Paname : représenter la ville

Nourrir les modèles

Il existe déjà un modèle de surface urbaine français, pionnier dans son domaine : c’est le modèle TEB (Town Energy Balance), développé depuis les début des années 2000 et utilisé notamment au sein du modèle de prévision météorologique Arome mis en œuvre par Météo France. Mais la géométrie urbaine y est simplifiée : le modèle ne vise pas à simuler explicitement tous les détails d'un bâtiment ou d'une rue donnée, mais plutôt les processus à l'échelle d'un quartier. Pour chaque maille du modèle, la ville est représentée par une rue-type du quartier, définie par sa largeur, la hauteur de ses immeubles, les matériaux utilisés pour le bâti, la couleur et l'isolation des toits et des façades, la proportion de fenêtres, etc. 

Or dans cette zone, il convient d’avoir une vision sur ce qui se passe pour les très fines échelles, au niveau de chaque rue. En effet, comme on l’a vu, les types de bâtiments (immeubles haussmanniens, immeubles en brique …), la végétation, la densité, le revêtement des sols : tout a son importance.

L’objectif de la campagne RDP Paris 2024 Olympics est de faire progresser ces modèles en les nourrissant des données les plus précises possible. Les « RDP » (pour Research Demonstration Project) sont des projets de recherche internationaux endossés par l’Organisation météorologique mondiale (OMM). Ils se présentent comme des challenges visant à faire progresser la météorologie et certains se montent à l’occasion de Jeux olympiques dans les villes où ils se tiennent. JO après JO, ils ont ainsi fait progresser les prévisions en montagne avec les Jeux de Vancouver, et dans d’autres contextes avec les JO de Pékin et de Sydney. Les jeux de Paris constituent une opportunité idéale pour faire progresser la météorologie urbaine. L’objectif est de permettre de passer d’une résolution horizontale actuelle des prévisions, qui est actuellement supérieure au kilomètre, à une résolution à 500 mètres d’ici 2024 et de contribuer au développement des modèles de de la prochaine décennie.

Pour ce faire, il convient de décrire très précisément les zones étudiées (bâtiments, végétation, sol …) afin d’avoir les différents paramètres à prendre en compte, puis d’enregistrer un maximum de données. Il faut aussi mieux comprendre la structure verticale de la couche limite, c’est-à-dire la zone de l’atmosphère influencée directement par la surface, qui a une incidence sur l'îlot de chaleur, les orages et la pollution.

C’est tout ceci que compte documenter l’équipe du RDP Paris 2024 Olympics. Dès mi-juin et pendant un an, ils étudieront en particulier la zone autour du Parc Montsouris et du 13ème arrondissement de Paris en raison de ses caractéristiques assez diverses : le quartier est composé de maisons de ville, de gratte-ciel, de HLM en brique, de bâtiments modernes autour de la Bibliothèque François Mitterrand. En ajoutant quelques immeubles haussmanniens au centre de Paris, l’éventail s’avère assez complet pour ce qui concerne la ville elle-même. Différentes données sur des zones péri-urbaines complètent l’ensemble, notamment au Sirta (voir notes de bas de page), à Trappes et à proximité de l’aéroport Charles de Gaulle. L’équipe souhaite par ailleurs vérifier le potentiel de nouveaux instruments pour émettre des alertes en temps réel grâce à de nouveaux instruments pouvant effectuer des mesures 24h/24 sans intervention, contrairement aux ballons de radio-sondages qui sont lancés plusieurs fois par jour. S’ils s’avèrent efficaces, on pourrait en déduire et mieux anticiper les propriétés de la couche limite, et donc les orages ou pics de pollution. On voit bien le potentiel applicatif de ces informations lors des JO 2024 … et au-delà ! L’équipe RDP Paris 2024 Olympics se penchera ultérieurement sur Marseille, en tant que ville côtière.

