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Home All issues Volume 17 (2020) Climatologie, 17 (2020) 2 Full HTML
Climat urbain
Open Access
Issue
Climatologie
Volume 17, 2020
Climat urbain
Article Number 2
Number of page(s) 24
DOI https://doi.org/10.1051/climat/202017002
Published online 16 February 2021

© L. Alonso et F. Renard, hosted by EDP Sciences 2020

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License CC-BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, except for commercial purposes, provided the original work is properly cited.

Introduction

Le changement climatique est un phénomène majeur actuel générant de multiples conséquences environnementales, sociales et économiques (GIEC, 2019). En milieu urbain, il exacerbe le phénomène de l’îlot de chaleur urbain (ICU) (Oke, 1981; Weston, 1988) qui se caractérise par une différence de température entre une zone urbaine et les espaces ruraux environnants. Dans ce cas, la température des zones urbaines est plus élevée que dans les zones rurales, surtout la nuit (Oke, 1973, 1978; Katsoulis et Theoharatos, 1985). Ces deux manifestations climatiques engendrent des conséquences sur la santé des habitants (Alonso et Renard, 2020) et sur la sensation d’inconfort thermique ressenti en milieu urbain (Dousset et Gourmelon, 2003; Dousset et al., 2011). En outre, l’augmentation des vagues de chaleurs est nettement démontrée en Europe et en Amérique du Nord, que ce soit lorsque l’on s’intéresse à la durée, l’intensité ou la fréquence (Meehl et Tebaldi, 2004). Les effets des canicules viennent se superposer aux caractéristiques microclimatiques des milieux urbains (Fallmann et al., 2016), ainsi qu’au processus d’urbanisation croissant de la population. Cette urbanisation croissante a un impact significatif sur le changement climatique et conduit à un réchauffement des températures en ville (Kukla et al., 1986; Wang et al. 2014; Chapman et al., 2017; Sun et al., 2019). La combinaison de ces évènements a notamment pour effet une augmentation du nombre prématuré de décès aux USA liés au stress thermique (Bobb et al., 2014). En ce sens, les acteurs publics locaux tentent de prévenir et de réduire les risques humains potentiellement générés par une augmentation des vagues de chaleur. Connaître et comprendre l’effet de l’îlot de chaleur urbain est une condition sine qua non dans la conception de ville intelligente et durable (Renard et al., 2019). D’après le US Department of Energy, les Etats-Unis dépensent chaque année 10 milliards de dollars dans le domaine énergétique pour réduire l’effet de l’îlot de chaleur urbain (Rosenfeld et al., 1996). De plus, atténuer la surchauffe en ville est une question financière importante puisque chaque augmentation de 1°C de la température entraine une hausse de 2 à 4% de la demande en électricité (Akbari et al., 2001). Une étude à Chicago a démontré que l’ajout de 10% de couverture végétale, ou la plantation d’environ trois arbres par parcelle de terrain, permet de réduire les coûts énergétiques d’environ 50 dollars à 90 dollars (environ 45 euros à 80 euros) par an et par habitation (McPherson et al., 1997).

Par ailleurs, la température de l’air est une variable principale dans l’explication des conditions de l’environnement, notamment urbain. Elle est également impliquée dans de nombreux processus écologiques importants tels que l’évapotranspiration réelle et potentielle, le rayonnement net ou la distribution des espèces (Cristóbal et al., 2008). Ainsi, la connaissance de la température de l’air en tout point du territoire est de plus en plus demandées pour alimenter des modèles quantitatifs liés à un large éventail de domaines, tels que l’hydrologie, l’écologie (Kustas et Norman, 1996) ou la climatologie (De Ridder et al., 2017; Leconte et al., 2017; Alonso et Renard, 2019). C’est pourquoi, la compréhension des modèles de température de l’air est essentielle pour de multiples applications dans les domaines de l’agriculture, de l’hydrologie, de l’aménagement du territoire ou de la santé publique. En outre, il est nécessaire d’estimer au mieux la température de l’air en tous lieux, notamment face à la rationalisation actuelle du réseau de stations météorologiques fixes de Météo France (Journal officiel du Sénat, 2012). En France, les agglomérations qui disposent de leur propre réseau de stations météorologiques fixes ne sont que peu nombreuses, comme à Rennes ou à Dijon (Foissard et al., 2019; Richard et al., 2018).

