Methodology for the study of the impacts of climate change on cities by statistical-dynamical downscaline : application to the Paris region
Méthodologie d'étude des impacts du changement climatique sur la ville par descente d'échelle statistico-dynamique : application à la région parisienne
Résumé
Due to its specific physical and geometric characteristics, the urban environment represents a profound modification of the natural environment. These transformations generate environmental and societal impacts that are already perceptible in many areas, and which could increase with climate change. Understanding and assessing these impacts and their future evolution requires simulation tools and climate scenarios adapted to the scale of the city. Some regional climate models nowadays reach very high horizontal resolutions that allow cities to be represented and impacts to be assessed by dynamic downscaling. But their costly implementation limits the duration of simulations and the number of scenarios studied. Other, lighter methods can improve the resolution of these models by statistical downscaling but do not represent the city's feedback on the local climate. This thesis proposes a methodology for assessing the impacts of climate change in cities, in terms of urban climate, thermal comfort, and energy demand, with the Paris region as a case study. A first step consisted in taking stock of the urban climatology of the region, based on long series of spatialised observations of surface temperature, surface air temperature and precipitation. Innovative urban climate indicators were proposed and calculated for the analysis of the past climate of Paris, then remobilized in the continuation of the thesis for the evaluation of the models and the study of the evolutions with climate change. In a second step, a statistical-dynamic downscaling method was developed and tested in the Paris region to combine regional climate trends with the thermal effect of the city on its local environment. The climate projections provided by the models of the EURO-CORDEX program 0.11° of resolution) were corrected daily by atmospheric fields from high-resolution urban climate modeling. This modeling was carried out, in a previous study, with the Meso-NH model coupled with the urban canopy model TEB, for a set of meteorological situations representative of local weather types. An evaluation over the past period 2000-2008 showed the capacity of the method to represent the spatial and temporal variability of Parisian urban heat islands. Finally, the climatic forcings produced by this method, with kilometric spatial resolution and three-hour temporal frequency, were applied to the SURFEX land surface modeling platform including TEB. Simulations of the urban climate of the Paris region were carried out continuously over the period 1976-2099 according to the emission scenario RCP8.5 ; TEB being able to simulate different impact indicators related to temperature, thermal comfort and energy consumption of buildings. The complete methodology was compared to simpler approaches, without downscaling of climate forcings for prior consideration of urban effects. This study allowed to evaluate the sensitivity of the results over the historical period, and to show the benefits of the proposed methodology to the evaluation of impacts. The results were then analyzed over the entire 21st century to quantify the evolution of the urban climate and associated impacts on the Paris region under the influence of climate change.
Par ses caractéristiques physiques et géométriques, l'environnement urbain représente une modification profonde du milieu naturel. Ces transformations engendrent des impacts environnementaux et sociétaux déjà perceptibles, qui pourraient s'accentuer avec le changement climatique. La compréhension et l'évaluation de ces impacts et leurs évolutions futures nécessitent des outils de simulation et des scénarios climatiques adaptés à l'échelle de la ville. Certains modèles régionaux de climat atteignent aujourd'hui de très hautes résolutions horizontales permettant de représenter les villes et évaluer les impacts par une descente d'échelle dynamique. Mais leur mise en œuvre coûteuse limite la durée des simulations et le nombre de scénarios étudiés. D'autres méthodes, plus légères, permettent d'améliorer la résolution de ces modèles par une descente d'échelle statistique mais ne représentent pas les rétroactions de la ville sur le climat local. Cette thèse propose une méthodologie pour l'évaluation des impacts du changement climatique en ville, en termes de climat urbain, confort thermique, et demande énergétique, avec la région parisienne comme cas d'étude. Une première étape a consisté à faire un état des lieux de la climatologie urbaine de la région, à partir de longues séries d'observations spatialisées de température de surface, de température de l'air en surface et de précipitation. Des indicateurs de climat urbain innovants ont été proposés et calculés, pour l'analyse du climat passé de Paris, puis remobilisés dans la suite de la thèse pour l'évaluation des modèles et l'étude des évolutions avec le changement climatique. Dans une seconde étape, une méthode de descente d'échelle statistico-dynamique a été développée et testée sur la région parisienne pour combiner les tendances climatiques régionales avec l'effet thermique de la ville sur son environnement local. Les projections climatiques fournies par les modèles du programme EURO-CORDEX 0,11° de résolution) ont été corrigées quotidiennement par des champs atmosphériques issus d'une modélisation à haute résolution du climat urbain. Cette modélisation a été réalisée, dans une précédente étude, avec le modèle Meso-NH couplé au modèle de canopée urbaine TEB, pour un ensemble de situations météorologiques représentatives des types de temps locaux. Une évaluation sur la période passée 2000-2008 a montré la capacité de la méthode à représenter la variabilité spatiale et temporelle des îlots de chaleur urbains parisiens. Enfin, les forçages climatiques produits par cette méthode, avec une résolution spatiale kilométrique et une fréquence temporelle tri-horaire, ont été appliqués à la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX incluant TEB. Des simulations du climat urbain de la région parisienne ont été réalisées en continu sur la période 1976-2099 selon le scénario d'émission RCP8,5 ; TEB étant capable de simuler différents indicateurs d'impacts relatifs à la température, le confort thermique et la consommation d'énergie des bâtiments. La méthodologie complète a été comparée à des approches plus simples, sans descente d'échelle des forçages climatiques pour la prise en compte préalable des effets urbains. Cette étude a permis d'évaluer la sensibilité des résultats sur la période historique, et de montrer les apports de la méthodologie proposée pour l'évaluation des impacts. Les résultats ont ensuite été analysés sur tout le XXIe siècle pour quantifier l'évolution du climat urbain et des impacts associés sur la région parisienne sous l'influence du changement climatique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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