UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg

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Niveau: Supérieur
UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection UMR 7005 THESE Présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I par Nicolas RINGENBACH BILAN RADIATIF ET FLUX DE CHALEUR EN CLIMATOLOGIE URBAINE : MESURES, MODELISATION ET VALIDATION SUR STRASBOURG Jury : Dominique GROLEAU rapporteur externe Lütz JAEGER rapporteur externe Joseph KLEINPETER examinateur Jean-Luc MERCIER rapporteur interne Georges NAJJAR examinateur Patrice PAUL invité Marc-Philippe STOLL directeur de thèse

  • flux de chaleur en climatologie urbaine

  • nationale supérieure de physique de strasbourg

  • jury

  • réalisation du modèle géométrique

  • pasteur de strasbourg

  • maître de conférence ulp


Publié le : mardi 29 mai 2012
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UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I
Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg

Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la Télédétection
UMR 7005




THESE


Présentée pour obtenir le grade de

Docteur de l’Université Louis Pasteur Strasbourg I

par

Nicolas RINGENBACH





BILAN RADIATIF ET FLUX DE CHALEUR
EN CLIMATOLOGIE URBAINE :
MESURES, MODELISATION ET VALIDATION SUR STRASBOURG





Jury :


Dominique GROLEAU rapporteur externe
Lütz JAEGER rapporteur externe
Joseph KLEINPETER examinateur
Jean-Luc MERCIER rapporteur interne
Georges NAJJAR examinateur
Patrice PAUL invité
Marc-Philippe STOLL directeur de thèse AVANT PROPOS


Que toutes les personnes et organismes qui ont aidé de près ou de loin au déroulement et à
l’aboutissement de ce travail trouvent ici le témoignage de ma reconnaissance. Je tiens à remercier tout
particulièrement :


M. M.P. Stoll, Professeur ULP et directeur du TRIO pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et
dirigé ce travail avec une remarquable attention. Le temps consacré et la qualité de ses conseils ont
énormément contribué à l’aboutissement de ce travail.

M. G. Najjar, Maître de conférence ULP ; pour la co-direction de cette thèse, l’énergie considérable
déployée au cours de la campagne de mesures, et l’aide précieuse apportée tout au long de ce travail

F. Nerry (CR1/CNRS) et J. Labed-Nachbrand (Maître de conférence ULP) pour leur gentillesse, leur
soutien précieux, et l’aide indispensable apportée pour le traitement des données de télédétection.

J. Colin pour ses conseils en informatique et sa disponibilité.

P. Kastendeuch (Maître de conférence ULP), D. Viville, R. Luhahe, J. Bernard, A. De Hatten, C.
Wang qui, au même titre que les personnes précitées, ont participé de manière active à la campagne de
mesures.

Les personnes qui ont mis les sites de mesures à notre disposition : M. J.L. Mercier pour la Faculté de
Géographie, M. F. Kern pour le PEGE, M. M. Cara pour l’IPG et Mme M.C. Cretton pour l’INSA.

Tous ceux qui nous ont prêté du matériel afin de mener à bien notre campagne de mesures : M. A.
Target (ASPA), M. J. Galle, P. Lesobre et M. A. Coppalle (CORIA- Rouen), M. J.C. Lagouarde
(INRA Bordeaux), M. J.P. Combe et M. J.M. Rosant (ECN- Nantes).

Aux sociétés Campbell Scientific (M. N. Crescenzo) et Kipp&Zonen (M. J.P. Oliver) pour l’aide et la
mise à disposition de matériel.

M. D. Steiger (technicien à l’ASPA) pour l’aide très précieuse apportée lors de la réalisation de la
campagne de mesures.

M. D. Groleau (CERMA- Nantes) pour la mise à disposition du modèle SOLENE, la formation
dispensée, sa participation et son implication active ainsi que pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail.

M. P. Grussenmeyer et M. S. Guillemin (INSA) pour l’aide qu’ils ont apporté dans la réalisation du
modèle géométrique.

Mme T. Neusch (INSA) pour l’aide apportée dans la classification à partir des images aéroportées.

