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Le climat et la ville : la nécessité d’une recherche croisant les disciplines

Morgane Colombert, Jean-Luc Salagnac, Denis Morand et Youssef Diab

Résumés

De l’observation du climat urbain à la modélisation plus ou moins fine des phénomènes physiques en jeu, les climatologues ont pu décrire et comprendre avec de plus en plus de précision la formation du climat urbain. Si les premiers travaux étaient avant tout consacrés à l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les climatologues se sont progressivement intéressés à d’autres paramètres climatiques (pluviométrie, vent, etc.) puis à des échelles inférieures à la ville mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine et des matériaux de construction. La climatologie urbaine est aujourd’hui un domaine de recherche investi à la fois par les climatologues et les géographes, mais également par les architectes et les urbanistes. Ceci permet de mettre en place une démarche pluridisciplinaire et d’intégrer à la pratique de l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine. Climatologues, géographes et aussi urbanistes et architectes réfléchissent ainsi ensemble ou parallèlement à l’intérêt de prendre en compte le climat urbain dans l’aménagement, l’urbanisme et l’architecture. Plus que le développement de nouveaux outils permettant de prendre en compte le climat urbain dans la conception urbaine, il s’agit aujourd’hui d’abord de promouvoir et d’organiser une meilleure synergie entre les différentes actions menées en faveur de l’environnement. Les trames vertes urbaines en sont un bel exemple. Initialement mises en œuvre pour favoriser les flux d’espèces animales et végétales et donc la biodiversité, elles peuvent également améliorer la qualité climatique des espaces quand il s’agit d’espaces verts ou de végétation.

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Texte intégral

Introduction

1La ville évolue au sein d’un environnement « naturel » avec lequel elle interagit en permanence. Le climat fait partie intégrante de cet environnement et, traditionnellement, le cadre bâti a été construit pour être le plus adapté possible aux conditions climatiques locales. Empirisme puis approche scientifique de la construction ont ainsi permis de répondre en partie aux besoins humains de sécurité et de confort vis-à-vis d’un climat pas toujours clément. Il est constaté que les villes, en plus d’être influencées par le climat, influent elles-mêmes sur celui-ci. Elles modifient ainsi localement les paramètres climatiques. Ces modifications peuvent être constatées soit par comparaison avec les zones plus rurales voisines, soit par comparaison avec leur propre situation dans le passé (moins urbanisée et/ou moins dense). La ville induit ainsi, au sein de son territoire, une augmentation des températures (Landsberg, 1979 ; Escourrou, 1991) – d’où le concept d’îlot de chaleur –, une diminution de la vitesse du vent (Sacré, 1983), une modification de la pluviométrie (Shepherd et al., 2002 ; Jauregui et Romales, 1996), etc. Ces modifications ont des conséquences sur la consommation énergétique des bâtiments et l’efficacité de la climatisation naturelle (Santamouris et al., 2004), la pollution atmosphérique (Sarrat et al., 2006 ; Vautard, 2010), le confort en extérieur (Steemers, 2006), la santé (Buechley et al., 1972) ou encore la faune et la flore (Sukopp, 2004).

2Souvent présentées comme des lieux où se concentre la majorité des émissions de gaz à effet de serre, les villes sont également en partie à l’origine de modifications climatiques mondiales. Ce changement climatique devrait, selon toutes vraisemblances, accroître la fréquence des évènements extrêmes tels que les vagues de chaleur selon le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC, 2007). Au regard des évènements récents, tels que la canicule de 2003 en Europe, les villes se révèlent mal adaptées à de telles conditions de chaleur. Le climat urbain a pour effet principal de limiter la baisse des températures durant la nuit, diminution qui, lors des vagues de chaleur, devient vitale pour permettre aux organismes humains une récupération des fortes chaleurs du jour. À cela s’ajoute l’influence éventuelle des changements climatiques globaux sur l’intensité de l’îlot de chaleur dont nous ne mesurons pas encore toute l’importance (Roaf et al., 2005 ; Best et Betts, 2004 ; Rosenzweig et al., 2005).

  • 1  Le terme stratégie « sans regret » est utilisé pour des stratégies qui en plus d’apporter une solu (...)

3À l’heure actuelle, si les collectivités territoriales françaises ont commencé à s’organiser pour limiter les rejets de gaz à effet de serre, la réflexion autour de l’adaptation nécessaire au changement climatique se limite souvent à améliorer la politique existante de prévention et de gestion des risques de catastrophes naturelles. Face à l’incertitude obligée des projections climatiques réalisées par les climatologues, les collectivités territoriales hésitent à s’engager dans des actions encore aujourd’hui peu valorisantes et valorisables auprès des citoyens et synonymes d’échec des moyens de lutte contre le changement climatique (Bertrand et Larrue, 2007). Pourtant des dispositifs peuvent être envisagés tels que : l’institutionnalisation d’un planification sur le long terme pour anticiper les problèmes et y apporter des réponses ; les stratégies « sans regret »1, qui réduisent la vulnérabilité à un coût négatif, nul ou négligeable ; le choix de stratégies réversibles ; etc. (Hallegatte, 2008). Le manque d’anticipation et d’intérêt, les forts conflits d’intérêts locaux, ou encore l’incapacité à s’approprier la responsabilité du problème des impacts du changement climatique de la part des politiques freinent la réflexion autour de la question de l’adaptation (ADEME, 2007) et, par conséquent, l’intégration de l’enjeu du climat urbain dans cette problématique.

