PROJET ACCLIMAT Dossier projet - Centre National de ...
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Fondation de coopération scientifique
« Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et
l’Espace »
Dossier projet
Mis à jour en Mars 2010, lors du lancement du projet
Intégration des modifications successives (recentrage du projet, révision du budget)
PROJET ACCLIMAT
SOMMAIRE
FICHE DE SYNTHESE DU PROJET (A).......................................................................................................... 3
FICHES PARTENAIRE (B2) ............................................................................................................................. 4
PRESENTATION DU PROJET (B3) ................................................................................................................. 7
1ERE PARTIE : DESCRIPTION DU PROJET.......................................... 7
I. Introduction........................................................................................................................................................... 9
II. Contexte et état de l’art ...................................................................................................................................... 10
III. Partenaires........................................................................................................................................................... 11
IV. Description du projet et moyens mis en œuvre ................................................................................................ 15
1. MODELISATION URBAINE.............................................................................................................................. 15
2. MODELISATION CLIMATIQUE ...................................................................................................................... 19
3. INTEGRATION ................................................................................................................................................... 21
4. EVALUATION .................................................................................................................................................... 22
5. COORDINATION DU PROJET.......................................................................................................................... 25
V. Participation des chercheurs extérieurs.................................................................................................... 26
VI. Résultats escomptés – perspectives.................................................................................................................... 27
2EME PARTIE : MOYENS FINANCIERS ....................................................... 28
I. Récapitulatif des moyens financiers demandés (décembre 2009) ................................................................... 28
II. Répartition et calendrier des versements.......................................................................................................... 29
III. Détail du budget par partenaire ........................................................................................................................ 29
3EME PARTIE : ANNEXES ............................................................................................. 36
1. Bibliographie ........................................................................................................................................................ 36
2. Organigramme technique des tâches du projet ..................................................................................................... 39
3. Description détaillée du modèle LCM .................................................................................................................. 41
4. Le coupleur PALM ............................................................................................................................................... 43
5. Curriculum vitae abrégé des principaux chercheurs engagés dans le projet ......................................................... 45
Liste des figures
Figure 1 : Le réchauffement global moyen (IPCC 2007a) ................................................................................................... 9
Figure 2 : Les éléments du projet ........................................................................................................................................ 9
Figure 3 : Schéma du modèle NEDUM ............................................................................................................................. 16
Figure 4 : Articulation entre NEDUM et LCM..................................................................................................................... 17
Figure 5 : Des scénarios « grandes tendances » aux données d’entrée des modèles ..................................................... 18
Figure 6 : Ensemble des modèles de la plateforme .......................................................................................................... 24
Figure 7 : Organigramme technique des tâches (niveau 1)............................................................................................... 39
Figure 8 : Organigramme technique des tâches (niveau 2)............................................................................................... 39
Figure 9 : Schéma du Modèle LCM................................................................................................................................... 41
Figure 10 : Intégration des modèles dans l’interface graphique PrePALM:....................................................................... 43
ACCLIMAT Page 2
Fiche de synthèse du projet (A)
Thème (se rapporter à l’Appel à Projets) :
Modélisation et simulation des objets et processus complexes
Intitulé du projet :
Adaptation au Changement CLIMatique de l’Agglomération Toulousaine
Modélisation numérique de la ville comme instrument d’étude des interactions entre évolution urbaine et
micro-climat urbain.
Acronyme du projet : ACCLIMAT
Liste des partenaires :
1 GAME 5 GEODE
2 AUAT 6 GRECAU
3 CERFACS 7 IMT
4 ENM-CIRED 8 ONERA
Organismes associés au projet, en tant qu’experts :
CETE ; CIEU ; Mairie de Toulouse ; CONTINENTAL ; ARPE
Coordinateur du projet
MASSON Valéry
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées – Docteur es Sciences
Mèl : valery.masson@meteo.fr Tél : 05 61 07 94 64 - Télécopie : 05 61 07 96 26
Groupe d'études de l'atmosphère météorologique (GAME) - URA 1357
Adresse du laboratoire : 42, Av Coriolis 31057 TOULOUSE Cedex 1
Etablissements de tutelle :CNRS et METEO-FRANCE
Durée du projet : 36 mois
Date de début du projet : 05 février 2010
Personnes. Mois : 246 h*m (total) – soit 106 permanents, 91 post-doc, 49 ingénieurs
Aide accordée par la Fondation STAE: 850 000 €
ACCLIMAT Page 3Fiches partenaire (B2)
1 - GAME
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): Groupe d'études de l'atmosphère météorologique (GAME)
Adresse : 42, Av Coriolis 31057 TOULOUSE Cedex 1
Organisme (le cas échéant) : CNRS et Météo-France
Code du laboratoire : URA 1357
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : MASSON: Prénom : Valéry
Fonction : Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées.