En outre, cette compréhension du microclimat urbain passe inévitablement par une meilleure connaissance de l’ICU en combinant mesures et modélisation. L’étude proposée s’inscrit dans cette thématique grâce à une modélisation de la température de l’air en zones urbaines denses sur la Métropole de Lyon (France) par l’utilisation combinée de données traditionnellement utilisées, de données issues de la télédétection par une acquisition LiDAR (Light Detection And Ranging) ou satellitaire Landsat 8 et de données produites par la mesure mobile. Ces dernières s’avèrent être d’un grand recours puisqu’il n’existe pas, jusqu’à présent, sur Lyon, et dans la plupart des grandes agglomérations, de réseaux de stations météorologiques fixes suffisamment déployés en centre-urbain. C’est une réelle opportunité, d’autant plus que la température de l’air évolue à une échelle métrique, à moins de 100 mètres (Nichol et To, 2012; Tsin et al., 2016). De plus, l’utilisation d’informations obtenues à partir de capteurs aéroportés ou de satellites pour observer la surface de la terre depuis le ciel ou l’espace est une méthodologie qui évalue efficacement la distribution spatiale des variables de la surface terrestre à l’échelle locale et régionale (Mira et al., 2017). La connaissance précise des températures est une nécessité tant pour l’environnement que pour les politiques de santé, en particulier dans les zones urbaines, qui peuvent contribuer à l’amélioration de la planification urbaine dans le contexte de l’atténuation de l’ICU et la création d’îlots de fraîcheur urbains (IFU). Cette connaissance dépend directement de la densité du réseau de mesure. En outre, il existe une variété de techniques d’interpolation comme les splines (Boer et al., 2001; Jarvis et Stuart, 2001) et le krigeage. Plus récemment, la modélisation par régression (Boer et al., 2001) ou encore par les réseaux de neurones et les techniques d’apprentissage de maching learning (Antonić et al., 2001) est apparue. De plus, de multiples études ont abordé cette question, par ces interpolations spatiales classiques déterministes (Wang et al., 2017) ou stochastiques (Zhang et Du 2019) ou bien par ces régressions multiples (Cantat, 2004; Carrega et Rosa, 2005; Cristobal et al., 2006; Hengl et al., 2012; Zhu et al., 2013; Chen et al., 2016; Kastendeuch et al., 2016; Carrega et Martin, 2017; Mira et al., 2017; Richard et al., 2017; Alonso et Renard, 2019).

Ainsi, cette étude se propose dans un premier temps de délimiter la zone d’étude, puis d’aborder les méthodes d’acquisition de la donnée ainsi que les procédés statistiques, et enfin, d’analyser les résultats. Cette dernière partie nous permet de discuter de la contribution de chaque variable prédictive à la modélisation de la température de l’air et de l’erreur de mesure. Cette recherche vise à une amélioration de la planification urbaine dans le contexte du changement climatique et de l’atténuation de l’ICU.

1. Données et méthodes

1.1. Lyon : une zone d’étude marquée par une forte diversité morphologique urbaine

La zone d’intérêt choisie dans le cadre de cette étude est l’agglomération de Lyon, et plus particulièrement le cœur urbain de la ville de Lyon ainsi qu’une partie de la ville de Villeurbanne, à la frontière avec le 6ème arrondissement de Lyon (figure 1). Ce territoire présente l’intérêt de regrouper une importante diversité d’occupation du sol en milieu urbain. Il est majoritairement occupé par du tissu urbain continu (50%) et du tissu urbain dense discontinu (12,3%), ainsi que par des unités industrielles, commerciales, militaire ou publiques (13,8%). Avec un peu plus de 1,4 millions d’habitants, cette agglomération de 59 communes est la deuxième plus grande de France derrière Paris. Située au sud-est de la France (45°45′35″N, 4°50′32″E), elle est caractérisée par un climat tempéré chaud et humide, de type Cfa ou Cfb selon la classification de Köppen (Köppen, 1900; Kottek et al., 2006) aux influences méditerranéennes, avec des températures élevées au printemps et en été.

thumbnail Figure 1

Localisation et occupation du sol du terrain d’étude (source : Urban Atlas 2012 et Data Grand Lyon). Location and land use of the study area (source: Urban Atlas 2012 and Data Grand Lyon).

1.2. Données acquises par les appareils de mesure et journées sélectionnées

La température de l’air est la variable à estimer partout sur le territoire à partir de plusieurs indicateurs. L’échantillon d’apprentissage de cette variable est obtenu à partir de transects de mesures mobiles à l’aide d’appareils de mesure de très bonne précision, d’après les données constructeur. Le premier matériel utilisé est le EL-USB-1-RGC. Il mesure la température de l’air en continu, avec une précision de +/- 1°C (données constructeur) et un intervalle d’enregistrement minimum de 1 seconde. Le second équipement, le LOG 32, enregistre l’humidité relative et la température de l’air, avec une précision de +/- 0,5°C (données constructeur) et de +/- 3% (de 40 à 60%) et un intervalle d’enregistrement minimum 2 secondes. De plus, l’instrument EL-USB-1-RGC, présente une réactivité aux variations de températures moins rapides que le LOG 32. Dans le premier cas, l’instrument varie de 12 à 25°C en 25 minutes, alors que pour le second, cette variation est effectuée en 22 minutes.

L’humidité relative du LOG 32 varie de 53 à 84,1%. Cette variation s’effectue dans le même pas de temps que pour sa température de l’air. En outre, les campagnes de mesure ont été associées à un GPS de précision (récepteur GPS/GLONASS haute sensibilité et antenne Quad Helix) afin d’enregistrer la position géographique de la mesure. La précision GPS a été validée par des tests en amont. Ainsi, lorsque la position est stabilisée, l’erreur de localisation est négligeable.

