Modélisation : l’urbanisation et le changement climatique

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L’avenir à court terme de la Terre est une planète qui se réchauffe, car l’expansion urbaine et les émissions de gaz à effet de serre alimentent les effets du changement climatique. Les projections climatiques actuelles indiquent que par exemple. dans les villes américaines, les températures devraient augmenter de 2 à 7 ° Celsius d’ici 2099.

L’expansion urbaine et ses effets

Pour tenter de s’adapter à ce réchauffement et de maintenir l’habitabilité de la planète, les chercheurs étudient de nouvelles façons de concevoir et de construire des villes à l’aide de technologies d’atténuation du climat et constatent qu’à mesure que leurs modèles prédictifs deviennent plus sophistiqués, ils dévoilent une interdépendance complexe de ces effets.

Par exemple, une nouvelle modélisation révèle la dynamique du changement climatique et de l’étalement urbain à un niveau plus détaillé, menant à une nouvelle compréhension de la température qui pourrait être mise en réserve au fur et à mesure que les villes grandissent et que les régions se réchauffent. Cette information pourrait être critique pour déterminer ce qui pourrait ou non fonctionner pendant que nous essayons de nous adapter aux changements à venir.

Des modélisations plus sophistiquées

Aujourd’hui, des chercheurs dirigés par l’Université d’État de l’Arizona ont réalisé certaines des modélisations les plus sophistiquées des effets des changements climatiques et des centres urbains aux États-Unis, et ils constatent que certaines des solutions proposées aujourd’hui n’apporteront qu’une fraction du soulagement de la chaleur prévue.

Les chercheurs ont examiné l’interaction quotidienne entre l’expansion urbaine, les changements climatiques et l’adaptation aux États-Unis au cours du XXIe siècle. Leur analyse a révélé une interaction non linéaire entre l’expansion urbaine et les émissions de gaz à effet de serre, et ce, sur une vaste étendue de territoire – la partie continentale des États-Unis – accordant une attention particulière aux zones mégapolitaines en croissance. Ensuite, ils ont examiné un éventail de stratégies d’atténuation de la chaleur qui incluaient des arbres au niveau des rues et ont conçu des solutions pour s’attaquer au phénomène de la chaleur urbaine.

« Des études antérieures ont montré que les stratégies conventionnelles pour réduire le réchauffement fonctionnent principalement dans l’abaissement des températures diurnes plutôt que nocturnes », a déclaré Matei Georgescu, professeur agrégé à l’école des sciences géographiques et de l’urbanisme de l’ASU. « Cependant, les villes ont tendance à avoir leurs plus grandes répercussions sur l’environnement thermique régional le soir et la nuit. »

« Nous avons simulé les effets des approches conventionnelles d’atténuation de la chaleur avec des stratégies de refroidissement plus largement reconnues, mais nous avons aussi simulé les impacts associés aux matériaux sur la température à la surface », a-t-il ajouté. « Nous avons constaté un allégement modéré des températures pendant la nuit à l’aide de matériaux à faible admittance thermique. »

Les chercheurs ont publié leurs résultats de « Diurnal interaction between urban expansion, climate change and adaptation in 21st century U. S. cities » dans la première édition en ligne de Nature Climate Change.

Les États-unis comme modèle

Cette nouvelle recherche jette un regard analytique sur le territoire continental des États-Unis et le fait à un niveau de sophistication plus élevé que les études précédentes. Par exemple, des études antérieures ont supposé que les effets de l’urbanisation et des gaz à effet de serre pouvaient être déterminés simplement en additionnant les effets des deux. Cette nouvelle approche permet aux chercheurs de caractériser la mesure dans laquelle ces deux facteurs du changement climatique régional interagissent de façon non linéaire.

« L’effet du développement urbain et des émissions de gaz à effet de serre est moins que la simple somme des composants individuels », a déclaré Georgescu. « C’est seulement évident pendant les heures de nuit. La magnitude de la non-linéarité réduit localement le réchauffement total jusqu’à 1 Celsius. Mais, prévient-il: « nous devons nous rappeler que c’est beaucoup moins que le réchauffement total qui est de 4 à 8 ° Celsius, selon le scénario de GES simulé. »

En outre, l’équipe de Georgescu a creusé dans les données. les travaux antérieurs utilisaient la température moyenne de 24 heures de chaque jour comme point de référence. Dans le cadre de cette recherche, l’équipe a produit beaucoup plus de données (environ 100 téraoctets) au moyen de simulations informatiques et a examiné les impacts sur une échelle de 24 heures, ou « diurne », à intervalles de trois heures.

