Brevet FR2789766A1 — publié le 20000818

PROCÉDÉ PERMETTANT DE DÉTERMINER L'INFLUENCE D'UNE ZONE URBAINE SUR L'ATMOSPHÈRE EN CONTACT AVEC CELLE-CI La présente invention se rapporte au domaine de la météorologie, et plus particulièrement aux procédés permettant de déterminer l'influence d'une zone urbaine sur l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine. Dans un procédé connu permettant de déterminer l'influence d'une zone urbaine sur l'atmosphère, la zone urbaine est remplacée par un sol nu en béton à partir duquel un bilan énergétique simple est effectué, prenant essentiellement en compte la température, la conductivité et la capacité thermique du sol, ainsi que sa couleur. Un tel procédé, consistant à simuler une ville par une plaque de béton, et qui n'autorise donc pas une prise en compte des particularités de telle ou telle ville, est assez éloigné de la réalité et ne permet pas d'obtenir des résultats fiables et précis, notamment pour des prévisions météorologiques plus particulièrement locales. A l'opposé d'un tel procédé, la reproduction exacte d'une ville afin d'en déterminer l'influence sur l'atmosphère, entraînerait une complexité trop grande de la mise en oeuvre du procédé ainsi que des coûts d'exploitation trop importants de celui-ci. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et à apporter d'autres avantages. Plus précisément, elle consiste en un procédé permettant de déterminer l'influence d'une zone urbaine sur l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - effectuer un relevé volumétrique de ladite zone urbaine afin de déterminer, une première surface horizontale représentative de la surface des toits des bâtiments de ladite zone urbaine, une deuxième surface horizontale représentative de la surface des rues de ladite zone urbaine, une première surface verticale représentative de la surface des murs des bâtiments d'un premier côté des rues de ladite zone urbaine, une deuxième surface verticale représentative de la surface des murs des bâtiments du côté des rues opposé au dit premier côté, - établir une répartition moyenne sur 360 desdites deuxième surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales, - effectuer des mesures, à un instant déterminé, du flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine, de la température de l'atmosphère en contact avec les toits des bâtiments de ladite zone urbaine, et de la vitesse du vent au dessus des toits des bâtiments de ladite zone urbaine, - effectuer un bilan énergétique à l'instant déterminé pour au moins lesdites première et deuxième surfaces horizontales, et lesdites première et deuxième surfaces verticales, à partir desdites mesures afin de déterminer le flux d'énergie émis dans l'atmosphère par ladite zone urbaine. Le procédé selon l'invention permet de reproduire n'importe quelle ville ou région urbanisée dans le monde, avec ses propres paramètres distinctifs donnés par les surfaces horizontales et verticales telles que définies, pour n'importe quelle période et pour des conditions atmosphériques générales, notamment îlot de chaleur durant la nuit, panache urbain... Le procédé selon l'invention permet une représentation originale d'une ville en ce que n'importe quelle orientation pour une rue peut exister, et toutes existent avec la même probabilité. Quand l'orientation de la rue apparaît dans le procédé, par rapport aux directions du soleil ou du vent, celle-ci est établie en moyenne sur 360 . Le procédé selon l'invention est simple à mettre en oeuvre grâce à une représentation des villes ou zones urbanisées à l'aide d'un relief défini par une pluralité de canyons répartis sur 360 . Ceci permet d'améliorer les résultats du bilan énergétique, notamment pour le flux radiatif, le flux de quantité de mouvement, de chaleur. On remarquera que le procédé selon l'invention peut avantageusement être en partie mis en #uvre au moyen d'un logiciel et être appliqué en tant que surface spécifique pour les régions urbanisées aux modèles atmosphériques, notamment de méso-échelle ou grande échelle. Le procédé selon l'invention permet alors de simuler les échanges turbulents avec l'atmosphère à la surface d'un modèle atmosphérique de méso-échelle, quand celle-ci est recouverte de bâtiments, de rues, ou de tout matériau artificiel. Le procédé selon l'invention permet dans ce cas de représenter des interactions ville-atmosphère dynamiques et thermodynamiques, pour des échelles horizontales supérieures à quelques centaines de mètres. Une répartition moyenne des caractéristiques de la ville, ainsi que de son effet sur l'atmosphère, a permis la représentation de telles interactions. Ainsi les bâtiments ne sont plus traités individuellement. Selon une caractéristique avantageuse, ladite étape consistant à effectuer un relevé volumétrique de ladite zone urbaine, consiste en outre à déterminer une hauteur moyenne représentative des bâtiments de ladite zone urbaine, une largeur moyenne séparant les première et deuxième surfaces verticales de ladite zone urbaine. La détermination de ces grandeurs permet de tenir compte des particularités de chaque ville. Les bâtiments ont tous avantageusement la même largeur et la même hauteur (dans une maille du modèle comme expliqué ci-après) ; ils sont avantageusement situés le long de rues identiques dont les longueurs sont supposées bien plus longues que leur largeur. L'air compris d'une part entre les deux séries de bâtiments, et d'autre part entre la surface des rues et celle des toits, est donc situé dans un canyon. Selon une autre caractéristique avantageuse, les mesures dudit flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine comprennent des mesures du rayonnement solaire et du rayonnement infrarouge. