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L’interprétation des paramètres climatiques urbains passe par la connaissance des bilans radiatifs et d’énergie de la surface étudiée qui dépendent étroitement des propriétés de l’atmosphère et des caractéristiques propres des surfaces. Ces caractéristiques, directement liées à la géométrie et à la nature des matériaux (notamment albédo, émissivité et propriétés thermiques), se signalent par une forte variabilité qui induit deux types de difficultés :

• la nécessité d’un nombre important de sites d’observation dans un milieu aussi hétérogène qu’une agglomération urbaine
• la complexité de mesurer et d’exprimer les échanges d’énergie qui se produisent dans ce milieu et avec l’atmosphère.

La démarche de la climatologie urbaine consiste à combiner des mesures détaillées de terrain sur des sites complètement documentés ponctuels ou d’extension limitée et des modèles testés sur ces mesures locales et dont l’extension aux échelles du quartier et de l’agglomération passe nécessairement par des mesures spatialisées réalisées par des moyens de télédétection.

Dans ce cadre là, nous avons développé trois axes de recherche : l’aspect expérimental, la modélisation et la spatialisation.

Aspect expérimental

Madrid : Dans le cadre du projet DESIREX piloté par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et portant sur les apports de la télédétection dans les études sur l’Îlot de Chaleur Urbain, l’équipe a participé à la campagne de mesure menée sur Madrid en Juin-juillet 2008 (15 jours de mesures). Nous avons réalisé des mesures de bilan radiatif complet sur deux sites (urbain et rural) et des mesures météorologiques mobiles géo-positionnées (température, humidité et température de surface) sur 4 transects à travers l’agglomération madrilène (4 véhicules équipés).

Nantes : Dans le cadre du projet FluxSap (ANR VegDUD) nous avons participé à la campagne de mesures réalisée sur la ville de Nantes en mai 2010. Notre activité a porté essentiellement sur les mesures des flux turbulents par le biais de deux scintillomètres (mesure d’un flux moyen sur un transect) et d’un système de mesure des fluctuations turbulentes (mesure ponctuelle). L’exploitation des résultats est en cours.

Modélisation

Les données de la campagne de mesure réalisée par l’équipe en 2002 à Strasbourg ont été mises à profit pour tester et valider deux modèles adaptés à deux échelles différentes : LASER/F (échelle de la rue ou canyon urbain) et Meso-NH de Météo-France (à l’échelle du quartier et de la ville).

Le modèle LASER/F a été mis point et validé par l’équipe. C’est un modèle physique qui intègre la géométrie réelle du canyon et permet de simuler les flux radiatifs et énergétiques à l’échelle de la rue.

Le modèle Meso-NH est un modèle mésométéorologique non hydrostatique mis au point par Météo-France et muni d’un schéma de surface (SURFEX) qui permet de tenir compte de manière détaillée de la présence d’une zone urbaine. En collaboration avec le CNRM nous avons réalisé des simulations sur Strasbourg et sa région et validé les résultats avec les mesures de la campagne de 2002. Ce travail devrait se poursuivre avec une nouvelle version du schéma de surface en cours d’intégration.

Spatialisation

Les données sur Strasbourg du capteur DAIS ont été corrigées des perturbations atmosphériques par l’utilisation d’un code de transfert radiatif et des radiosondages concomitants.

Les températures de surface et les émissivités ont été dérivées des canaux thermiques DAIS par l’utilisation de l’algorithme de découplage après un réétalonnage des canaux DAIS.

L’albédo de surface est obtenu par combinaison linéaire de canaux corrigés de l’atmosphère dont les coefficients sont obtenus par minimisation par rapport à des mesures directes d’albédo effectuées sur une dizaine de sites de contrôle représentant des surfaces caractéristiques du segment urbain et choisies pour leurs homogénéités à l’échelle du pixel DAIS. Le bilan radiatif peut être déduit à partir des températures de surface de l’émissivité totale déduite des émissivités spectrales, de l’albédo et des rayonnements incidents à courtes et grandes longueurs d’onde mesurés sur un toit.

L’accès aisé aux données lasergrammétriques aériennes et terrestres favorise l’avancement des travaux de recherche dans le domaine de l’acquisition et du traitement de ces données. La création de modèles tridimensionnels topographiques et architecturaux repose sur des approches permettant d’une part d’aboutir à un modèle qui soit proche de la réalité d’un point de vue géométrique, et d’autre part de réduire l’intervention manuelle dans le processus de reconstruction. Une chaîne de traitements aboutissant à des modèles 3D urbains a été développée. Elle a pour atout de s’appuyer exclusivement sur le premier écho de l’impulsion laser retour. Ce développement a permis d’une part la détection d’objets urbains par segmentation automatique du sol et du sursol (bâtiments, végétation et bruit) et d’autre part la modélisation non paramétrique des bâtiments sous forme vectorielle, à partir de la classe de bâtiments extraite. Des critères tels que la typologie, la densité, la précision et l’homogénéité de la distribution des points sont intégrés à l’arbre de décision. Une méthode d’évaluation des modèles 3D a également été proposée. La génération automatique de modèles tridimensionnels urbains est une problématique qui intéresse également les climatologues (thème 3). La géométrie des bâtiments est en effet une connaissance cruciale à deux niveaux. Tout d’abord, dans la phase d’expérimentation, l’interprétation des mesures météorologiques effectuées dans et au-dessus de la canopée nécessitent la connaissance de la géométrie des bâtiments. Ensuite, dans la phase de paramétrage des modèles atmosphériques, aussi bien à l’échelle du canyon urbain qu’à l’échelle de l’agglomération, le besoin d’une géométrie plus fine du bâtiment se fait sentir. Par ailleurs, la détection de la végétation à partir de données spatialisées constitue un enjeu important en climatologie urbaine.