Le rafraichissement des villes par les arbres – Quantification et modélisation pour le développement de villes durables. – COOLTREES

Le projet COOLTREES s'appuie sur une expérience en cours depuis 2013 dans la ville de Strasbourg où des modélisateurs du climat urbain et des écophysiologistes travaillent ensemble, et se décompose en 3 actions à vocation scientifiques (WP 2-4), 1 action liée à la gestion du projet (WP1) et 1 work package (WP5) dédié à la diffusion des résultats (Fig. 1). Le WP2 est dédié à la partie expérimentale du projet. Il se décompose en deux tâches. Le T2.1, a consisté à reconstruire en 3D via l'utilisation du Lidar terrestre les arbres et les bâtiments en terme d'architecture et d'organisation spatiale afin de recréer un modèle numérique 3D du site d'étude. Le T2 .2 a permis de mesurer et d'analyser les flux et les variables météorologiques pilotant le microclimat local et la réponse des arbres. Le WP2 a fourni de nombreux paramètres et variables aux actions WP3 et du WP4. WP3 est dédié à la modélisation des effets d'ombrage et de chaleur latente d'un canyon urbain à travers le développement de modules dédiés aux arbres et aux indices de confort thermique dans un outil de simulation 3D: LASER / F. Le WP4 devait se concentre sur la validation du schéma de surface Meso-NH (SURFEX) sur plusieurs districts contenant plus ou moins de végétation.
Ce projet repose sur la complémentarité et la parfaite adéquation entre les compétences des participants et les objectifs du projet: de la biologie végétale à la bioclimatologie humaine en passant par la modélisation du climat urbain et la télédétection. Même si tous les partenaires se connaissent et ont déjà travaillé ensemble, un chercheur postdoctoral a été engagé en milieu d'année 1 pour deux ans afin d'assurer le bon développement des travaux de modélisation.

Le projet a permis de finaliser la thèse de Mademoiselle Elena Bournez soutenue en novembre 2018 sur l’« Etude du rôle de la végétation dans la création de microclimats urbains. Approche combinée de mesures et de modélisations à différentes échelles. » avec la mise en place une chaine de traitement des nuages de points pour reconstruire une rue en 3D incluant les arbres jusqu'à la simulation de leur fonctionnement. Ce travail a conduit à mieux apprécier les liens entre représentation de la surface foliaire et simulation de la transpiration et de l’ombrage. L'ensemble des données mesurées (2014 à 2018) sur le site expérimental ont été structurées et consolidées (description des variables, calcul de variables élaborées) en vue de le rendre accessible sous forme d'open data. Ce travail a en partie été réalisé via le stage de Mlle Alice Maison (AgroParisTech) et ces données sont maintenant hébergées sur le portail Data de l'INRAE. Elles feront l'objet d'une publication, et donc mises à disposition du public, en fin 2021. Elles constituront une base de données unique regroupant structure 3D et typologie des éléments d'un paysage urbain (arbres, sols,bâtis) et la dynamique des flux locaux (rayonnement, vent et évapotranspiraiton des arbres) qui pourra servir à valider des modèles de microclimat urbain ou de fonctionnement d'arbres urbains. Enfin le développement d'un modèle numérique 3D des température de surface prenant en compte le fonctionnement des arbres en milieu urbain et les échanges thermo-radiatifs entre les éléments d'une rue et l'atmosphère (Figure 1b) a été fait. Il permet de d'appréhender la complexité structurelle et fonctionnelle d'une rue et son utilisation permettra de prédire les conséquance d'un aménagement local sur les températures ressenties par les habitants.
Dissémination des résultats du projet auprès des professionnels gestionnaires des arbres en milieu urbain via la collaboration de l'association Plante et Cité.