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste à effectuer lesdites mesures en fonction d'un maillage déterminé couvrant ladite zone urbaine et pour chacune des mailles dudit maillage. Lorsque le procédé selon l'invention est appliqué à un modèle atmosphérique, le maillage correspond avantageusement au maillage de ce dernier. En outre, la taille d'une maille doit être grande devant la largeur des rues. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste en outre à effectuer des mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine, et du taux d'humidité de l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, et à prendre en compte ces mesures lorsque le bilan énergétique est effectué. De telles mesures permettent, le cas échéant, de tenir compte des flux de chaleur produits dans la ville, de l'évaporation de l'eau après les pluies, des effets dûs à la neige, de l'humidité, ce qui améliore encore la précision du procédé selon l'invention. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste en outre à effectuer des mesures du flux anthropogénique émis dans ladite zone urbaine, et à prendre en compte ces mesures lorsque le bilan énergétique est effectué. Selon une caractéristique avantageuse de la précédente, ledit flux anthropogénique mesuré comprend l'un au moins des flux de chaleur suivants : chauffage domestique, trafic automobile, combustions industrielles. Selon une caractéristique avantageuse de la précédente, ledit flux anthropogénique de chaleur dû aux combustions industrielles est considéré comme étant émis dans l'atmosphère au dessus de ladite première surface horizontale, ledit flux anthropogénique de chaleur dû au trafic automobile est considéré comme étant émis dans l'atmosphère se trouvant entre lesdites première et deuxième surfaces verticales, et ledit flux anthropogénique de chaleur dû au chauffage domestique est considéré comme traversant par conduction lesdites première surface horizontale et première et deuxième surfaces verticales. Selon une caractéristique avantageuse de la précédente, le procédé selon l'invention consiste à déterminer, pour ledit flux anthropogénique de chaleur dû au chauffage domestique, une température moyenne à l'intérieur des bâtiments, et à tenir compte lors du bilan énergétique, d'un transport de la chaleur par conduction vers l'extérieur des bâtiments à travers les première surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales et par convection dans l'atmosphère en contact avec lesdites première surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales. Selon une caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, lesdites mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine comprennent des mesures relatives aux précipitations pluviométriques. Selon une caractéristique avantageuse de la précédente, le procédé selon l'invention consiste à recueillir lesdites précipitations pluviométriques sur lesdites première et deuxième surfaces horizontales adoptant la forme d'un réservoir de liquide d'une capacité déterminée, et à prendre en compte dans ledit bilan énergétique, une évaporation du liquide contenu dans le réservoir, dans l'atmosphère au dessus du réservoir, tant que l'atmosphère en contact immédiat avec le liquide possède un taux d'humidité inférieur au taux d'humidité saturante. Selon une caractéristique avantageuse, lesdites mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine comprennent des mesures relatives aux précipitations neigeuses. Selon une caractéristique avantageuse de la précédente, le procédé selon l'invention consiste à recueillir lesdites précipitations neigeuses sur lesdites première et deuxième surfaces horizontales adoptant la forme d'un réservoir d'accumulation du manteau neigeux, et à prendre en compte dans ledit bilan énergétique, une évolution de la densité, de l'albédo, de la température et de la masse du manteau neigeux en fonction des mesures du flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine, de la température et du taux d'humidité de l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, de la vitesse du vent au dessus de ladite zone urbaine, du flux anthropogénique. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste à effectuer un bilan énergétique identique pour lesdites première et deuxième surfaces verticales. Cette caractéristique revient à ne considérer qu'une surface verticale unique, égale à la somme des première et deuxième surfaces verticales, pour le bilan radiatif solaire quelque soit l'orientation de cette dernière par rapport au soleil. Selon une caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste à prendre en compte, dans ledit bilan énergétique, une ré-émission du rayonnement infrarouge par lesdites première et deuxième surfaces verticales, et deuxième surface horizontale, ainsi qu'une réflection du rayonnement solaire par ces mêmes surfaces. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste à déterminer, pour le flux d'énergie émis dans l'atmosphère par ladite zone urbaine, le flux radiatif, le flux de chaleur, et le flux de quantité de mouvement, et selon une autre caractéristique avantageuse, le flux d'humidité. Selon une caractéristique avantageuse des deux précédentes, le procédé selon l'invention consiste en outre à déterminer séparément le flux d'énergie émis dans l'atmosphère située au dessus des toits et dans l'atmosphère située entre lesdites première et deuxième surfaces verticales afin de déterminer la température, et la vitesse du vent, et le taux d'humidité le cas échéant, entre lesdites première et deuxième surfaces verticales, c'est à dire dans l'atmosphère du canyon. