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Présentation

Les milieux urbains sont de plus en plus touchés par la mauvaise qualité de l'air et les températures élevées, entraînées par la circulation dense, les émissions industrielles et les vastes surfaces imperméables. En réponse, les villes du monde entier se tournent vers des infrastructures vertes – arbres, arbustes, toits verts et parcs – comme solution fondée sur la nature. Mais comment exactement la végétation urbaine influence-t-elle les niveaux de polluants atmosphériques locaux et les microclimats? Répondre à cette question nécessite une modélisation sophistiquée qui saisit les interactions complexes entre les plantes, l'atmosphère et la forme urbaine.

Comprendre la végétation urbaine et ses fonctions environnementales

Les arbres, par exemple, fournissent de l'ombre, interceptent les particules et libèrent l'humidité par évapotranspiration. Les érupes et le couvert végétal peuvent offrir moins de couvert de couvert, mais peuvent réduire la température de surface et capturer les polluants près du sol. Les toits verts et les jardins verticaux amènent la végétation dans des zones denses où l'espace au niveau du sol est limité.

Mécanismes de purification de l'air

Les plantes éliminent les polluants atmosphériques par plusieurs voies. Le dépôt sec est le mécanisme principal : les gaz et les particules adhèrent aux surfaces foliaires et sont ensuite lavés par la pluie ou incorporés dans la cuticule foliaire. L'absorption stomatique élimine également les polluants gazeux comme le dioxyde d'azote (NO2) et l'ozone (O3). Un seul grand arbre peut intercepter jusqu'à 60 grammes de particules par année, tandis qu'une forêt urbaine dense peut réduire les concentrations de PM10 de 10 à 25 % localement.

Règlement sur les microclimats

La végétation modifie les microclimats par l'ombrage et l'évapotranspiration. Les surfaces ombragées peuvent être de 20 à 45°F (11 à 25°C) plus froides que celles non ombrées, et l'évapotranspiration peut réduire les températures ambiantes de 2 à 9°F (1 à 5°C). Cet effet, connu sous le nom d'atténuation de l'île de chaleur urbaine, est le plus prononcé dans les quartiers avec un espace vert limité.

Modélisation des effets de la végétation urbaine

Les scientifiques utilisent une gamme de techniques de modélisation pour simuler comment la végétation modifie les concentrations de polluants et les conditions microclimatiques. Le choix du modèle dépend de la question de recherche, de l'échelle spatiale, des données disponibles et des ressources de calcul.

Modèles de dynamique des fluides informatiques (CFD)

Les modèles CFD, comme OpenFOAM et les codes commerciaux comme ANSYS Fluent, résolvent les équations Navier-Stokes pour résoudre les courants d'air autour des bâtiments et de la végétation à haute résolution (1-10 m). La végétation est généralement représentée comme un milieu poreux avec des forces de traînée et des sources de chaleur/de vapeur. Ces modèles peuvent simuler la dispersion des polluants à partir des canyons de rue, l'effet de la plantation d'arbres sur la ventilation et la distribution de température.

Simulation de gros poids lourds (LES)

Les ERP sont un raffinement de la DFC qui résout explicitement les grands tourbillons turbulents tout en paramétrant les plus petits.Elle capture le mélange turbulent qui provoque la dispersion des polluants et l'échange de chaleur.Les modèles ERP ont été utilisés pour étudier l'emplacement optimal des arbres dans les canyons de rue afin d'éviter de piéger les polluants.Une étude 2020 dans Pollution de l'environnement a montré que les arbres plantés densément peuvent réduire la ventilation et augmenter les concentrations de NO2 des piétons si elles ne sont pas soigneusement localisées.

Modèles de dispersion (gaussien et lagrangien)

À plus grande échelle (quartier à ville), on utilise des modèles de dispersion comme AERMOD et CALPUFF. Ces modèles simplifient la physique atmosphérique mais peuvent intégrer la végétation comme un puits pour les polluants en utilisant des vitesses de dépôt.

Modèles de surface terrestre (LSM)

Les modèles de la communauté terrestre et de la Terre urbaine sont des exemples. Ils prédisent comment les changements de l'indice de surface foliaire (ILA) affectent la température de surface, l'humidité et le flux calorifique sensible.

Modèles empiriques et statistiques

Les approches statistiques – régression multiple, apprentissage machine et régression de l'utilisation des terres – corrélent la qualité et la température de l'air observées avec des prédicteurs tels que l'indice de végétation de différence normalisée (IVND), le couvert de la canopée et la distance entre les espaces verts. Ces modèles nécessitent de grands ensembles de données, mais peuvent être étalonnés rapidement.