Chacune des localisations de chacun des points pour toutes les campagnes de mesures a été vérifiée et corrigée si besoin sous système d’information géographique (SIG), par exemple, afin de s’assurer que les points de mesure ne se situent pas sur un toit de bâtiment. En effet, le milieu urbain dense peut venir créer des interférences lors de la géolocalisation de la position. Les rues en centre urbain dense peuvent être encaissées, avec une faible portion de ciel visible.

Par ailleurs, le site de Météo France de la Direction Centre-Est (DIRCE) de Lyon-Bron, situé à une latitude de 45°43’30”N, une longitude de 4°56’12”E et à une altitude de 197 mètres, a servi de terrain d’étude à une campagne de contrôle qualité des instruments de mesures de la température de l’air et d’humidité relative. Des mesures horaires synchrones aux mesures de la station de Météo France ont été effectué du 28 juin 2018 à 09h00 au 24 septembre 2018 à 14h00 (figure 2).

thumbnail Figure 2

Mesures horaires de température (°C – trait rouge) et d’humidité (% - pointillé bleu) à la station Météo France Lyon-Bron du 28/06/18 au 24/09/18. Hourly measurements of temperature (°C - red line) and humidity (% - blue dotted line) at the Météo France Lyon-Bron station from 06/28/18 to 09/24/18.

Les appareils de mesures utilisés dans cette étude se sont avérés être de grande précision puisqu’après cette comparaison sur le site de Météo France sur la période estivale 2018, la corrélation de la température de l’air de ces deux différentes sources d’acquisition présente un coefficient de corrélation au plus faible de 0,981 pour la température de l’air et de 0,977 pour l’humidité relative mesurée par le LOG 32 (tableau 1).

Tableau 1

Synthèse des coefficients de corrélation, des RMCE et MCE depuis les différents instruments de mesures utilisés par rapport à la station Lyon-Bron de Météo France. Synthesis of correlation coefficients, RMSE and MSE from the different measurement instruments used in relation to the Météo France station Lyon-Bron.

Les mesures de la température de l’air ont été effectuées lors des jours de passage du satellite Landsat 8 au-dessus de la métropole, par temps clair uniquement, c’est-à-dire une couverture nuageuse inférieure à 10%. Ces campagnes s’échelonnent entre 2016 et 2018, exclusivement sur la période estivale : le 30 août 2016, le 1er août 2017, 19 juillet 2018 et le 22 juillet 2019. Les conditions météorologiques pour chaque journée sont similaires : l’écart type de la température diurne est de seulement 0,9°C, de 4,3% pour l’humidité, de 2,3 m.s−1 pour la vitesse du vent, de 132 degrés pour sa direction et de 3,7 hPa pour la pression. La moyenne des conditions météorologiques respectivement pour ces indicateurs est de 29,3°C, 45,3%, 8,8 m.s−1, 260,8 degrés et 1016,6 hPa (tableau 2). Respectivement, ces campagnes de mesures ont permis de récolter 573, 300, 393 et 397 points de mesure de la température de l’air et de l’humidité relative (figure 3).

thumbnail Figure 3

Points de mesure de la température de l’air en après-midi pour le 30 août 2016 (haut-gauche), 01 août 2017 (haut-droite), 19 juillet 2018 (bas-gauche) et le 22 juillet 2019 (bas-droite – source : Data Grand Lyon). Afternoon air temperature measurement points for August 30th, 2016 (top-left), August 01st, 2017 (top-right), July 19th, 2018 (bottom-left) and July 22nd, 2019 (bottom-right - source: Data Grand Lyon).

Tableau 2

Paramètres météorologiques des journées d’étude à la station Lyon-Bron à 12h00 (source : Météo France). Meteorological parameters of the study days at the Lyon-Bron station at 12:00 am (source: Météo France).

En outre, les campagnes de mesures de température de l’air s’échelonnent parfois sur plusieurs dizaines de minutes. Il a donc été nécessaire d’apporter une correction à partir d’une équation polynomiale élaborée en fonction de l’évolution des températures de la journée enregistrées à un pas de temps de 10 min jusqu’à la fin des campagnes de mesures en milieu d’après-midi. Cette étape avant le traitement des données est primordiale et permet de ramener toutes ces mesures de température de l’air à l’heure la plus chaude la journée (Brandsma et Wolters, 2012).

1.3. Les descripteurs morphologiques intervenant dans l’estimation de la température de l’air

Les modifications des modes d’occupation du sol liées à la fabrique urbaine contribuent à structurer spatialement le paysage urbain, qui, par ailleurs, ont une influence sur la transmission et la balance énergétique (Xie et al., 2011; Liu et al., 2018). Ces changements sont considérés comme étant une cause directe de la formation des ICU (Chen et al., 2012; Yang et al., 2017). Ainsi, la mise en relation des variations de la température de l’air avec l’utilisation des terres et l’occupation des sols est pertinente.

