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Université Paris-Est
École Doctorale Ville et Environnement
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est
Spécialité : Génie urbain
présentée et soutenue publiquement par
Morgane Colombert
le 8 décembre 2008
Contribution à l’analyse de la prise en compte du climat
urbain dans les différents moyens d’intervention sur la ville
Contribution to the analysis of various means to take into account urban climate
in urban planning
Directeur de thèse
Youssef Diab
Jury
ACHARD Gilbert Rapporteur
ADOLPHE Luc Rapporteur
DIAB Youssef Directeur de thèse
MASSON Valéry Examinateur
MORAND Denis Examinateur
SALAGNAC Jean-Luc Examinateur
TASSIN Bruno Président du jury
© UMLV
tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Avant propos
Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre d’une thèse financée par une Convention
Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE).
Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), l’Ecole des Ingénieurs de la Ville
de Paris (EIVP) et le laboratoire de recherche Génie Urbain, Environnement et Habitat
(LGUEH) de l’Université Paris Est ont constitué avec l’Agence Nationale de la Recherche
Technique (ANRT) les partenaires de ce projet de recherche.
La thèse a été réalisée en majorité au sein du laboratoire Services, Process, Innovation (LSPI)
du département Economie et Sciences Humaines du CSTB.
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Remerciements
Je souhaite exprimer ici toute ma reconnaissance et mon estime à Youssef Diab pour avoir
accepté de diriger ce travail de thèse.
Que Jean-Luc Salagnac, qui a co-encadré mon travail de thèse au CSTB, soit également
remercié pour sa disponibilité et ses relectures attentives durant ces trois années.
Que Denis Morand, qui a co-encadré pour l’université mon travail de thèse, soit également
convaincu de toute ma gratitude, et qu’il soit remercié pour ses nombreux conseils tout au
long de ma réflexion et de la rédaction.
Mes remerciements s’adressent également aux membres du jury qui ont accepté de participer
à mon jury de thèse : Gilbert Achard, Luc Adolphe, Valéry Masson et Bruno Tassin.
Je tiens également à remercier Patrick Lemoigne, Aude Lemonsu, et Grégoire Pigeon du
CNRM qui m’ont accueilli avec Valéry Masson à Toulouse pour m’initier à TEB et m’ont
apporté durant ces trois ans une aide précieuse pour mettre en œuvre mes modélisations
numériques.
Je remercie également les personnes ayant participé à mon comité de thèse et contribué ainsi à
m’ouvrir aux problématiques qui se posent dans leur métier : André-Marie Bourlon, Marc
Gillet, Jacques Rilling et Christian Thibault.
Durant cette thèse, j’ai eu l’occasion d’interagir avec de nombreuses personnes que je tiens
également à remercier : Vincent Becue, Benoit Bernard, Serge Bethelot, Nathalie Bintner,
Thomas Bonierbale, Daniel Cadé, Julien Desplat, Yann Françoise, Marc Gayda, Pierre
Kermen, Raphaëlle Kounkou-Arnaud, Frédéric Jacques, Sophie Labbouz, Sophie Morel,
Didier Olivry, Bertrand Riffiod, Claire Saint-Pierre, Serge Salat, Taoufik Souami, Nicolas
Texier, Nathalie Touze-Foltz, Damien Serre, François Wouts, et tous les autres que je ne cite
pas mais n’oublie pas.
Merci à l’ensemble de mes (ex)collègues du CSTB et du 4 avenue Recteur Poincaré, et tout
particulièrement Frédéric, Anne-Lyse et Nathalie, pour leur soutien de chaque instant et les
bons moments passés ensemble : Barbara Allen, Marguerite Bonnin, Michel Bonetti, Joël
Boutigny, Jean Bouvier, Jean Carassus, Orlando Catarina, José Carvalho, Marc Colombard-
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Prout, Sophie Cruz, Claude Da Costa, Anne-Lyse Desnottes, Laurence Dubois, Hervé Duret,
Patrick Elias, José Fontan, Sophie Grillat, Haitham Joumni, Françoise Jovelet, Joëlle Laffitte,
Lydie Laigle, Mireille Lauffenburger, Marie Llorente, Emmanuelle Loyson, Dorothée
Marchand, Marinette Orlach, Pascale Pagliarini, Dominique Pompini, Nadine Roudil, Maëva
Sabre, Christian Sacré, José Sebbane, Samer Sliteen, Nicolas Taillefer, Nicole Tolle, Mélanie
Tual, Xavier Desjardin, Céline Varenio, Nathalie Weiss, et tous les autres.