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention consiste à renouveler lesdites mesures et ledit bilan énergétique selon des intervalles de temps déterminés. Le procédé selon l'invention permet ainsi d'établir un flux d'informations utilisable par un modèle atmosphérique par exemple en vue de prévisions météorologiques plus précises, ou de données météorologiques en temps réel, relatives à l'atmosphère au dessus de la zone urbaine. L'invention se rapporte également à une application du procédé selon l'invention pour déterminer les conditions de surfaces d'un modèle atmosphérique, lorsque lesdites surfaces sont couvertes par des régions urbanisées. La représentation d'une zone urbanisée suivant le procédé selon l'invention peut être avantageusement considérée comme une partie d'un ensemble de paramétrisations de surface, les flux étant calculés pour chaque type de surface ou revêtement par un schéma approprié, et ensuite moyennés sur la grille du modèle atmosphérique, au prorata de la surface occupé par chaque type de revêtement. Par exemple, une telle partition pourrait être : mers et océans ; cours d'eau et lacs ; surfaces vertes (cultures et espaces naturels) ; villes. Les flux suivants sont nécessaires au fonctionnement du modèle atmosphérique : les flux de chaleur latente et sensible (en Watt par mètre carré (Wm-2)), et les flux de quantité de mouvement le long de ses axes (en mètre carré par seconde au carré (m2s-2)). Certaines mesures, comme la température et le taux d'humidité de l'atmosphère en contact avec les toits de la zone urbaine , le flux radiatif reçu sur la zone urbaine, la vitesse du vent au dessus des toits de la zone urbaine, et les précipitations reçues par la zone urbaine, peuvent avantageusement être fournies par le modèle atmosphérique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture qui suit d'un exemple de mode de réalisation d'un procédé selon l'invention accompagnée des dessins annexés, exemple donné à titre d'illustration, non limitatif. La figure lA représente schématiquement en coupe transversale le rayonnement solaire direct reçu sur une partie de la zone urbaine, plus particulièrement un canyon perpendiculaire à la direction des rayons de soleil, dans une configuration du soleil basse au dessus de l'horizon. La figure 1B représente schématiquement en coupe transversale le rayonnement solaire direct reçu sur une partie de la zone urbaine, plus particulièrement dans un canyon perpendiculaire à la direction des rayons de soleil, dans une configuration du soleil haute au dessus de l'horizon, le canyon étant représenté en coupe transversale. La figure 2 représente schématiquement les échanges d'énergie entre les surfaces considérées au moyen d'une représentation partielle de la zone urbaine, constituée par un canyon et les toits qui lui sont attenants, vue en coupe transversale. La figure 3 représente un exemple de profil de vent dans un canyon et au dessus du canyon, le canyon étant représenté en coupe transversale. L'exemple de procédé selon l'invention décrit et illustré par les figures 1 à 3 est plus particulièrement destiné à être appliqué à un modèle atmosphérique de meso-échelle, et permet la représentation d'une zone urbaine quelconque. Les phénomènes physiques en milieu urbain pris en compte par le procédé selon l'invention sont relativement complets car ce dernier autorise trois bilans d'énergie : un pour les toits 5, un pour les rues 3 et un pour les murs 1, 2, comme représenté sur les figures lA et 1B. Les effets dues à l'orientation en plan sur 360 sont moyennés pour les rues 3 et les murs 1, 2. Une partie des paramétrisations, mesures physiques, et calculs qui doivent être effectués provient avantageusement directement de la littérature, comme le flux radiatif, et plus particulièrement le rayonnement infrarouge reçu sur la zone urbaine par exemple, ou le flux de conduction comme cela sera expliqué plus loin, car ces paramétrisations sont utilisées de manière conventionnelle dans des représentations urbaines supposant que les rétro-actions avec l'atmosphère sont négligeables, de nuit par vent calme par exemple. D'autre part, la hauteur des bâtiments étant uniforme dans la représentation choisie de la zone urbaine selon l'invention, des approches conventionnelles pour les flux au niveau des toits sont aussi utilisées, formulation aérodynamique des flux turbulents vers l'atmosphère, et interception de l'eau: - le piégeage du rayonnement infra-rouge par les surfaces 1, 2, 3 du canyon 4, définies par les murs 1, 2 des bâtiments et la rue 3 reliant le pied des murs 1 et 2 opposés, avec prise en compte d'une ré-émission est déduit de la formulation de Johnson et al., "Simulation of surface urban heat islands under 'idéal' conditions at night", part i : and tests against field data, Bound. -Layer Meteor., 56:275-294, 1991 ; - la résolution des flux de conduction à travers les parois des bâtiments et sous les rues, afin de tenir compte des structures en couches aux propriétés différentes de ces constructions, est réalisée de manière conventionnelle ; - les flux de quantité de mouvement sont calculés pour la surface bâtie dans son ensemble, en utilisant une formulation en longueur de rugosité ; les effets de stabilité de la couche limite de surface sont déduits de Mascart et al., "A modified parameterization of flux-profile relationship in the surface layer using différent roughness