Dans cette étude, trente-huit variables explicatives contribuent à estimer la température de l’air sur la zone d’étude, comme utilisées dans plusieurs autres études sur différents territoires (Sobrino et al., 2004; Jin et Sader, 2005; Chen et al., 2006; Liu et Zhang, 2011; Nguyen et al., 2016). Elles appartiennent à diverses catégories telles que des données climatiques issues de la télédétection, des variables topographiques, des indices de végétation, de la présence d’eau, d’humidité, de sol nu, de bâti, de rayonnement, de morphologie urbaine ou encore de proximité à diverses occupations du sol (tableau 3). Les sources d’acquisition sont multiples et proviennent du satellite Landsat 8, de points LiDAR et d’autres produits cartographiques téléchargés depuis la plateforme d’open data du Grand Lyon.

Tableau 3

Liste des descripteurs morphologiques intervenant dans l’estimation de la température de l’air. List of morphological descriptors used to estimate air temperature.

Ces descripteurs morphologiques sont acquis à une précision spatiale pouvant descendre à l’échelle du centimètre. De ce fait, les informations relevées sont denses et nous permettent d’acquérir un état du milieu urbain précis dans le but de modéliser la température de l’air.

1.4. La procédure statistique suivie

1.4.1. Une zone tampon explicative qui varie en fonction de l’indicateur

Cette étude a pour but de modéliser la température de l’air à l’aide de régressions linéaires, multiples et partial least square, et de régression non linéaire par la forêt d’arbres aléatoires, à partir des prédicteurs sélectionnés. Dans un premier temps, l’échelle présentant une meilleure corrélation entre température de l’air et variables explicatives est retenue pour chaque indicateur à partir d’une analyse par tampons de proximité (de 5 à 1000 m; figure 4). Ainsi, la zone tampon sélectionnée varie pour les indicateurs de présence de végétation, d’eau, d’humidité, de sol nu et de bâti, les indices de rayonnement, de proximité aux occupations du sol, de morphologie urbaine et enfin les données climatiques (tableau 4).

thumbnail Figure 4

Exemple de variation de la corrélation entre prédicteur et température de l’air en fonction de l’échelle d’étude. Example of the variation of the correlation between predictor and air temperature according to the study scale.

Tableau 4

Zones tampons sélectionnées pour chaque indicateur explicatif. Buffer zones selected for each explanatory indicator.

1.4.2. Trois méthodes de régression complémentaire dans la modélisation

Trois méthodes de régression de la modélisation de la température de l’air sont comparées dans cette étude. Il s’agit de deux régressions, linéaires multiples (Chen et al., 2016; Mira et al., 2017; Alonso et Renard, 2019) et par les moindres carrés partiels (Tenenhaus et al., 2005; Guo et al., 2020), et d’une non linéaire, la forêt d’arbres aléatoire (Breiman, 1996; Di Paola et al., 2018; Sekulić et al., 2020). L’objectif est de choisir la meilleure régression pour cette modélisation. Cette évaluation s’effectue essentiellement en comparant les coefficients de détermination et les racines de la moyenne des carrés des erreurs (RMCE) obtenues pour les échantillons. Les conditions d’utilisation pour chacune des régressions ont aussi été vérifiées.

La régression linéaire multiple (RLM) est une méthode de modélisation de la donnée qui nécessite plusieurs étapes statistiques avant son application (Dempster, 1969). Dans un premier temps, il est nécessaire de vérifier la distribution normale des séries du jeu de données à l’aide du test de Shapiro-Wilk (s’applique aux échantillons de moins de 5000 observations; Shapiro et Wilk, 1965). Ce test a été invalidé, c’est pourquoi la matrice de corrélation de Spearman a été utilisée. Elle permet de ne pas inclure les variables redondantes dans le modèle de régression. Un des deux indicateurs pour lequel la paire présente un |r|>0,7 dans la matrice de corrélation de Spearman ainsi qu’un VIF (Variable Importance for the Projection) > 5 a été supprimé (OCDE, 2008; Dormann et al., 2013). De plus, une validation croisée holdout a été réalisée en raison de sa capacité à détecter les over-fitting de la régression multiple (80% de données d’apprentissage, 20% de données de validation) (Shandas et al., 2019).

D’une manière complémentaire à la RLM, la régression partial least square est une méthode s’appliquant lorsqu’un grand nombre de variables explicatives est présent et que celles-ci sont susceptibles de présenter de fortes colinéarités entre elles (Dempster, 1969).

Ainsi, cette méthode nous permet de modéliser et prédire des valeurs de la température de l’air en fonction d’une combinaison linéaire de plusieurs variables explicatives quantitatives (ou qualitatives) en s’affranchissant des contraintes de la régression linéaire pour la distribution et le nombre de variables inclues. Il n’est donc pas nécessaire de supprimer les variables colinéaires. Le modèle donne une valeur pour chaque VIP. Une variable explicative est considérée comme importante lorsque le VIP est supérieur à 0,8 (Wold et al., 2000). Un coefficient normalisé est alors généré pour chacune d’elles (Tenenhaus et al., 2005).

