Services intégrés dans les villes d'Europe: le cas de Stockholm

L'urbanisation accélérée, dans les pays en développement surtout, est devenue un élément moteur du développement humain. Les phénomènes hydrométéorologiques, l'évolution du climat et la pollution de l'air ont des conséquences toujours plus lourdes sur les zones à forte densité de population. Par ailleurs, la complexité et l'interdépendance des systèmes urbains accentuent la vulnérabilité. Un seul événement extrême peut bloquer une grande partie de l'infrastructure d'une ville, souvent par effet domino. ^{1 2 3}

Nombre d'organisations, dont l'OMM, savent que la progression rapide de la population urbaine nécessite de nouvelles catégories de services qui exploitent au mieux la science et la technologie. L'intégration des services météorologiques, environnementaux et climatologiques devrait faciliter la planification et la protection contre divers dangers tels que les ondes de tempête, les inondations, les vagues de chaleur ou les épisodes de pollution, dans le contexte notamment de l'évolution du climat. L'objectif est d'offrir des services qui répondent aux besoins particuliers des agglomérations de manière à assurer la résilience et la viabilité à long terme, en conjuguant les denses réseaux d'observation, les prévisions à haute résolution, les systèmes d'alerte précoce multidangers et les projections climatologiques d'échelle infra-urbaine. Plusieurs études de ces questions ont été lancées récemment à l'échelle internationale.

Au mois de juin, le Conseil exécutif de l'OMM a défini le cadre conceptuel et méthodologique du projet de Guide sur les services météorologiques, environnementaux et climatologiques intégrés en milieu urbain. Beaucoup de villes, dont Hong Kong, Paris, Shanghai, Singapour et Toronto, bénéficient déjà de services intégrés. Les exigences varient d'un lieu à l'autre et dépendent des besoins locaux. Stockholm est l'un des meilleurs exemples de cette démarche en Europe: l'urbanisme y a notamment pour tâche de créer un cadre de vie agréable et sain pour les futurs habitants.

Historique et concept

Stockholm veut devenir l'une des grandes villes vertes du continent. Nommée «première capitale verte d'Europe» en 2010, elle entend éliminer les combustibles fossiles d'ici à 2040. De plus, elle veut aménager sa croissance en construisant 140 000 maisons d'ici à 2030, ce qui exigera de modifier profondément l'infrastructure. Une première collaboration (2010-2012) dans le domaine des services urbains a été instaurée entre la municipalité de Stockholm et l'Institut suédois de météorologie et d'hydrologie (SMHI) au titre du projet SUDPLAN (www.hindawi.com/journals/amete/2012/240894/) relevant du septième Programme- cadre de recherche et de développement technologique de la Commission européenne.

Les informations étaient fournies en trois jeux de données, chacun basé sur cinq années de relevés horaires aux points de grille (1 x 1 km²) représentant:

• Une période historique d'années précises: 2006, 2007, 2012, 2013, 2014;
• Cinq années de données tirées d'un scénario climatique représentant les conditions actuelles (1980-2010);
• Cinq années de données tirées d'un scénario climatique représentant les conditions futures (2030-2065).

La qualité de la réduction d'échelle a été vérifiée par rapport aux observations. Les deux jeux de données sur les conditions actuelles et futures comportaient l'hypothèse d'un forçage prononcé (scénario RCP8,5 du GIEC). À noter que, dans ces jeux de données, les années doivent être vues comme représentatives et non comme des années historiques réelles. Une nouveauté dans la production des données aux points de grille de 1 x 1 km² a été l'emploi d'un modèle de prévision numérique du temps (PNT) à haute résolution spatiale (maille de 1 km) intégré pour de longues périodes (années).

Identité et besoins des parties prenantes à Stockholm

Tableau 1. Éléments produits par UrbanSIS, sous la forme de 26 VCE et de 65 indicateurs d'impact sectoriels. Les données sont décrites en détail en détail à l'adresse: urbansis.climate.copernicus.eu/urban-sis-climate-indicators/.

Le début du projet a comporté des ateliers et des entretiens avec les parties prenantes et les futurs bénéficiaires des données UrbanSIS, activités qui se sont prolongées dans d'autres initiatives (projets HazardSupport et MUMS en Suède, projet Clarity financé par Horizon 2020 de la Commission européenne). Au nombre des utilisateurs et acteurs figuraient des organismes gouvernementaux (Agence suédoise de protection civile, Administration suédoise des transports, Conseil national du logement, du bâtiment et de l'aménagement du territoire, Conseil administratif du comté de Stockholm, Agence suédoise de santé publique), des associations (Association suédoise de l'eau et de l'assainissement), une société d'assurance privée (Lansforsakringar), les parties prenantes locales (Ville de Stockholm, Stockholm Vatten och Avfall) et des bureaux d'experts-conseils (WSP,Tyréns et SWECO).