Chercheur au GAME et responsable de l’équipe TURBAU (étude de la météo urbaine)
Adresse : 42, Av Coriolis 31057 TOULOUSE Cedex 1
Tél : 05 61 07 94 64 Fax : 05 61 07 96 26 Mél : valery.masson@meteo.fr
2 – AUAT
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom (sigle développé): Agence d'Urbanisme et d'Aménagement du Territoire Toulouse Aire Urbaine
Adresse : Le Belvédère – 11 boulevard des Récollets 31078 TOULOUSE cedex 4
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : BRETAGNE Prénom : Geneviève
Fonction : Chargée d'Etudes Principal "Environnement"
Adresse : Agence d'Urbanisme et d'Aménagement du Territoire Toulouse Aire Urbaine
Le Belvédère – 11 boulevard des Récollets 31078 TOULOUSE cedex 4
Tél : 05 62 26 86 26 Fax : 05 61 52 71 36 Mél : gbretagne@auat-toulouse.org
3 – CERFACS
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): CERFACS, Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul
Scientifique
Adresse : 42 avenue G. Coriolis, 31057 Toulouse CEDEX 1, France
Code du laboratoire : URA 1875
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : Morel Prénom : Thierry
Fonction : Ingénieur de Recherche, responsable du coupleur PALM
Adresse : CERFACS, 42 avenue G. Coriolis, 31057 Toulouse CEDEX 1, France
Tél : 05 61 19 30 41 Fax : 05 61 19 30 00 Mél : thierry.morel@cerfacs.fr
ACCLIMAT Page 44 – ENM-CIRED
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): Ecole Nationale de la Météorologie et Centre International de Recherche sur
l’Environnement et le Développement
Adresse : ENM, 42 Av. G. Coriolis, 31 057 TOULOUSE Cedex
Organisme : METEO FRANCE
Code du laboratoire :
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : HALLEGATTE Prénom : Stéphane
Fonction : Chercheur
Adresse : ENM, 42 Av. G. Coriolis, 31 057 TOULOUSE Cedex
Tél : 05 61 07 94 94 Fax : Mél : stephane.hallegatte@meteo.fr et hallegatte@centre-cired.fr
5 – GEODE
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): GEODE (Géographie de l’Environnement)
Adresse : Maison de la recherche – Université de Toulouse 2 Le Mirail
5 allée Antonio Machado, 31058 Toulouse Cedex 1
Organisme (le cas échéant) : CNRS
Code du laboratoire : UMR 5602 CNRS
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : Houet Prénom : Thomas
Fonction : Chargé de Recherches CNRS
Adresse : Maison de la recherche – Université de Toulouse 2 Le Mirail
5 allée Antonio Machado, 31058 Toulouse Cedex 1
Tél : +33 (0)5 61 50 36 28 Fax : +33 (0)5 61 50 42 75 Mél : thomas.houet@univ-tlse2.fr
6 – GRECAU
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé) : Groupe de Recherches Environnement Conception en Architecture et
Urbanisme (GRECAU)
Adresse : 83, Rue Aristide Maillol BP10629
31106 Toulouse Cedex 1
Organisme (le cas échéant) : ENSA
Code du laboratoire : Laboratoire Habilité par la DAUP du Ministère de la Culture
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : Adolphe Prénom : Luc
Fonction : Professeur
Adresse ENSA- GRECAU 83, Rue Aristide Maillol BP10629, 31106 Toulouse Cedex 1
Tél : 05 62 11 49 03 Fax : 05 62 11 50 49 Mél : luc.adolphe@toulouse.archi.fr
ACCLIMAT Page 57 – IMT
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): Institut de Mathématiques de Toulouse (IMT)
Adresse : 118, route de Narbonne,
31062 Toulouse Cedex
Organisme (le cas échéant) : Université Paul Sabatier
Code du laboratoire : UMR CNRS 52 19
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : Masmoudi Prénom : Mohamed
Fonction : Professeur
Adresse : Institut de Mathématiques de Toulouse
118, route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex
Tél : 05 61 55 63 35 Fax : 05 61 55 83 85 Mél : mohamed.masmoudi@math.univ-toulouse.fr
8 ONERA
Intitulé du projet et acronyme : ACCLIMAT
Nom du laboratoire (sigle développé): ONERA Département d'Optique Théorique et Appliquée (DOTA)
Adresse : 2 avenue Edouard Belin, BP 74025, Toulouse Cedex
Organisme (le cas échéant) : ONERA
CODE DU LABORATOIRE :
Responsable scientifique ou technique du projet (contact pour l'instruction du dossier)
Nom : BRIOTTET Prénom : Xavier
Fonction : Chargé de Mission Politique Scientifique au DOTA
Adresse : 2 avenue Edouard Belin, BP 74025, Toulouse Cedex
Tél : 05 62 25 26 05 Fax : 05 62 25 25 88 Mél : xavier.briottet@onera.fr
ACCLIMAT Page 6Présentation du projet (B3)
1ère partie : description du projet
− Résumé en français
IMPORTANT : Ce résumé pourra être rendu public par la Fondation STAE.
Résumé du projet en français (maximum 15 lignes) :
Le projet ACCLIMAT propose d’étudier les interactions entre les processus de développement urbain, de micro-climat
urbain et le changement climatique, à l’aide d’une plateforme interdisciplinaire de modélisation numérique. Des modèles de
base physique (atmosphère, échanges ville-atmosphère, morphologie urbaine) et urbanistique (expansion urbaine et
spatialisation) seront développés ou mis en œuvre, couplés puis forcés par des scénarios locaux du changement climatique
et des scénarios socio-économiques de développement urbain.
L’évaluation scientifique, à l’aide d’indicateurs multicritères, apportera des pistes pour l’adaptation de la ville au
changement climatique, en identifiant d’une part les leviers socio-économiques qui agissent sur les processus d’expansion
urbaine, et d’autre part les impacts de leur interaction avec le changement climatique, en terme de micro-climat urbain,
consommation énergétique, bilan de CO2, état hydrique du sol, confort des habitants.
L’étude sera réalisée à l’échelle du siècle, pour tenir compte de l’inertie des modifications structurelles de la ville, et des
ème
scénarios climatiques issus du 4 rapport du GIEC, montrant des effets globaux du changement climatique significatifs à
partir de 2070. La complexité du « système ville » et l’échelle de temps lointaine seront appréhendés à travers une
modélisation des processus et de leur interaction (développement urbain et micro-climat urbain, expansion et spatialisation,
morphologie urbaine et consommation énergétique), et s’appuieront sur le développement de méthodes (descente d’échelle,
couplage de bases de données et de code). Ainsi, ces modèles et méthodes, appliqués dans le cadre d’ACCLIMAT à l’aire
urbaine toulousaine, se veulent généralisables à d’autres métropoles Européennes. L’architecture modulaire de la plateforme
permettra d’intégrer les évolutions des modèles et de l’enrichir d’autres modèles (hydrologie, transports). Cet outil de
recherche souhaite ainsi répondre aux questions émergentes, scientifiques et interdisciplinaires, que pose la ville durable.