Le troisième type de régression testé est la forêt aléatoire de régression. Il s’agit d’un modèle prédictif qui met en œuvre des arbres de décision binaire (Breiman et al., 1984). A partir d’un échantillon d’observation, la méthode bagging va générer plusieurs possibilités avant de n’en sélectionner qu’une seule. Cette technique d’apprentissage automatique (Hastie et al., 2009) est articulée autour des arbres Classification And Regression Trees (CART). Ces derniers sont construits à partir de différents échantillons bootstrap, choisis au hasard avec une remise aléatoire, afin d’obtenir, après agrégation, un ensemble de prédicteurs robuste et performant de la température de l’air (Breiman, 1996). L’importance de chaque variable est calculée par l’accroissement moyen de l’erreur d’un arbre dans la forêt, c’est-à-dire lorsque les valeurs de chacune des variables est échangée au hasard dans les échantillons out-of-bag (OOB). Les variables utilisées dans la modélisation de la température de l’air par la régression non linéaire de la forêt d’arbres aléatoires sont issues de la sélection des régressions linéaires multiples pour chacune des journées. La forêt aléatoire de classification et de régression présente l’avantage de réduire le bruit blanc et donc potentiellement d’améliorer les coefficients de corrélation et les RMCE déjà obtenus par régression linéaire multiple.

En outre, la régression Lasso n’est pas utilisable dans cette étude. Elle n’est d’usage que lorsque le nombre de variables prédictives est supérieur au nombre d’observations (Tibshirani, 1996; Reid et al., 2016). Or, ici, le nombre d’observations est beaucoup plus élevé que le nombre de prédicteurs.

1.4.3. Contrôle de qualité sur les modélisations par l’identification spatiale des clusters des erreurs

L’autocorrélation spatiale de la différence entre la température de l’air modélisée et la température de l’air mesurée par les mesures mobiles est analysée, d’une part, à l’aide de l’indicateur d’association spatiale locale Anselin Local Moran I LISA (Anselin, 1995), et, d’autre part, grâce au degré de regroupement des valeurs d’intensité élevée et faible par le Getis Ord General G (Gi*; Getis et Ord, 1992 et 1996).

Le LISA permet de regrouper, pour des résultats statistiquement significatifs (p <0,05), la similitude d’une unité spatiale avec ses voisins. Il permet d’identifier des agrégats spatiaux d’entités avec des valeurs hautes ou basses ainsi que des points spatiaux aberrants. Une représentation cartographique qui montre un type de cluster pour chaque entité statistiquement significative est ainsi obtenue. Sous système d’information géographique (SIG), il est distingué à la fois, un groupe de valeurs élevées (HH) statistiquement significatif, un groupe de valeurs faibles (LL), une valeur aberrante dans laquelle une valeur élevée est entourée principalement de valeurs faibles (HL) et une valeur aberrante dans laquelle une valeur faible est entourée principalement de valeurs élevées (LH).

L’application locale de la statistique G générale est une méthode particulière de celle de Getis Ord Gi*. Elle est utilisée pour identifier des grappes spatiales statistiquement significatives (p <0,05) de haute et basse intensité (ou analyse de point chaud). Ainsi, pour les scores Z positifs, plus ils sont élevés, plus le groupe de valeurs de forte intensité est fort (erreur surestimant la température de l’air). En revanche, plus les scores Z négatifs sont faibles, plus le groupe de valeurs de faible intensité est élevé (erreur sous-estimant la température de l’air).

2. Résultats

2.1. La modélisation par régression linéaire multiple

Après avoir supprimé les variables colinéaires, pour chaque journée, les prédicteurs intervenant dans la modélisation de la température de l’air permettent d’obtenir des coefficients de détermination significatifs. Ces derniers varient de 0,60 pour le 22 juillet 2019 à 0,89 pour le 30 août 2016 avec respectivement des RMCE de seulement 0,96°C et 0,23°C. Par ailleurs, chaque variable retenue dans le modèle est caractérisée par un coefficient normalisé qui correspond au poids de cette variable explicative. Ce poids varie en fonction des journées d’étude (figure 5).

thumbnail Figure 5

Exemple de poids des variables retenues le 30 août 2016 et le 19 juillet 2018. Example of weights for variables selected on August 30th, 2016 and July 19th, 2018

Par exemple, pour le 19 juillet 2018, les variables contribuant à avoir un impact positif sur le modèle sont la proximité aux bouches de métros, le BI, la longitude, le TCT Wetness, la densité de végétation basse et le NDBaI. Les variables intervenant négativement dans le modèle sont, quant à elles, le Sky View Factor, la densité de végétation haute, la proximité aux points d’intérêt touristiques et la densité de sol anthropisé 1. A partir de l’équation obtenue, il est ainsi possible de modéliser la température de l’air en tout point (figure 6).

thumbnail Figure 6

Modélisation de la température de l’air dans le centre urbain dense de Lyon le 19 juillet 2018 (source : Data Grand Lyon). Air temperature modelling in the dense urban center of Lyon on July 19th, 2018 (source: Data Grand Lyon)

2.2. La modélisation par régression partial least square

La modélisation par régression partial least square ne révèle pas une grande cohérence dans la prédiction de la température de l’air puisque le coefficient de détermination moyen pour l’ensemble des quatre journées d’étude n’est que de 0,62 avec un maximum de 0,79 pour le 30 août 2016 et un minimum de 0,53 pour le 22 juillet 2019 (tableau 5). En outre, un grand nombre de variables explicatives sont retenues, au maximum 26 pour la journée du 22 juillet 2019. Certaines variables influencent à la fois positivement et négativement le modèle en fonction de la journée. Par exemple, le MNDWI a un impact positif important pour le 30 août 2016 et négatif pour le 1er août 2017, le 19 juillet 2018 et le 22 juillet 2019. De ce fait, les résultats de modélisation de la température de l’air sont bien moins pertinents que par la régression linéaire multiple.

