Thèse Extrêmes de Chaleur et Pics de Pollution en Région Parisienne quel est le Rôle du Bilan Énergétique de Surface H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France Laboratoire de recherche : Institut Pierre Simon Laplace Direction de la thèse : Jean-Charles DUPONT ORCID 000000031536132X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-11T23:59:59 Les phénomènes météorologiques extrêmes et les épisodes de pollution atmosphérique résultent de la combinaison de phénomènes à grande échelle (champs de pression, transport, advection, etc.) et de processus de surface. Les variations spatiales du réchauffement de surface, de l'évapotranspiration, des échanges de quantité de mouvement ou des émissions polluantes peuvent avoir un impact considérable sur l'intensité et la durée de ces événements dangereux. Afin de mieux caractériser ces variations spatiales des échanges surface-atmosphère, il est essentiel de cartographier les sources d'émission de chaleur, d'humidité et de polluants, mais aussi de quantifier l'évolution des flux d'énergie dans le cadre du bilan énergétique de surface et du bilan de l'énergie cinétique turbulente.
Bien que des simulations numériques aient été réalisées pour étudier la réponse atmosphérique aux variations de la couverture terrestre et aux activités humaines, une étude fondamentale basée sur des observations multisites fait encore défaut en Île-de-France.
Cette thèse vise à quantifier l'impact des différentes composantes du bilan énergétique de surface sur les extrêmes de chaleur et les pics de pollution en région parisienne. À partir d'un jeu de données inédit, collecté sur une dizaine de sites présentant des caractéristiques de zones sources diverses (zones urbaines, périurbaines et rurales), la variabilité spatiale et temporelle des flux d'énergie de surface sera caractérisée. Grâce à la mise en oeuvre d'une procédure de traitement standardisée (conforme aux recommandations de l'infrastructure de recherche européenne ICOS), des produits à valeur ajoutée qualifiés (flux d'énergie, statistiques de turbulence, indicateurs de stabilité atmosphérique) seront dérivés, permettant une évaluation détaillée des variations temporelles et spatiales des échanges entre la surface et l'atmosphère. L'analyse finale sera complétée par des observations issues de mesures in situ auxiliaires (données du sous-sol et du réseau de stations météorologiques) ainsi que par des mesures de télédétection active et passive (pour profiler la couche limite atmosphérique et l'état des nuages, y compris dans la troposphère libre). Ces données au sol seront complétées par des données satellitaires de température de surface pour l'évaluation et l'analyse spatiale.
Ce jeu de données unique permettra de réaliser la première étude de bilan énergétique à long terme en région parisienne. Des campagnes de mesures intensives menées ces dernières années, ainsi qu'une étroite collaboration entre les infrastructures de recherche européennes ACTRIS et ICOS, ont permis de constituer une base de données inédite couvrant dix sites différents en région parisienne et présentant de très longues séries temporelles. Une attention particulière sera portée à l'urbanisation du plateau de Saclay, une partie de l'analyse s'appuyant sur l'instrumentation installée depuis plus de 15 ans à l'observatoire SIRTA, situé au nord du campus de l'École Polytechnique (https://sirta.ipsl.fr/ ).
Cette recherche doctorale contribuera à répondre aux questions scientifiques suivantes :
- Quel est le rôle du couplage surface-atmosphère dans le développement des vagues de chaleur et des pics de pollution ?
- Quels sont les mécanismes à l'origine de l'établissement d'un effet d'îlot de chaleur urbain persistant dans la capitale ?
- L'impact du chauffage urbain sur le climat hivernal de la capitale peut-il être quantifié à partir d'observations et d'inventaires ?
- Peut-on observer une modification significative du microclimat (effet de la rugosité de surface sur les échanges de quantité de mouvement et le profil de vent, par exemple) avec l'urbanisation du plateau de Saclay ? Tout comme beaucoup d'objets, la Terre interagit avec son environnement, en particulier l'atmosphère, par des transferts de matière (HO, CO) et d'énergie (quantité de mouvement, chaleur). A la surface en particulier, les interactions entre le sol et l'atmosphère sont nombreuses et influencent le climat local proche de la surface par la formation des nuages, les précipitations, la température. Ces échanges interviennent également dans les évènements extrêmes, comme les sécheresses dans leur mise en place et leur fin mais aussi dans l'intensification des vagues de chaleur. De ce fait, leur compréhension permet une meilleure modélisation et prédiction du climat local ainsi que des épisodes de fortes chaleurs. Le bilan énergétique de surface et son estimation par des mesures de terrain quantifie les interactions sol-atmosphère et est essentielle pour la bonne calibration et la validation des Land Surface Models (LSM).