4Au sein de la climatologie urbaine, les différentes réflexions engagées par les climatologues, les géographes, mais également les architectes et les urbanistes sur la relation entre leurs cœurs de métier, permettent aujourd’hui de percevoir le potentiel de réduction des températures en milieu urbain. À l’heure des changements climatiques, cette réflexion offre des perspectives de solutions d’adaptation intéressantes pour mieux se protéger des vagues de chaleur. Les collectivités territoriales ont ainsi un intérêt à mieux connaitre et à mieux intégrer les modifications climatiques locales que la ville provoque.

5L’objectif ici n’est pas de restituer l’état des lieux complet des multiples relations entretenues entre la ville et le climat, mais de montrer comment la ville a pris et prend en compte le climat dans sa conception et comment le thème du climat urbain, étudié initialement principalement par des climatologues, rencontre les domaines de l’urbanisme, de l’aménagement urbain, de la construction.

Prise en compte du climat dans la conception des villes et des bâtiments : l’influence du climat sur la ville

6Par le passé, la conception des bâtiments et, par extension, des villes s’est souvent faite dans une volonté d’adéquation au climat (Givoni, 1978), c’est-à-dire de façon la plus adaptée possible aux conditions climatiques locales. L’amélioration des connaissances scientifiques et techniques a permis progressivement aux architectes, ingénieurs ou urbanistes de tenir compte d’autres contraintes telles que la dépense énergétique, le confort ou la qualité de l’air, mais également de prendre conscience des modifications climatiques locales engendrées par leurs aménagements.

De la conception d’un habitat traditionnel…

  • 2  À ce sujet, Cluzel (1986), s’inspirant des besoins fondamentaux de Maslow (dans l’ordre : la santé (...)

7« Les bâtiments sont notre troisième peau » nous signalent Roaf et al. (2005) ; il est vrai que d’abord conçu pour protéger les personnes et les biens des contraintes et aléas climatiques extérieurs, le bâtiment a vu et voit l’étendue de ses fonctions s’élargir au fur et à mesure de son évolution dans le temps2. Aujourd’hui, en plus de nous protéger nous et nos biens des évènements climatiques, il doit pouvoir proposer un environnement agréable, ce qui passe par exemple par un contrôle de l’ambiance intérieure (chauffage en hiver, climatisation en été, etc.), mais également par une attention au bruit, à la lumière, etc., et ce toujours en tenant compte des contraintes de coût et de limitation des impacts environnementaux.

8Ces dernières décennies, la question de l’efficacité énergétique s’est également imposée avec la mise en place de réglementations thermiques de plus en plus ambitieuses. Aux contraintes économiques, qui ont motivé ces actions, s’ajoute également aujourd’hui la perspective d’un changement climatique, intimement lié aux consommations d’énergies fossiles.

9Les éléments du climat qui sont pris en compte dans la conception du bâti sont nombreux (le rayonnement solaire, la température, les vents, l’humidité atmosphérique, les précipitations, etc.). Chaque région, française ou du monde, possède ainsi un habitat traditionnel dont la conception et la forme sont intimement liées au climat. Givoni (1978), Griffiths (1976) ou encore Escourrou (1991) ont noté et expliqué ces différences. Des climats secs et chauds aux climats froids en passant par des climats chauds et humides ou de type méditerranéen, le choix des matériaux et la forme du bâtiment sont en partie conditionnés par les contraintes climatiques. Les ressources locales ont également largement influencé le choix des matériaux.

10Pour les climats chauds et secs ou encore méditerranéens (étés chauds et secs, hivers doux et humides), l’objectif est de laisser pénétrer à l’intérieur du bâtiment le moins de chaleur possible. Les murs et les toits blancs ou avec des teintes claires sont ainsi privilégiés (cela limite l’absorption de la chaleur par les murs grâce à une plus grande réflexion du rayonnement solaire), les murs sont épais pour freiner la diffusion de la chaleur et amortir les fluctuations de températures à l’intérieur, les ouvertures sont petites, et selon la région des puits de fraicheur avec de la végétation et de l’eau peuvent également être mis en place.

11Pour les milieux froids et très froids, un des objectifs est d’éviter la perte de chaleur du bâtiment chauffé. Cela passe par une organisation à l’intérieur du logement, comme la création de sas pour entrer au sein du logement, par l’isolation thermique du bâtiment, ou encore par une forme de construction limitant les surfaces déperditives. Par exemple, dans certaines villes de Russie des constructions sont conçues sur pilotis profondément enfoncés dans le sol où celui restera toujours gelé même en été. Le matelas d’air entre le rez-de-chaussée et le sol gelé permet de protéger, selon Escourrou (1991), l’habitation du froid issu du substratum.

  • 3  « Les règles NV 65 fixent les valeurs des charges de la neige et du vent et permettent d’évaluer l (...)

12La connaissance scientifique a permis de maitriser petit à petit de nombreux aspects de la construction en relation avec son climat et son environnement plus généralement. La réglementation n’a cessé, depuis le milieu du XXe siècle, de prendre en compte de nouvelles exigences pour satisfaire un certain niveau de confort pour les occupants, préserver le bâti, réduire le bruit et la consommation énergétique ou encore assurer la sécurité en cas d’incendie. En France, par exemple, les règles définissant les effets de la neige et du vent sur les constructions sont d’actualité depuis 1965 (règles NV 653) ; la première réglementation thermique est né en 1974 ; et la réglementation acoustique est elle-aussi récente (le premier arrêté relatif à l’isolation acoustique des bâtiments d’habitation date du 14 juin 1969).