Le choix des VCE et des indicateurs d'impact à l'échelle urbaine a été examiné et arrêté lors d'autres ateliers et entretiens; les experts du climat urbain et de la santé de l'Université de Reading (Royaume-Uni), de l'Université de Umeâ (Suède) et du SMHI y ont rencontré les utilisateurs finals habituels représentant les consultants et l'administration municipale de Stockholm et de Bologne, autre ville du projet de démonstration. À l'évidence, les utilisateurs voulaient connaître les conditions de la journée et leur évolution probable. Il est apparu également que certains indicateurs devaient être adaptés aux particularités de chaque ville.

Les consultations ont abouti à la création d'un portail comportant un grand nombre de VCE et d'indicateurs (tableau 1). Les données détaillées sont transmises aux utilisateurs spécialisés, tels les consultants, ingénieurs urbains, scientifiques et experts de la santé, afin d'être introduites dans des modèles d'impact locaux. Leur format permet aussi aux urbanistes de les utiliser directement pour établir des plans dimensionnés. De grands efforts ont été déployés afin que l'information puisse servir à évaluer et planifier l'adaptation aux dangers urbains, dont les pluies abondantes, les vagues de chaleur et les pics de pollution.

Méthode dynamique de réduction d'échelle

Figure 1. Principe général de la méthode de réduction d’échelle dynamique employée dans UrbanSIS

La chaîne de réduction d'échelle comprend trois modèles numériques, comme l'illustre la figure 1. Les conditions météorologiques/climatiques issues du modèle HARMONIE (dans deux configurations selon la période, comme on l'explique plus bas) sont transmises au modèle de qualité de l'air MATCH et au modèle d'hydrologie HYPE.

Pour la période historique, les conditions aux limites latérales ont été fournies par le système numérique HARMONIE-AROME (cycle 40h1.1) à partir des réanalyses UERRA-ALADIN et des observations en surface. Pour le présent et l'avenir, les conditions aux limites latérales et en surface utilisées avec le modèle climatique HCLIM- AROME provenaient du projet GLOBAQUA.

Plusieurs produits et bases de données librement accessibles ont servi à générer des données physiographiques de grande qualité: i) couverture spatiale des types d'occupation du sol selon l'Atlas urbain 2012 (Service de surveillance terrestre Copernicus), ii) polygones tracés avec OpenStreetMap, iii) altitudes établies à partir de mesures lidar (Agence suédoise des forêts) et iv) séries chronologiques d'indices de surface foliaire provenant du Service terrestre mondial Copernicus. Les grilles de 300 x 300 m² résultantes ont fait l'objet d'une interpolation par le modèle surface-atmosphère SURFEX, afin d'obtenir la grille définitive de 1 x 1 km², et ont été combinées avec la base de données européenne ECOCLIMAP-II (classification des écosystèmes et des paramètres de surface). On trouvera plus d'informations sur la configuration et la validation du modèle à l'adresse: urbansis.climate.copernicus.eu/project-deliverables/.

Figure 2. Cartographie par UrbanSIS de l’effet d’îlot de chaleur à Stockholm, juillet 2014, et série chronologique de la température mensuelle moyenne à 2 m au-dessus du sol (en K) à deux emplacements

Scénarios climatiques

La réduction d'échelle dynamique à haute résolution entraînant des coûts de calcul considérables, les données des scénarios climatiques ont été limitées aux deux périodes de cinq ans retenues. En outre, l'obtention de l'échelle urbaine n'était abordable que pour un seul scénario, ce qui rendrait très difficile l'indication de la représentativité et des incertitudes.

Le scénario RCP8,5 du GIEC a été choisi car les utilisateurs souhaitaient recevoir les données climatologiques de scénarios extrêmes. Les sorties d'un modèle régional ont été tirées du projet GLOBAQUA financé par le 7^e Programme-cadre de la Commission européenne, qui offrait des données tridimensionnelles à une résolution spatiale de 20 x 20 km² pour les périodes 1980-2010 et 2030-2065. À l'intérieur de chaque fenêtre de 30 ou 35 ans et pour chaque ville, on a choisi cinq années représentatives qui comportaient à la fois des saisons estivales froides/humides, froides/sèches, chaudes/ humides, chaudes/sèches et «normales». Le choix a été fait de manière à englober des épisodes de phénomènes extrêmes.