Climat urbain et météorologie Economie et
Conception architecturale
Modélisation
et
urbaine
urbaine
Aménagement Ingénierie Géographie
urbain informatique de
Mathématiques l’environnement
et incertitudes
Télédétection
ACCLIMAT Page 7Résumé en anglais
The ACCLIMAT research project aims to study urban development, urban micro-climate, and climate change process
interactions. A numerical modelling framework will be used to couple physical models and socio-economics urban
models, which will be driven by local climate change and socio-economic scenarios, including macro-economics, land-
use, building materials, technologic and transportation assumptions.
City adaptation to climate change will be explored, by identifying socio-economic leverages that drive urban expansion
processes, and simulating impacts of interaction between urban expansion and climate change, in terms of urban micro-
climate, energy consumption, CO2 emissions, ground soil moisture, and resident comfort. Scientific evaluation of these
impacts will be based on a multi criteria indicators system.
The study will consider the XXIst century time scale, taking into account urban structure modification inertia, and
climate scenarios from the GIEC 4th report which states that global effects will be significant from 2070. “Urban
system” complexity and specific long term time scale will be addressed by modelling climate and urban processes and
their interactions (i.e. city-atmosphere exchanges, urban expansion and urban micro-climat, expansion and spatial
organisation, urban morphology and energy consumption), as well as developing new methods (downscaling, data bases
and code coupling). These models and methods, intended to be applied to the Toulouse urban area within this project,
will also be suitable for application to other major European cities. The modelling framework, while versatile and
modular, is also intended to be extended to include models of urban hydrology or transportation.
This progressive integrated numerical modelling tool will then open new interdisciplinary research areas on sustainable
cities.
Climat urbain et météorologie Economie et
Conception architecturale
Modélisation
et
urbaine
urbaine
Aménagement Ingénierie Géographie
urbain informatique de
Mathématiques l’environnement
et incertitudes
Télédétection
ACCLIMAT Page 8I. Introduction
(1 page). On décrira brièvement le projet, les enjeux scientifiques - techniques - économiques associés, les verrous à lever, les résultats
attendus et les perspectives ouvertes sur le plan scientifique et/ou en termes d’applications. On justifiera la pertinence par rapport à
l’appel à projets.
Relever le défi climatique impose aujourd’hui à tous les Etats de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre, mais
également de prendre des mesures d’adaptation afin d’atténuer les effets néfastes du réchauffement de la planète sur la
population, l’économie et l’environnement. La question se pose particulièrement à l’échelle de la ville, qui présente une
forte concentration des populations et des activités, en évolution et augmentation constantes, ainsi qu’une forte
sensibilité au changement climatique, due à la densité et aux formes qui génèrent l’îlot de chaleur urbain.
L’objectif de ce projet est d’étudier les interactions entre les processus de développement urbain, de micro-climat
urbain, et le changement climatique.
Pour permettre l’étude de ces interactions, les partenaires développeront une plateforme interdisciplinaire de
modélisation numérique, qui simulera l’évolution de l’expansion urbaine et du micro-climat urbain et évaluera les
impacts du changement climatique.
L’étude sera réalisée à l’échelle du siècle, pour tenir compte d’une part de
l’inertie des modifications structurelles de la ville, et d’autre part des
scénarios climatiques issus du 4ème rapport du GIEC (IPCC 2007a).
Celui-ci montre que les effets globaux du changement climatique sont
significatifs à partir de 2070. De plus, en Europe, il a fallu des siècles
pour parvenir à la structure des villes actuelles (Grazi et van den Bergh
2008, Goldstein et Moses 1973) et un bâtiment a une durée de vie variant
de 50 ans à plus de 100 ans (Balaras et al. 2007). Pour adapter les villes
au climat de la fin du XXIème siècle, il est donc indispensable de
commencer dès maintenant à modifier la conception des bâtiments et les
stratégies de planification urbaine. Mais jusqu’à présent, il n’y a pas de
consensus ni même d’idée claire de ce qui doit être fait, et encore moins
comment le faire : ceci requiert de disposer d’outils et de modèles
pertinents pour modéliser les différents scénarios possibles.
Figure 1 : Le réchauffement global moyen (IPCC 2007a)
Le projet doit également tenir compte du fait que la ville constitue un système complexe, en terme de nombre et de
diversité des acteurs (ménages, investisseurs, décideurs), d’échanges sociaux et économiques, d’hétérogénéités
physiques, qui conditionnent aussi bien le « fonctionnement » interne que
l’interface avec le milieu naturel.
Pour répondre à cette complexité, ce projet s’appuiera essentiellement sur
la modélisation numérique des processus et leurs interactions
(développement urbain et micro-climat urbain, expansion et
spatialisation, morphologie urbaine et consommation énergétique), ainsi
que sur le développement de méthodes (descente d’échelle, couplage de
bases de données et de code).
Les modèles à base physique et urbanistique ainsi développés seront
forcés par des scénarios socio-économiques de développement urbain
et des scénarios climatiques locaux, puis, des indicateurs et outils
d’interprétation seront produits pour permettre l’évaluation scientifique.
Figure 2 : Les éléments du projet
Ces modèles et méthodes, appliqués dans le cadre de ce projet à l’aire urbaine toulousaine, se veulent généralisables
à d’autres métropoles Européennes en expansion.
Afin de répondre à la problématique transversale de la ville, le projet vise à structurer un partenariat
pluridisciplinaire et complémentaire qui regroupe des compétences régionales reconnues: les sciences physiques
(GAME, GRECAU, CERFACS, ONERA, IMT), les sciences sociales (GEODE, ENM-CIRED), et l’aménagement
urbain (AUAT).
Au travers de l’étude des différents thèmes de recherche, les résultats attendus sont des éléments de réponse aux
questions scientifiques suivantes :
ACCLIMAT Page 9 Quels sont les leviers socio-économiques qui agissent sur les processus d’expansion urbaine, à l’échelle du
siècle, en tenant compte de facteurs externes tels que la macro-économie, la démographie, les avancées
technologiques (bâti, transport) ?
