La structure des villes influence la météo

Des phénomènes propres aux milieux urbains ont un impact sur la météo. Les activités industrielles et domestiques, les transports, ou encore la température élevée du béton après une chaude journée d’été produisent de la chaleur. L’agencement spatial des villes, soit la forme et l’organisation des bâtiments, canalise les vents et génère des turbulences qui s’élèvent à des centaines de mètres dans l’atmosphère. Ces événements peuvent être assez puissants pour détourner des orages et influencer la qualité de l’air.

Une étude dirigée par l’EPFL et publiée dans le Journal Boundary Layer Meteorology a montré que les modèles actuels de prévisions météorologiques et de qualité de l’air reproduisent mal certains facteurs importants comme le transfert d’énergie et de chaleur dans la basse atmosphère. Elle démontre aussi que certain paramètres qui ne sont pas mesurables avec des capteurs atmosphériques sont pourtant essentiels pour bien représenter les villes dans les modèles méteorologiques.

Avis de turbulences
Lorsque l’on plonge le bout des doigts dans un ruisseau, des tourbillons vont apparaître à la surface de l’eau. Le même phénomène se produit lorsque le vent souffle au-dessus des bâtiments. La masse d’air en mouvement interagit avec ces derniers. Cela crée des turbulences qui s’étendent dans les rues et remontent jusqu’à l’atmosphère. Résultat: davantage de chaleur, d’humidité et de polluants sont transportés vers le ciel. En parallèle, la majeure partie de l’énergie turbulente du vent se disperse dans les rues, les parcs et d’autres espaces ouverts.

«Dans notre étude, nous avons démontré à quel point il est important de tenir compte de la variabilité spatiale des villes, c'est-à-dire des particularités qui font que Paris est Paris et Londres est Londres», explique Marco Giometto, auteur principal de l’étude. «La plupart des représentations de villes utilisées dans les modèles de prévisions météorologiques sont élaborées à partir de mesures du vent en un point précis de la ville, representée dans les modèle actuels comme une simple surface rugueuse. Le transport de chaleur, d’humidité et de polluants est ensuite calculé en partant du principe implicite que la ville est géométriquement régulière. Cette hypothèse est donc limitée.»

Le chercheur et ses collègues ont mené à bien une série de simulations détaillées de l’écoulement du vent au-dessus et à l’intérieur d’un quartier de la ville de Bâle. En comparant leurs résultats avec les mesures collectées par des capteurs, ils ont pu démontrer que la ville ne peut pas être considérée comme un terrain rugueux uniforme en ce qui concerne les paramètres qui jouent un rôle dans la météo locale et la dispersion des fumées, du smog ou d’autres polluants.

Animation des résultats d'une simulation numérique de haute résolution de la turbulence atmosphérique dans un quartier de la ville de Bâle, Suisse.

Dépasser le statu quo
«Les modèles de prévisions météo ne peuvent évidemment pas inclure des représentations détaillées de toutes les grandes villes», admet Marco Giometto. La production de simulations en haute résolution nécessite du temps et des ressources que les météorologues n’ont pas. Mais, selon le doctorant au Laboratoire des sciences cryosphériques de l’EPFL, il est nécessaire de dépasser les conceptions actuelles. «Des modèles plus précis pour traduire les milieux urbains spécifiques devront être développés. Ils pourront ensuite être intégrés dans des modèles informatiques. »

Ces découvertes mettent notamment en lumière l’importance de tenir compte de la dispersion des éléments comme les polluants, la chaleur, l’humidité ou même l’énergie. «Ces mouvements appelés termes dispersifs s’apparentent ainsi à de toutes petites circulations d’air bloquées entre deux édifices. D’un côté, l’air chaud et pollué est transporté vers le haut, et de l’autre, l’air plus frais et plus propre est ramené vers le sol», décrit Andreas Christen, l’un des co-auteurs de l’étude. Or, ces termes dispersifs ne peuvent pas être mesurés directement par une station météo, contrairement à la vitesse ou à la direction du vent. C’est là que les simulations par ordinateur entrent en scène. 

«Nous avons besoin de simulations exactes du vent au-dessus des villes pour pouvoir estimer les termes dispersifs des principales directions du vent», précise Marco Giometto. Ces informations permettront de développer des modèles précis dont les habitants des villes pourront bénéficier. Une meilleure compréhension de la manière dont les villes influencent le passage de l’air à l’intérieur et au-dessus d’elles et des outils plus performants pour en expliquer les effets permettraient d’améliorer les prévisions météo urbaines et l’évaluation de la propagation des panaches de polluants et de smog. Dans un avenir plus ou moins proche, cela pourrait permettre de rendre les villes plus économes en énergie et, peut-être un jour, diminuer la chaleur qu’elles produisent.

Cette étude a été menée par des chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse), de l’Université de Colombie Britannique (Canada), de l’Université Johns Hopkins (USA) et de l’Université technique Braunschweig (Allemagne).

Références : Giometto, M. G., Christen, A., Meneveau, C., Fang, J., Krafczyk, M., Parlange, M. B.; Spatial Characteristics of Roughness Sublayer Mean Flow and Turbulence Over a Realistic Urban Surface, Boundary-Layer Meteorology (2016), pp 1-28, DOI: 10.1007/s10546-016-0157-6