le concept d'inversion de température est détaillé dans la partie Basse Atmosphère- Bases-1ère partie - Que se passe-t-il quand on monte?). Dans une ville située au coeur d'une vallée ou dans un bassin, la principale cause de l'inversion de température est le fait que le soleil atteint difficilement les zones les plus encaissées; dans ce cas, l'air situé au niveau du sol de ces endroits reste plus froid, ce qui crée l'inversion. De plus, l'air froid donc plus lourd descend des pentes qui cernent la ville et s'accumule dans la vallée ou le bassin, renforçant l'inversion.

On peut chercher à améliorer le climat urbain en plannifiant le développement de la ville avec l'optique de limiter les impacts négatifs des facteurs naturals et anhropiques. Par exemple, on peut choisir des emplacements stratégiques pour les espaces verts et les points d'eau (fontaines, étangs...). Les usines doivent être installées en fonction des vents dominants, de façon à ce que la pollution qu'elles émettent soit emmenée loin de la ville et non vers les zones urbaines.  

Vous pouvez lire aussi :

Sur l'albédo:
Nuages et Particules- Bases - 3ème partie -l'albédo
Chaque matériau a un albédo propre. Plus de détails ici (en anglais pour l'instant):
Climate in cities - More - Unit 2 - Radiation
Sur la pollution de l'air
Climat urbain - Bases- 1ère partie- Causes
Sur le smog photochimique (en anglais pour l'instant):
Lower Atmosphere - Basics - Unit 3 - Ozone smog
Climat urbain- Bases- 1ère partie- Effets néfastes
Sur l"inversion de température:
Basse atmosphère- Bases- 1ère partie- Qu'est-ce qui se passe quand on monte?

A propos de cette page:

Auteurs: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Jagiellonian University - Cracow / Poland
Supporter: Anna Gorol
1. relecteur scientifique: Prof. Barbara Obrebska-Starkel - Jagiellonian University - Cracow / Poland - 2003-06-20
2. relecteur scientifique: Dr. Marek Nowosad - Maria Curie-Sklodowska University - Lublin / Poland - 2003-06-16
3. relecteur scientifique :Prof. Yair Goldreich - Bar-Ilan University - Ramat-Gan / Israel - 2003-09-21
4. relecteur scientifique: Prof. Sue Grimmond - Indiana University - Bloomington / USA - 2004-06-03
dernière version : 2004-06-12