Quels sont alors, pour l’aire urbaine toulousaine, les différentes projections possibles d’expansion et leurs
impacts associés ?
Quelle est la méthode de descente d’échelle pour passer des scénarios climatiques globaux du GIEC à une
échelle urbaine ?
Quels sont les impacts sociaux, économiques et environnementaux des interactions entre changement
climatique et urbanisation sur une ville à l’échelle du siècle, en terme de : climat urbain, consommation
énergétique, bilan de CO2, état hydrique du sol, confort des habitants?
Répondre à ces questions va confronter les partenaires à certains verrous scientifiques, en particulier la projection de
l’expansion urbaine à l’échelle du siècle. L’évolution de court terme des villes peut en effet être modélisée
statistiquement en extrapolant les tendances observées, par le biais d’analyses géographiques. En revanche, l’évolution
de long terme nécessite de prendre en compte l’origine des déterminants profonds de celles-ci. Pour cela, nous nous
appuierons dans ce projet sur une modélisation numérique des processus socio-économiques qui gouvernent l’évolution
des villes (modèle NEDUM). Les méthodologies de descente d’échelle devront également être explorées et résolues au
cours du projet : pour le changement climatique, de la planète à la ville, et pour l’urbanisation, de l’expansion urbaine
radiale à la spatialisation plus fine du changement. Enfin, l’analyse interdisciplinaire d’impacts urbain représente à la
fois un défi scientifique et une ouverture vers des thèmes transversaux de recherche.
Au terme de ce projet, l’outil de recherche, développé sur la base de modélisation des processus, sera évolutif et
modulaire. Il pourra s’appliquer à d’autres villes, intégrer les évolutions des modèles et s’enrichir d’autres modèles
(hydrologie, biodiversité, santé, …). En tant qu’outil permettant de tester des mesures d’adaptation, d’identifier des
leviers d’action et d’évaluer les résultats de mesures envisagées, il pourra répondre aux questions de recherche
émergentes, scientifiques et interdisciplinaires que pose la ville durable.
II. Contexte et état de l’art
L'aménagement urbain doit faire face à l'enjeu du développement durable. Au sein de cette problématique, la
préoccupation du changement climatique se situe désormais à deux niveaux pour le grand public, les acteurs
territoriaux, et les chercheurs. Premièrement, il s'agit de quantifier les impacts du réchauffement, les vulnérabilités sur
les environnements urbains et les populations urbaines. On peut citer à titre d'exemple les risques associés aux situations
de canicules ou de sécheresse. C'est une attente forte des citoyens soulevée lors de l'étude prospective AGORA 2020
menée par le Ministère de l’Ecologie, du Développement et de l’Aménagement Durables (Bain 2008). Deuxièmement,
il s'agit d’atténuer le changement climatique, tout en s’y adaptant. C'est l'objet central du Plan Climat qui fixe
l'objectif de réduction d'un facteur 4 des émissions de C02 pour 2050 (Boissieu et al., 2006), tout à fait en accord avec le
4ème rapport du GIEC (IPCC 2007a) qui indique avec une quasi-certitude que le rejet anthropique de gaz à effet de serre
(GES) et d'aérosols est la cause principale du réchauffement climatique observé et recommande de poursuivre l'effort de
réduction de GES au delà du protocole de Kyoto. Dans ce contexte, la définition de stratégies de planification urbaine
devient un exercice de plus en plus complexe qui nécessite d'intégrer de nombreuses échelles spatiales et temporelles et
des critères multiples. Par exemple, dans le cadre du projet « Le grand pari de l’agglomération parisienne », une équipe
interdisciplinaire pilotée par Yves Lion (lauréat du grand prix d’urbanisme 2007), commence à intégrer la
problématique climatique dans ses projections d’urbanisme pour 2030. Pour répondre à cette demande nouvelle et
complexe, le projet ACCLIMAT propose une approche de modélisation intégrée et interdisciplinaire de la ville
esquissée lors de la prospective AGORA 2020.
Au niveau international, quelques programmes de recherche commencent à porter sur la vulnérabilité et l’adaptation des
villes au changement climatique. C'est le cas au Royaume-Uni où le programme “Engineering Cities: how can cities
grow while reducing vulnerability and emissions?”1 porte sur la construction d'un système d'évaluation de l'impact du
changement climatique et du développement de Londres sur les ressources en eau et la vulnérabilité aux inondations de
la ville. De même que le projet ACCLIMAT, ce projet considère l’échelle du siècle pour Londres. Le projet
« SCORCHIO : Sustainable Cities Options for Responding to Climate Changes Impacts and Outcomes »2 (Royaume-
Uni) se focalise sur l'inconfort thermique résultant du changement climatique, et l'évaluation des stratégies d'adaptation
pour ce critère uniquement. Une des limites de ces deux projets est la représentation de certains phénomènes comme par
exemple le micro-climat urbain qui n'est pas basée sur une modélisation des processus physiques qui en sont la cause
1 Voir : http://www.tyndall.uea.ac.uk/research/programme6/scopingstudy.html
2 Voir : http://www.sed.manchester.ac.uk/research/cure/research/scorchio.htm
ACCLIMAT Page 10mais sur une approche statistique dont la validité pour d'autres villes ou des situations du climat futur reste à démontrer.
De même, Au niveau européen, le projet « BRIDGE : SustainaBle uRban plannIng Decision support accountinG for
urban mEtabolism » s'attaque à la modélisation des processus physiques d'échange entre la ville et son environnement
mais sans prendre en compte le changement climatique, ni les processus d'urbanisation. En France, l'émergence de
quelques initiatives est à souligner : le projet MEIGEVILLE3 propose une observation, une analyse multidisciplinaire et
une modélisation –uniquement pour la période présente- de processus physiques (atmosphère, hydrologie, pollution de
l’eau) sur Nantes, de façon à « comprendre la réalité physique et environnementale de la ville ». Le projet EPICEA
(dans le cadre du Plan Climat de la ville de Paris) étudie le microclimat urbain de l'agglomération parisienne actuelle,
exclusivement pendant la canicule de 2003, et sa sensibilité aux matériaux.