Entrées et paramètres clés pour la modélisation précise

Tous les modèles reposent sur des données précises. La qualité des entrées affecte directement la fiabilité des sorties. Les paramètres clés sont les suivants :

  • Indice de la surface de la laisse (LAI):[ Surface totale de la feuille par unité de surface au sol. LAI influence les taux de dépôt, l'ombrage et l'évapotranspiration.
  • La hauteur de la végétation et la densité de la canopée: Les arbres de grande taille aux canopées denses bloquent davantage le rayonnement solaire, mais peuvent aussi réduire la vitesse du vent et piéger les polluants près du sol s'ils sont plantés dans des rues étroites.
  • Conductance stomatique:[ Contrôle l'absorption des polluants gazeux. Les plantes C3 et C4 ont des taux de conductance différents, affectant l'ozone et l'élimination du NO2.
  • Inventaires des émissions:[ Il faut établir des cartes précises des émissions de trafic, industrielles et résidentielles pour définir les sources de polluants.
  • Données météorologiques: Vitesse, direction, température, humidité et dispersion du rayonnement solaire et dépôt.Les modèles reposent souvent sur des données de stations météorologiques ou des produits de réanalyse comme ERA5.
  • Urban Géométrie:[ La hauteur du bâtiment, la largeur de la rue et l'orientation déterminent les patrons de ventilation et d'ombrage du canyon.

Validation du modèle et analyse de sensibilité

Avant de se fier aux prévisions du modèle, les scientifiques doivent les valider par rapport aux mesures sur le terrain, ce qui implique de comparer les concentrations et les températures simulées des polluants avec les données des stations de surveillance ou des campagnes mobiles. L'analyse de sensibilité aide à déterminer quels paramètres influent le plus sur les résultats.Par exemple, une étude de 2018 dans Environnement atmosphérique[ a constaté que le changement de l'IAL de 2 à 4 dans un modèle CFD a réduit les concentrations de PM2,5 dans la rue de 12 %, mais que la porosité de la couronne des arbres a eu un effet plus important que l'IAL.

Effets sur la qualité de l'air : effets spécifiques aux polluants

La végétation influence différents polluants de différentes façons.

Matières particulaires (PM2,5 et PM10)

Les arbres conifères avec une IAL élevée et une écorce rugueuse recueillent plus de PM toute l'année que les arbres caduques. Les études de modélisation montrent que l'augmentation de 10% de la couverture des arbres dans un quartier résidentiel réduit les PM2,5 de 1 à 4 μg/m3. Cependant, les arbres peuvent également libérer des composés organiques volatils (COV) qui contribuent à la formation d'aérosols organiques secondaires (AOS), ce qui complique l'effet net.

Dioxyde d'azote (NO2)

Les simulations de modèles suggèrent que les arbres des rues peuvent réduire les concentrations de NO2 de 5 à 15 % dans les zones ouvertes, mais que dans les canyons de rue denses, une ventilation réduite peut compenser ces gains.

Ozone (O3)

L'ozone réagit avec les surfaces végétales et est absorbé par les stomates. Cependant, les arbres émettent également des COV biogéniques (COVB), en particulier l'isoprène et les monoterpènes, qui en présence de NOx forment de l'ozone. Dans une étude de modèle couplée de 2021 dans , la durabilité de la nature[, plantant un autre 1,2 milliard d'arbres dans le continent américain a réduit l'ozone de 3 ppb dans certaines régions, mais l'a augmenté de 1 à 2 ppb dans les zones urbaines à haut émission de COVB.

Avantages pour le microclimat : Atténuation de la chaleur et confort thermique

La végétation urbaine refroidit l'environnement par deux processus primaires : l'ombre et l'évapotranspiration[. L'ombre réduit le chauffage solaire des surfaces, tandis que l'évapotranspiration convertit la chaleur sensible en chaleur latente, réduisant la température de l'air.

Réductions de la température de surface et de l'air

Les études de modélisation démontrent que l'augmentation de la couverture de la couverture végétale urbaine de 20 % à 40 % peut réduire la température de surface locale de 3 à 5 °C et la température de l'air de 1 à 2 °C pendant l'après-midi d'été. Les toits verts, bien que moins efficaces par zone que les arbres, refroidissent l'enveloppe du bâtiment et réduisent la demande d'énergie de refroidissement.

Indices de confort thermique

Les modèles intègrent maintenant des mesures du confort thermique comme Température équivalente physiologique (PET)[ ou [[UTCI:]. La végétation améliore le confort en réduisant la charge de chaleur radiante. Les simulations sur un carré de Barcelone ont montré que l'ajout d'arbres avec une LAI de 4 PET réduit de 42°C à 34°C par jour chaude, en changeant les conditions de stress très chaud de --- à-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cadres de modélisation intégrés

Les récents efforts visent à coupler la qualité de l'air et les modèles microclimatiques avec les modèles de croissance de la végétation.WRF-Chem[ est un modèle de chimie météorologique qui peut inclure les émissions et les dépôts de végétation en ligne.BEP-BEM[ (Paramètre d'effet de construction – Modèle d'énergie de construction) peut intégrer des toits et des arbres verts.ENVI-metLe logiciel (ENVI-met) est largement utilisé pour des simulations micrométriques qui couplent le débit d'air, le bilan énergétique et la végétation.