L'hétérogénéité spatiale (variation du type de surface) entraîne des variations dans l'intensité des flux, la répartition de l'énergie mais également sur le sens des flux de surface. La nature et les matériaux de la surface, ainsi que la composition de l'air ou encore la couverture nuageuse influencent la quantité de rayonnement solaire absorbée ou réfléchie par la surface. Cela détermine la quantité d'énergie qui sera disponible par la surface et distribuée dans divers flux.
Pour répondre à ces questions portant sur les interactions sol-atmosphère en milieu urbain de nombreuses études ont été réalisées au niveau de différents de milieux à travers le monde (villes en Amérique du nord : (Grimmond et Oke 1995) ; Tokyo : (Moriwaki et Kanda 2004); Sud-Ouest de la France : (Dare-Idowu et al. 2021) ; Europe centrale et de l'ouest : (Teuling et al. 2010)). Cependant aucune étude n'a encore été faite sur la caractérisation de l'hétérogénéité spatiale des flux de surface en Île-de-France, à partir d'une comparaison des données d'observations de plusieurs sites ICOS (Integrated Carbon Observation System) sur une période d'une ou plusieurs années. On combinera alors ces mesures aux données satellites pour mieux spatialiser les résultats. L'objectif principal de cette étude est de caractériser les variations temporelles et spatiales du bilan énergétique de surface et d'étudier comment les échanges d'énergie entre la surface et l'atmosphère peuvent contribuer à des conditions dangereuses (telles que des épisodes de chaleur extrême ou de pollution atmosphérique).
On peut identifier les questions scientifiques suivantes :
· Caractériser l'évolution à très long terme du bilan énergétique au SIRTA. Peut-on identifier des tendances ? Peut-on détecter un signal lié à l'urbanisation du plateau ? Cela pourrait également inclure une quantification plus fondamentale des climats au SIRTA, notamment en termes de tendances de température et de vents.
· Analyser les variations spatiales de la répartition de l'énergie dans la région parisienne pour les périodes où les stations ICOS sont disponibles, puis en intégrant les sites urbains. Quel peut alors être l'apport des données satellites de températures de surface ?
· Étudier comment le bilan énergétique de surface permet (1) d'expliquer les variations de hauteur de la couche limite et l'impact sur la dilution des polluants ou l'évolution des épisodes de chaleur extrême, et (2) de mieux comprendre les rétroactions entre la pollution aux particules et la hauteur de couche limite La méthodologie de recherche s'appuie sur l'exploitation de bases de données existantes et alimentées en temps réel.
Une partie de ces données entrent dans le cadre d'Infrastructures de Recherche Européennes (IR-ACTRIS, IR-ICOS), ce qui assurent une légitimité et une assurance qualité des données.
Un réseau de capteurs résolu plus finement spatialement installés sur plusieurs sites franciliens (Jussieu, Romainville, Paris-Montsouris, Vincennes) fourni également des données en temps réel depuis plusieurs années qu'il faudra qualifier.
Une analyse de longue séries de données sera donc effectuée mais une analyse plus fine sera réalisée sur des épisodes de canicule plus ponctuelles.
· Analyse des observations de bilan énergétique de surface provenant de 7 sites en région parisienne, couvrant des environnements agricoles, périurbains et urbains centraux (y compris des espaces verts).
· Analyse du modèle d'empreinte pour relier les observations à leurs zones sources respectives avec une attention toute particulière pour les zones urbaines (projet ICOS cities).
· Pour tous les sites de mesures (urbains, péri-urbains et ruraux) : tentative d'estimation du flux de chaleur stocké à l'aide d'outils de modélisation existants et estimation du flux de chaleur anthropique.
· Analyse des tendances à long terme pour les sites disposant de plus de 5 ans de données.
· Analyse spatiale pour tous les autres sites (variations saisonnières et diurnes moyennes ; réponse aux épisodes de précipitations ; comportement lors des vagues de chaleur ou en conditions de pollution stagnante ; régimes de stabilité atmosphérique).
· Utilisation de données satellites et géospatiales disponibles (température de surface, biomasse végétale, masse de bâti urbain, parcellaire graphique) pour interpréter et extrapoler les résultats. L'avantage serait que l'on pourrait aller vers une analyse plus large en Île de France et mieux faire le lien vers la couche limite qui dépend de l'échelle régionale.
· Comment les espaces verts urbains se comportent-ils par rapport aux espaces ruraux ou urbains ?
· Si le temps le permet, nous envisageons de relier les observations du bilan énergétique de surface aux conditions de la couche limite atmosphérique (intensités de turbulence, hauteurs de la couche limite, etc.).