length values for heat and momentum", Bound. -Layer Meteor., 72:331-344, 1995 ; - les flux turbulents de chaleur au dessus des toits sont eux aussi déduits des lois classiques de la couche limite de surface, en tenant compte de sa stabilité, à l'exception du flux de chaleur latente, pour lequel un traitement particulier de l'humidité de surface est nécessaire à cause du caractère imperméable de la surface, selon le réservoir d'interception du schéma de végétation ISBA de J. Noilhan et S. Planton, "A simple parameterization of land surface processes for meteorological models", Mon., Wea., Rev., 117:536-549, 1989. La plupart des phénomènes physiques présents dans l'énergétique urbaine vis à vis de l'atmosphère, et pris en compte dans le procédé selon l'invention, ont nécessité une approche originale, tant en ce qui concerne le rayonnement solaire, que les flux anthropogéniques et turbulents, pluie et neige. En effet, ces phénomènes apparaissent dans des conditions où les interactions avec l'atmosphère sont fortes. La pluie et la neige ne sont traités dans la littérature qu'en ce qui concerne l'hydrologie ou les systèmes d'égouts ou d'évacuation. Une évaluation distincte du rayonnement solaire direct est réalisée pour les murs et les rues. De plus, un nombre infini de réflections, supposées isotropes, est pris en considération : ceci permet de représenter le piégeage du rayonnement solaire dû à la forme du canyon. Les flux turbulents de chaleur de l'atmosphère du canyon, au sommet de ce dernier vers l'atmosphère au dessus du niveau des toits sont calculés à partir des caractéristiques, vent, température et humidité, de l'air ou atmosphère dans le canyon. Les flux entre les surfaces et l'air du canyon suivent une formulation empirique. Les caractéristiques de l'air à l'intérieur du canyon sont diagnostiques, déduits de la mise en équilibre des flux de chaleur dans le canyon. Dans le procédé selon l'invention, la part du flux anthropogénique dûe à la perte de chaleur des bâtiments par chauffage, est obtenue en imposant une température interne dans les bâtiments, l'énergie étant transportée par conduction à travers les murs et les toits. Le flux anthropogénique créé par le trafic automobile est directement appliqué à l'air dans le canyon. Enfin, un flux anthropogénique industriel est ajouté dans l'atmosphère au dessus des toits, simulant les rejets de chaleur par les cheminées, au premier niveau du modèle atmosphérique. Les pluies sont interceptées à la fois par les rues et les toits par un réservoir à faible capacité, c'est à dire un réservoir dont la surface réceptrice imperméable à l'eau est celle des toits et des rues et dont la hauteur de remplissage est limitée à une valeur prédéterminée, représentative de la couche réelle d'eau pouvant s'établir sur les surfaces considérées, par exemple supérieure ou égale à 1 mm. L'eau peut avantageusement couvrir tout ou partie de la surface considérée, permettant ainsi de simuler des flaques. L'eau s'évapore tant que l'atmosphère en contact avec celle-ci possède un taux d'humidité inférieur au taux d'humidité saturante, jusqu'à disparition totale de l'eau de la surface imperméable. La neige s'accumule sur les rues et les toits. Une représentation de manteau neigeux, issue de Douville et al., "A new snow parameterization for the Météo-France climate model", part i : in stand-alone experiments, Climate Dyn., 12:21-35, 1995 est implantée pour chaque réservoir de neige. La densité, l'albédo, la température et la masse de la neige évoluent d'après les flux radiatifs, les flux de chaleur, les flux de conduction et de fonte. Pour la suite de la présente description et en référence aux formules décrites, les indices R, r et sont utilisés pour désigner respectivement les toits, les rues et les murs. L'indice a désigne les quantités atmosphériques. Lorsque le symbole * est affecté à un paramètre, cela signifie que les indices R,ret # peuvent être considérés indifféremment. Les paramètres décrivant la géométrie, et notamment le relevé volumétrique de la zone urbaine sont, comme représenté sur la figure lA : - la fraction de surface artificielle occupée par les bâtiments, c'est à dire la surface des toits abld, - la hauteur moyenne h des bâtiments, - le rapport hauteur sur largeur du canyon h/co. Certaines surfaces entre les bâtiments, comme les jardins ou les parcs par exemple (non représentées), ne sont pas traitées par le procédé selon l'invention, mais par un procédé conventionnel à partir d'une surface plane à base de végétation. Ils n'en modifient pas moins la largeur des canyons. - la longueur de rugosité dynamique du système bâtiments-rues : Zotown. La longueur de rugosité thermique est par exemple égale à un dixième de celle-ci. Les variables prognostiques sont : les températures des couches dans les toits, rues et murs : T*k, l'indice k repérant la couche considérée, k = 1 pour la couche directement en contact avec l'atmosphère, et les réservoirs d'eau et de neige sur les toits et les rues. Chacune de ces variables est supposée représentative de l'ensemble de sa surface sur la grille du modèle atmosphérique, même pour les rues ou les murs, qui peuvent avoir des orientations vis à vis du soleil très différentes. Le vent, la température et l'humidité spécifique de l'air dans le canyon sont notés respectivement : Ucan, Tcan et qcan. Évolution des températures L'évolution des températures est représentée par des équations basées sur des bilans d'énergie. Les équations pour les couches près de la surface, s'écrivent : #T*1 1 1 C* 1 aT* 1 a (1 - 5*snow) d* (FSabs* + L** - H* - LE* - G* z2) + 