Exemples de résultats

 

Gradients spatio-temporels de la température de l'air à Stockholm

Figure 3. Profil quotidien moyen de la température à 2 m au-dessus du sol (T2m) pendant les mois d’été (JJA) de la période historique de cinq ans, sur une dalle de nature et une dalle urbaine, à savoir respectivement le parc Observatorielunden de Stockholm et le secteur bâti qui le borde; la valeur PCI (îlot de fraîcheur des parcs) moyenne correspond au rafraîchissement moyen dû aux quatre hectares d’espace vert

L'analyse des échanges entre la surface hétérogène de Stockholm et l'atmosphère a mis en lumière le rafraîchissement induit par les parcs de la ville, comme l'illustre la figure 3, effet qui présente de nets cycles diurnes et saisonniers.

 

Pluies intenses: réduction d'échelle dynamique à haute résolution

L'une des principales raisons de procéder à une réduction d'échelle dynamique, c'est-à-dire à très haute résolution, est l'extrême variabilité des précipitations à petite échelle. Le système UrbanSIS a réussi à simuler avec réalisme des épisodes de pluie abondante sur de faibles étendues. On voit, à la figure 4a, une image radar captée durant l'une des chutes de pluie les plus intenses survenues au cours de la période d'évaluation. La figure 4b montre la simulation à peu près au même moment. Une concordance parfaite est impossible en raison de la nature chaotique du phénomène et des incertitudes propres aux données radar. Néanmoins, les pluies simulées présentent globalement une structure, une étendue spatiale et une intensité maximale similaires à celles de l'événement réel. Les simulations UrbanSIS sont également réalistes sur le plan statistique. La figure 4c illustre le genre de données hauteur-durée-fréquence couramment employées en génie hydrologique urbain. Les valeurs simulées présentent une bonne concordance avec les observations de stations et de radars, en particulier pour les épisodes de courte durée (moins d'une heure).

Les modèles climatiques de moindre résolution ne permettent pas d'atteindre la concordance que fait apparaître la figure 4. En d'autres termes, UrbanSIS pourrait estimer de façon plus exacte les changements futurs dans les épisodes locaux de pluies intenses. Selon les projections établies pour Stockholm, la hausse des extrêmes pluviométriques serait plus marquée que ne l'indiquent les modèles climatiques de résolution inférieure. Ces résultats ont une grande portée pour l'adaptation des villes et de leur infrastructure hydrologique au changement climatique.

Figure 4. Précipitations a) observées par radar et b) simulées par UrbanSIS pour le domaine de Stockholm aux alentours de 12 h le 9 juin 2013 et c) valeurs hauteur-durée-fréquence observées et simulées sur 10 ans pour Stockholm

 

Risques sanitaires liés aux niveaux futurs de pollution atmosphérique

Le modèle de transport chimique MATCH, mis au point par le SMHI, a été utilisé hors connexion avec le modèle climatique d'UrbanSIS pour fournir sur une grille de 1 x 1 km² les concentrations de fond de matières polluantes - dioxyde d'azote (NO₂), ozone (O₃), particules inhalables (PM₁₀ ) et particules fines (PM_2.5) - au-dessus de Stockholm. Les simulations de la qualité de l'air ont été réalisées en deux étapes, d'abord à l'échelle de l'Europe pour déterminer l'apport de sources distantes puis à l'échelle de la ville avec un modèle emboîté à haute résolution.

S'agissant des simulations paneuropéennes, l'évolution des émissions présumée entre la période actuelle (1980-2010) et l'avenir (2030-2065) vient du projet ECLIPSE (figure 5a). Les valeurs locales, qui visaient les années 2010 et 2030, ont été fournies par la municipalité de Stockholm (figure 5b).

Figure 5. a) Émissions totales dans le domaine paneuropéen, valeurs de 2010 (bleu) et de 2030 (orange) projetées au sein du projet ECLIPSE et b) Émissions totales dans le domaine urbain de Stockholm, valeurs de 2010 (bleu) et de 2030 (orange) selon les projections de la municipalité

La figure 6 montre la progression attendue des concentrations de fond moyennes de PM2.5 en milieu urbain. Une diminution globale de quelque 0,5 microgramme par mètre cube relativement au niveau actuel (environ 5 pg m^-3) est attendue autour de la ville, tandis que le centre bénéficierait d'un recul pouvant atteindre 1 pg m^-3 par rapport aux 7 à 8 pg m^-3 actuels, en raison de baisses des émissions locales.