Représenter les interactions surface-atmosphère

Parmi les difficultés rencontrées par les modèles climatiques et de prévision numérique du temps, il y a la manière dont on représente les interactions entre surface et atmosphère. Ces interactions se sont révélées avoir un impact sur l'atmosphère, à l'échelle journalière comme à l’échelle saisonnière, et notamment sur les événements extrêmes, tels que la sécheresse ou les vagues de chaleur. En effet, les phénomènes météorologiques tirent leur énergie de la surface terrestre et en dissipent la majeure partie près de la surface. Ces flux sont la deuxième cause d’erreur dans les modèles à grande échelle, la première étant la représentation de la convection profonde dans les modèles et les précipitations associées. Par ailleurs, par sa topographie, sa rugosité, son humidité, sa température ou l'activité de la végétation, la surface continentale est hétérogène. Si la représentation correcte de ces échanges est essentielle pour les prévisions du temps et du climat, comment représenter l’hétérogénéité des surfaces dans les modèles et comment évaluer les interactions surface-atmosphère simulées ? 

C’est sur ces deux aspects, échanges surface/atmosphère d’une part et hétérogénéité des surfaces d’autre part, que se concentre MOSAI (Model and Observation for Surface-Atmosphere Interactions,/), un projet ANR qui repose en partie sur 3 campagnes de mesure dont la campagne parisienne est le deuxième épisode. Elle suit une première campagne de mesures d’un an réalisée sur le site de Météo-France (“météopole1 " à Toulouse). Après avoir étudié cet environnement, l’équipe déploie ses instruments depuis janvier dernier en région parisienne sur l’observatoire atmosphérique du Sirta2 puis repartira à la fin de l’année étudier un environnement rural sur le site de recherche P2OA3 . Les 3 sites de mesures (Météopole, SIRTA et P2OA) sollicités par le projet MOSAI font partie de l’infrastructure de recherche ACTRIS-FR4 , qui assure la cohérence des protocoles de mesures des gaz réactifs, aérosols et les nuages dans l’atmosphère et permet l’accueil de projets scientifiques sur ces sites. Les durées (quasi annuelle) des campagnes permettent d’étudier le cycle diurne des différentes surfaces/végétation sur l’ensemble des saisons. Les stations de mesure de bilan d’énergie du RDP Paris 2024 Olympics (grue de Notre-Dame de Paris, toits de Jussieu, quartier résidentiel à Gonesse) complètent le panel de types quartiers denses et périurbains.

Le Sirta5 , comme l’ensemble des sites choisis, a l’intérêt d’être un site qui délivre des mesures pérennes. Via le Sirta, près de 20 ans de mesures de plusieurs dizaines de variables atmosphériques sont aujourd’hui disponibles. Ces dernières sont en effet utilisées pour évaluer les modèles de prévision météorologique, comme Arpege ou Arome, pour mesurer leurs performances et mettre en évidence des erreurs, biais et ainsi caractériser leurs incertitudes. Un aspect important est d’évaluer la représentativité de ces mesures quand on les compare à une maille de modèle : quelles sont leurs incertitudes ? Les variables observées et simulées sont-elles directement comparables ? Le projet s’intéressera donc à la façon d’évaluer les modèles à partir de ces observations long-terme, pour enfin proposer des améliorations des couplages entre les modèles de surface et les modèles atmosphériques dans le contexte de surfaces hétérogènes.