Les apports du projet ACCLIMAT, au niveaux national et international, se situent dans l'approche systémique de la
ville, et dans la volonté de ne pas se contenter d’analyser le présent, mais de modéliser le futur (ville et impacts) à
l’échelle temporelle des changements urbains et climatiques. A ce titre, seul le projet “Engineering Cities » sur Londres
mentionné ci dessus tente une démarche aussi ambitieuse. Les processus physiques résultants de l'urbanisation seront
pris en compte au même titre que les processus économiques ou sociaux qui conduisent à son développement. Cette
démarche devrait nous permettre d'aboutir aux propositions d'adaptation au changement climatique les plus pertinentes,
reposant sur des critères multiples calculés par la plateforme. Prenons par exemple le cas de la densification de l'espace
urbain préconisée par la loi SRU4. Elle peut conduire à une réduction de la demande de transport, favoriser la mixité
d'usage et le dynamisme économique. Cependant, une densification excessive intensifie les phénomènes d'îlot de
chaleur et accroît les problèmes d'inconfort thermique en cas de forte chaleur. A travers cet exemple, on peut mesurer
l'utilité d'une approche globale.
Une autre innovation du projet ACCLIMAT est l’utilisation de la modélisation numérique des processus pour
l'ensemble des disciplines rassemblées, ainsi que l’intégration dans une plateforme unique. Ceci nous semble essentiel
pour assurer un véritable échange et permettre la construction d'un outil de recherche évolutif utile à l'élaboration de la
ville durable.
III. Partenaires
Le GAME : changement climatique et climat urbain
Le CNRM-GAME (METEO-FRANCE/CNRS) est un groupe de recherche internationalement reconnu, qui aborde un
large spectre de thématiques liées à l’étude de l’atmosphère météorologique. Il intervient dans le projet à travers deux
axes de recherche majeurs que sont le changement climatique et le climat urbain.
Le GAME est fortement impliqué dans l’étude du changement climatique, notamment la compréhension de la
sensibilité du système climatique et l’évaluation des impacts du changement climatique. Il participe activement aux
travaux de modélisation et d’évaluation du GIEC. A ce titre, les chercheurs du GAME ont reçu, avec Al Gore et d'autres
scientifiques de par le monde, le prix Nobel de la Paix 2007 par destination.
Le GAME est également très actif sur l’étude du micro-climat urbain. Ce phénomène, souvent caractérisé par
l’existence d’un îlot de chaleur urbain, a été mis en évidence dès le début du XIXème siècle (Londres, Howard 1820).
Cet îlot de chaleur peut atteindre dix degrés pour des agglomérations de quelques millions d’habitants (de plus en plus
nombreuses) (Oke 1988). Les processus physiques responsables de ce micro-climat (piégeage du rayonnement,
accumulation de chaleur dans les matériaux, sources anthropiques de chaleur) sont observés depuis les années 70 (Oke
1976, Oke 1988). Le GAME est pionnier, au niveau mondial, dans la formalisation et la modélisation de ces processus,
avec le premier modèle d’échanges énergétique ville-atmosphère TEB (Masson 1999 - brevet français -, Masson 2000,
Masson 2006). Il a été validé à partir de mesures expérimentales sur différents sites, tels que Vancouver et Mexico
(Masson et al. 2002), Marseille (Lemonsu et al. 2004), Bâle (Hamdi et Masson 2008), Toulouse (Pigeon et al. 2008) et
Łódź (Offerle et al. 2005). Le GAME reste à la pointe dans les recherches en modélisation du climat urbain (Lemonsu
et al. 2006), et a acquis une expertise particulière sur Toulouse en y menant en 2004 et 2005 la campagne expérimentale
de mesures CAPITOUL (Pigeon et al. 2007, Hidalgo 2008, Masson et al. 2008).
L’AUAT : Aménagement urbain
De statut associatif, l’AUAT est un outil technique inter-institutionnel reconnu. Centre de ressources sur le
développement de la métropole toulousaine, l’agence est aussi un lieu de confrontation des idées et d’élaboration de
projets partagés réunissant les territoires ainsi que leurs représentations élues, institutionnelles, associatives,
économiques et sociales. Les membres de droit de l’AUAT mutualisent leurs moyens afin que soient menées, dans la
3 http://www.paysdelaloire.fr/conseil_regional/politiques_publiques/recherche_universite/appel_a_projets_regionaux/meigeville/index.html
4 Solidarité et Renouvellement Urbain
ACCLIMAT Page 11continuité et la permanence, études, observations, analyses, recherches et réflexions. Les missions de l'agence
s'organisent selon deux grands axes :
Une mission permanente de centre de ressources en urbanisme et en aménagement du territoire, au service du «bien
public» (observatoire dynamique, outil de veille – évaluation, veille stratégique et prospective permanente,
sensibilisation et information des acteurs, animation et organisation de débats prospectifs)
Des missions prioritaires, pour un développement "soutenable" de l'aire métropolitaine toulousaine dans sa Région,
en matière de planification urbaine (InterSCoT, SCoT5), d'aménagement des territoires, d'harmonisation des
politiques publiques, de promotion de la qualité urbaine.
La vision transversale et opérationnelle de la planification urbaine par l’AUAT est complémentaire de celle des
chercheurs. Son expertise sera particulièrement importante pour la description de la métropole toulousaine, sous ses
multiples aspects, et la construction d’hypothèses de son évolution future, notamment en matière d’aménagement
urbain.
Le CERFACS : Couplage de modèles
Le CERFACS possède une expertise reconnue internationalement en calcul scientifique haute performance (HPC). Ses
chercheurs et ingénieurs sont impliqués dans de nombreux projets français (ANR) ou européens (FP6, FP7). L’équipe
GLOBC «modélisation du climat et de son changement global» possède une grande expérience en couplage de codes
de calcul, et a pour cela développé des outils performants de couplage (OASIS : Valcke et al. 2007, PALM : Buis et al.
