Thèse Méthodologie pour la Constitution de Jeux Données de Validation à Destination des Modèles Climatiques Urbains à Fine Échelle H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Bordeaux École doctorale : Sciences Physiques et de l'Ingénieur Laboratoire de recherche : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux Direction de la thèse : Mehdi SBARTAI Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59 Le changement climatique soumet les villes à des tensions thermiques croissantes. La concentration de surfaces imperméables, de bâtiments et d'activités humaines génère des îlots de chaleur urbains (ICU) : des zones dont la température dépasse significativement celle des campagnes environnantes, particulièrement la nuit lorsque les matériaux urbains restituent la chaleur accumulée. Le sixième rapport du GIEC (2021-2023) confirme que les vagues de chaleur seront plus longues, plus fréquentes et plus intenses en Europe comme en Asie du Sud-Est. D'ici 2050, 70 % de la population mondiale vivra en ville, aggravant ces dynamiques.
Les conséquences sont multiples. Sur le plan sanitaire, la canicule européenne de 2003 a causé plus de 70 000 décès supplémentaires. À Jakarta, des études documentent une corrélation directe entre températures nocturnes élevées et hospitalisations cardiovasculaires. Les ICU favorisent aussi la formation d'ozone troposphérique, accélèrent la dégradation des matériaux et surchargent les réseaux électriques.
Anticiper ces effets repose sur des modèles climatiques urbains opérant à deux échelles. À l'échelle de la ville (100 m - 1 km), TEB et WRF/UCM simulent les bilans énergétiques et les flux turbulents. À l'échelle du quartier (1-10 m), Solene-microclimat et ENVI-met calculent les températures de surface et d'air en intégrant ensoleillement, ventilation et propriétés des matériaux. Malgré leur maturité, ces modèles souffrent d'un déficit de validation : les réseaux météorologiques classiques sont trop espacés pour capturer la variabilité thermique intra-urbaine, et les données disponibles restent hétérogènes et non standardisées.
Cette thèse développe une méthodologie systématique pour constituer des jeux de données de validation à résolution décamétrique. Elle repose sur deux piliers. Le premier est la classification en zones climatiques locales (LCZ), développée par Stewart et Oke (2012), qui catégorise les environnements urbains en dix-sept types selon leur morphologie et leurs propriétés thermiques. Le second est GeoClimate (Bocher et al., 2021), boîte à outils géospatiale open source calculant plus de cent indicateurs urbains à partir d'OpenStreetMap : Sky View Factor, Aspect Ratio, fraction de végétation et albédo moyen. Ces indicateurs guident le positionnement des stations fixes et la conception des itinéraires de mesures mobiles pour couvrir l'ensemble des LCZ identifiées.
Une campagne estivale est prévue en deuxième année sur deux terrains contrastés, Lille et Bordeaux, pour tester la robustesse et la transférabilité de la méthodologie, avant application à des villes indonésiennes comme Jakarta ou Bandung. Des modèles mieux validés produiront des projections plus fiables, outillant urbanistes et décideurs pour concevoir des stratégies d'adaptation ciblées face aux vagues de chaleur. Anticiper et atténuer les effets des ICU repose sur des modèles climatiques urbains capables de simuler les échanges d'énergie et de masse entre les surfaces urbaines et l'atmosphère. Ces modèles se répartissent en deux catégories selon leur résolution spatiale. À l'échelle de la ville (100 m à 1 km), les modèles TEB et WRF dominent. TEB (Town Energy Balance), développé par le CNRM et décrit par Masson (2000), est intégré au modèle atmosphérique Meso-NH. Il calcule les bilans énergétiques urbains en tenant compte de la géométrie des bâtiments, des propriétés thermiques des matériaux et de la végétation. WRF (Weather Research and Forecasting), couplé au module Urban Canopy Model (UCM), constitue un autre outil de référence pour les études climatiques à résolution kilométrique, en simulant les flux turbulents, la chaleur latente et sensible, et les ICU (Chen et al., 2011). À l'échelle du quartier (1 à 10 m), deux modèles s'imposent. Solene-microclimat, développé par le laboratoire CERMA à Nantes, calcule en trois dimensions les températures de surface et d'air en fonction de l'ensoleillement, de la ventilation et des propriétés des matériaux (Musy et al., 2018). ENVI-met, développé par Bruse en Allemagne, simule les flux de chaleur, l'humidité et la dispersion des polluants à l'échelle du quartier, et permet d'évaluer des stratégies d'adaptation comme la végétalisation ou l'usage de matériaux réfléchissants (Bruse & Fleer, 1998). Malgré la maturité de ces outils, leur validation reste insuffisante à fine échelle. Les réseaux de stations météorologiques classiques, comme celui de Météo-France, présentent une résolution spatiale trop grossière pour capturer la variabilité thermique intra-urbaine. Les données disponibles proviennent de sources hétérogènes, avec des protocoles de mesure non standardisés, ce qui compromet leur exploitabilité pour la validation décamétrique. Ce verrou méthodologique constitue le point de départ de cette thèse. Cette thèse apporte trois contributions distinctes à la climatologie urbaine. La première est méthodologique : elle propose un protocole systématique et reproductible pour constituer des jeux de données de validation à l'échelle décamétrique, une résolution rarement atteinte dans les études existantes. L'originalité réside dans l'articulation entre classification LCZ, indicateurs morphologiques calculés par GeoClimate, et stratégie d'échantillonnage spatial optimisé. La deuxième contribution est instrumentale : la combinaison de mesures fixes et mobiles permet de capturer simultanément la variabilité temporelle et spatiale des températures urbaines, deux dimensions que les approches classiques traitent rarement de façon conjointe. La troisième contribution est la transférabilité de la démarche. GeoClimate repose sur OpenStreetMap, disponible mondialement. La méthodologie s'articule autour de deux leviers principaux : la classification LCZ et l'outil géospatial GeoClimate.
Les zones climatiques locales (LCZ)
Développées par Stewart et Oke (2012), les LCZ constituent un système de classification standardisé des environnements urbains en dix-sept types : dix types urbains et sept types naturels. Chaque type est défini par des propriétés morphologiques et thermiques spécifiques. La LCZ 1 ('Compact High-rise') regroupe des bâtiments dépassant vingt-cinq mètres dans des zones à forte densité, comme le centre de Jakarta. La LCZ 2 ('Compact Mid-rise') correspond à des quartiers résidentiels denses avec des bâtiments de dix à vingt-cinq mètres, comme certains secteurs de Bandung. La LCZ A ('Dense Trees') désigne des espaces boisés ou des parcs urbains denses, comme le parc de Ragunan à Jakarta.L'intérêt des LCZ est triple. Elles offrent un cadre de classification reproductible entre villes. Elles permettent d'associer des comportements thermiques spécifiques à chaque type d'environnement. Elles s'intègrent directement aux modèles climatiques urbains comme WRF/UCM et ENVI-met, facilitant la confrontation entre simulations et observations. GeoClimate et les indicateurs urbainsPour produire des cartes de LCZ de façon automatique et systématique, la méthodologie s'appuie sur GeoClimate, boîte à outils géospatiale open source développée par Bocher et al. (2021). Cet outil calcule plus d'une centaine d'indicateurs urbains à trois niveaux d'agrégation spatiale : le bâtiment, l'îlot et le quartier. Il s'alimente en données spatiales ouvertes, principalement OpenStreetMap, ce qui garantit son applicabilité mondiale. Quatre indicateurs jouent un rôle central dans la stratégie de mesure. Le Sky View Factor (SVF) quantifie la fraction de ciel visible depuis le sol. Un SVF élevé favorise l'absorption solaire diurne mais accélère la perte de chaleur nocturne par rayonnement. Un SVF faible, caractéristique des canyons urbains étroits, limite la ventilation et favorise l'accumulation de chaleur. L'Aspect Ratio (H/W), rapport entre hauteur des bâtiments et largeur de rue, conditionne la circulation de l'air dans la canopée urbaine. La fraction de végétation mesure la part de surface végétalisée ; la végétation régule les températures par évapotranspiration et constitue un levier majeur d'adaptation. L'albédo moyen caractérise la réflectivité des surfaces urbaines : des revêtements clairs réduisent l'absorption du rayonnement solaire et limitent l'échauffement de surface. Ces indicateurs servent à deux fins opérationnelles : optimiser la localisation des stations météorologiques fixes, et définir les itinéraires, horaires et fréquences des mesures mobiles.

Avoir la nationalité indonésienne