L'un des indicateurs de la qualité de l'air est le nombre de décès dans la population âgée de plus de 30 ans dû à une exposition prolongée aux PM2.5. Un facteur de risque relatif de 1,062 par tranche de 10 pg m^-3 a été tiré du projet HRAPIE de l'OMS. Selon UrbanSIS, l'exposition aux PM2.5 dans le domaine de Stockholm se traduit par 568 décès par an dans les conditions actuelles, chiffre qui tomberait à 507 dans le scénario des conditions futures.

Il importe, quand on présente ce genre d'indicateur sanitaire, d'exposer les hypothèses sous-jacentes. Dans ce cas-ci, la taille de la population et la configuration de la ville avec ses quartiers résidentiels restent les mêmes qu'actuellement, ce qui n'est bien sûr pas réaliste. Selon les partenaires qui œuvrent dans l'aménagement urbain, davantage de scénarios devraient être envisagés si l'on veut isoler l'impact du changement climatique ou de l'architecture urbaine sur la qualité de l'air. Ces scénarios sont en cours d'évaluation, pour Stockholm, dans le cadre de projets entrepris ultérieurement.

Figure 6. Concentrations annuelles moyennes de PM2.5 au-dessus de Stockholm, a) climat actuel (~2010) et b) climat futur (~2030)

Indication des incertitudes

Afin d'aider l'utilisateur final à apprécier la qualité et les incertitudes des produits UrbanSIS, le SMHI a suggéré d'employer un code couleur:

• Vert = bonne qualité: les résultats peuvent être utilisés sans réserve ni restriction (Allez-y!);
• Jaune = qualité moyenne: les résultats sont utiles mais l'utilisateur final devrait être informé de certaines réserves ou restrictions (Prudence!);
• Rouge = mauvaise qualité: les résultats peuvent présenter une certaine utilité mais l'utilisateur doit comprendre les réserves ou restrictions (Attention!).

L'échelle de qualité concerne trois aspects:

1. L'efficacité des modèles de réduction d'échelle (modèle);
2. La détermination des indicateurs d'impact (indicateur); 
3. Les incertitudes des scénarios climatiques (scénario).

Le classement des aspects relatifs aux modèles et aux indicateurs est propre à chaque ville. Pour ce qui est des scénarios, les VCE reçoivent la même cote de qualité pour toutes les villes d'Europe

(pour plus de détails, voir le site: urbansis.climate.copernicus.eu/wp-content/uploads/2018/0 /C3S_D441.5.4.2_UrbanSIS_201711_Uncertainties_scalability_rev.pdf.)

Enseignements tirés et futurs travaux de recherche-développement

La réduction d'échelle dynamique simultanée dans les domaines de la météorologie, la qualité de l'air et l'hydrologie peut fournir des indicateurs d'impact utiles et cohérents à l'échelle d'une ville. Il est crucial pour cela de détenir des données très fines sur la physiographie, les émissions locales et le cheminement des eaux. Une partie peut être obtenue auprès des services européens tel l'Atlas urbain. La cohérence des sources de données, aux échelles urbaines et régionales, doit être prise en considération. Il est possible d'affiner les profils quotidiens, mensuels et saisonniers des rejets locaux de substances chimiques en utilisant des données sectorielles indirectes (circulation automobile, par exemple). Des études poussées de sensibilité sont nécessaires pour ramener à l'échelle locale les inventaires régionaux d'émissions. Enfin, les observations locales des différents indicateurs pendant la période historique de simulation sont utiles pour accroître la confiance et valider les résultats.

Les coûts considérables de calcul limitent quelque peu l'ampleur du secteur étudié et le nombre d'années simulées. La taille du domaine a entraîné un net biais des précipitations en raison de problèmes de spin-up, surtout pendant le forçage marqué des conditions hivernales. La dépendance des données de forçage grossières à l'égard de la résolution n'a pas été confirmée dans cette configuration. De nouvelles recherches devraient être conduites pour mieux comprendre et réduire ce problème.