« En mettant ces données à la disposition du milieu de la recherche, on permettra d’effectuer des recherches connexes, comme des évaluations biométéorologiques effectuées par des chercheurs en santé et des évaluations énergétiques effectuées par le milieu des sciences du bâtiment », a déclaré Scott Krayenhoff, auteur principal de l’étude.

Ce qui est révélé dans la modélisation est un continent où le réchauffement est bien présent, en particulier dans les centres urbains régionaux des États-Unis. « En été, le réchauffement urbain résultant d’une combinaison dynamique et interactive d’expansion urbaine et de changement climatique est de 1 à 6 ° Celsius l’après-midi et de 3 à 8 ° Celsius la nuit d’ici la fin du siècle », a déclaré Mohamed Moustaoui, membre de l’équipe.

Dans l’ensemble, les simulations prévoient que le réchauffement urbain de l’après-midi sera plus prononcé dans l’Est des États-Unis et que le réchauffement nocturne sera le plus fort dans les régions des Appalaches, des Grands Lacs et de la vallée centrale de la Californie, en grande partie en raison de l’expansion urbaine dans ces régions.

Les chercheurs ont ensuite simulé le rendement de diverses technologies d’atténuation de la chaleur en tenant compte des températures régionales plus élevées prévues. Ces technologies comprennent les toits froids, les toits verts et les arbres des rues, qui peuvent tous être utilisées pour réduire les températures près de la surface extérieure d’une zone.

L’adaptation à la chaleur

« À l’aide de simulations interactives dynamiques, nous avons examiné plusieurs stratégies d’adaptation dans le but de compenser la chaleur urbaine prévue au XXIe siècle », a expliqué M. Krayenhoff. « Nous avons combiné la mise en œuvre des toits froids, des toits verts et des arbres de rue (c.-à-d. Un scénario d’adaptation complète) et avons constaté qu’elle produit de 1,3 à 2,0 Celsius de refroidissement moyen de l’après-midi en été selon la région, mais moins de 1 Celsius de refroidissement nocturne. Le refroidissement local de l’après-midi dans de nombreuses régions métropolitaines des États-Unis était quelque peu plus élevé, particulièrement en Californie, au Texas et dans le nord-est. »

Même avec ces technologies d’atténuation de la chaleur en place, les simulations ont montré que la chaleur est susceptible de persister. « Ce que j’ai trouvé le plus frappant, c’est que la mise en œuvre combinée de toutes les stratégies d’adaptation n’a pas réussi à compenser le réchauffement climatique dans le cadre du scénario 8.5 du RCP, laissant un réchauffement urbain moyen du continent américain de 1 à 4 ° Celsius le jour et de 3 à 6 ° Celsius la nuit, et d’importantes augmentations prévues des journées de chaleur extrême dans les villes à travers le pays », a expliqué Krayenhoff.

Des villes « fraiches » pour combattre le réchauffement climatique

« Même avec des réductions substantielles des gaz à effet de serre, c’est-à-dire, dans le scénario d’émissions de 4,5% du PRC, le réchauffement nocturne est resté non négligeable après l’application complète des mesures d’adaptation », a-t-il ajouté. « Cela signifie que nous pouvons construire des bâtiments « frais » et planter des arbres dans nos rues et que les villes américaines vont probablement devenir beaucoup plus chaudes sans réduction simultanée et substantielle des émissions de gaz à effet de serre. »

Les coauteurs de cette recherche avec Georgescu sont E. Scott Krayenhoff, de l’Université de Guelph, en Ontario, au Canada, un ancien chercheur post-doctoral travaillant avec Georgescu à l’ASU, et Mohamed Moustaoui, Ashley Broadbent et Vishesh Gupta, tous affiliés au Urban Climate Research Center de l’ASU.

Source : Arizona State University

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