2. Structure de la couche limite urbaine
Un cas particulier de la CLA est la Couche Limite Urbaine
(CLU) qui se développe au-dessus des villes du fait de sa structure
particulière (figure 6). En effet la ville se caractérise par une
forte hétérogénéité des types de surfaces,
des matériaux utilisés, des hauteurs des bâtiments, et par
une longueur de rugosité beaucoup plus grande que les zones rurales ou
même qu'une forêt homogène. Oke (1976) évoque un
principe fondamental pour les recherches en climatologie urbaine qui ont suivi
ses travaux ; il distingue la CLU de la Couche de Canopée Urbaine. Cette
dernière englobe les éléments urbains rugueux, depuis le
sol jusqu'au niveau moyen des toits.
L'échelle des processus existant dans ces deux couches
est en effet à séparer ; dans la Couche de Canopée
Urbaine, l'écoulement et les échanges d'énergie sont
régis par des processus de micro-échelle, et dépendent
précisément du lieu et du type de surface. La sous-couche
rugueuse de la CLU est particulièrement perturbée. Bien qu'elle
existe également pour un sol peu rugueux, son épaisseur devient
beaucoup plus conséquente au-dessus d'une ville. Dans certaines
conditions, elle pourrait atteindre plusieurs fois la hauteur moyenne des
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bâtiments (Arnfield, 2003). L'épaisseur de la
sous-couche rugueuse est en général difficile à
déterminer. Elle est souvent considérée proportionnelle
à la hauteur de la Couche de Canopée Urbaine (Arnfield, 2003 ;
Rotach, 2005), avec un facteur compris entre 2 et 5. Dans cette couche,
l'écoulement ne vérifie pas les conditions
d'homogénéité horizontale et de stationnarité
nécessaires à l'application de la théorie de similitude de
Monin-Obukhov (Annexe 1). Au contraire les flux turbulents varient
fortement.
Figure 6. Représentation schématique de la couche
limite urbaine (CLU) à méso
échelle (a), à
l'échelle locale (b) et à micro-échelle (c) (Piringer
et al, 2002).
La sous-couche inertielle est la zone située au-dessus
de la sous-couche rugueuse et qui s'étend jusqu'au sommet de la couche
de surface. C'est uniquement dans cette partie de la couche de surface que les
conditions d'application de la théorie de Monin-Obukhov sont
réunies. Le problème qui se pose au dessus des villes est que la
sous-couche inertielle peut être très réduite voire
même inexistante dans certaines conditions (Rotach, 2005). Dans tous les
cas, l'altitude de mesure des flux turbulents
au-dessus des villes est donc un paramètre très
important, puisqu'il conditionne l'application de la théorie de
similitude de Monin-Obukhov.
Figure 7 : Cycle diurne de la CLA (Stull,1988 ; Delmas
et al, 2005).
Pour une zone urbaine, la définition de la longueur de
rugosité donnée pour les surfaces naturelles n'est plus valide,
car la densité surfacique et la hauteur des éléments
rugueux sont plus élevées (figure 7). En effet il faut ajouter
une hauteur de déplacement à la longueur de rugosité pour
obtenir l'altitude à laquelle le
profil logarithmique du vent moyen
s'annulerait si on le prolongeait dans la couche de canopée urbaine.
Si l'on se place à méso-échelle, la
présence d'une ville perturbe les caractéristiques de la CLA
existant dans le milieu qui l'environne. En particulier, si le vent est
suffisamment fort, une couche limite interne se développe à
l'endroit du changement brutal de rugosité et de température de
la surface. En effet, à la frontière d'une ville, la CLU prend
forme et s'épaissit vers le centre de la ville. Une zone de transition
se forme également au-dessus, à l'interface entre cette couche et
la couche limite rurale. Plusieurs couches internes se succèdent si la
ville est composée de quartiers bien délimités ayant une
morphologie et des matériaux différents. La CLU forme un panache
sous le vent de la ville, alors que près du sol la CLA est à
nouveau influencée par la surface rurale. (Sylvie Leroyer, 2006).
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2.2 Influence d'une ville sur l'environnement
L'agglomération urbain se caractérise et se
différencié des zones non et faiblement bâties, par :
- La production d'énergie anthropique, quantité
d'énergie due au chauffage des habitations, à la circulation
automobile, et aux industries. Cette grandeur est étroitement
liée à la taille et la densité de la ville, sa fonction et
son industrialisation, ainsi qu'à la zone climatique et aux besoins en
chauffage.
- La réduction de la vitesse du vent dans les basses
couches, en général en raison d'une augmentation de la
rugosité de surface causée par les constructions. Ainsi, par
exemple, à Londres , qui dispose d'un réseau de stations assez
dense en comparaison avec celui des autres villes, sur une période
allant de 1961 à1970, la vitesse moyenne du vent est souvent de 20
à 30% plus faible qu'en dehors de la ville (lee, 1984).
Néanmoins, lors de condition anticyclonique très stables, la
vitesse du vent peut localement être plus élevée en ville
qu'à périphérie. Ceci peut s'observer lorsque le vent
pénètre dans des rues parallèles au flux de circulation
atmosphérique, qui vont donc le canaliser et l'accélérer
par effet Venturi. Selon Oke (1978), un gradient de température entre la
couche urbaine et la couche rurale suffisamment fort pourrait donner naissance
à des brises soufflant de la compagne et convergeant vers le centre
ville, de la même manière que sont générées
les brises de mer.
- La nette diminution de l'évapotranspiration, due
à la réduction de la végétation, ainsi qu'à
l'imperméabilisation de la majorité des surfaces. Un bassin
urbain répond donc plus vite aux précipitations, et les sorties
d'eau par ruissellement y sont plus importantes : le stockage d'eau est moins
important qu'à la compagne. Le réseau d'évacuation des
eaux usées en soustrait un volume considérable.
- Un important stockage de chaleur en journée en raison
des propriétés thermiques des matériaux des constructions.
De plus, la verticalité des façades des immeubles augmente les
surfaces d'échange de rayonnement par rapport à ce que l'on peut
trouver en compagne.
L'importance de ces différents processus est fonction
de la saison, des caractéristiques de la surface urbaine et des
conditions météorologiques. Ainsi, à
titre d'exemple, on comprendra aisément que la
production d'énergie due au chauffage des habitations prédomine
en hiver, et que l'évapotranspiration est plus élevée
après un épisode pluvieux.
Tous ces facteurs sont responsables de caractéristiques
spécifiques sur l'environnement climatique de la ville, dont la
manifestation la plus visible est l'îlot de chaleur urbain.(Nicola
Ringenbach, 2002)
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