2006) dont elle fait largement profiter les laboratoires de recherche partenaires du CERFACS (CNRS, GAME, INRA,
…) ou les centres opérationnels (MERCATOR OCEAN, CEPMMT, …)
De nombreux outils de couplage (MPCCI-SCAI, SALOME-EDF, FLUME-UKMO, CASTE-INRIA), ciblés sur une
discipline, sont utilisés pour réaliser des couplages multi-physiques, sujet en plein essor. Par rapport à ces coupleurs,
l’outil PALM, développé par le CERFACS et choisi pour ce projet, présente l’avantage de définir très facilement un
algorithme de couplage autour des composants de l’application, et permettra donc l’évolutivité future de la plateforme.
L’ENM-CIRED : Expansion urbaine, économie et changement climatique
L’Ecole Nationale de la Météorologie est le centre de formation de Météo-France. L’école conduit une activité de
recherche sur la météorologie, le climat, et les aspects socio-économiques associés. En particulier, elle travaille sur les
aspects socio-économiques du changement climatique, en lien avec le Centre International de Recherche sur
l’Environnement et le Développement (CIRED), un laboratoire d’économie appliquée du CNRS, de l’EHESS, de
l’ENPC, et de l’ENGREF.
Dans ce projet, les recherches du groupe ENM-CIRED porteront sur la théorie de l’économie urbaine, qui est en
développement constant afin de décrire les problématiques cruciales liées à l’organisation spatiale des activités et des
agents à l’échelle urbaine : par exemple, Di Pasquale and Wheaton (1994) analysent les tendances du marché du
logement et des projections de prix de l’immobilier dans différents contextes urbains ; Turner (2007) étudie les
déterminants spatiaux de la croissance urbaine et les dynamiques d’étalement ; ou enfin Fu-Chuan Lai and Jyh-Fa Tsui
(2008) s’intéressent au coût d’opportunité du choix de localisation des détaillants au sein d’une agglomération urbaine.
Cependant, dans toutes ces études, la description de la ville reste fondée sur une vision très stylisée, se référant aux
modèles standards utilisés en économie urbaine (Alonso 1964, Mills 1967, Muth 1969), dans lesquels l’activité
économique est supposée concentrée en un point central autour duquel se développe la ville de façon axisymétrique.
Ces modèles se focalisent sur la prise en compte des principaux mécanismes qui permettent d’expliquer l’expansion
urbaine, à savoir l’interaction entre les préférences des agents, les contraintes liées au transport et les infrastructures.
Dans ce projet, le CIRED utilisera son modèle économique urbain NEDUM (Gusdorf et Hallegatte 2007a,b, Gusdorf et
al. 2008) permettant de simuler l'évolution continue de villes (prenant en compte les aspects structurels, et les
conséquences socio-économiques), en y améliorant la structure spatiale de l’agglomération et les liens avec les aspects
macro-économiques. Il sera utilisé pour créer les projections à long terme d'évolution des villes. Il présente l'avantage
d'être le seul modèle aujourd'hui publié capable de simuler les effets de transition d'une structure de ville à une autre.
GEODE : Télédétection, prospective et simulation de l'étalement urbain
Le laboratoire GEODE s'inscrit depuis ses origines dans une approche transdisciplinaire d’identification, d’analyse et de
modélisation des relations nature/société sur des temps historiques et contemporains. Un axe de recherche de l’équipe
porte en particulier la modélisation prospective spatialisée des dynamiques des territoires et leurs conséquences
environnementales à l'aide de la géomatique (télédétection, SIG). Si le laboratoire témoigne d'une forte expérience dans
le domaine sur des territoires ruraux (Paegelow et Camacho Olmedo, 2005; Houet et Hubert-Moy, 2008; Houet et al,
2008), il s'est investi récemment sur des territoires urbains à travers l'utilisation du modèle LCM sur l'agglomération
rennaise en partenariat avec l'agence d'urbanisme (Aguejdad et Houet, 2008). Ce modèle, particulièrement adapté pour
la spatialisation des changements des modes d'usages des sols, offre des potentialités intéressantes pour relever les
enjeux de ce projet (simulation à l’échelle du siècle) mais également pour optimiser la plausibilité des simulations (prise
5
ScoT : Schéma de cohésion territoriale
ACCLIMAT Page 12en compte de formes urbaines variées pour représenter des niveaux de densité différenciés) que d'autres modèles ne permettent pas d'envisager (Cheng, 2003; Batty, 2005). Outre ses compétences en prospective territoriale, le laboratoire GEODE s'investit par ailleurs dans d'autres programmes de recherche dont les avancées méthodologiques pourront être mises à profit pour ce projet : télédétection en milieu urbain (Programme Interdisciplinaire de Recherche "Ville et Environnement" - CNRS); modélisation dynamique et spatialement explicite des paysages (ANR BiodivAgriM). Le GRECAU : Morphologie urbaine et systèmes d’indicateurs Le GRECAU est un laboratoire habilité par le Bureau de la Recherche Architecturale et Urbaine (DAPA/MCC), créé en 1982 (sous le nom de LAB pour Laboratoire d’Architecture Bioclimatique), et est membre du PRES. La problématique originelle du laboratoire, fondée essentiellement sur la gestion de la ressource énergétique à travers l’architecture solaire et bioclimatique, a aujourd’hui évolué vers une problématique plus globale liée à l’étude des relations entre le milieu construit et son environnement. Elle s’applique ainsi aux notions émergeantes de “Bâtiment à Haute Qualité Environnementale” (BHQE ou ”green building”) et de Développement Urbain Durable. Le GRECAU travaille depuis une douzaine d'années sur la caractérisation du lien entre morphologie architecturale et urbaine, consommation énergétique et impacts climatiques et environnementaux. Les deux originalités de l'approche GRECAU sont l'échelle géographique à laquelle les modèles sont développés, celle du quartier ou de