13La réglementation thermique tient compte en France de différentes zones climatiques. Il est vrai qu’énergie, ou plus précisément consommation d’énergie, et climat sont intimement liés. Cette relation est également fortement influencée par le comportement des personnes, et leur relation au bâtiment et au confort, sous contrainte de ressources économiques.

  • 4  Jacques Veron (2006), dans son ouvrage sur l’urbanisation du monde, note également cette évolution (...)

14Aujourd’hui, la technique permet de s’affranchir des conditions climatiques locales et des savoir-faire traditionnels pour concevoir des bâtiments à l’ambiance intérieure agréable en toute saison. Cela conduit à une généralisation des modes de constructions, et par voie de conséquence à une uniformisation des cadres bâtis4, mais peut également mener à des aberrations. Les gratte-ciels vitrés et climatisés de Dubaï en sont une illustration. Escourrou (1991) explique ainsi que : « La maîtrise du milieu par des techniques de jour en jour plus perfectionnées s’est développée dans la civilisation dite « occidentale », c’est-à-dire dans un milieu où les contraintes climatiques restent modérées et, par suite, les urbanistes et architectes n’ont guère eu à se soucier du climat dans l’élaboration de leurs projets. »

15La ville accueille aujourd’hui un grand nombre de ces bâtiments à l’ambiance intérieure agréable, mais qu’en est-il de sa propre relation avec le climat ?

… à la conception d’une ville sous influence climatique… et sanitaire

16Jusqu’à très récemment, le climat n’a pas été une préoccupation majeure des urbanistes. Comme le signalent Adolphe et al. (2002) :

« Les acteurs de la planification urbaine et de l’aménagement de l’espace ont aujourd’hui perdu cette mémoire sur les effets climatiques de la forme urbaine, sur l’influence régulatrice de la végétation, ou sur le rôle bénéfique des espaces d’eau (couloirs fluviaux, fontaines…). Ces acteurs sont aujourd’hui dépourvus d’outils et de données de base indispensables pour intégrer à leur réflexion les caractéristiques de l’environnement climatique aux trois échelles fortement imbriquées du climat régional, du mésoclimat (à l’échelle de l’agglomération), et du microclimat (à l’échelle du bloc). Pourtant ces outils et ces connaissances existent, mais sont affaire de spécialistes (d’un côté, architectes et thermiciens sur le comportement énergétique des bâtiments à « Haute Qualité Environnementale », de l’autre les climatologues ou aérauliciens). La complexité des phénomènes participe à cette technicisation du domaine […]. »

17L’absence de préoccupations d’ordre climatique n’a pas toujours été et différentes interventions ont même eu comme objectif affiché d’améliorer la qualité de l’air ou le climat qui régnait dans la ville comme le montre dans sa thèse Benzerzour (2004). Avant la seconde moitié du XXe siècle, les aménageurs ne parlent pas encore du climat urbain, mais ont pris ou prennent conscience des modifications qu’ils peuvent apporter.

  • 5  « La ville fonctionne comme une entité sociale, capable d’assurer la mise en œuvre de la solidarit (...)
  • 6  « Textiles, cuirs, papier et salpêtre représentent en volume la majeure partie des produits transf (...)

18Au Moyen Âge, la ville s’est créée avant tout dans un objectif de protection, de survie et pour répondre à un certain contexte militaire et économique5. Ainsi, les besoins de protection imposent aux villes en plus des murailles de s’entourer de larges fossés, ce qui crée un climat local plus humide. À ceci s’ajoute l’ensemble des activités économiques concentrées dans la ville intra-muros pour lesquelles l’humidité est nécessaire, ce qui crée des zones malsaines au sein de la ville6. À défaut de pouvoir supprimer les sources malsaines, l’adaptation des populations se fait quand cela est possible par l’éloignement. Ainsi, les espaces les moins pollués sont investis par les religieux ou les riches alors que les ouvriers vivent aux abords de ces sources. La disparition des causes militaires, l’amélioration des conditions économiques et l’avancée scientifique vont permettre aux villes d’améliorer leur climat et surtout d’assainir leur air.

19Dès le XVIIIe siècle, qui est le Siècle des Lumières, la qualité sanitaire de l’air des villes devient un enjeu. Il y a désormais une volonté de réduire, au sein des habitats et des espaces urbains, l’humidité et d’accéder à l’air, au soleil et à la lumière naturelle. Les interventions hygiénistes vont alors se dérouler sur plusieurs décennies et même siècles. Un assainissement des surfaces malsaines va donc s’opérer (minéralisation du sol des rues et renouvellement du crépi des murs, comblement des fossés et canalisation des rivières, et drainage en sous-sol des eaux de surface) ainsi qu’une ventilation des vides urbains (alignement des rues, élargissements et percées de nouvelles rues, normalisation du prospect des rues).

20Le XIXe siècle va, pour sa part, voir apparaître des propositions utopistes sur l’avenir des villes et leurs conceptions. L’urbanisme moderne s’ancre sur ces utopies sociales du XIXe siècle et propose de nouvelles formes urbaines parfois opposées à la forme de la ville ancienne. Comme le signale Benzerzour (2004), « les solutions proposées sont de deux types : construire une nouvelle ville de toutes pièces en alliant ville et campagne ou transformer (actualiser) la ville existante de telle sorte à obtenir une nouvelle ville ». Si la première solution a été préconisée dans la première moitié du XXe siècle sans toutefois s’imposer (Ebenezer Howard imagine la cité idéale dans son ouvrage « les cités-jardins de demain » de 1902 ; Le Corbusier transforme et rase le cœur de Paris dans sa proposition du Plan Voisin de 1925), c’est la seconde solution qui est aujourd’hui dominante.

