Impact de la végétalisation sur l’îlot de chaleur urbain et la pollution d’ozone : quantification par une approche de modélisation à l’échelle d’un quartier

Impact of green areas on the urban heat island and ozone pollution : quantification using a neighbourhood scale modelling approach

• Auteur / Autrice : Sonia Le Mentec
• Direction : Erwan Personne, Denis Flick, Patrick Stella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Aaron Boone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Coll, Nadège Martine Blond, Eric Ceschia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aaron Boone, Isabelle Coll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Services écosystémiques

Pollution atmosphérique

Modèles écologiques

Microclimat urbain

Ozone atmosphérique

Îlot thermique urbain

Végétalisation

Mots clés libres

Ilots de chaleur urbains

Ozone atmosphérique

Modélisation

Microclimat

Dépôt sec

Végétation en ville

Urban heat island

Atmospheric ozone

Modelling

Microclimate

Dry deposition

Urban vegetation

Résumé

Les îlots de chaleur et la pollution atmosphérique sont des phénomènes importants dans les zones urbaines. Le premier se traduit par une exacerbation de la température nocturne estivale et des épisodes de vagues de chaleur en été. Le second consiste en l’augmentation des concentrations en polluants atmosphériques dans la ville. Un polluant a retenu notre attention : l’ozone atmosphérique, polluant surtout présent dans les zones rurales à l’exception des périodes de conditions anticycloniques au printemps et en été où la concentration augmente dans les villes. Du fait que ces phénomènes ont des conséquences néfastes sur la santé, l’environnement et l’économie et que l’urbanisation s’accroit, il est devenu une priorité de trouver des solutions pour les atténuer. Une des solutions existantes est la végétalisation des surfaces urbaines. La végétation permet de rafraichir la ville grâce à son effet d’ombrage et son évapotranspiration et de dépolluer l’air en ozone grâce au dépôt de l’ozone sur les surfaces et au travers des stomates des feuilles. Un défi actuel de la communauté scientifique est de quantifier le bénéfice apporté par la végétation des villes. Ceci passe par le développement d’un outil permettant de décrire l’interconnexion entre le microclimat, l’ozone en ville et la végétation, en intégrant ses processus écophysiologiques, ce qui a été le but de cette thèse. Pour cela, le couplage de deux modèles existants a été réalisé : le modèle de microclimat urbain Town Energy Balance (TEB) et le modèle de transferts sol-végétation-atmosphère Surfatm. L’originalité du travail scientifique proposé est d’avoir inclus le dépôt sec de l’ozone sur les surfaces végétalisées et artificielles. Le modèle couplé a été évalué avec des données mesurées sur un site à Strasbourg (France) pour les flux de chaleur. Les mesures valident le modèle quand la zone étudiée par le modèle et la surface, à l’origine de la masse d’air prise en compte par les capteurs de la station météorologique (empreinte de mesure) correspondent. Dans le cas contraire, cela engendre des écarts mesures/modèle en fonction de l'hétérogénéité des surfaces prises en compte. Des tests ont été réalisés pour comprendre l’impact des surfaces étudiées (sol, végétation, mur…) sur les variables relatives au dépôt d’ozone. Les flux sur la végétation sont plus importants que les flux d’ozone sur les autres surfaces mais la présence de végétation a un impact assez faible avec une diminution de 5.9% de la concentration en ozone dans le canyon. Ce flux varie en fonction du stade de développement et du type de végétation. Choisir une végétation haute et dense comme des arbres, permet une meilleure dépollution de l’ozone atmosphérique du canyon et d’optimiser les flux d’ozone par rapport à végétation basse comme de la pelouse.

Heat islands and air pollution are important phenomena in urban areas. The former is the exacerbation of summer nighttime temperatures and heatwave episodes in summer. The latter is the increase in air pollutant concentrations in the city. One pollutant has caught our attention: atmospheric ozone, mainly present in rural areas, except during periods of anticyclonic conditions in spring and summer, when the concentration rises in cities. Since these phenomena have negative consequences on health, environment and economy, and since urbanization is increasing, it has become a priority to find solutions to mitigate them. One of the existing solutions is to add urban vegetation. Vegetation allows to cool the city thanks to its shading effect and its evapotranspiration and to clean the air of ozone thanks to the deposition of ozone on surfaces and through leaves’ stomata. A current challenge of the scientific community is to develop a model to describe the interconnection between microclimate, urban ozone and vegetation, integrating its ecophysiological processes, which was the goal of this PhD. For this purpose, the coupling of two existing models was carried out: the urban microclimate model Town Energy Balance (TEB) and the soil-vegetation-atmosphere transfer model Surfatm. The originality of the proposed scientific work is to have included the dry deposition of ozone on vegetated and artificial surfaces. The coupled model has been evaluated with measured data on a site in Strasbourg (France) for heat fluxes. The variability of the model accuracy depended on the measurement footprint related to the heterogeneity of the site characteristics: while the measurement footprint fitted with the area, characteristics considered by the model. Tests have been performed to understand the impact of the studied surfaces (soil, vegetation, walls …) on the ozone deposition variables. Fluxes on vegetation are more important than the ozone fluxes on the other surfaces hence the presence of vegetation has a rather weak impact with a 5.9% decrease of the ozone concentration in the canyon. This flux varies with the stage of development and type of vegetation. Choosing high, dense vegetation, such as trees, provides better atmospheric ozone removal from the canyon and optimizes ozone fluxes compared to low vegetation such as lawns.