Tableau 5

Paramètres statistiques des trois variables explicatives retenues dans la modélisation de la température de l’air par régression partial least square. Statistical parameters of the three explanatory variables retained in the modelling of air temperature by partial least square regression.

2.3. La modélisation par la forêt aléatoire de classification et de régression

Pour les quatre journées d’étude, les coefficients de détermination obtenus sont forts : 0,98 pour le 30 août 2016, 0,96 pour le 1er août 2017, 0,95 pour le 19 juillet 2018 et 0,92 pour le 22 juillet 2019 (tableau 6). Ainsi, en moyenne, un coefficient de détermination de 0,95 est obtenu, avec un RMCE de seulement de 0,17°C et une erreur Out Of Bag (OOB) de 0,05.

Tableau 6

Récapitulatif des coefficients de détermination, de l’erreur Out Of Bag et de racine de la moyenne des carrés des erreurs de la modélisation par forêt aléatoire de classification et de régression. Summary of the coefficients of determination, Out Of Bag error and root mean square error of random forest regression modelling.

En outre, la mesure d’importance pour chacune des variables est mesurée par l’accroissement moyen de l’erreur d’un arbre dans la forêt lorsque les valeurs observées de cette variable sont permutées au hasard dans les échantillons Out Of Bag (OOB; figure 7).

thumbnail Figure 7

Evolution de l’importance des variables retenues dans la modélisation par forêt aléatoire de classification et de régression. Evolution of the importance of the variables retained in the random forest regression modeling.

3. Discussion

3.1. Spatialisation de l’erreur

L’erreur de modélisation constatée est minime pour les modélisations par régression linéaire multiple et par la forêt d’arbres aléatoires. Pour l’ensemble des journées d’étude, la médiane par régression linéaire multiple est de 0,02°C et par forêt aléatoire de classification et de régression, de 0,002°C (σ respectivement de 0,44 et 0,17; tableau 7). Contrairement à la proximité des valeurs de la médiane et de la moyenne par ces deux méthodes de modélisation, l’entendue est plus forte pour la régression linéaire multiple que pour la forêt aléatoire de classification et de régression (figure 8).

thumbnail Figure 8

Représentation par boîte à moustache de l’erreur de modélisation par régression linéaire multiple et par forêt aléatoire de classification et de régression. Box plot representation of the modelling error by multiple linear regression and by random forest regression.

Tableau 7

Statistiques descriptives de l’erreur de modélisation par régression linéaire multiple (RLM) et par forêt aléatoire de classification et de régression (RDF). Descriptive statistics of the modeling error by multiple linear regression (MLR) and by random forest regression (RDF).

Lorsque l’on s’intéresse à la localisation des erreurs de la modélisation de la température de l’air entre la méthode par régression linéaire multiple et la forêt d’arbres aléatoire, on observe des similarités entre les deux. Les modèles surestiment les températures de l’air vers les zones en eaux sur Confluence (sud de la presqu’île) et à proximité de la gare Perrache. Ils sous-estiment la température de l’air dans les rues encaissées, à proximité des espaces verts et au sud de la rive gauche du Rhône (figure 9).

thumbnail Figure 9

Localisation de l’erreur de mesure modélisée de la température de l’air par régression linéaire multiple (gauche) et par forêt d’arbres aléatoires (droite) pour l’ensemble des journées d’étude (source : Data Grand Lyon). Localization of the modelled measurement error of the air temperature by multiple linear regression (left) and by random forest regression (right) for all the study days (source: Data Grand Lyon).

Si on analyse la localisation de ces erreurs journée par journée, on remarque que pour le 30 août 2016, le modèle par régression linéaire multiple surestime les températures de l’air à proximité des zones en eau, sur les ponts et sud de la rive gauche du Rhône. A l’inverse, il sous-estime cette grandeur physique sur les espaces ouverts comme la place Bellecour. En ce qui concerne les journées du 1er août 2017, 19 juillet 2018 et 22 juillet 2019, le modèle surestime la température de l’air également à proximité des cours d’eau et sur les ponts mais également sur les espaces ouverts. Les rues encaissées semblent, en revanche, plus fraîches selon le modèle qu’avec les mesures mobiles in situ (figure 10). Le même constat peut être visible sur la modélisation par la forêt d’arbre aléatoire (figure 11). En outre, on observe une surestimation de la température de l’air à proximité des espaces verts du Parc de la Tête d’Or pour les journées du 30 août 2016, 19 juillet 2018 et 22 juillet 2019.

thumbnail Figure 10

Localisation de l’erreur de mesure de la modélisation de la température de l’air par régression linéaire multiple. Localization of the measurement error of air temperature modelling by multiple linear regression.

thumbnail Figure 11

Localisation de l’erreur de mesure de la modélisation de la température de l’air par la forêt aléatoire de classification et de régression. Localization of the measurement error of the air temperature modelling by the random forest regression.