21Une prise de conscience environnementale contemporaine va avoir lieu dans la continuité des préoccupations hygiénistes du XIXe siècle et du début du XXe siècle. L’environnement, le développement durable, le microclimat urbain, la pollution atmosphérique, le changement climatique deviennent de nouveaux enjeux et de nouvelles propositions d’interventions sur le milieu urbain émergent. Gauzin-Müller (2001) préconise trois objectifs pour que la ville puisse répondre au critère de qualité environnementale : une ville compacte (l’étalement augmente les distances à parcourir notamment en voiture), un habitat dense (économie d’énergie pour le chauffage et économie de matériaux de construction) et un verdissement des vides urbains et des toitures (humidification de l’air, fixage des poussières, abaissement des températures, stockage du carbone et libération de l’oxygène, affaiblissement de la propagation du bruit, réduction de l’impression de densité, augmentation de l’inertie thermique, etc.).

22Cette densification s’oppose à l’étalement urbain observé actuellement en France et, d’une manière plus générale, dans les pays européens ou du monde. En 2003, selon l’IFEN, les surfaces artificialisées (routes, stationnements, chantiers, pelouses, espaces bâtis) occupent 8 % du territoire métropolitain. Entre 1982 et 2003, elles ont augmenté de plus de 40 % au détriment des zones agricoles et naturelles, ce qui s’explique plus par l’évolution du mode de vie des Français que par la croissance démographique : la population française a en effet augmenté de seulement 10 % dans la même période (IFEN).

23Les villes américaines sont sans doute un bon exemple de ce que l’étalement urbain à l’excès peut provoquer. Comme le signale Ghorra-Gobin (2005) pour les villes américaines :

24« l’urbanisation se poursuit en dehors de toute notion de limite spatiale au détriment de l’environnement naturel ou encore du domaine rural, suivant le principe de la faible densité. […] L’urban sprawl correspond à un phénomène d’étalement urbain se poursuivant au gré de la construction des routes et des autoroutes, de la dynamique d’implantation d’entreprises soucieuses de bénéficier d’un cadre agréable au moindre coût et des lotissements résidentiels (y compris les lotissements sécurisés, les gated communities). »

25Si la relation avec la pollution atmosphérique est tout de suite évoquée, cet urban sprawl a également des conséquences climatiques de par l’artificialisation croissante des surfaces.

26Nombre des interventions urbaines explicitées ici se sont inscrites dans les règlements d’urbanisme ou ont été influencées par eux. Cependant la « perte de mémoire », pour reprendre le terme d’Adolphe et al. (2002), des acteurs de la planification urbaine sur les effets climatiques de la ville a pour conséquence qu’aujourd’hui peu de villes et d’acteurs de la ville (urbanistes, architectes, ingénieurs, politiques, etc.) tiennent compte des modifications climatiques locales qu’ils engendrent de par leurs décisions, et ce sans doute parce qu’ils méconnaissent les phénomènes climatiques engendrés par ces choix d’aménagement. Le phénomène d’îlot de chaleur urbain, pour ne citer que lui, est pourtant connu depuis déjà plusieurs décennies comme nous allons le voir.

Climatologie urbaine, une science récente, mais des fondements anciens : l’influence de la ville sur le climat

Naissance et évolution de la climatologie urbaine

27Les premières études sur le climat urbain ou sur les conditions climatiques des villes datent d’avant Jésus-Christ comme le constate Yoshino (1990/91) dans son article relatant les différentes études en climatologie urbaine depuis la nuit des temps jusqu’aux années 1980. Vitruve ou Marcus Vitruvius Pollio (75-26 avant Jésus-Christ), architecte et ingénieur romain, a écrit sur les relations entre l’aménagement des villes et les conditions climatiques, ou encore Manasara Silpasatra (av. J.-C.), un Indien a écrit sur la prise en compte des conditions de luminosité et de ventilation pour la conception d’aménagement. L’étude du climat urbain est également très liée à l’intérêt pour la pollution de l’air. Horace (65-68 av. J.-C.) décrit celle de Rome tout comme Circa (3 av. J.-C. - 65). Sir John Evelyn écrit au XVIIe siècle sur la pollution de l’air, le vent, la température de la ville et le brouillard fumeux ou smog de Londres. C’est à partir de la fin du XVIIIe siècle que nait vraiment la climatologie urbaine, avec l’arrivée progressive des mesures instrumentales. Cotte (en 1774) va ainsi décrire le climat de Paris à partir d’observations et Howard (en 1818 et en 1833) celui de Londres. En 1927, la première traversée en voiture avec un équipement de mesures mobile est effectuée par Schmidt et Peppler ; en 1927, Geiger publie un ouvrage sur les microclimats en incluant la climatologie urbaine ; en 1937, Kratzer publie le premier ouvrage sur la climatologie urbaine. La recherche en climatologie urbaine va alors s’accélérer durant la deuxième partie du XXe siècle (Yoshino (1990/91), Duchêne-Marullaz (1980)), et des études détaillées vont montrer, par le biais de mesures, la particularité climatique des villes : New York (Bornstein, 1968), Paris (Escourrou, 1986), etc.

  • 7  Le facteur de vue du ciel correspond à la portion de ciel observable à partir de la surface consid (...)

