Modeling the spatial distribution of urban heat islands at the local scale : Implementation and evaluation of a street network approach
Modélisation de la distribution spatiale de l’îlot de chaleur urbain à l’échelle locale : Mise en place et évaluation d’une approche par réseau de rues
Résumé
The increasing heat waves frequency and intensity encourages the consideration of the urban heat island in the urban planning policy choices. In this context, the urban microclimate modelisation is a precious tool in order to assess hypothetical urban configurations. To investigate the urban summer confort, the most common methods are to use a detailed model based on CFD, or an urban canopy model which consider a street with the average neiborhood properties. In the thesis, a new model is developped and can be positionned between these two categories in terms of precision and computation time. Its purpose is to model the air temperatures in the urban canopy layer at local scale and on a period of the order of magnitude of a season, representing the building explicitly. For that purpose, a street canyon network approach is proposed, inspired from pollutant dispersion models, and especially the model SIRANE. It consists to use a zonal mesh in which each street is described with one cell. The intersections connect the different streets, forming a network. The air temperature field whithin the urban boundary layer is obtained with a gaussian plume model, adapted from its classical application of pollutant dispersion. A first part of the thesis work consists in the development of an aeraulic, ratiative and thermal parametric model represeting an infinite street canyon, intended to be applied as a subgrid model to each street in the network. A compromise between the computation time and the model precision is therefore a specific point of attention. A parametric representation of trees is also proposed. This model is compared to a week of measurements on vegetation-free experimental streets (ClimaBat), showing root mean square errors of less than 20\% of the daily average amplitude. Lastly, the tree modeling is qualitatively compared to 24 hours of measurements on an experimental street including trees in Angers, demonstrating consistency in the results regarding the radiative model but discrepancies in evapotranspiration. In the second part, a change of scale is performed, and the street network approach is presented in detail. Furthermore, in order to account for mesoscale effects, a preprocessing of meteorological data is developed. Measurements in Basel as part of the BUBBLE campaign were used to validate the meteorological preprocessing against measurements over a one-month period, yielding root mean square errors of less than 30\% of the daily average amplitude. Finally, the complete model is applied to a neighborhood in Lyon to assess the consistency of the results obtained. Overall, this application demonstrated the model's ability to represent the expected physical phenomena and its potential for urban microclimate studies, although further developments are still required.
L'augmentation de la fréquence et de l’intensité des vagues de chaleur encourage la prise en compte de l'îlot de chaleur urbain dans les choix des politiques d’aménagement urbain. Dans ce contexte, la modélisation du microclimat urbain est un outil précieux pour évaluer différentes configurations urbaines. Deux types de modèles sont souvent utilisés : des modèles détaillés ayant recours à la CFD, ou des modèles de canopée urbaine qui représentent un motif urbain répété avec les caractéristiques moyennes d’un quartier. Dans cette thèse, un nouveau modèle se plaçant entre ces deux catégories en termes de précision et de temps de calcul est développé. Son objectif est de modéliser les températures d'air dans la couche de canopée urbaine à l'échelle locale et sur une période de l'ordre d'une saison, en représentant explicitement les bâtiments. Pour cela, une approche en réseau de rues canyon est proposée, inspirée de modèles de dispersion de polluants, et notamment du modèle SIRANE. Elle consiste à utiliser un maillage zonal dans lequel chaque rue canyon correspond à une maille. Les intersections relient entre elles les différentes rues, formant un réseau. Le champ de température dans la couche limite urbaine est obtenu par un modèle de panaches gaussiens. Une première partie du travail de thèse consiste au développement d'un modèle paramétrique aéraulique, radiatif et thermique de rue canyon infinie, ayant vocation à être appliqué comme modèle de sous-maille sur chaque rue du réseau. Une attention particulière est donc apportée au compromis précision/temps de calcul. Une représentation paramétrique des arbres est également proposée. Ce modèle est confronté à une semaine de mesures sur des rues expérimentales sans végétation (ClimaBat), montrant des erreurs quadratiques moyennes inférieures à 20 \% de l'amplitude moyenne journalière. Enfin, la modélisation des arbres est comparée qualitativement à 24h de mesures sur une rue expérimentale arborée à Angers, montrant la cohérence des résultats concernant le modèle radiatif, mais des écarts sur l'évapotranspiration. Dans une deuxième partie, un changement d'échelle est effectué et l'approche en réseau de rues est présentée en détail. Par ailleurs, afin de tenir compte des effets méso-échelle, un prétraitement des données météorologiques est développé. Des mesures à Bâle dans le cadre de la campagne BUBBLE ont permis de le confronter à des mesures sur une période d'un mois. Des erreurs quadratiques moyennes inférieures à 30 \% de l'amplitude moyenne journalière ont été obtenues. Finalement, le modèle complet est appliqué sur un quartier de Lyon, dans le but d'évaluer la cohérence des résultats obtenus. Dans l'ensemble, cette application a montré la capacité du modèle à représenter les phénomènes physiques attendus et son potentiel pour des études de microclimat urbain, bien que des développements supplémentaires soient encore nécessaires.
Domaines
Thermique [physics.class-ph]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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