5*snow d* (G*snow, 1 G*i,2) #t d*1 d*1 où les flux dans le membre de droite Fsabs, L, H, LE , G 1,2, Gsnow,1, sont respectivement : le bilan radiatif solaire, le bilan radiatif infra-rouge, le flux de chaleur sensible, le flux de chaleur latente, le flux de conduction vers les couches plus internes, et le cas échéant le flux de conduction à la base du manteau neigeux ; d est l'épaisseur de la couche en contact avec l'atmosphère ; C est la capacité calorifique des matériaux constitutifs de la couche considérée, et #snow est la fraction occupée par la neige à la surface. Les équations d'évolution pour les températures des autres couches évoluent selon l'équation de conduction de la chaleur. Il faut souligner que les deux bilans d'énergie pour les murs 1, 2 et les rues 3 sont fortement couplés, à cause du rayonnement infra-rouge et des flux de chaleur vers le canyon. La condition à la limite inférieure pour les toits et les murs est donnée par la température interne des bâtiments, celle pour les rues étant une condition de flux nul. Évolution des réservoirs d'eau Le procédé selon l'invention paramétrise deux types de réservoirs, les toits 5 et les rues 3. L'eau provient des pluies, du flux de rosée quand l'humidité de l'air est supérieure à l'humidité de saturation de la surface. Les pertes en eau sont dues à l'évaporation et au ruissellement. Les réservoirs sont d'assez faible capacité, de préférence de l'ordre de 1 mm, mais leur évaporation nécessite toutefois quelques heures après les pluies. Évolution des réservoirs de neige Toute représentation connue de manteau neigeux 8 peut être directement implémentée dans le procédé selon l'invention, par exemple une représentation issue de Douville et al., telle que citée plus haut. Le manteau neigeux 8, comme représenté partiellement sur la figure 2, a un effet sur : - le bilan énergétique des surfaces horizontales 3, 5 puisqu'une partie du flux vient de la base du manteau neigeux, - les flux de chaleur vers l'atmosphère ou l'air dans le canyon 4 et vers l'atmosphère au dessus des toits 5, - le calcul des termes radiatifs à l'intérieur du canyon 4 du fait de l'albédo, de l'émissivité et de la température de la neige. Le taux de vieillissement de l'albédo de la neige a été avantageusement et de préférence augmenté et sa valeur minimum abaissée, dans la représentation de la neige pour les rues, afin de simuler la pollution automobile, par de la neige sale. Rayonnement solaire direct Le flux solaire est évalué séparément pour les murs et les rues afin de prendre en compte les effets d'ombres. Comme représenté sur les figures lA et 1B, soit Fsdir le rayonnement solaire direct reçu par les toits 5. C'est aussi le flux qui arrive dans l'atmosphère au sommet du canyon 4. Soient # l'angle (non représenté) entre la direction des rayons solaires et l'axe longitudinal du canyon, et # l'angle zénithal solaire. Considérons d'abord une rue perpendiculaire à la direction du soleil, soit # = #/2, comme représenté sur les figures 1A et 1B. Soit #o = arctan (co/h) l'angle zénithal pour lequel le soleil commence à éclairer la rue. Notons que quelque soit la position du soleil, un mur est à l'ombre, et l'autre est (éventuellement) partiellement éclairé. Les flux solaires directs reçus par les murs 1, 2 et les rues 3, pour une rue perpendiculaire à la direction du soleil, sont: Fsdir (0 (0 = 1C/2) = 2h Fsdir si 7v, > 71,0 1 tan()Fsd:r si , Fsair r (e =1/2) - 0 si 7v > 71.0 = (1 - h/# tan()) FSdir si # Pour une autre orientation différente de 9 = #/2, on doit remplacer # par #/sin(#) dans les expressions ci-dessus, et multiplier le flux sur les murs par sin(9). Soit #o l'orientation critique telle que la rue ne reçoive plus de lumière directe, ou pour laquelle le rayonnement est minimum, c'est à dire : arcsin Cmin ( ; 1 00 = arcsin 1min ( Co h 1 (1) ; La moyenne sur toutes les orientations possibles des canyons se fait avec deux intégrations, l'une entre # = 0 et 0 = #o, l'autre entre # = #o et 0 = #/2. Les flux directs reçus par les murs, les rues et les toits sont donc : Fsdkr = 280 - 2 h tan (2,) il- cos (0O)) xi Fsdir 1t 7t Fsdirco = C h ( ' 8- ) + tan (À.) (I-COS(80 )] Fsdir FsdirR= Fsdir De ces équations, on peut s'assurer que la relation de conservation suivante est vérifiée : FSdirr+ 2h FSdir # = FSdir # Réflections du rayonnement solaire Les réflections contre les rues 3 et les murs 1, 2 sont supposées isotropes. Du fait de l'albédo parfois élevé des surfaces considérées, par exemple comme les murs ou les rues enneigées, il est nécessaire, afin de bien évaluer le bilan radiatif, de considérer un nombre infini de réflections sur les parois. Ceci est obtenu en résolvant une suite géométrique. Soient #* les facteurs de ciel des rues et des murs, déterminés par exemple selon Noilhan, "Les facteurs physiques du microclimat au voisinage d'un bâtiment", Technical report, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, Nantes, 1979, a* les albédos des surfaces, [alpha]r l'albédo moyen de la rue en cas de neige, et Fsdir * et Fssca* les rayonnements directs et diffus reçus par chaque surface. Soient : Rr (0) + (1 - Yr) ar (RCI) (0) + 'l'CI) aw Rr bzz Sr - ############=### 1 - (1 - 2Nf(o) aw + (1 - r) 'l'CI) ar aco Rw (0) + 'l'CI) o4a Rr (0) sw = ######################### 1 - (1 - 2y oCw + (1 - 'l'r) 'l'CI) Fsabs r = (1 -Or) FSdirr+ (1 - [alpha]r)FSscar + (1 - Or) (1 - #r) S# FSabs 00 = (1 - aro)Fsdir 00 + (1 - aro)Fssca 00 + (1 - aoo) (1 - 2'1'(0) Sw + (1 - aoo) '1'00 Sr Fsabs R = (1 - aR)FSdir R + (1 - [alpha]R)FSsca R Flux anthropogéniques Du fait des