28Les progrès effectués dans cette discipline s’expliquent par l’évolution des outils, des moyens et des enjeux autour de la ville comme le montre Yoshino (1990/91) : 1) Les observations se sont élargies à la troisième dimension au-dessus de la ville. 2) Les méthodes de télédétection et l’interprétation des photographies aériennes ont été introduites. 3) Les simulations numériques ou les études de modélisation ont été employées en utilisant un ordinateur. 4) Les analyses et la cartographie sont faites en relation avec la pollution atmosphérique et les conditions topoclimatiques. 5) Des ouvrages, articles à comité de lecture, et bibliographies en climatologie urbaine ont été publiés. 6) Les effets de la ville sur les précipitations ont été étudiés avec l’îlot de chaleur urbain. 7) Les îlots de chaleur sont considérés en relation à la densité bâtie, le paramètre de rugosité, le facteur de vue du ciel7 (sky view factor), la population, etc. 8) La climatologie urbaine n’a plus été étudiée uniquement dans les pays développés, mais également dans les pays en développement. 9) les problèmes environnementaux dans les villes sont réapparus. 10) Une insistance a été donnée aux travaux portant sur les processus comme les études des bilans d’énergie et en eau.

  • 8  Campagne METROMEX - METROpolitan Meteorological EXperiment – à Saint-Louis (Etats-Unis) en 1971 ; (...)

29Pour résumer, la connaissance en climatologie urbaine est issue à la fois des mesures sur sites, de la simulation en soufflerie ou en tunnel aéraulique et des simulations numériques (Peneau, 1995). Ainsi, de l’observation du climat urbain grâce entre autres à de nombreuses campagnes de mesures8 à la modélisation plus ou moins fines des phénomènes physiques en jeu, les climatologues ont pu décrire et comprendre avec de plus en plus de précisions la formation du climat urbain. Si les premiers travaux étaient avant tout concentrés sur l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les climatologues se sont progressivement intéressés à des échelles inférieures mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine (Aida et Gotoh, 1982 ; Oke, 1988 ; Giridharan et al., 2007 ; Yamashita et al., 1986 ; Ali Toudert, 2005) et des matériaux de construction (Taha et al., 1988 ; Rosenfeld et al., 1995).

30Aujourd’hui, la compréhension du bilan d’énergie, c’est-à-dire des échanges d’énergie entre l’atmosphère et la surface urbaine est au cœur de nombreuses recherches sur la modélisation (informatique ou non) du climat urbain. Mais avant cela, la relation entre le milieu urbain et sa température a été largement simplifiée par les climatologues et les modèles des différents chercheurs ont principalement estimé la différence de températures maximales entre zones urbaine et rurale la nuit (c’est le moment où l’intensité de l’îlot de chaleur est la plus importante).

31Plusieurs formules ont ainsi été proposées pour évaluer l’intensité de l’îlot de chaleur urbain :

  • à partir de la nébulosité, la vitesse du vent, la température et l’humidité spécifique (Sundborg, 1950),

  • à partir de la population (Oke, 1973),

  • de la population et de la vitesse du vent (Oke, 1982),

  • en fonction de la hauteur des bâtiments et de la larguer des rues (Oke, 1981),

  • ou encore en fonction du facteur de vue du ciel (Taha, 1988),

  • Etc.

32Aujourd’hui, les modèles informatiques sont plus complexes et prennent en compte de nombreux facteurs tant pour la géométrie urbaine que pour les matériaux urbains.

Climatologie urbaine : une science pluridisciplinaire ?

33La climatologie urbaine est aujourd’hui un domaine de recherche investi à la fois par les climatologues et les géographes, mais également par les architectes et les urbanistes. Chacun d’eux s’est approprié ce sujet selon des échelles, des variables ou encore des objets d’étude différents (Ali Toudert, 2005).

34Il est nécessaire aujourd’hui, comme l’ont déjà signalé de nombreux auteurs (Bitan, 1988 ; Katzschner, 1988 ; Oke, 1984 ; Oke, 1988 ; Oke, 2006 ; Arnfield, 1990 ; Eliasson, 2000 ; Alcoforado et al., 2006) de mettre en place une démarche pluridisciplinaire et d’intégrer à la pratique de l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine. Cette ouverture d’esprit de la part des architectes, des urbanistes et des aménageurs à l’intégration de critères climatiques dans leurs pratiques sera bénéfique pour traiter les problèmes plus généraux que sont l’environnement et la qualité de vie.

35Alors que les climatologues et géographes se sont penchés plus particulièrement sur la formation du climat urbain, les architectes se sont intéressés à l’impact des conditions climatiques et environnementales sur les bâtiments. Parallèlement, les architectes, focalisés initialement sur les questions de confort intérieur et sur les besoins énergétiques pour le maintenir, se sont ouverts progressivement aux conditions extérieures au bâtiment. Le contexte urbain, modifiant l’apport solaire et le comportement du vent, a ainsi progressivement intégré les pratiques (Ali Toudert, 2005).

36D’une recherche fondée sur l’observation des différences climatiques entre le milieu urbain et le milieu rural environnant peu encline à distinguer la variété constructive des villes et leurs effets sur le climat urbain, nous sommes passés à des études interrogeant la relation entre la forme urbaine et différents paramètres climatiques du climat urbain (Givoni, 1998). Aujourd’hui, le fossé entre les études pointues, mais théoriques en climatologie urbaine et la pratique de l’aménagement urbain tente d’être comblé par différents auteurs d’ouvrage et d’outil relatifs à la prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture ou relatifs au rafraichissement des villes.

37Les études relatives à la prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture font ainsi ressortir l’intérêt porté à la qualité de l’air et la dispersion des polluants (Katzschner, 1988 ; Scherer et al., 1999 ; Baumüller et al., 2005), intimement liée au climat urbain, ou l’intérêt porté au développement d’outils à destination des aménageurs permettant de mieux analyser et évaluer le climat urbain (Adolphe et al., 2002 ; Scherer et al., 1999). Elles mettent en avant les critères clés que sont la localisation géographique de la ville, sa taille, la densité de constructions, la nature de la surface, la taille des bâtiments, l’orientation et la largeur des rues, etc. (Givoni, 1998), mais également le rôle important des rejets de chaleur anthropique (Dhakal et Hanaki, 2002).