• 1La météopole est le campus toulousain regroupant des services de Météo-France et d'autres organismes proches. Il est situé au sud-ouest de Toulouse Voir http://www.enm-toulouse.fr/content/m%C3%A9t%C3%A9opole
• 2Le Sirta est le site instrumental de recherche par télédétection atmosphérique de l’Institut Pierre Simon Laplace. Au sein d’un espace sanctuarisé d’une quarantaine d’hectares, sur le plateau de Saclay, cet observatoire de recherche atmosphérique a pour objectif de collecter des mesures sur le long terme qui concernent le climat et l’environnement en milieu péri-urbain En savoir plus : https://sirta.ipsl.fr)
• 3Plateforme Pyrénéenne pour l’Observation Atmosphérique
• 4Aerosol, Cloud and Trace Gas Research Infrastructure (https://www.actris.fr)
• 5 Le Sirta est le site instrumental de recherche par télédétection atmosphérique de l’Institut Pierre Simon Laplace. Au sein d’un espace sanctuarisé d’une quarantaine d’hectares, sur le plateau de Saclay, cet observatoire de recherche atmosphérique a pour objectif de collecter des mesures sur le long terme qui concernent le climat et l’environnement en milieu péri-urbain (https://sirta.ipsl.fr).

Représenter la dynamique des villes

Les villes sont confrontées à de nombreux défis liés à la météorologie, au climat, à la qualité de l'air et à d'autres conditions environnementales. Les approches actuelles de modélisation des villes pour le climat et la météo supposent des caractéristiques statiques d'une ville, ne capturant pas la variabilité actuelle ou les impacts de scénarios possibles.

Urbisphere est un projet de recherche financé par le Conseil européen de la recherche (CER), dirigé par des chercheurs des universités de FORTH (Grèce), Reading (Royaume-Uni), Freiburg et Stuttgart (Allemagne), qui collaborent avec des partenaires locaux tels que l’IPSL et Météo-France. L'objectif, par le biais de la modélisation couplée, est de simuler les activités humaines afin de déterminer l'exposition des personnes vulnérables et le potentiel de réponse des villes. Le système de modélisation est en cours d'évaluation dans différentes villes européennes et dans le monde, dont Paris.

Les mesures sur le terrain dans le Grand Paris permettent de mieux comprendre les émissions de chaleur et d'aérosols dans une région comportant une grande ville continentale isolée. Urbisphere travaille avec des partenaires experts locaux et leur réseau d'observation dense et long terme dans la région parisienne. Avec les nouveaux instruments apportés par Urbisphere à Paris, les émissions de chaleur et l'état tridimensionnel de l'atmosphère au-dessus de Paris sont évalués tels qu'ils varient sur un cycle annuel.

Les sites de mesure sont alignés à travers le Grand Paris, jusqu'à 60 km du centre de la ville, afin de détecter l'étendue du panache sous le vent de Paris. Le réseau de six scintillomètres qui sont installés mesure les fluctuations de la lumière pour déterminer les flux de chaleur sensible. Douze lidars rétrodiffusion (ALC) et deux lidars Doppler (DWL) sont installés pour mesurer la dynamique de la couche limite au-dessus de la ville. Les deux capteurs fournissent des profils verticaux d'informations sur les aérosols et les nuages. Le DWL fournit également des profils de vent et de turbulence. Des radiomètres de haute qualité mesurent le rayonnement solaire direct et diffus et quantifient le rayonnement infrarouge dans l'atmosphère qui pourrait être chauffé par la ville.

Représenter les émissions de CO₂

Les zones urbaines contribuent à la majorité des émissions anthropiques de CO₂ et sont donc au cœur des efforts de réduction des émissions. Selon Airparif, la région d’Ile de France émet environ 15% des émissions de CO₂ de la France. L’estimation des émissions de CO₂ se fait par des inventaires statistiques, en comptabilisant les voitures par exemple, puis en appliquant des facteurs d’émission. Ces inventaires sont réactualisés en moyenne tous les 3 à 5 ans, ce qui ne permet pas d’évaluer rapidement les impacts des mesures de réduction des émissions. Par ailleurs, on ne comptabilise que les sources que l’on a jugé bon de comptabiliser, avec un risque de passer à côté de secteurs d’émissions mal identifiés. 