M. F. Fiedler, Professeur à la retraite de Institut Météorologique de Karlsruhe d’avoir mis à notre
disposition un banc de radiosondages et l’intérêt porté à notre campagne de mesures et à l’exploitation
des résultats.

Messieurs D. Groleau, L. Jaeger, J. Kleinpeter, J.L. Mercier et P. Paul d’avoir bien voulu accepter de
faire partie du jury et de l’intérêt porté à ce travail.

L’ensemble de mes collègues du TRIO, ainsi que tous les doctorants et stagiaires que j’ai croisé tout
au long de mon travail pour leur collaboration amicale et l’ambiance sympathique que j’ai trouvé au
laboratoire.
Mme O. Opériol pour le soin et les conseils prodigués lors de la reproduction de cette thèse.

Ma famille, mes amis et Maria pour leur soutien tout au long de ce travail de thèse.

Enfin, tous ceux qui ont vu de près ou de loin ce travail et qui n’ont pas été cités ci-dessus.
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................1
1- Etat de l’art .............................................................................................................................5
1.1 Synthèse bibliographique : de la climatologie à la climatologie urbaine .........................5
1.1.1 Influence d’une ville sur son environnement.............................................................5
1.1.2 L’îlot de chaleur urbain..............................................................................................6
1.1.2.1 Caractéristiques temporelles et spatiales ............................................................6
1.1.2.2 L’atmosphère urbaine .........................................................................................8
1.1.3 Bilan radiatif au-dessus d’une ville..........................................................................10
1.1.3.1 Domaine du visible ...........................................................................................11
1.1.3.2 Domaine de l’infrarouge...................................................................................12
1.1.4 Le bilan d’énergie ....................................................................................................13
1.1.4.1 L’énergie anthropique (F).................................................................................13
1.1.4.2 Flux de chaleur dans le sol et les bâtiments (G) ...............................................14
1.1.4.3 Flux de chaleur latente (LE) .............................................................................14
1.1.4.4 Flux de chaleur sensible (H)14
1.2 Problèmes rencontrés en climatologie urbaine et les voies de recherche .......................15
1.2.1 Mesures : campagne et base de données..................................................................15
1.2.2 Modélisation ............................................................................................................16
1.3 Modèles : synthèse bibliographique des modèles développés pour la climatologie
urbaine...................................................................................................................................16
1.3.1 LUMPS ....................................................................................................................17
1.3.2 TEB..........................................................................................................................18
1.3.3 SOLENE ..................................................................................................................19
1.4 Campagnes....20
2- Campagne Strasbourg 2002..................................................................................................23
2.1 Objectifs spécifiques de la campagne.............................................................................23
2.2 Les campagnes antérieures sur Strasbourg et la région ..................................................24
2.3 Sites de mesures..............................................................................................................25
2.3.1 Critères et choix des sites.........................................................................................25
2.3.2 Description des sites ................................................................................................27
2.3.2.1 Le site « rue de l’Argonne » ..................................................................................27
2.3.2.2 Le site « PEGE » ..................................................................................................27
2.3.2.3 Les sites « IPG » et « INSA »................................................................................28
2.4 Mesures...........................................................................................................................28
2.4.1 Les mesures stationnelles28
2.4.2 Les mesures mobiles29
2.4.3 Télédétection : objectifs et moyens..........................................................................31
2.4.3.1 Mesures avion : campagne HYSENS / DAIS..........................................................31
2.4.3.2 Mesures héliportées : moyens utilisés.....................................................................31
2.4.3.3 Mesures sols associées..........................................................................................32
2.4.3.4 Caractérisation atmosphérique : radiosondages.......................................................33
2.5 Base de données..............................................................................................................34
2.5.1 Le système de gestion de base de données ..............................................................34
2.5.2 Le service web sécurisé ...........................................................................................35
3- Résultats expérimentaux : présentation et commentaires.....................................................37
3.1 Mesures micro-météorologiques.....................................................................................37
3.1.1 Température de l’air.................................................................................................37
3.1.2 Tension de vapeur d’eau38
3.1.3 Vitesse du vent.........................................................................................................38
3.2 Flux radiatifs ...................................................................................................................393.2.1 Le rayonnement solaire............................................................................................39
