Le modèle TEB ("Town Energy Balance" en anglais), (Masson 2000) a été développé pour calculer les échanges d’énergie et d’eau entre les villes et l’atmosphère. Il a été inclus dans le module de modélisation surface-atmosphère SURFEX, lui-même couplé avec les modèles atmosphériques de prévision du temps (AROME, ARPEGE) et de recherche (MesoNH). TEB a aussi été couplé dans les modèles américains ARPS (pour étudier l’impact urbain sur les orages sur Saint-Louis, USA, Rozoff et al 2003), RAMS et WRF.

 Processus à l’échelle des quartiers

Les processus importants qui influencent les échanges d’énergie avec l’atmosphère sont pris en compte dans TEB (cf figure). TEB est le seul modèle de ce type à considérer autant de processus, notamment ceux liés au cycle de l’eau :

– Géométrie 3D de la ville

– Ombres, piégeage radiatif

– Conduction de chaleur à travers les toits, routes et murs. Ce processus est traité spécifiquement pour chaque surface, pour tenir compte des différents matériaux.

– Interception de l’eau de pluie, évaporation et ruissellement. Le manteau neigeux sur les toits et les routes est aussi modélisé (et validé sur la ville de Montréal).

– Échanges turbulents et micro-climat dans la rue

 Processus à l’échelle d’un bâtiment

Les processus ci-dessus sont les plus importants pour simuler les échange d’énergie et d’eau vers l’atmosphère (et donc influençant fortement la météorologie locale). Ils ont tous été pris en compte dans la première version de TEB. De nouveaux processus sont en cours de développement, en particulier pour les études d’impact à échelle fine :

– Ombres sur et de la végétation et influence des jardins sur les formes urbaines

– Bilan d’énergie à l’intérieur des bâtiments et ajout des fenêtres

– Paramétrisation du chauffage et de la climatisation

– Indice de confort humain (à l’extérieur ou à l’intérieur)

 concepts du modèle TEB

Le premier avantage de TEB est de tenir compte d’un grand nombre de processus physiques, tout en profitant d’un concept de paramétrisation efficace permettant des simulation numériques rapides sur des zones étendues. Par exemple :

– Chaque bâtiment individuel n’est pas reproduit, avec sa géométrie exacte (sa forme, la pente exacte du toit, son agencement, etc...). TEB conserve simplement la principale caractéristique géométrique interagissant sur les échanges énergétiques et radiatifs : une longue rue avec deux bâtiments identiques se faisant face, appelée aussi la "rue canyon".

– De la même façon, pour les calculs de bilan d’énergie, il n’est pas nécessaire de simuler un nombre important de rues avec des orientations différentes. Seul un calcul est effectué, en moyennant azimuthalement (sur toutes les directions) apports solaires et vent. Cependant, pour les études d’impact (par exemple pour le confort des piétons), une version du modèle où la direction de la rue est fixée sera plutôt utilisée.

– Les mouvements et caractéristiques de l’air dans la rue canyon ne sont pas simulée avec un code de mécanique des fluides (permettant des calculs au sein d’obstacles avec des résolutions de 1m ou mieux). Nous utilisons un schéma original de turbulence vertical à plusieurs niveaux qui reproduit correctement les caractéristiques moyennes de l’air (vent, température, humidité), mais gommant les détails inutiles (et extrêmement long à calculer).

Version de TEB avec description de l’air sur plusieurs niveaux (Hamdi and Masson 2008) validé avec l’expérience BUBBLE sur Bâle (Rotach 2005)

 Validation de TEB

Le second avantage de TEB est, tout simplement, que ce modèle a été validé sur un grand nombre de sites expérimentaux de par le monde, qui couvrent à la fois des climats différents et surtout de nombreuses villes de structure variées.

 Modéliser le climat urbain

TEB, couplé au modèle atmosphérique MesoNH, reproduit fidèlement la météorologie locale induite par la ville. Juste 2 exemples :

– Îlot de chaleur sur Paris

Notre première étude d’îlot de chaleur avec TEB (Lemonsu et al 2002) : sur Paris, en été, l’îlot de chaleur urbain vaut environ 2°C le jour et peut atteindre plus de 8°C la nuit. Ceci est très bien reproduit par le modèle.

– Météorologie complexe sur sur cité côtière : Marseille

A Marseille, la forme complexe de la côte ajoutée à la présence de 3 massifs de collines abruptes influence fortement l’écoulement de l’air et la pénétration de la brise de mer. On observe par exemple ici un vent de Sud sur le côté Sud de la ville, et un vent de Nord-Ouest sur les quartiers Nord. Ceci conduit à des température de l’air très variables sur l’agglomération : l’air est plus chaud au Sud-Est sur un quartier peu dense (mais derrière le massif des Calanques), alors qu’il est plus frais près du vieux port dans le centre-ville ancien dense.
TEB et MesoNH parviennent à simuler numériquement tout ceci !

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TURBAU