portion de ville (de l'ordre de 300 * 300 m) qui permet d'établir des analogies entre tissu urbain et milieu poreux, et le développement de modèles simplifiés permettant l'évaluation d'indicateurs morphologiques urbains validés à cette échelle, compatibles avec les données disponibles. La position d’interface recherche/profession du GRECAU l’incite également à la valorisation de cette recherche, en particulier par la production d’outils adaptés pour l’aide à la décision architecturale ou urbaine (maîtrises d'œuvre et d'ouvrage) et l'aide à la conception (maîtrise d'œuvre). Les systèmes d’indicateurs environnementaux (comme OMS 1999, OCDE 1999, TERM 2001, WHO 2000) sont issus de deux approches concomitantes, les indices ou indicateurs d’impacts mono-nuisances, et les (récents) tableaux de bord environnementaux multithématiques. L’IMT : Incertitudes et fiabilité des modèles L’Institut de Mathématiques de Toulouse (IMT) regroupe l’essentiel de la recherche en Mathématiques de Toulouse (environ 200 permanents et autant de non permanents). Labellisé A+ lors de la dernière évaluation, ce groupe de recherche, largement reconnu dans son domaine, a été sollicité pour être l’un des quatre intervenants internationaux de la prestigieuse école d’été EDF-CEA-INRIA sur la construction de méta modèles. (http://www.inria.fr/actualites/colloques/cea-edf-inria/2008/reduc/index.en.html). Dans le cadre du projet, l’IMT apportera son expertise sur la technique émergente des méta-modèles. Cette technique ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’aide à la décision, en permettant de quantifier le degré de fiabilité des indicateurs fournis par les modèles. L’ONERA : Classification des matériaux urbains La classification des matériaux des milieux urbains est complexe du fait de l’hétérogénéité spatiale (Ben-Dor 2001, Herold 2003) et de la structure 3D de la ville (Carilero 2001, Takashi 2002, Dare 2005, Lachérade 2005). Plusieurs classifications existent : Anderson 1976, ASTER 2000, et Heiden 2001, mais peu de travaux évaluent la variabilité inter- et intra-classe de chaque matériau (Herold, 2004, Lachérade, 2005). Afin de mieux décrire la ville, l'ONERA-DOTA travaille depuis plusieurs années à la constitution de la base de données MEMOIRES (propriétés optiques de plus de 4000 matériaux) à partir des moyens de mesures terrain acquis (spectroradiomètre) ou développés (MISTERE) permettant de couvrir le spectre électromagnétique de 0,4 µm à 14µm. Il a également mis en place une méthode novatrice d'estimation de la réflectance spectrale de matériaux urbains à partir de mesures aéroportées (Lachérade 2008). Il travaille aussi sur la formalisation des méthodes d'agrégation des propriétés optiques (Pallotta 2006). Autres partenaires : Comité consultatif d’experts Afin d’enrichir les compétences du partenariat de recherche et des experts internationaux, le projet ACCLIMAT a sollicité certains acteurs liés à la prospective, à l’urbanisation et à la problématique d’adaptation de la ville au changement climatique, pour de constituer un comité consultatif d’experts. Le CIEU : Etudes urbaines et transformation des sociétés. Le Centre Interdisciplinaire d’Etudes Urbaines, équipe pluridisciplinaire des SHS (géographes, sociologues, politistes), étudie la ville ou l’urbain, et appréhende la ville comme le résultat tangible d’interactions entre du social et du spatial (Jaillet 2005). Sa très bonne connaissance de l’aire urbaine toulousaine, les liens entretenus avec les acteurs institutionnels, et son approche de la ville en tant que dispositif socio-spatial et terrain de lecture des transformations des sociétés seront particulièrement pertinents dans la phase de construction des hypothèses d’évolution « grandes tendances », ainsi que lors de l’évaluation interdisciplinaire des résultats. Le CETE : transports et déplacements. Membre du réseau scientifique et technique du MEDAD, les Centres d’Etudes Techniques de l’Equipement ont pour vocation principale de faire évoluer le territoire en apportant une ACCLIMAT Page 13
réponse adaptée et durable aux besoins de la société. Au sein de sa branche « transports et déplacements », le CETE du
Sud-ouest s’appuie sur une approche transversale de développement durable et assure à la fois une observation et une
analyse des déplacements sur la région toulousaine. De plus, son implication dans la recherche se traduit par des
collaborations avec différents laboratoires et organismes de recherche (LCPC,EPFL, Ecole Polytechnique, Universités
de Bordeaux et de Toulouse...). Lors de la construction des hypothèses d’évolution, le projet ACCLIMAT s’appuiera
donc sur l’expertise du CETE, en terme de transports et déplacements, d’évaluation de l’impact des projets, et profitera
également de ses liens privilégiés avec les travaux nationaux de recherche prospective sur les transports.
CONTINENTAL : technologies automobiles. L’expertise de CONTINENTAL dans le domaine de la projection des
technologies automobiles apportera au projet une dimension à la fois prospective et pratique, et permettra de construire
des scénarios des technologies automobiles au plus proche des réflexions engagées par les constructeurs et
équipementiers automobiles, en particulier au regard des émissions de CO2..
La Mairie de Toulouse : planification urbaine. En tant qu’acteur de la planification urbaine, le servie « urbanisme et
environnement » de la ville de Toulouse apportera une vision pragmatique de la ville, des contraintes et des enjeux de la
planification urbaine.
L’ARPE : indicateurs et développement durable. L’Agence Régionale Pour l’Environnement, participant au groupe
de travail initié par le Ministère de l’Aménagement et du Développement Durable sur les indicateurs de développement
durable, apportera son expertise lors de la définition des indicateurs de la plateforme.