3.2.1.1 Le rayonnement global incident.............................................................................39
3.2.1.2 Le rayonnement réfléchi mesuré horizontalement ...................................................41
3.2.1.3 Le rayonnement réfléchi mesuré verticalement .......................................................42
3.2.1.4 Estimations d’albédo ..............................................................44
3.2.2 Le rayonnement infrarouge......................................................................................45
3.2.2.1 Echelle du canyon ................................................................................................46
3.2.2.2 Echelle du fragment urbain......................................................48
3.2.3 Le rayonnement net..................................................................................................49
3.2.4 Les températures de brillance ........................51
3.3 Flux d’énergie .................................................................................................................52
3.3.1 Rue de l’Argonne.........................................................52
3.3.2 Flux de chaleur sensible mesurés au PEGE et à l’IPG53
3.4 Paramètres géophysiques : réflectances spectrales, albédo, température, émissivité.....54
3.4.1 Température de brillance .........................................................................................54
3.4.1.1 Température de l’eau ............................................................................................54
3.4.1.2 Température de l’asphalte (PEGE)...........................................55
3.4.1.3 Parvis de la Faculté de Droit....................................................56
3.4.2 Réflectances .............................................................................................................57
3.4.3 Albédo......................................................................................................................59
3.4.4 Emissivité..........................................................59
3.4.4.1 PEGE et Rue de l’Argonne....................................................................................59
3.4.4.2. Surfaces identifiables sur les images .....................................................................60
3.4.4.3 Emissivité relative à la bande 8-14µm....................................................61
3.5 Télédétection : bilan des acquisitions .............................................................................62
4- Télédétection ........................................................................................................................65
4.1 Objectifs : échelle du quartier avec mesures terrain associées .......................................65
4.2 Mesures héliportées quartier...........................................................................................66
4.2.1 Capture des images ..................................................................................................66
4.2.2 Passage des comptes numériques aux températures de surface...............................67
4.2.3 « Corrections atmosphériques » sur les mesures sol................................................68
4.2.4 Re-étalonnage de la caméra .....................................................................................70
4.2.5 Images : génération de mosaïques et vérification des températures........................72
4.3 Mesures aéroportées sur l’agglomération .......................................................................73
4.3.1 Prétraitement des images DAIS...............................................................................73
4.3.1.1 Corrections atmosphériques ..................................................................................73
4.3.1.2 Re-étalonnage, vérifications74
4.3.2 Paramètres géophysiques (ou thermo-optiques) ......................................................78
4.3.2.1 Domaine réflectif..................................................................................................78
4.3.2.2 Domaine infrarouge thermique ..............................................................................78
4.3.2.3 Cartes d’albédo et d’émissivité80
5- SOLENE...............................................................................................................................85
5.1 Description du modèle ....................................................................................................85
5.1.1 La géométrie ...........................................................................................................85
5.1.2 Les descripteurs .......................................................................................................87
5.1.3 Simulation................................................................................................................87
5.2 Ce qui doit être renseigné, et comment...........................................................................88
5.2.1 Etapes préliminaires.................................................................................................88
5.2.1.1 Aspects géométriques et masques ..........................................................................88
5.2.1.2 Les facteurs de forme............................................................................................88
5.2.1.3 Le modèle de ciel89
5.2.1.4 Détermination du rayonnement solaire incident ......................................................89
5.2.2 Paramètres d’entrée et préparation d’une simulation...............................................90
5.2.2.1 Constitution de la base des matériaux :...................................................................90
5.2.2.2 La fonction transitoire-h-option1c90
5.3 Le déroulement de la simulation.....................................................................................92
5.3.1 Flux solaire net.........................................................................................................92
5.3.2 Températures équivalentes.......................................................................................93
5.3.3 Flux en grande longueur d’onde ..............................................................................93
5.3.4 Température de surface94
