Au niveau du sol, se jouent de multiples interactions physiques entre les conditions atmosphériques et les matériaux qui composent les surfaces terrestres. Certaines conditions rendent favorables l'apparition d'eau à l'état solide sur les sols artificialisés avec un impact direct sur les activités humaines et le climat urbain local. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de simuler l'évolution des conditions de surfaces artificialisées lors d'évènements météorologiques froids et leurs interactions avec l'environnement. Quelles sont ces conditions ? Quels processus physiques doivent être modélisés pour les représenter ? Et quel intérêt de les simuler ? C'est les questions soulevées dans ce manuscrit. Simuler, c'est fournir une représentation de l'objet étudié. Ici, représenter physiquement les conditions de surface artificialisées a plusieurs fonctions: les expliquer par un ensemble de sous-processus, prévoir leurs évolutions et découvrir des interactions physiques entre les variables. La fonction prédictive des simulations des chaussées glacées peut servir pour plusieurs pratiques tel que l’émission d'alertes, la prévention ou l'allocation des ressources. D'un autre côté, en intégrant les nouveaux processus au sein d'un modèle qui représente le climat local en ville, l'ensemble des fonctions évoquées peuvent aider à la compréhension du système dans son ensemble.
Techniquement, pour répondre aux objectifs, des processus sont ajoutés au sein du modèle physique de climat urbain Town Energy Balance (TEB). TEB représente et simule les variables physiques en villes, qu'elles soient liées aux surfaces artificialisées (chaussées, bâtiments, toits) ou aux surfaces naturelles (sol nu, végétation basses, arbres) en veillant a garder un compromis entre performance et complexité algorithmique. Les capacités du modèle sont étendues avec le couplage d'un modèle physique de manteau neigeux avec la chaussée, l'ajout d'un réservoir de glace sur la chaussée, la paramétrisation du déneigement et de l'impact du trafic routier. Les études réalisées montrent une amélioration des capacités prédictives du modèle, en particulier la température des surfaces artificialisées, la hauteur de neige, le contenu en glace, l’albédo des villes et le rayonnement solaire ascendant. De plus, les études étayent la compréhension du climat des villes froides tout en redéfinissant les limites, et décèlent les limites prédictives actuelles du modèle. Finalement, ce manuscrit a une triple portée scientifique et technique: unifier les outils de simulation des conditions de chaussées, combler le manque de processus hivernaux dans les modèles de climat urbain pour l'étude du climat urbain des villes en condition froides et ouvrir de nouvelles opportunités pour les utilisateurs du modèle TEB. |
At ground level, numerous physical interactions occur between atmospheric conditions and the materials composing the Earth's surface. Certain conditions favor the formation of solid-state water on artificial surfaces, directly impacting human activities and the local urban climate. Thus, the objective of this thesis is to simulate the evolution of conditions on artificial surfaces during cold weather events, along with their interactions with the surrounding environment. What are these conditions? Which physical processes must be modeled to represent them accurately? And why simulating them? These are the questions addressed in this manuscript. To simulate means to provide a numerical representation of the object of study. In this case, physically representing conditions on artificial surfaces serves several purposes: explaining them through a set of underlying subprocesses, predicting their evolution, and uncovering physical interactions among variables. The predictive capability of simulations of icy road conditions can support various practical applications, such as issuing warnings, preventive measures, or resource allocation. Furthermore, by incorporating new processes into a model that represents the local urban climate, all the aforementioned functions can contribute to a better understanding of the overall system.
Technically, to meet these objectives, new processes have been incorporated into the Town Energy Balance (TEB) urban climate model. TEB simulates physical variables in urban areas - whether related to artificial surfaces (roads, buildings, roofs) or natural surfaces (bare soil, low vegetation, trees) — while maintaining a balance between computational efficiency and model performances. The model's capabilities have been enhanced through the coupling of a physical snowpack model with the road surface, the addition of an ice reservoir layer on roads, and the parametrization of snow removal and the effects of road traffic. The studies conducted demonstrate improved predictive performance of the model, particularly regarding the temperature of artificial surfaces, snow depth, ice content, town albedo, and upward solar radiation. Furthermore, these studies advance understanding of cold urban climates, while also revealing current model limitations and predictive uncertainties. Finally, this dissertation is written with three intended purposes: (1) the harmonization of road condition forecasting tools, (2) filling a gap in urban climate research for cold cities, and (3) opening new opportunities for users of the TEB model. |