3.2. Regroupement des erreurs similaires

Les regroupements spatiaux des valeurs statistiquement proches des différences entre la température de l’air modélisée et la température de l’air mesurée sont évalués grâce au LISA (figure 12) et au Gi (figure 13). Entre les deux méthodes de régression (linéaire multiple et forêt d’arbres aléatoires), des similitudes dans la localisation des types de regroupement de l’erreur par le LISA et le Gi* sont observées.

thumbnail Figure 12

LISA des différences entre les températures de l’air modélisées et mesurées pour l’ensemble des journées d’étude. LISA of the differences between modelled and measured air temperatures for all study days.

thumbnail Figure 13

Gi* des différences entre les températures de l’air modélisées et mesurées pour l’ensemble des journées d’étude>. Gi* of the differences between modelled and measured air temperatures for all study days.

Dans un premier temps, par la méthode LISA, des regroupements d’erreurs faibles (LH), de sous-estimation du modèle par rapport aux valeurs mesurées, sont identifiables sur la rive gauche du Rhône, dans les rues encaissées de la presqu’île et du Vieux Lyon et sur les ponts. Les zones qui présentent une valeur forte (HL), c’est-à-dire une surestimation du modèle, sont observables à proximité de la gare Perrache, dans la zone de Confluence et à proximité des espaces verts du parc de la Tête d’Or (figure 12).

Dans un second temps, les regroupements des erreurs de sous-estimation et de surestimation de la modélisation de la température de l’air par rapport à celle mesurée par la méthode du Gi* sont localisés dans des zones similaires au LISA. Ces espaces récurrents pour les valeurs de score z négatifs statistiquement faibles sont les rues encaissées de la presqu’île et du Vieux Lyon et le sud de la rive gauche du Rhône. Les valeurs de score z positifs statistiquement élevées sont le quartier de la gare Perrache et Confluence, la proximité aux espaces verts du parc de la Tête d’Or mais aussi le pont Morand (figure 13).

Conclusion

L’objectif de cette étude était d’identifier la méthode de régression la plus appropriée et qui présente les meilleurs résultats pour la modélisation de la température de l’air en milieu urbain à partir d’un grand nombre de variables explicatives de nature diverse. L’intégration de ces prédicteurs dans des régressions linéaires multiples puis dans des régressions non-linéaire de la forêt d’arbres aléatoires affiche des résultats très satisfaisants.

La part de la variance expliquée par régression linéaire multiple dans la modélisation des températures de l’air pour chaque journée d’étude est dans l’ensemble forte avec des coefficients de détermination allant de 0,60 à 0,89. Cette cohérence de la modélisation en tous points du territoire est confirmée par le coefficient de détermination par la forêt aléatoire de classification et de régression indiqué. En effet, pour cette dernière, le coefficient de détermination moyen est de 0,95 pour une RMCE de seulement 0,17°C et un OOB de 0,05. En revanche, la régression linéaire par partial least square ne fournit pas de coefficient de détermination assez élevé.

Ainsi, chaque équation qui contribue à la modélisation sur l’ensemble de la zone d’étude n’est valable que pour une journée d’étude. En revanche, des variables prépondérantes sont récurrentes comme le NDVI, la température de surface ou encore la densité de zones en eau. Ainsi, les changements de morphologie urbaine influencent les réponses thermiques de la ville. L’intégration de prédicteurs satellitaires est un avantage certain dans la modélisation du microclimat urbain par modèle de régression linéaire, et à partir de mesures mobiles de la température de l’air.

Lorsque l’on s’intéresse à la localisation des erreurs dans la modélisation de la température de l’air entre la méthode de régression linéaire multiple et la forêt aléatoire, des similitudes entre les deux sont observées. Les modèles surestiment les températures de l’air vers les plans d’eau de Confluence (sud de la presqu’île) et à proximité de la gare de Perrache. Ils sous-estiment la température de l’air dans les rues étroites, à proximité des espaces verts et au sud de la rive gauche du Rhône. Ainsi, les résultats de cette étude ont confirmé le rôle refroidissant joué par les espaces verts et les plans d’eau, ainsi que les problèmes liés à la densité des bâtiments sans végétation dans leurs actions sur la surchauffe urbaine. De plus, la végétation basse présentait un faible pouvoir de refroidissement, principalement en raison d’une absence d’ombre par rapport à la végétation haute et à la végétation de faible densité assurant peu d’évapotranspiration. Cela met en évidence le réel besoin d’utiliser des solutions d’espaces verts et bleus afin de limiter l’ICU et d’améliorer le confort thermique.

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Citation de l’article : Alonso L. et Renard F., 2020. Compréhension du microclimat urbain lyonnais par l’intégration de prédicteurs complémentaires à différentes échelles dans des modèles de régression. Climatologie, 17, 2.

