Résumé de la thèse

L’adaptation des villes aux fortes chaleurs est un enjeu majeur de l’aménagement du territoire. En raison de leur taille, morphologie et densité, les villes tendent à être des espaces plus chauds que les zones périurbaines qui les entourent (Rosenzweig et al., 2018), créant un phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU; Oke, 1982). Un des leviers d’action possibles consiste à végétaliser les villes via des îlots de fraîcheur ou des trames vertes. La question de l’emplacement, de la densité, du type de végétation et du potentiel de rafraîchissement qu’elle offre peuvent être des freins à sa mise en place car ces aménagements, souvent coûteux, nécessitent de repenser l’espace urbain et les pratiques d’aménagement. L’étude de l’impact de la végétalisation des villes à l’échelle métropolitaine sur la température de l’air et le confort thermique est identifié par la littérature comme un enjeu de recherche à la fois en modélisation du climat urbain et en aménagement du territoire (Bowler et al., 2010; Knight et al., 2021). Au croisement de plusieurs champs disciplinaires scientifiques (climatologie, aménagement du territoire, géomatique) et des questionnements opérationnels, la thèse se saisit des outils et méthodes issues de ces disciplines pour formuler une méthodologie de co-construction et de modélisation de scénarios de végétalisation réalistes. Dans l’optique d’élaborer des outils d’aide à la décision, ce travail utilise Dijon Métropole comme cas d’étude et s’intègre dans un programme de recherche-action impliquant les agents métropolitains (RESPONSE H2020).

La première partie de la thèse présente la problématique, le positionnement méthodologique et le terrain d’étude à travers un exercice d’état de l’art. Jusqu’alors, les recherches portaient essentiellement sur la capacité de rafraîchissement de la végétation « haute », située dans l’espace public. Les parcs publics sont donc des objets particulièrement étudiés dans la littérature, en revanche, la végétation basse (buissons, pelouses) et la végétation privée sont moins souvent abordées alors qu’elles constituent des surfaces non négligeables des espaces urbains (Riboulot-Chetrit, 2015). De même, la co-construction et le transfert des connaissances en matière d’adaptation aux fortes chaleurs dans les pratiques d’aménagement du territoire constitue un vrai sujet pour les géographes et climatologues (Knight et al., 2021). La thèse répond à cet état de l’art en proposant une méthodologie permettant de co-construire des scénarios de végétalisation réalistes. La simulation de ces scénarios à l’aide d’un outil de modélisation climatique permet dans un second temps d’étudier l’impact de l’ajout de différents types de végétation (basse ou haute) à l’échelle métropolitaine en fonction des types d’espaces urbains (privé ou public). L’arc méthodologique ainsi constitué s’articule en trois étapes : 1) la validation d’une simulation de référence ; 2) la création de scénarios de végétation ; 3) la simulation climatique adossée. La première étape étudie la sensibilité et la justesse du modèle climatique à la végétation urbaine et permet d’obtenir une simulation de « référence » qui servira de témoin dans la suite du processus expérimental. La seconde étape démontre que les outils de géomatiques combinés au cadre géoprospectif permettent de traduire un processus de recherche-action en scénarios réalistes à échelle locale. La troisième étape vient vérifier que des scénarios réalistes à macro-échelle permettent effectivement d’étudier le potentiel d’adaptation offert par la végétation urbaine.

La seconde partie de la thèse décrit les données et méthodes utilisées pour obtenir la simulation de référence proche des observations qui servira de témoin aux résultats de modélisation des scénarios. Pour simuler l’impact des scénarios à l’échelle métropolitaine, il est nécessaire de disposer d’un outil de modélisation climatique adapté en termes d’échelles, de résolution et de paramètres de sortie. Le modèle de simulation atmosphérique Méso-NH (Lac et al., 2018) développé par le LAERO et le CNRM, couplé à la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX (Masson et al., 2013) est idéal, car il intègre la modélisation des strates hautes et basses de végétation urbaine dans son modèle de canopée urbaine TEB (Masson et al., 2002 ; Lemonsu et al., 2012). Il est possible de l’utiliser pour simuler des métropoles selon une résolution de 150 mètres et de lui fournir des bases de données d’occupation du sol produites dans un SIG, ce qui permet d’obtenir des résultats de modélisation à l’échelle du quartier, tout en intégrant des scénarios à échelle locale (Bernard et al., 2022).

La constitution d’une simulation de référence réaliste nécessite de décrire fidèlement l’occupation du sol. Pour cela, il faut des bases de données d’occupation du sol précises et réalistes. La BD TOPO de l’IGN fournit des données précises sur l’emplacement, la taille et la forme des bâtiments et des surfaces hydrographiques. En revanche, l’étude de la description de la végétation par les bases de données libres d’accès confirme un constat général émanant de la littérature, comme quoi celles-ci ne suffisent pas à décrire la végétation urbaine à l’échelle locale (Foissard, 2015 ; Knight et al., 2021). Végétation basse et végétation privée en sont absentes, les arbres de rue ne sont pas renseignés s’ils sont isolés. Dès lors, une réflexion sur le lien entre disponibilité des données et objets de la recherche est émise, concluant qu’il est nécessaire de produire une base de données de végétation urbaine à fine échelle. A l’issue de ce travail, une étude de sensibilité du modèle à une meilleure description de la végétation urbaine est menée (Poupelin et al., 2022).