S'agissant de la simulation des conditions urbaines, le biais des précipitations a nécessité d'inclure des précipitations simulées à l'échelle régionale, notamment pour l'écoulement fluvial et la hauteur de neige. On a choisi avec grand soin les années et les scénarios, compte tenu de leur nombre limité, et analysé dans quelle mesure ils représentaient la distribution climatologique des différents indicateurs, pour les conditions actuelles et les projections, y compris leurs incertitudes. Certains événements historiques extrêmes ont fait l'objet d'une réduction d'échelle pour définir le scénario des pires conditions et examiner la manière dont ces événements pourraient varier dans un scénario climatique futur.

La méthode suivie jusqu'ici avait pour but d'appuyer l'aménagement urbain à long terme. Il est toutefois possible de l'adapter pour prévoir le temps et la pollution atmosphérique à brève échéance et lancer l'alerte. Elle pourrait, par exemple, servir à réduire l'échelle dans la PNT classique et à exploiter un modèle de la qualité de l'air en utilisant les résultats du Service Copernicus de surveillance de l'atmosphère aux limites.

Dans le prolongement d'UrbanSIS, le SMHI a entrepris avec la Ville de Stockholm de simuler le climat urbain et les effets sur le confort des habitants de divers scénarios, à savoir: i) le plan d'urbanisme à l'horizon 2030, ii) l'intensification marquée de l'infrastructure verte («scénario vert») et iii) l'expansion et la densification («scénario gris»). Ces travaux montrent que, ramenées à l'échelle urbaine, les informations climatologiques ouvrent de nouvelles perspectives en matière de planification et de développement, incluant l'architecture des paysages et les solutions fondées sur la nature. Elles proposent aussi des moyens novateurs et efficaces d'adapter les villes à l'évolution du climat.

Vers des services intégrés en milieu urbain

L'OMM prône l'intégration des services hydrométéoro­logiques, climatologiques et environnementaux en milieu urbain. Les expériences conduites en Europe, comme celle de Stockholm, amènent à adresser les recommandations suivantes aux Membres, en particulier aux Services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN), et aux municipalités intéressées:

• Ne pas attendre qu'une catastrophe survienne - il existe déjà des services urbains intégrés qui fonctionnent bien et aident les décideurs et les utilisateurs finals (ils peuvent servir de modèles);

• Contribuer par le biais des SMHN à promouvoir, élaborer et coordonner les services urbains intégrés, y compris le transfert de connaissances;

• Voir à ce que des cadres juridiques et institutionnels définissent clairement les rapports entre les instances gouvernementales et leurs responsabilités afin d'établir et de procurer durablement des services urbains intégrés;

• Associer dès le départ les parties prenantes (organismes publics, population, SMHN, autorités municipales, secteur privé, entreprises), les sensibiliser à la démarche et recueillir leurs observations;

• Poursuivre les recherches, surtout les études multidisciplinaires et transversales, en vue d'étendre les capacités dans le domaine des services urbains;

• Encourager les SMHN à élargir l'accès aux données, par le biais des questions de propriété et de l'assistance technique;

• Exécuter des projets de démonstration sur les services urbains.

Résumé

L'OMM propose d'intégrer les services hydrométéo­rologiques, climatologiques et environnementaux offerts en milieu urbain dans le but de répondre aux besoins futurs de ses Membres, s'agissant notamment d'atteindre les objectifs de développement durable définis par les Nations Unies. L'application du système UrbanSIS à Stockholm est un parfait exemple de la manière novatrice de rassembler diverses disciplines scientifiques. Dans cette initiative, les modèles pro­duisent des données à haute résolution spatiale (1 km) et temporelle (15 minutes à 1 heure) sur le temps, la qualité de l'air et les conditions hydrologiques à l'appui d'un aménagement urbain écocentré qui met à profit les technologies les plus récentes.

Auteurs

Jorge H. Amorim (jorge [dot] amorimsmhi [dot] se (jorge[dot]amorim[at]smhi[dot]se)), Christian Asker, Danijel Belusic, Ana C. Carvalho, Magnuz Engardt (Present address: SLB Analys, Stockholm City), Lars Gidhagen, Yeshewatesfa Hundecha, Heiner Körnich, Petter Lind, Esbjörn Olsson, Jonas Olsson, David Segersson, Lena Strömbäck - Institut suédois de météorologie et d'hydrologie (SMHI) (en anglais)

Paul Joe et Alexander Baklanov - Secrétariat de l'OMM, Département de la recherche