Liste des tableaux

Tableau 1

Synthèse des coefficients de corrélation, des RMCE et MCE depuis les différents instruments de mesures utilisés par rapport à la station Lyon-Bron de Météo France. Synthesis of correlation coefficients, RMSE and MSE from the different measurement instruments used in relation to the Météo France station Lyon-Bron.

Dans le texte
Tableau 2

Paramètres météorologiques des journées d’étude à la station Lyon-Bron à 12h00 (source : Météo France). Meteorological parameters of the study days at the Lyon-Bron station at 12:00 am (source: Météo France).

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Tableau 3

Liste des descripteurs morphologiques intervenant dans l’estimation de la température de l’air. List of morphological descriptors used to estimate air temperature.

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Tableau 4

Zones tampons sélectionnées pour chaque indicateur explicatif. Buffer zones selected for each explanatory indicator.

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Tableau 5

Paramètres statistiques des trois variables explicatives retenues dans la modélisation de la température de l’air par régression partial least square. Statistical parameters of the three explanatory variables retained in the modelling of air temperature by partial least square regression.

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Tableau 6

Récapitulatif des coefficients de détermination, de l’erreur Out Of Bag et de racine de la moyenne des carrés des erreurs de la modélisation par forêt aléatoire de classification et de régression. Summary of the coefficients of determination, Out Of Bag error and root mean square error of random forest regression modelling.

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Tableau 7

Statistiques descriptives de l’erreur de modélisation par régression linéaire multiple (RLM) et par forêt aléatoire de classification et de régression (RDF). Descriptive statistics of the modeling error by multiple linear regression (MLR) and by random forest regression (RDF).

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Liste des figures

thumbnail Figure 1

Localisation et occupation du sol du terrain d’étude (source : Urban Atlas 2012 et Data Grand Lyon). Location and land use of the study area (source: Urban Atlas 2012 and Data Grand Lyon).
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thumbnail Figure 2

Mesures horaires de température (°C – trait rouge) et d’humidité (% - pointillé bleu) à la station Météo France Lyon-Bron du 28/06/18 au 24/09/18. Hourly measurements of temperature (°C - red line) and humidity (% - blue dotted line) at the Météo France Lyon-Bron station from 06/28/18 to 09/24/18.
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thumbnail Figure 3

Points de mesure de la température de l’air en après-midi pour le 30 août 2016 (haut-gauche), 01 août 2017 (haut-droite), 19 juillet 2018 (bas-gauche) et le 22 juillet 2019 (bas-droite – source : Data Grand Lyon). Afternoon air temperature measurement points for August 30th, 2016 (top-left), August 01st, 2017 (top-right), July 19th, 2018 (bottom-left) and July 22nd, 2019 (bottom-right - source: Data Grand Lyon).
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thumbnail Figure 4

Exemple de variation de la corrélation entre prédicteur et température de l’air en fonction de l’échelle d’étude. Example of the variation of the correlation between predictor and air temperature according to the study scale.
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thumbnail Figure 5

Exemple de poids des variables retenues le 30 août 2016 et le 19 juillet 2018. Example of weights for variables selected on August 30th, 2016 and July 19th, 2018
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thumbnail Figure 6

Modélisation de la température de l’air dans le centre urbain dense de Lyon le 19 juillet 2018 (source : Data Grand Lyon). Air temperature modelling in the dense urban center of Lyon on July 19th, 2018 (source: Data Grand Lyon)
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thumbnail Figure 7

Evolution de l’importance des variables retenues dans la modélisation par forêt aléatoire de classification et de régression. Evolution of the importance of the variables retained in the random forest regression modeling.
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thumbnail Figure 8

Représentation par boîte à moustache de l’erreur de modélisation par régression linéaire multiple et par forêt aléatoire de classification et de régression. Box plot representation of the modelling error by multiple linear regression and by random forest regression.
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thumbnail Figure 9

Localisation de l’erreur de mesure modélisée de la température de l’air par régression linéaire multiple (gauche) et par forêt d’arbres aléatoires (droite) pour l’ensemble des journées d’étude (source : Data Grand Lyon). Localization of the modelled measurement error of the air temperature by multiple linear regression (left) and by random forest regression (right) for all the study days (source: Data Grand Lyon).
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thumbnail Figure 10

Localisation de l’erreur de mesure de la modélisation de la température de l’air par régression linéaire multiple. Localization of the measurement error of air temperature modelling by multiple linear regression.
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thumbnail Figure 11

Localisation de l’erreur de mesure de la modélisation de la température de l’air par la forêt aléatoire de classification et de régression. Localization of the measurement error of the air temperature modelling by the random forest regression.
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thumbnail Figure 12

LISA des différences entre les températures de l’air modélisées et mesurées pour l’ensemble des journées d’étude. LISA of the differences between modelled and measured air temperatures for all study days.
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thumbnail Figure 13

Gi* des différences entre les températures de l’air modélisées et mesurées pour l’ensemble des journées d’étude>. Gi* of the differences between modelled and measured air temperatures for all study days.
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