activités humaines, chaleur et humidité sont relâchées dans l'atmosphère. Les deux principales sources sont le chauffage domestique et la combustion d'hydrocarbures. Le chauffage par les bâtiments est résolu explicitement en supposant constante leur température interne, quelque soit la température atmosphérique ; on peut par exemple imposer un cycle annuel représentatif de la ville considérée. La chaleur est ainsi relâchée vers l'atmosphère à travers les murs et les toits par conduction. Les flux dûs à la combustion sont avantageusement partagés en deux flux, suivant le procédé selon l'invention : le trafic automobile d'une part et la combustion industrielle d'autre part. Pour chacun de ces flux, l'humidité et la chaleur relâchées vers l'atmosphère, référencées respectivement Htrafic et LE trafic, Hindustrie et LE industrie, sont moyennées sur la surface de la ville, et sont spécifiés par l'utilisateur, à partir des connaissances et/ou mesures sur la ville considérée. Cependant, ces flux ne modifient pas directement les bilans énergétiques des surfaces, puisqu'il s'agit de chaleur principalement relâchée dans l'air. Le flux lié au trafic automobile modifie le bilan énergétique de l'air dans le canyon. Le flux industriel influence directement l'atmosphère au dessus des toits. Flux turbulents Humidité sur des surfaces imperméables Les rues et les toits peuvent être couverts par une certaine quantité d'eau n'ayant pas ruisselée. Ces surfaces sont imperméables. Ainsi, au lieu de définir une humidité relative de ces surfaces qui tendrait à s'équilibrer avec l'humidité de l'air, il est plus judicieux de traiter la fraction de surface couverte par l'eau, #r et #R. Cette fraction de surface couverte par l'eau est considérée saturée, la fraction complémentaire de surface horizontale est sèche. De cette manière, la fraction de surface saturée va s'évaporer même s'il reste très peu d'eau globalement, jusqu'à ce que celle-ci redevienne totalement sèche. La rosée est paramétrée ainsi : quand les conditions sont remplies pour que la rosée apparaisse (humidité de l'air supérieure à l'humidité saturante de la surface), la surface est considérée humide (8* = 1). Ces traitements originaux pour des surfaces urbaines sont réalisés selon les réservoirs d'interception des schémas de canopée végétale selon J.W. Deardorff, "Efficient prediction of ground température and moisture with inclusion of a layer of vegetation", J. Geophys., Res., 83 :1889-1903, et selon J. Noilhan et S. Planton, "A simple parameterization of land surface processes for meteorological models", Mon., Wea., Rev., 117 :536-549, 1989).Vent dans le canyon Le vent dans le canyon 4 est nécessaire pour estimer les flux de chaleur aux surfaces 1,2, 3 délimitant un canyon. La vitesse verticale le long des murs Wcan, ainsi que la vitesse horizontale Ucan doivent être définies : N. W. Rotach dans "Profiles of turbulence statistics in and above an urban street canyon" - Atmospheric environment, 29(13):1473-1486, 1995, présente des mesures de turbulence dans et au-dessus d'une rue dans le centre de Zürich (Suisse), qui est caractérisée par h/# équivalent à la valeur 1. Rotach a également observé que dans la partie supérieure du canyon, les fluctuations de vitesse verticale sont quasiment identiques à la vitesse de frottement, et ceci, quelque soit la stabilité ou la direction du vent audessus. Ainsi, supposant que ceci est applicable à d'autres rapports d'aspect, on peut écrire : Wcan = 11l1:i1 où le coefficient de frottement Cd est calculé à partir des températures et humidités dans et au-dessus du canyon, et de la longueur de rugosité Zotown. La vitesse du vent horizontal Ucan est estimé à mi-hauteur du canyon. Premièrement, la vitesse du vent horizontal au sommet du canyon 4, c'est à dire au niveau des toits 5, est déduite de la loi logarithmique dans la couche limite de surface, comme représenté sur la figure 3 par la référence 6. Cependant, pour prendre en compte toutes les orientations possibles des canyons sur 360 , et puisque que la vitesse le long du canyon est prise en considération, une intégration sur 360 est réalisée. Ceci donne au sommet du canyon 4, où z = 0 : 2 ( h/3 UZ=O 2 Zotown ))t! UZ=o - - n l t1z + h/3 II U a II Zotown où Az est la hauteur du premier niveau du modèle atmosphérique au dessus du niveau des toits, et où une hauteur de déplacement de 2h/3 a été prise. Trouver Ucan suppose un profil vertical du vent dans le canyon. Une forme exponentielle 7 est choisie, comme cela était fait dans les couvertures végétales, selon par exemple S. P. Arya "Introduction to Micrometeorology", Academic Press, Inc., 1988, et comme représenté sur la figure 3. Un tel profil appliqué à mi-hauteur donne : Ucan = Uz=o exp (-N/2) N doit être défini. Rotach (1995) trouve pour son cas d'étude (h/# = 1) que Ucan est sensiblement égal à 0,75Utop. Il est à noter que l'indice top affecté à une grandeur indique que cette dernière est considérée au sommet du canyon, c'est à dire au niveau des toits des bâtiments. Des études dans des champs de maïs où h/# est sensiblement égal à 4, qui peuvent être avantageusement assimilés à des rues très étroites, donne Ucan sensiblement égal à 0,4Utop (Arya 1988 précité). Le paramètre N = 0.5h/# semble donc pertinent. On a donc : Ucan n 2 exp( 1 hJ ln Zoc wn IIltil Ucan = 1f exp - 4 ro in ( + hl3) Zotown Flux de chaleur latente et sensible dans le canyon Les flux de chaleur sont utilisés dans les bilans d'énergie de chaque surface 1, 2, 3,5. Ils sont aussi le lien entre la surface de la zone urbaine et l'atmosphère. C'est pourquoi une approche