  • 9  Le smog est un brouillard dû à la pollution atmosphérique.

38Partant du constat que les températures élevées de l’îlot de chaleur urbain augmentent la demande en énergie pour la climatisation et accroissent également le risque de smog9 ou, plus généralement, de pollution de l’air, de nombreuses recherches se sont focalisées sur la diminution de l’intensité de l’îlot de chaleur, sur le rafraichissement des villes. Malgré la complexité des phénomènes mis en jeux, les outils de modélisation permettent d’apprécier les effets réels sur l’îlot de chaleur urbain que sont la végétalisation de l’espace urbain (arbres, toitures végétalisées, forêts urbaines, etc.) ou l’éclaircissement de la couleur des surfaces (toits, murs, voirie) (Rosenfeld et al., 1995 ; Rosenzweig et al., 2006). Cette appréciation quantifiée permet par ailleurs de développer des outils pour assister les aménageurs, les urbanistes et les responsables de la qualité de l’air dans leur évaluation du potentiel des stratégies de diminution de l’îlot de chaleur urbain à agir sur le climat urbain, la qualité de l’air (ozone) et la consommation énergétique au sein de leurs villes (Sailor et Dietsch, 2005).

39Ces stratégies de réduction de l’îlot de chaleur urbain peuvent s’accompagner de recommandations plus générales sur la conception des bâtiments urbains et l’utilisation de nouveaux matériaux pour une meilleure adaptation à l’environnement urbain ou sur le choix des systèmes de climatisation centralisés (urbains) ou des systèmes semi-centralisés (au niveau du bâtiment) ou des appareils de climatisation (individuels) (Santamouris et al., 2004).

40Des outils sont ainsi développés par la recherche pour faciliter l’intégration de ces stratégies dans l’aménagement urbain. Ces outils peuvent s’appuyer sur une cartographie des zones climatiques d’une ville permettant ainsi de proposer pour chacune d’elles des préconisations pour diminuer l’intensité de l’îlot de chaleur, limiter la pollution urbaine et améliorer la qualité du vent (Alcoforado et al., 2006 ; Alcoforado, 2006) ou d’évaluer les risques de pollution des différentes zones (Katzschner, 1988).

41Plusieurs projets de recherche français viennent aujourd’hui approfondir cette connaissance autour des enjeux du climat urbain avec une approche qui se veut pluridisciplinaire. Nous pouvons citer par exemple : le projet EPICEA (Etude Pluridisciplinaire des Impacts du Changement climatique à l’Échelle de l’Agglomération parisienne) financé par la Ville de Paris et mené conjointement par Météo-France et le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) (Desplat et al., 2009) ; le projet VURCA (Vulnérabilité Urbaine aux épisodes Caniculaires et stratégies d’Adaptation), financé par l’ANR, qui propose une approche interdisciplinaire avec des laboratoires spécialistes de la construction et de l’urbanisme (CSTB), de la météorologie (CNRM/GAME) et de l’économie (CIRED) ; le projet MUSCADE (Modélisation Urbaine et Stratégies d’adaptation au Changement climatique pour Anticiper la Demande et la production Energétique), financé par l’ANR et impliquant les mêmes équipes associées à d’autres compétences en urbanisme et architecture, qui vise à étudier dans le cadre d’un partenariat multidisciplinaire les interactions entre la structure de ville, les procédés constructifs, les consommations et les productions d’énergie, le climat urbain et le changement climatique ; le projet VegDUD, coordonné par l’IRSTV et financé par l’ANR, qui vise à évaluer les impacts de la végétation en lien avec ceux de la forme urbaine, sur plusieurs systèmes urbains en interaction : le climat, les ambiances, l’énergie, l’hydrologie à différentes échelles spatiales, mais aussi temporelles ; etc.

42Ces différentes études sur la relation entre le climat urbain, l’aménagement et l’architecture ou sur le rafraichissement des villes, accompagnent plus globalement la réflexion sur la ville « idéale ». Au travers du prisme du climat, plusieurs auteurs ont ainsi pensé la ville « météorologiquement » utopique (Landsberg, 1973. Mills, 2003), la ville soutenable (Yannas, 2001), la “high climatic city of the future” (Bitan, 1992), la morphologie urbaine et les performances thermiques de la ville (Golany, 1996), etc.

Conclusion

43De l’observation du climat urbain à la modélisation plus ou moins fine des phénomènes physiques en jeu, les climatologues ont pu décrire et comprendre avec de plus en plus de précision la formation du climat urbain. Si les premiers travaux étaient avant tout consacrés à l’îlot de chaleur urbain observé globalement sur toute l’agglomération, les climatologues se sont progressivement intéressés à d’autres paramètres climatiques (pluviométrie, vent, etc.) puis à des échelles inférieures à la ville mettant ainsi en exergue l’importance de la géométrie urbaine et des matériaux de construction.