Une base de données de végétation urbaine à fine résolution est ainsi élaborée à partir d’images satellites très haute résolution traitées avec un indice de télédétection de la végétation (MSAVI), et de données radars (Poupelin et al., 2022 ; Diallo-Dudek et al., 2023), ce qui permet de renseigner 3,55 fois plus d’espaces végétalisés qu’avec l’utilisation de la BD TOPO (IGN) seule. La validation d’une simulation de référence consiste à vérifier si les résultats sont proches des températures de l’air mesurées sur le territoire. Depuis 2014, Dijon Métropole est dotée d’un réseau d’observation de température de l’air (MUSTARDijon) installé par les chercheurs en climatologie locaux conjointement avec la métropole (Richard et al., 2020 ; Jegou et al., 2024) qui couvre toute l’agglomération avec 92 stations installées en 2020. La densité de ce réseau permet d’avoir des observations au pas de temps horaire selon une grande variété de types d’espaces de la ville. La validation passe par une étude de sensibilité qui confirme l’importance d’utiliser des bases de données qui décrivent finement la végétation dans les simulations du climat urbain. En effet, sur la période de canicule simulée (du 6 au 13 août 2020), les résultats montrent que l’utilisation de la base de données de végétation permet de réduire le biais moyen journalier aux observations de 1,65°C à 0,84°C. Ces travaux rejoignent également la littérature scientifique quant à l’intérêt de la végétation basse pour rafraîchir la température de l’air nocturne et celui de la végétation haute pour améliorer le confort thermique diurne (Dimoudi et Nikolopoulou, 2003 ; Bowler et al., 2010; Knight et al., 2021). Les tests réalisés avec des versions précédentes de TEB ne donnaient pas ces résultats, cela permet donc de valider son utilisation pour la simulation de scénarios de végétalisation à fine échelle. Les méthodes et données nécessaires à l’obtention de cette référence tendent à être accessibles sur tous les territoires, ce qui en fait une méthode généralisable, à condition de disposer de données d’observation sur la période étudiée.

La troisième partie de la thèse articule la co-construction et l’analyse des simulations des scénarios. Les questions d’adaptation aux fortes chaleurs sont au cœur des relations entre chercheurs et aménageurs du territoire dijonnais depuis les années 2010 (Richard et al., 2022 ; Jegou et al., 2024). Le processus de co-construction de scénarios de végétation urbaine s’inscrit dans un projet de recherche-action mené sur le territoire dijonnais de 2020 à 2024 (H2020 RESPONSE) qui offre un cadre idéal pour co-construire des scénarios. Pour co-construire et modéliser des scénarios d’aménagement du territoire, le cadre théorique proposé est celui de la géoprospective (Houet, 2023). Il permet en effet d’encadrer une démarche de co-construction de scénarios géoprospectifs en proposant deux démarches, l’une normative, l’autre exploratoire.

• Le scénario normatif ou « scénario Objectif Degré » tend à atteindre un futur souhaité :

  Une ville couverte pour moitié de végétation permet-elle de réduire la température de l’air d’au moins 1°C ?

Il a été défini avec les agents métropolitains qu’il tendrait à couvrir la moitié de la ville de végétation basse et le quart de la ville de végétation haute pour vérifier si cela suffit à diminuer en moyenne de 1°C la température de l’air. Une attention est également portée à l’impact sur le stress thermique. Ces objectifs de végétalisation ont été définis conformément aux résultats de modélisation obtenus dans le cadre de la validation de la simulation de référence qui ont montré l’impact de rafraîchissement nocturne de la végétation basse (conformément à la littérature scientifique).

• Le scénario exploratoire ou « scénario Vert » (Poupelin et al., 2025a) tend à interroger le résultat produit par une expérience, à savoir :

  Quel rafraîchissement est procuré par la végétalisation maximale de la ville ?

Par végétalisation « maximale », on entend tous les espaces qui peuvent être végétalisés en respectant les documents de planification locaux (PLUi-HD de Dijon Métropole) et les circulations de voiture et de piétons. Avec le logiciel Qgis, les surfaces potentiellement végétalisables (herbe) sont identifiées sur les voiries, trottoirs et emplacements de parking publics. Un passage minimum pour les voitures et les piétons est conservé. Les zones d’activité industrielles et commerciales sont également concernées. Au-dessus de l’herbe, des arbres sont répartis automatiquement lorsque la largeur de la voirie est suffisante, à raison d’un arbre tous les 15 mètres. Dans les jardins privés, le règlement du PLUi-HD de Dijon Métropole (2019) concernant les quotas de surfaces éco-construites et de pleine terre est appliqué à la lettre (actuellement non obligatoire sauf si travaux effectués sur une parcelle). Un script Python pour Qgis est développé et mis à disposition pour réitérer l’expérience sur d’autres territoires (Poupelin et al., 2025b). Le jeu de données produit est également accessible sur DataUBFC (Poupelin et al., 2024).