Liste des participants au projet et coordonnées
N° Partenaire Nom Téléphone Mail
1 GAME Valéry Masson 05 61 07 94 64 valery.masson@meteo.fr
Grégoire Pigeon 05 61 07 97 65 gregoire.pigeon@meteo.fr
Aude Lemonsu 05 61 07 97 52 aude.lemonsu@cnrm.meteo.fr
Colette Marchadier 05 61 07 94 64 colette.marchadier@cnrm.meteo.fr
2 AUAT Geneviève Bretagne 05.62.26.86.26 gbretagne@auat-toulouse.org
3 CERFACS Thierry Morel 05 61 19 30 41 morel@cerfacs.fr
Anthony Thevenin 05 61 19 30 73 anthony.thevenin@cerfacs.fr
4 ENM-CIRED Stéphane Hallegatte hallegatte@centre-cired.fr
5 GEODE Thomas Houet 05 61 50 36 28 thomas.houet@univ-tlse2.fr
6 GRECAU Luc Adolphe 06 85 67 95 85 luc.adolphe@gmail.com
7 IMT Mohamed MASMOUDI 05 61 55 63 35 mohamed.masmoudi@math.ups-tlse.fr
8 ONERA Xavier Briottet 05 62 25 26 05 Xavier.Briottet@onera.fr
Comité consultatif d’experts
CETE Florence Saint Paul 05 62 05 97 71 florence.saint-paul@developpement-
durable.gouv.fr
CIEU Françoise Desbordes 05 61 50 48 61 desborde@univ-tlse2.fr
Sébastien Le Corre 05 61 50 43 89 lecorre@univ-tlse2.fr
Mairie de Toulouse Daniel POULOU daniel.poulou@mairie-toulouse.fr
ARPE Monique DESJEAN- monique.dejean@arpe-mip.com
SERVIERES
CONTINENTAL
ACCLIMAT Page 14IV. Description du projet et moyens mis en œuvre
1 – MODELISATION URBAINE 3 - INTEGRATION
de l’expansion
Simulations
Le programme de travail s’articule autour des deux axes
Bases de données
forts de recherche du projet : les processus de Modèles Spécification
développement urbain et l’évolution du climat urbain. Scénarios « grandes d’urbanisation
tendances »
2 – MODELISATION CLIMATIQUE Adaptation
Il est découpé en 5 tâches principales : (1) La Bases de données PALM
Modèles
modélisation urbaine et (2) la modélisation climatique, météo et bâti
Scénarios climatiques
une tâche transversale (3) qui permet l’intégration des
éléments du projet dans l’outil PALM, puis la phase 4 - EVALUATION
d’évaluation scientifique (4) qui permettra l’analyse Simulations couplées Couplage PALM
interdisciplinaire des résultats obtenus. Enfin, le
pilotage du projet (5) fait l’objet d’une tâche Outils Analyse
d’interprétation interdisciplinaire
transversale à part entière.
5 - COORDINATION
1. MODELISATION URBAINE
L’objectif de cette tâche est de modéliser numériquement des processus socio-économiques pour simuler le
développement urbain. Cette modélisation sera forcée par des scénarios « grandes tendances » (macro-économiques,
technologiques, démographiques, ..), eux-mêmes organisés sous forme de bases de données.
1.a Modèles d’urbanisation GEODE; ENM-CIRED
1.b Scenarios « grandes tendances » AUAT, GEODE, ENM-CIRED, GRECAU
1.c Bases de données AUAT
1.d Simulations de l’expansion urbaine toulousaine GEODE; ENM-CIRED; GRECAU
1.a Modèles d’urbanisation
Afin de modéliser numériquement les processus socio-économiques et les processus de spatialisation du développement
urbain, on mettra en œuvre deux modèles différents, NEDUM et LCM, complémentaires en terme d’échelle et de
représentation, puis on définira l’articulation entre ces deux modèles.
NEDUM (ENM-CIRED)
La théorie de l’économie urbaine est en développement constant afin de décrire les problématiques liées à l’organisation
spatiale des activités et des agents à l’échelle urbaine : par exemple, (Di Pasquale and Wheaton, 1994) analysent les
tendances du marché du logement et des projections de prix de l’immobilier dans différents contextes urbains ; (Turner,
2007) étudie les déterminants spatiaux de la croissance urbaine et les dynamiques d’étalement ; ou enfin (Fu-Chuan Lai
and Jyh-Fa Tsui, 2008) s’intéressent au coût d’opportunité du choix de localisation des détaillants au sein d’une
agglomération urbaine. Ces modèles se focalisent sur la prise en compte des principaux mécanismes qui permettent
d’expliquer l’expansion urbaine à long terme, à savoir l’interaction entre les préférences des agents, les contraintes liées
au transport et les infrastructures. Les modifications des choix de localisation des agents à l’origine des adaptations de
la structure urbaine y résultent principalement de leurs arbitrages économiques (en termes de décisions de
consommation de logement, de transport et des autres biens) en réaction à des chocs externes venant perturber le
système urbain (Goldstein and Moses, 1973).
Le modèle économique urbain du CIRED (Gusdorf et Hallegatte 2007a,b, Gusdorf et al. 2008) permet de simuler
l'évolution continue de villes sur le long terme en prenant en compte les aspects structurels, et les conséquences
socio-économiques. Il est le seul modèle aujourd'hui publié capable de simuler les effets de transition d'une structure de
ville à une autre, et pourra ainsi être utilisé dans le projet pour créer les projections d'évolution des villes jusqu’à la fin
du XXI siècle.
Le modèle NEDUM part de données sur le régime de taxes, les coûts de transport, la localisation des entreprises et les
contraintes sur l’occupation des sols pour déterminer la répartition et l’évolution des loyers, de l’offre de logement, de
la consommation de transport et du capital productif. La description de la ville est fondée sur une vision stylisée utilisée
communément dans les modèles standard d’économie urbaine (Alonso, 1964; Mills, 1967; Muth, 1969) dans lesquels
l’activité économique est concentrée en un point central autour duquel se développe la ville de façon axisymétrique.
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