fine a été choisie pour chaque surface. La figure 2 résume les options choisies. Le traitement du canyon est spécifique : deux zones d'atmosphère différenciée sont définies : une première zone est constituée par l'atmosphère située au dessus du canyon 4 et du niveau des toits 5, et une deuxième zone est constituée par le canyon 4 lui-même. Flux entre l'atmosphère du canyon et l'atmosphère au dessus du niveau des toits : Dans la première zone, les flux Htop et LEtop sont calculés classiquement à partir des lois de la couche limite de surface homogène. Cependant, les conditions inférieures sont données par l'atmosphère dans le canyon, et non pas par les surfaces elles-mêmes : Tcan et qcan. La résistance aérodynamique, REStop, est calculée à partir de la longueur de rugosité Zotown et des coefficients de stabilité de Mascart et al., 1995. Flux entre les surfaces des murs et de la rue et l'air du canyon : Entre les surfaces 1,2, 3 du canyon 4 et l'atmosphère de ce dernier, les formulations de résistances aérodynamiques selon F.B. Rowley et al., "Surface conductances as affected by air velocity, température and character of surface", ASHRAE Trans., 36 :429-446, et F. B. Rowley et W. A. Eckley, "Surface coefficients as affected by wind direction", ASHRAE Trans., 38 :33-46, sont utilisées. Elles proviennent de mesures in-situ, et sont déjà utilisées dans le modèle de circulation de vent dans un canyon selon G.M. Mills "Simulation of the energy budget of an urban canyon-i. model structure and sensitivity test", Atmospheric environment, 27B (2):157-170, 1993. D'autres formulations similaires existent dans la littérature, par exemple selon N.S. Sturrock et R. J. Cole, "The convective heat exchange at the external surface of buildings", Building and environment, 12 :207-214, 1977, déduites d'expériences en tunnel ou de mesures in-situ. La même résistance aérodynamique est choisie pour les rues et les murs du canyon du procédé selon l'invention. Elle est indépendante de la stabilité au-dessus, et s'écrit : -1 RES,=RES#=p.Cp. (11,8 + 4,2 yu;.. + w/-... ) où pa est la masse volumique de l'atmosphère, Cpd la capacité calorifique. Enfin, les flux de chaleur entre les surfaces des murs des bâtiments et de la rue d'une part et l'atmosphère du canyon d'autre part s'écrivent : Hr = Cpd #a (Tr-Tcan)/RESr H# = Cpd #a (T#- Tcan) /RES# LEr =L# pa #r (qsat (Tr) - qcan)/ RESr la forme du flux de chaleur latente LEr est particulière, car la fraction de rue ou route mouillée #r apparaît à l'extérieur de la parenthèse, ce qui la distingue d'une humidité relative. Ainsi, l'évaporation va avoir lieu dès que qsat (Tr) > qa, même si très peu d'eau reste. Le même traitement est appliqué pour les toits. Température et humidité dans le canyon : Ces quantités sont avantageusement directement utilisables pour une prévision météorologique, car ce sont celles qui intéressent les individus. Elles sont diagnostiques, l'équilibre entre les différents flux thermodynamiques dans le canyon étant supposé vérifié à chaque instant. Les flux de chaleurs sensible et latente à la surface du manteau neigeux sont Hr snow et LEr snow. Les flux anthropogéniques dûs au trafic automobile sont pris en compte et rapportés à la surface des rues étant caractéristiques de la totalité de la surface urbaine. Htop = (1 - 8r snow) Hr + - Heu + Htrafie 1 - abld + Ôr snow Hr snow M 1-abid LEtop = (1 - Srsnow) 1-Er + LEtrafic 1 + 6r snow LEr snow 1 - abld D'où (1 - Ôr sno,) Tr 2h Tro TJIslIIa Htrafic 5: snow Hr snow T'an RESr co RESro RES top C1xI Pa (1 - abl Cpa Pa T can = n F, L- + 2h 1 1 (1 - 8, snow) 1 2'h 1 REStop 1 Vr mow RESr CO RES. RES top où #s/#a = (ps/pa)r/Cpd, Ps étant la pression statique au niveau des toits des bâtiments, pa la pression statique au niveau du module atmosphérique, et r la constante des gaz parfaits, et ri Ôr snow) 8r(Tr) . q. LE. ur 5:. snow LEr snow qCan ~ RES REStop Lu Pa (1 - ab Id) Lu Pa qcan- Ôr 1 snow) RES + RES top Flux moyens à l'échelle urbaine : Finalement, les flux de chaleur totaux vers l'atmosphère sont donnés par : Htown = abld HR + (1 - abld) Htop + Hindustrie LEtown = abld LER + (1 - abld) LEtop + LEindustrie REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de déterminer l'influence d'une zone urbaine sur l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - effectuer un relevé volumétrique de ladite zone urbaine afin de déterminer, une première surface horizontale (5) représentative de la surface des toits des bâtiments de ladite zone urbaine, une deuxième surface horizontale (3) représentative de la surface des rues de ladite zone urbaine, une première surface verticale (1) représentative de la surface des murs des bâtiments d'un premier côté des rues de ladite zone urbaine, une deuxième surface verticale (2) représentative de la surface des murs des bâtiments du côté des rues opposé au dit premier côté, - établir une répartition moyenne sur 360 desdites deuxième surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales, - effectuer des mesures, à un instant déterminé, du flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine, de la température de l'atmosphère en contact avec les toits des bâtiments de ladite zone urbaine, et de la vitesse du vent au dessus des toits des bâtiments de ladite zone urbaine, - effectuer un bilan énergétique à l'instant déterminé pour au moins lesdites première et deuxième surfaces horizontales, et lesdites première et deuxième surfaces verticales, à partir desdites mesures afin de déterminer le flux d'énergie émis dans l'atmosphère par ladite zone urbaine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape consistant à effectuer un relevé volumétrique de ladite zone urbaine, consiste en outre à déterminer : - une hauteur (h) moyenne représentative des bâtiments de ladite zone urbaine, - une largeur (#) moyenne séparant les première et deuxième surfaces verticales de ladite zone urbaine. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les mesures dudit flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine comprennent des mesures du rayonnement solaire et du rayonnement infrarouge. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer lesdites mesures en fonction d'un maillage déterminé couvrant ladite zone urbaine et pour chacune des mailles dudit maillage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer des mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine, et du taux d'humidité de l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, et à prendre en compte ces mesures lorsque le bilan énergétique est effectué. 6 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer des mesures du flux anthropogénique émis dans ladite zone urbaine, et à prendre en compte ces mesures lorsque le bilan énergétique est effectué. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit flux anthropogénique mesuré comprend l'un au moins des flux de chaleur suivants : chauffage domestique, trafic automobile, combustions industrielles. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit flux anthropogénique de chaleur dû aux combustions industrielles est considéré comme étant émis dans l'atmosphère au dessus de ladite première surface horizontale, en ce que que ledit flux anthropogénique de chaleur dû au trafic automobile est considéré comme étant émis dans l'atmosphère se trouvant entre lesdites première et deuxième surfaces verticales, et en ce que ledit flux anthropogénique de chaleur dû au chauffage domestique est considéré comme traversant par conduction lesdites première surface horizontale et première et deuxième surfaces verticales. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer, pour ledit flux anthropogénique de chaleur dû au chauffage domestique, une température moyenne à l'intérieur des bâtiments, et à tenir compte lors du bilan énergétique, d'un transport de la chaleur par conduction vers l'extérieur des bâtiments à travers les première surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales et par convection dans l'atmosphère en contact avec lesdites première surface horizontale, première et deuxième surfaces verticales. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que lesdites mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine comprennent des mesures relatives aux précipitations pluviométriques. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir lesdites précipitations pluviométriques sur lesdites première et deuxième surfaces horizontales adoptant la forme d'un réservoir de liquide d'une capacité déterminée, et prendre en compte dans ledit bilan énergétique, une évaporation du liquide contenu dans le réservoir, dans l'atmosphère au dessus du réservoir, tant que l'atmosphère en contact immédiat avec le liquide possède un taux d'humidité inférieur au taux d'humidité saturante. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que lesdites mesures des précipitations reçues par ladite zone urbaine comprennent des mesures relatives aux précipitations neigeuses. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir lesdites précipitations neigeuses sur lesdites première et deuxième surfaces horizontales adoptant la forme d'un réservoir d'accumulation du manteau neigeux, et prendre en compte dans ledit bilan énergétique, une évolution de la densité, de l'albédo, de la température et de la masse du manteau neigeux en fonction des mesures du flux radiatif reçu sur ladite zone urbaine, de la température et du taux d'humidité de l'atmosphère en contact avec ladite zone urbaine, de la vitesse du vent au dessus de ladite zone urbaine, du flux anthropogénique. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un bilan énergétique identique pour lesdites première et deuxième surfaces verticales. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 14, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre en compte, dans ledit bilan énergétique, une ré-émission du rayonnement infrarouge par lesdites première et deuxième surfaces verticales, et deuxième surface horizontale, ainsi qu'au moins une réflection du rayonnement solaire par ces mêmes surfaces. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer, pour le flux d'énergie émis dans l'atmosphère par ladite zone urbaine, le flux radiatif, le flux de chaleur, et le flux de quantité de mouvement. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à déterminer, pour le flux d'énergie émis dans l'atmosphère par ladite zone urbaine, le flux d'humidité. 18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à déterminer séparément le flux d'énergie émis dans l'atmosphère située au dessus des toits et dans l'atmosphère située entre lesdites première et deuxième surfaces verticales afin de déterminer la température, et la vitesse du vent, et le taux d'humidité le cas échéant, entre lesdites première et deuxième surfaces verticales. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il consiste à renouveler lesdites mesures et ledit bilan énergétique selon des intervalles de temps déterminés. 20. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, pour déterminer les conditions de surfaces d'un modèle atmosphérique, lorsque lesdites surfaces sont couvertes par des régions urbanisées.