Merci également à mes amis pour les moments de décompression. C’est essentiel !
Mes plus grands remerciements vont à ma famille, Colette, Delphine et Thierry, qui m’ont
encouragé à me lancer dans cette aventure et ont su m’apporter un soutien sans faille. Je
n’oublie pas non plus Jean-François, Marianne et Nicolas, ainsi que mes grands-parents
Aline, Elise, Jean et Yves.
Enfin, un immense remerciement à celui sans qui ces trois années auraient paru bien longues,
sans qui le courage m’aurait sans doute parfois manqué, avec qui j’ai pu partager les doutes et
les joies du travail de thèse : Antoine.

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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Résumé
Le milieu urbain est à l'origine de processus radiatifs, thermiques, dynamiques et hydriques
qui modifient le climat de la ville. La couche superficielle du sol, avec la présence plus ou
moins importante de surfaces végétales ou d’eau, les activités humaines qui induisent des
rejets de chaleur et de polluants, et la structure urbaine, avec des matériaux de construction et
une certaine morphologie du cadre bâti, sont les principaux facteurs de cette modification.
Le bilan d'énergie thermique permet d'appréhender la majorité des perturbations générées par
la ville. A l'aide du schéma Town Energy Balance, développé par Météo-France pour
paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l'atmosphère, nous
avons effectué des tests de sensibilité du bilan d'énergie à différents facteurs. Ces facteurs
appartiennent à cinq domaines d'actions : le bâtiment, l'espace public, l'organisation urbaine,
les activités industrielles et les transports.
Nos différentes simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres
radiatifs dans le bilan d'énergie de la ville en été. Durant l'hiver, ce sont d’autres paramètres
thermiques (isolation) qui ont la plus grande influence.
Les collectivités territoriales françaises ont à leur disposition plusieurs outils et moyens pour
agir en faveur de leur environnement climatique et intégrer des facteurs influant sur le climat
urbain : leurs domaines de compétence directe (voirie, bâtiments communaux, espaces verts,
etc.), les documents stratégiques d'orientation (SCOT et PLU), les procédures d'aménagement
(ZAC et lotissement), l'incitation et l'information de leurs citoyens et de leurs services
(Agenda 21 local, Plan Climat Territorial, Approche Environnementale de l'Urbanisme). Elles
ne peuvent cependant pas agir avec une liberté suffisante, compte tenu des limites
contraignantes entre droit de l’urbanisme et droit de la construction et de l’habitat.
Mots-clés
Climatologie urbaine, îlot de chaleur urbain, bilan d’énergie, Town Energy Balance,
modélisation numérique, urbanisme réglementaire, urbanisme opérationnel, Agenda 21, plan
climat.
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Abstract
Urbanization, with artificial surfaces replacing natural land, more anthropogenic heat and
urban geometry, modifies the micro and meso scale climate. Such modifications do alter the
radiative, thermal, moisture and aerodynamics properties of the urban environment.
The study of energy balance could help understanding most of these changes. In this thesis,
we used the urban surface exchange parameterization of Météo-France: Town Energy
Balance, which computes water and energy exchanges between urban surfaces and
atmosphere. In order to study the significance of different factors, we made a sensivity study.
Factors are filed in five fields: building, public space, land use, industrial activities and
transports.
Our simulations showed that radiative parameters are the most influential during the summer.
During winter, other thermal parameters (insulation) are the most influential.
French local authorities could use several tools and means to act in favor of their climatic
environment: their fields of direct jurisdiction (roads, parks, buildings which are owned by the
community, etc.), guidance documents (SCOT and PLU), development procedures (urban
development zone and building plotting), and incitement and pieces of information for their
citizens and their agencies (local Agenda 21, Plan Climat, Approche Environnementale de
l'Urbanisme). They can not work completely freely because of the boundary between urban
planning law and building and dwelling law.

Keywords
Urban climatology, urban heat island, energy balance, numerical modelling, regulatory urban
planning, operational urban planning, Agenda 21.