5.3.5 Etude de la convergence des températures ..............................................................96
5.4 Quelles sont les « sorties »..............................................................................................97
6- Comparaison modèle/mesures intra-canopée .......................................................................99
6.1 Domaine du rayonnement global....................................................................................99
6.1.1 Le rayonnement global incident...............................................................................99
6.1.2 Choix des albédos et rayonnement réfléchi. ..........................................................100
6.1.2.1 Fond du canyon..................................................................................................101
6.1.2.2 Albédo des façades claires...................................................................................102
6.1.2.3 Façade ESE du bâtiment de la faculté de géographie.............................................104
6.1.3 Conclusions sur le domaine du rayonnement global105
6.2 Domaine du rayonnement infrarouge (LW) .................................................................105
6.2.1 Test de sensibilité des données d’entrée ................................................................105
6.2.1.1 Le paramètre convectif hc106
6.2.1.2 Les propriétés thermiques des matériaux ..............................................................107
6.2.2 Choix des propriétés thermiques des matériaux : cas particulier du fond du canyon.
.........................................................................................................................................108
6.2.3 Analyse des mesures radiométriques EVEREST (rue et mur) ..............................112
6.2.3.1 Température de surface de la rue .........................................................................113
6.2.3.2 Tempface de la façade ....................................................................114
6.2.4 Analyse des thermographies des murs...................................................................115
6.2.5 Analyse du flux infrarouge (LW) ..........................................................................117
6.3 Conclusion sur le domaine du rayonnement infrarouge ...............................................118
7- Télédétection, modèle et mesures intégrées ....................................................................................121
7.1 Renseigner SOLENE par télédétection.........................................................................121
7.2 Comparaison des sorties température de surface et rayonnement net avec les valeurs
obtenues par télédétection...................................................................................................122
7.2.1 Les températures de surface...................................................................................122
7.2.2 Le rayonnement net................................................................................................123
7.3 Grandeurs intégrées spatialement .................................................................................125
7.3.1 Comparaison mesures mât/sorties SOLENE .........................................................125
7.3.1.1 Rayonnement global réfléchi...............................................................................125
7.3.1.2 Rayonnement infrarouge émis par la surface ........................................................126
7.3.2 Comparaison mesures mâts/images DAIS.............................................................127
7.3.2.1 Albédo...............................................................................................................128
7.3.2.2 Température de surface.......................................................................................129
7.3.2.3 Le rayonnement net ............................................................................................131
7.4 Retour sur le flux de chaleur sensible...........................................................................132
7.4.1 Site de la rue de l’Argonne ....................................................................................133
7.4.2 Le site du PEGE.....................................................................................................134
7.4.3 Le site de l’IPG ......................................................................................................137
7.5 Variabilité spatiale du rayonnement net à l’échelle de l’agglomération.......................139
CONCLUSION GENERALE..............................................................................................................143
BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................................147
Annexe A Rappels : radiométrie et télédétection...........................................................151
A.1 Radiométrie.............................................................................................................151
A.1.1 Luminance - Eclairement......................................................................................151
A.1.2 Réflexion du rayonnement152
A.1.3 Emission de rayonnement .....................................................................................152
A.1.4 Relations liées à la conservation de l’énergie .......................................................153
A.2 Radiomètres et instruments154
A.2.1 Principe .................................................................................................................154
A.2.2 Etalonnage et manipulation des signaux d’un radiomètre à bande large..............155
A.3 Mesures par télédétection .......................................................................................156
A.3.1 Rôle de l’atmosphère ............................................................................................156
A.3.2 Corrections atmosphériques..................................................................................157
A.3.3 Problématique de la mesure dans l’infrarouge......................................................158
Annexe B Profils verticaux de l’atmosphère .......................................................................................161
Annexe C Estimation de l’effet de miroitement ..................................................................................165


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