S’il est possible, à partir des mesures précises de CO₂ dans l’atmosphère en amont et en aval de la ville, d’en déduire des informations sur la quantité d’émissions de CO₂  à Paris,  cette méthode se heurte à deux  principales difficultés : d’abord, elle nécessite de prendre en compte la manière dont l’air se disperse. Nous avons donc besoin de modèles performants pour représenter le transport de l’atmosphère à l’échelle des villes. Ensuite, elle ne permet pas de différencier aisément les émissions de CO₂ liées à la respiration des plantes, de celles liées aux activités de la ville.

Le projet PAUL - Pilot Applications in Urban Landscapes, aussi appelé ICOS Cities, est un projet européen Horizon 2020 qui vise à développer un système de mesure systématique du CO₂ pour surveiller le niveau des émissions dans les zones urbaines. Il rassemblera et évaluera les approches les plus innovantes et testera la faisabilité de différentes approches de modélisation dans divers domaines. Mené dans le cadre de l’appel à projet H2020 Green Deal, il vise à développer des outils et des services utiles aux villes pour soutenir leurs plans d'action locaux pour le climat. Trois villes de taille différente ont été sélectionnées comme pilotes : Paris (grande), Munich (moyenne) et Zürich (petite).

Le projet va tester la mesure d’autres composés pour nous aider à différencier les émissions liées aux activités humaines de celles liées à la végétation. Pour cela, le projet va s’intéresser en particulier à la teneur en carbone 14  du CO₂. En effet,  les émissions biogéniques, liées par exemple à la photosynthèse des plantes, en sont pourvues, tandis que le CO₂ émis par la combustion de pétrole, charbon, gaz naturel en est dépourvu du fait de leur caractère fossile. La détection de cet isotope permet donc  de mesurer l’influence des différentes sources de CO₂ atmosphérique. Mais ces mesures sont coûteuses et doivent être effectuées en laboratoire, pour un nombre limité d’échantillons. Aussi, l’idée est de trouver des corrélations entre le CO₂  et différents composés émis par un secteur d’émission donné (par exemple émissions d’oxydes d’azote et de monoxyde de carbone par le trafic automobile ; émissions d’aérosols carbonés par les combustions), et de les utiliser pour différencier les différents secteurs d’émissions du CO₂. Cette approche amène à développer les collaborations entre les infrastructures de recherche ICOS sur la mesure des gaz à effet de serre, et ACTRIS sur la qualité de l’air.

L’objectif de cette campagne  est d’utiliser ces informations dans un modèle de circulation atmosphérique avec les données des inventaires comme ceux d’Airparif. La comparaison des observations avec les simulations permettront d’évaluer la pertinence de l’inventaire.  Ceci permettra donc de valider ou d’enrichir les inventaires, mais aussi de les réactualiser à une échéance plus fréquente (1 ou 2 mois).

Plusieurs types de mesure vont être déployés pour en mesurer le rapport qualité/prix. Depuis 2015 des instruments très précis mais coûteux ont été déployés dans 7 stations : à Jussieu, à la Cité des Sciences, à Saclay, Andilly, Coubron, Guyancourt et Gonesse. Au-delà de ces mesures de surface, les colonnes totales de CO₂  et CO de 3 sites (Saclay, Jussieu, Gonesse) seront analysées  grâce à des spectromètres à visée solaire. Ces mesures apportent une information plus intégrée sur le panache de CO₂ de la ville, et permettront de valider les mesures des mêmes quantités par les satellites tels que OCO-2, OCO-3, et futurement MICROCARB.

Par ailleurs, le signal atmosphérique mesuré en ville est relativement complexe à interpréter, en raison de la forte variabilité des sources d’émissions. On aurait besoin de plus de stations mais ce n’est pas réaliste financièrement. Le projet PAUL va donc intégrer des capteurs de CO2 certes moins précis mais beaucoup moins chers, ce qui nous permettra d’en mettre une trentaine sur les toits de Paris. Cette opération, qui s’avère administrativement chronophage, fera de Paris la ville la plus couverte au monde en capteur CO₂ !