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010Table des matières
Introduction 31
Première partie : Contexte et analyse bibliographique 37
I Introduction 38
II Climatologie urbaine : une science en évolution 40
II.1 Naissance et évolution de la climatologie urbaine 40
II.2 Climatologie urbaine : une science pluridisciplinaire ? 44
II.3 Prise en compte du climat urbain dans l’aménagement et l’architecture : quelques
exemples 45
II.4 Rafraichissement des villes : quelques exemples 49
II.5 La ville « idéale » 53
II.6 Conclusion 58
III Préambule à l’explication des phénomènes physiques à l’origine de la formation du
climat urbain 60
IV Phénomènes engendrés à l’échelle de la rue 64
IV.1 Impacts sur les écoulements de l’air 64
IV.2 Modification de l’évapotranspiration 65
IV.3 Apports anthropiques de chaleur 66
IV.4 Impacts radiatifs et thermiques 68
V Phénomènes engendrés à l’échelle de la ville 75
V.1 Modification du bilan radiatif de la ville 77
V.1.1 Rayonnement solaire incident (K↓) 77
V.1.2 Rayonnement solaire réfléchi (αK↓) 79
V.1.3 Rayonnement thermique atmosphérique descendant de grande longueur d’onde (L↓) 80
V.1.4 Rayonnement thermique ascendant (L↑) 81
V.1.5 Rayonnement net (Q*) 83
V.2 Modification du bilan d’énergie thermique de la ville 84
V.2.1 Flux de chaleur d’origine anthropique (Q ) 85 F
V.2.2 Variation de la quantité de chaleur stockée (Q ) 86 S
V.2.3 Flux de chaleur sensible (Q ) 86 H
V.2.4 Flux de chaleur latente (Q ) 86 E
V.2.5 Flux de chaleur advectif (∆Q ) 87 A
V.2.6 Synthèse 87
V.3 Modification du bilan hydrique de la ville 89
V.4 Mouvements des masses d’air et rugosité du milieu urbain 91
V.5 Précipitations et les averses orageuses 94
V.6 Variations journalières et saisonnières de l’intensité des modifications climatiques 99
VI Rôle de différents facteurs dans la formation du climat urbain 104
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010VI.1 Couche superficielle du sol 106
VI.1.1 Surfaces végétales 106
VI.1.2 Surfaces d’eau 109
VI.2 Activités humaines 109
VI.2.1 Activités polluantes 109
VI.2.2 Sources de chaleur 110
VI.3 Structure urbaine 112
VI.3.1 Morphologie du cadre bâti 112
VI.3.2 Matériaux de surface 114
VII Synthèse 124
Deuxième partie : Méthodes et modèles de simulation numérique 127
I Déroulement de la recherche et méthodes utilisées 128
II Modèles de simulation numérique du climat urbain 130
II.1 Modèles climatiques à échelle locale 130
II.1.1 ENVI-met (Environmental Meteorology) 130
II.1.2 SOLENE 133
II.2 Modèles climatiques de l’échelle locale à la méso-échelle 136
II.2.1 Modèles empiriques 136
II.2.2 Modèles d’espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées 139
II.2.3 Modèles de la canopée urbaine 143
Troisième partie : Quantification des effets de différents facteurs sur le climat urbain 151
I Introduction 152
II Proposition de domaines d’actions et de leviers pour agir sur le climat urbain 153
II.1 Bâtiment 153
II.2 Espace public 154
II.3 Organisation spatiale 155
II.4 Synthèse des leviers d’actions et des critères d’évaluation en relation avec la
climatologie urbaine 158
III Choix d’un modèle de simulation numérique et analyse de sa portée et de ses limites
162
III.1 Choix d’un modèle de simulation numérique selon sa portée 162
III.2 Hypothèses et limites du modèle choisi 164
IV Choix d’une ville-témoin : Paris ou ‘urbain dense’ 168
IV.1 Paris, une ville très minérale 168
IV.2 Morphologie et géométrie de Paris 171
IV.2.1 Hauteur moyenne des bâtiments et longueur de rugosité dynamique du couvert urbain 173
IV.2.2 Fraction occupée par les bâtiments 174
IV.2.3 Facteur de forme 175
IV.3 Flux de chaleur liés aux différentes activités de Paris 176
IV.4 Matériaux de constructions parisiens 179
IV.4.1 Hypothèses de calcul 179
IV.4.2 Caractéristiques thermiques et radiatives des murs 180
IV.4.3 Caractéristiques thermiques et radiatives de la voirie 183
IV.4.4 Caractéristiques thermiques et radiatives des toits 185
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tel-00470536, version 1 - 6 Apr 2010