44La climatologie urbaine est aujourd’hui un domaine de recherche investi à la fois par les climatologues et les géographes, mais également par les architectes et les urbanistes. Ceci permet de mettre en place une démarche pluridisciplinaire et d’intégrer à la pratique de l’aménagement urbain et de l’architecture des éléments de climatologie urbaine. Climatologues, géographes et aussi urbanistes et architectes réfléchissent ainsi ensemble ou parallèlement à l’intérêt de prendre en compte le climat urbain dans l’aménagement, l’urbanisme et l’architecture. De nombreuses études abordent la relation entre le climat, l’aménagement et l’architecture avec leurs particularités liées notamment à la ville étudiée et donc à la culture architecturale déjà présente, mais également avec des volontés communes. Plusieurs études ont ainsi cartographié les situations climatiques de certaines villes pour y associer des conseils concernant les aménagements envisageables ou à envisager. D’autres se sont focalisées sur des listes de règles à suivre pour obtenir des aménagements en harmonie avec leur climat et leur environnement. D’autres encore ont analysé l’influence sur le climat urbain de choix concernant, par exemple, les rejets anthropiques de chaleur.

45Cette réflexion peut s’accompagner dans certaines études d’une volonté de réduire l’impact des villes sur la température et de les rafraichir. Modifications de l’orientation des rues, végétalisation des espaces, modifications des albédos des matériaux, etc. sont des solutions que plusieurs chercheurs modélisent pour en connaître l’efficacité.

46Toutes ces études ont amené plusieurs chercheurs à se poser la question de la ville « idéale », chacun ayant alors sa propre opinion, sa propre réponse, et donc ses propres conseils pour atteindre des conditions climatiques agréables ou tout du moins plus agréables.

47Le climat urbain et sa prise en compte au sein de l’aménagement urbain est un sujet récent encore loin d’être entièrement exploré. Actuellement, les modélisations effectuées pour tester la sensibilité du climat et de l’îlot de chaleur urbain à certaines actions (végétalisation des espaces, variation des flux de chaleur d’origine anthropique, augmentation de l’albédo des surfaces, etc.) se concentrent majoritairement sur les situations estivales. Or, les modifications du cadre bâti ou non bâti et les rejets de chaleur anthropique influencent l’intensité de l’îlot de chaleur à la fois en été et en hiver. Cette dernière saison ne peut être négligée si nous voulons intégrer de nouveaux éléments et critères dans la conception et la gestion de l’espace urbain.

48À cela s’ajoute un manque de réflexion autour des moyens aujourd’hui mobilisables par les collectivités qui seraient préoccupées, intéressées par ce climat urbain, et souhaiteraient en tenir compte. Les conseils existent, mais la façon concrète de les intégrer aux procédures existantes fait aujourd’hui défaut.

49Le changement climatique, auquel les villes peuvent se révéler mal adaptées, représente un enjeu et un défi pour les aménageurs et architectes du milieu urbain, mais également des opportunités importantes de créer des environnements urbains innovants et attractifs. Aménageurs et architectes doivent ainsi faire preuve de créativité pour s’assurer que le cadre bâti sera adapté à une nouvelle donne climatique (Shaw et al., 2007), mais également qu’il l’est au climat actuel. La structure de la ville peut être modifiée par l’aménagement urbain et l’architecture, qui sont en partie encadrés ou influencés par les politiques urbaines et la conception de nouveaux quartiers. Il est alors possible d’agir sur le climat urbain au travers de ces politiques et de ces nouvelles conceptions. Reste cependant à penser et articuler l’agenda politique, rythmé par les mandats électoraux, la planification de l’urbanisme (avec des décisions pouvant influencer l’aménagement pendant 30 ans) et le temps du changement climatique.

50L’avenir de la ville et son attractivité ne se trouvent ainsi plus uniquement dans la croissance économique qu’elle offre, mais également dans la prise en compte des performances environnementales (énergie, pollution, sols, climat, etc.), comme en témoignent les nombreux éco-quartiers construits ou en cours de construction en France et en Europe. Cette évolution vers une meilleure prise en compte de l’environnement répond par ailleurs à une demande sociale de plus en plus forte d’amélioration du cadre de vie et de l’environnement.

51L’adaptation au changement climatique, longtemps parent pauvre des politiques climatiques françaises, devient également un sujet de plus en plus d’actualité en témoigne la concertation sur le Plan national d’adaptation lancée à la fin de l’année 2009 pour laquelle des élus locaux ont été consultés.

52Plus que le développement de nouveaux outils permettant de prendre en compte le climat urbain dans la conception urbaine, il s’agit d’abord de promouvoir et d’organiser une meilleure synergie entre les différentes actions menées en faveur de l’environnement. Les trames vertes urbaines en sont un bel exemple. Initialement mises en œuvre pour favoriser les flux d’espèces animales et végétales et donc la biodiversité, elles peuvent également améliorer la qualité climatique des espaces quand il s’agit d’espaces verts ou de végétation.

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Bibliographie

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Taha, H., H. Akbari, A. Rosenfeld et J. Huang, 1988, Residential Cooling Loads and the Urban Heat Island the Effects of Albedo, Building and Environment, vol. 23, n° 4, pp. 271-283.
DOI : 10.1016/0360-1323(88)90033-9

Vautard, R., 2010, Perspectives des sciences du climat sur la problématique des trames vertes, Journée Adaptation aux Changements Climatiques et Trames Vertes : Quels enjeux pour la ville ?, Paris, 1er avril 2010

Veron, J., 2006, L’urbanisation du monde, Paris, La découverte, 119 p. (Collection Repères)

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Yamashita, S., K. Sekine, M. Shoda, K. Yamashita et Y. Hara, 1986, On relationships between heat island and sky view factor in the cities of Tama river basin, Japan, Atmospheric Environment, vol. 20, n° 4, pp. 681-686.
DOI : 10.1016/0004-6981(86)90182-4

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Yannas, S., 2001, Toward more sustainable cities, Solar Energy, vol. 70, n° 3, pp. 281-294.
DOI : 10.1016/S0038-092X(00)00091-8

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Yoshino, M., 1990-1991, Development of urban climatology and problems today, Energy and buildings, vol. 15, pp. 1-10.
DOI : 10.1016/0378-7788(90)90109-V

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Notes

1  Le terme stratégie « sans regret » est utilisé pour des stratégies qui en plus d’apporter une solution à un problème donné (ici le changement climatique) peuvent être valorisées par les bénéfices conjoints qu’elles offrent. Elles sont « sans regret » dans le sens où si le changement climatique n’a pas lieu, nous ne regretterons cependant pas d’avoir mis en place de telles stratégies.