Les scénarios ainsi créés diffèrent en termes de densité et de types de végétation ajoutés (haute, basse) dans les différents espaces de la métropole : centre-ville, faubourgs, zones d’activités commerciales et industrielles (Figure 1). À l’échelle de Dijon Métropole, le scénario Objectif Degré ajoute respectivement 7,57 km² et 7,46 km² de végétation basse et haute. Le scénario Vert ajoute de la végétation de façon moins homogène, avec 16,63 km² de végétation basse et « seulement » 1,19 km² de végétation haute. La différence entre les deux scénarios s’explique par le fait que les possibilités d’ajout de végétation haute dans l’espace public sont restreintes, et que l’ajout de végétation haute dans les jardins privés n’est pas poussé au maximum dans ce scénario. Ces résultats ouvrent donc d’autres perspectives de recherche et la possibilité de formuler des scénarios alternatifs pour étudier l’impact de la végétation haute. Le scénario Vert augmente la végétation basse de Dijon de 80 %, ce qui fait que certains quartiers sont végétalisés jusqu’à 90 % (au nord-est et au sud, voir Figure 1, scénario Vert, bas). Dans le cadre de la démarche de co-construction, ce scénario a été particulièrement discuté et observé car il ouvre des perspectives d’aménagement de surfaces désimperméabilisées, un enjeu très actuel en marge de l’objectif Zéro Artificialisation Nette (ZAN).

Figure 1 Ajouts de végétation dans les scénarios à l’échelle de la grille de simulation TEB, en pourcentage de maille (mailles non urbanisées en blanc). Vegetation additions in the scenarios at the TEB simulation grid scale, expressed as a percentage of the grid cell (non-urban grid cells shown in white).

Une fois construits, les scénarios sont modélisés avec Méso-NH couplé à TEB/SURFEX selon les mêmes conditions que la simulation de référence décrite ci-dessus. La comparaison de ces résultats à la simulation de référence montre que le scénario Vert rafraîchit la température de l’air jusqu’à -1°C en moyenne sur tout le territoire et la période de simulation, tandis que le scénario Objectif Degré a peu d’impact sur la température de l’air mais se caractérise en revanche par une diminution de l’UTCI jusqu’à -2,5°C en journée. Ces résultats sont cohérents, ils soulignent l’impact de la végétation haute le jour (grâce à l’ombre procurée) et de la végétation basse la nuit (grâce à la désimperméabilisation). La méthodologie a pour intérêt de permettre d’étudier l’impact de la végétation haute et basse sur les températures de la métropole à l’échelle hectométrique (150 m). Elle montre donc que le scénario Vert, bien qu’il végétalise peu le centre-ville, permet d’y réduire l’ICU de façon plus conséquente que dans le scénario Objectif Degré, qui végétalise bien plus le centre-ville (Figure 2). Ces résultats montrent que la végétalisation des quartiers périphériques aux centres-villes, dans l’espace public comme privé, peut être stratégique pour réduire l’ICU des quartiers adjacents tels que l’hyper-centre, plus difficilement végétalisable. Ces espaces centraux gagnent à être végétalisés, notamment pour améliorer les conditions de confort thermique en journée. La méthodologie développée pose ainsi les bases d’une approche géoprospective d’aide à la décision généralisable à d’autres territoires.

Figure 2 Carte des îlots de chaleur urbains simulés avec TEB/SURFEX sur le territoire de Dijon Métropole. Les ICU sont calculés par rapport à une référence rurale fixe située à l’est de la métropole selon la formule (T°C ville) – (T°C référence rurale). Map of urban heat islands simulated with TEB/SURFEX in the Dijon Métropole area. UHI are calculated in relation to a fixed rural reference located to the east of the metropolitan area using the formula (city temperature) - (rural reference temperature).

Références

© M. Poupelin, hosted by EDP Sciences 2025

Liste des figures

	Figure 1 Ajouts de végétation dans les scénarios à l’échelle de la grille de simulation TEB, en pourcentage de maille (mailles non urbanisées en blanc). Vegetation additions in the scenarios at the TEB simulation grid scale, expressed as a percentage of the grid cell (non-urban grid cells shown in white).
Dans le texte

Figure 2 Carte des îlots de chaleur urbains simulés avec TEB/SURFEX sur le territoire de Dijon Métropole. Les ICU sont calculés par rapport à une référence rurale fixe située à l’est de la métropole selon la formule (T°C ville) – (T°C référence rurale). Map of urban heat islands simulated with TEB/SURFEX in the Dijon Métropole area. UHI are calculated in relation to a fixed rural reference located to the east of the metropolitan area using the formula (city temperature) - (rural reference temperature).

Dans le texte