1.Appréhender la diversité structure urbaine et fonctionnelle (multi-espèces) des
arbres en ville via l'utilisation du modèle LASER/F
2.Collecter des données sur la physiologie des espèces d'arbres urbains
3.Intégrer les effets combinés de stress hydriques et thermiques sur le fonctionnement et la survie des arbres urbains (Voir Modèle Sureau - ANR Hydrauleaks)

1. Bournez, et al. (2019). Sensitivity of simulated light interception and tree transpiration to the level of detail of 3D tree reconstructions. Urban Forestry and Urban Greening, (38), 1-10. , DOI : 10.1016/j.ufug.2018.10.016).
2. Bournez E., Landes T., Kastendeuch P., Najjar G., Saudreau M., Colin J., Ngao J., 2018. Simulation of urban vegetation impact based on the microclimate model LASER/F: the case study of a park in Strasbourg. International Conference on UrbanClimate (ICUC 10), New-York, 6-10 août.
3. Bournez E., Kastendeuch P., Landes T., Najjar G., Saudreau M., Colin J., Ngao J., 2018. Simulation du rôle de la végétation d’un parc urbain à partir du modèle microclimatique LASER/F : le cas du jardin du Palais Universitaire à Strasbourg. Colloque AIC, Nice, 4-7 juillet 2018, 6 p.
4. Bournez E., Kastendeuch P., Landes T., Saudreau M., Najjar G. 2018. Reconstruction 3D d’un environnement urbain à partir de données photogrammétriques et lasergrammétriques acquises par voies aériennes pour la simulation du microclimat d’un parc urbain. Atelier TEMU, Strasbourg, 19-20 mars 2018.
5. Saudreau, Marc; Ngao, Jérôme; Améglio, Thierry; Kastendeuch, Pierre; Najjar, Georges; Landes, Tania; Colin, Jérôme; Maison, Alice, 2020, «An Extensive Dataset of 3D Geometry, Microclimate fluxes and Vegetation Functioning of an Urban Site in France«, doi.org/10.15454/J5HAZR, Portail Data INRAE, DRAFT VERSION
6. Woussen M., Kasdenteuch P., Benhoussa S., Rondeaux C., Najjar G. Ngao J., Améglio T., Landes, T. and Saudreau M, 2021, The improvement of the thermo-radiative model LASER/F by including interaction with 3D trees and their functional responses.

Parmi les stratégies d'adaptation des villes aux changements climatiques et notamment aux événements de chaleur extrême, la réintroduction de la végétation en ville a un potentiel d’action important car la végétation, par sa transpiration et son ombrage, a un impact significatif sur le bilan énergétique de l'atmosphère urbaine. Cet impact positif est renforcé par les services écosystémiques que peut fournir la végétation (et en particulier les arbres) aux habitants : assainissement de l’air et des sols, piégeage du carbone, bien-être social et biodiversité. Par leur structure, les arbres peuvent en effet avoir un fort potentiel d’ombrage et de refroidissement via leur évapotranspiration. Plusieurs types de modèles ont été développés jusqu'à présent pour simuler les interactions entre les arbres et le climat urbain. Cependant, l'échelle spatiale de résolution des modèles climatiques urbains est généralement supérieure à 100 m et ne permet pas une représentation spatiale précise de l’agencement des arbres et des bâtiments à l'échelle des rues et de leurs interactions. En conséquence, et en raison de la sensibilité du flux de chaleur latente à la représentation de la structure des arbres, le flux de chaleur latente n'est généralement pas correctement simulé dans les modèles de climat urbain. L’objectif général du projet COOLTREES est d'évaluer et de modéliser l'évapotranspiration des arbres urbains en fonction de leur environnement, leur structure et leur réponse physiologique. Pour relier les flux de chaleur latente locaux issus des arbres au climat urbain, 3 modèles de simulations, associés à 3 échelles spatiales différentes, seront utilisés et interconnectés au cours du projet : le modèle RATP (à l’échelle de l’arbre), le modèle LASER/F (à l’échelle du quartier) et le modèle SURFEX de MESO-NH (à l’échelle du quartier). La validation des modélisations se fera sur la base d’expériences en cours dans la ville de Strasbourg. D’une durée de 3 ans le projet est basé sur la collaboration étroite de 4 partenaires complémentaires. Deux équipes de recherche (UMR PIAF INRA / Université Clermont Auvergne) et UMR ICUBE (CNRS / Université de Strasbourg / INSA / ENGEES) et les services d'ingénieurs de la ville de Strasbourg permettent de couvrir tous les domaines scientifiques et techniques du projet: de la biologie des arbres (UMR PIAF) à la modélisation climatique urbaine (UMR ICUBE) via l’aménagement et la gestion des arbres urbains (mairie de Strasbourg). L'association Plante et Cité est également impliquée dans le projet et favorisera l'interconnexion du projet avec d'autres acteurs et initiatives d’autres collectivités et associations nationales sur le thème du développement du végétal en ville.