2  À ce sujet, Cluzel (1986), s’inspirant des besoins fondamentaux de Maslow (dans l’ordre : la santé, la sécurité, l’appartenance, l’estime des autres et l’accomplissement de soi), estime que les habitations possèdent aujourd’hui des « fonctions d’usage », « liées essentiellement aux besoins de santé et de sécurité (maison-abri) », et des « fonctions d’estime », « directement liées à l’appartenance, l’estime des autres et l’accomplissement de soi ».

3  « Les règles NV 65 fixent les valeurs des charges de la neige et du vent et permettent d’évaluer les efforts correspondants agissant sur la structure d’une construction. Rédigées en 1965, elles ont fait l’objet d’annexes, de révisions, d’addenda en 1967, 1970, 1975, 1976, 1985 (carte neige), 1996 (carte neige), 1999 (carte vent) et 2000 (accumulation de la neige). » (Mayere, 2001)

4  Jacques Veron (2006), dans son ouvrage sur l’urbanisation du monde, note également cette évolution au sein des villes : « Un autre enjeu urbain, c’est d’éviter que la mondialisation ne se traduise par une uniformisation totale des villes, notamment de leurs centres, avec la présence des mêmes enseignes, des mêmes chaines hôtelières internationales, du même design urbain, etc. »

5  « La ville fonctionne comme une entité sociale, capable d’assurer la mise en œuvre de la solidarité devant les périls.[…] Le tracé se fait à partir d’un centre attractif et d’un souci de sécurité : d’où l’importance des murailles, des ponts-levis qu’on lève, et des portes qu’on ferme pour s’abriter du monde hostile » (Bonello, 1998)

6  « Textiles, cuirs, papier et salpêtre représentent en volume la majeure partie des produits transformés dans et par la ville jusqu’au début du XVIIIe siècle. Leurs modes de production dépendent intimement de l’humidité et de la putréfaction ou plutôt de la quantité d’excréments produits dans la ville. L’eau et les fientes sont dans l’économie artisanale des richesses premières qu’il faut stocker, sinon accumuler. En ce sens, les déchets et l’eau sont à l’artisan ce que l’or et l’argent sont à l’état dans la théorie mercantiliste. » (Guillerme, 1990. D’après Benzerzour, 2004)

7  Le facteur de vue du ciel correspond à la portion de ciel observable à partir de la surface considérée. Ce facteur est égal à 1 dans le cas d’une surface plane sans obstacle et varie entre 0 et 1.

8  Campagne METROMEX - METROpolitan Meteorological EXperiment – à Saint-Louis (Etats-Unis) en 1971 ; Campagne ECLAP - Etude de la Couche Limite en Agglomération Parisienne – à Paris en 1994/95 ; Campagne NANTES’99 à Nantes en 1999 ; Campagne ESCOMPTE - Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution atmosphérique et Transport des espèces – à Marseille en 2001 ; Campagne BUBBLE - Basel Urbain Boundary Layer Experiment – à Bâle (Suisse) en 2001/02 ; Campagne CAPITOUL - Canopy and Aerosol Particles Interactions in Toulouse Urbain Layer – à Toulouse en 2004/05 ; et encore bien d’autres à Birmingham (Royaume-Uni), Bologne (Italie), Cracovie (Pologne), Helsinki (Finlande), Copenhague (Danemark) ou encore Hanovre (Allemagne).

9  Le smog est un brouillard dû à la pollution atmosphérique.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Morgane Colombert, Jean-Luc Salagnac, Denis Morand et Youssef Diab, « Le climat et la ville : la nécessité d’une recherche croisant les disciplines », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Hors-série 12 | mai 2012, mis en ligne le 15 mai 2012, consulté le 27 août 2014. URL : http://vertigo.revues.org/11811 ; DOI : 10.4000/vertigo.11811

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Auteurs

Morgane Colombert

Ingénieur et enseignant-chercheur, responsable du pôle énergie et climat, Université Paris Est, École des Ingénieurs de la Ville de Paris (EIVP), Département Construction Environnement, 15 rue Fénelon, 75010 Paris, courriel : morgane.colombert@eivp-paris.fr.

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Jean-Luc Salagnac

Ingénieur chercheur, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, Département Économie et Sciences Humaines, 10 cours Louis Lumière, 94300, Vincennes, courriel : jean-luc.salagnac@cstb.fr.

Denis Morand

Maitre de conférence, Université Paris Est, Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, 5 Bd Descartes, Bâtiment Lavoisier, 77454 Marne la Vallée Cedex 2, courriel : denis.morand@univ-mlv.fr.

Youssef Diab

Professeur des Universités, Université Paris Est, Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, 5 Bd Descartes, Bâtiment Lavoisier, 77454 Marne la Vallée Cedex 2 ; et École des Ingénieurs de la Ville de Paris, 15 rue Fénelon, 75010 Paris, courriel : youssef.diab@univ-mlv.fr.

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