Études de cas et applications pratiques

Barcelones Superblocks

Barcelone Le programme Superblocks de Barcelone restructure les réseaux de rue en zones vertes calées par le trafic. La modélisation à l'aide de CFD et ENVI-met a prédit que la transformation d'un bloc typique pourrait réduire les concentrations de NO2 de 25% et la température de l'air d'été de 2,5°C. La surveillance post-mise en œuvre a confirmé ces avantages, validant l'approche de modélisation.

Londres Facteur d'écologisation urbaine

Londres La politique du facteur vert urbain (FG) exige de nouveaux développements pour obtenir un score minimum basé sur les types de couvertures vertes. Des modèles comme i-Tree ont été utilisés pour fixer les crédits – des scores plus élevés pour les arbres et les toits verts.

Singapour : Plan vert 2030

Singapour a longtemps utilisé la modélisation pour guider sa ville dans une vision de jardin. Les simulations avec des modèles de surface terrestre et de dispersion couplés ont montré que l'ajout de 200 km de plantations sur la route pourrait réduire les PM2,5 de 30 % dans des couloirs à trafic élevé.

Applications pratiques pour l'urbanisme

Les résultats de modélisation sont directement à l'origine des décisions d'aménagement du territoire:

  • Emplacement de l'arbre de la rue:[ Les modèles aident à éviter le piégeage de la pollution dans les canyons en recommandant des arbres à troncs hauts ou à formes poreuses.
  • Couleurs verts:[ Des bandes continues de végétation facilitent les débits de refroidissement et créent des oasis refroidissantes qui étendent les avantages aux zones environnantes.
  • Les incitations au toit vert:[ Les modèles de microclimats quantifient les économies d'énergie dans les bâtiments, justifiant les subventions.
  • Gestion des forêts urbaines:[ Les scénarios i-Tree montrent quelles espèces d'arbres maximisent l'élimination des polluants par unité de surface de terres plantées.

Défis et limites

Coût informatique

Les simulations de CFD à haute résolution sur des villes entières sont encore invraisemblables. La plupart des études se concentrent sur des domaines de petite taille, limitant l'évolutivité.

Pénurie et incertitude des données

De nombreuses villes ne disposent pas d'inventaires détaillés de la végétation, d'inventaires des émissions et de données météorologiques.Les produits de couverture terrestre et de LAI dérivés des satellites (p. ex. Landsat, MODIS) offrent des approximations mais ont des résolutions spatiales de 30 à 250 m, l'hétérogénéité à l'échelle fine manquante.

Représentation modèle des processus biologiques

Les modèles de végétation simplifient souvent la phénologie, le stress hydrique et les impacts des ravageurs. Une sécheresse ou une épidémie inattendue peut modifier considérablement les avantages attendus.

Conséquences imprévues

Comme on l'a noté, les émissions de COVA peuvent aggraver l'ozone. Le pollen des arbres affecte les personnes allergiques. La végétation des zones humides peut libérer du méthane.

Orientations futures

Apprentissage automatique et modèles hybrides

Les réseaux neuronaux artificiels et les forêts aléatoires peuvent apprendre des relations complexes à partir de grands ensembles de données, réduisant ainsi le coût de calcul. Des modèles hybrides combinant simulation physique et émulation ML sont en train de se former, par exemple en utilisant un substitut d'apprentissage profond d'un modèle CFD pour des essais de scénarios rapides.

Intégration de la télédétection

Les capteurs LiDAR (GEDI, ICESat-2) et hyperspectraux basés sur satellite fournissent maintenant des données de structure de végétation 3D et de santé à l'échelle mondiale. L'assimilation de ces données en modèles améliorera la paramétrisation de l'IAL et de la hauteur du couvert.

Science citoyenne et capteurs à faible coût

Les réseaux de capteurs de PM et de température à faible coût (p. ex. PurpleAir, AirNow) génèrent des données de vérité au sol à une densité sans précédent.

Modèles jumelles participatifs et numériques

Les jumelles numériques urbaines, répliques virtuelles de villes, intégreront les données en temps réel sur la végétation à des modèles de qualité de l'air et de microclimat.

Conclusion

La modélisation de l'influence de la végétation urbaine sur les niveaux de polluants atmosphériques et les microclimats locaux est une discipline puissante et évolutive. Des simulations CFD aux statistiques empiriques, les modèles fournissent des preuves que la végétation stratégiquement placée peut réduire la pollution atmosphérique et atténuer le stress thermique. Cependant, les modèles ne sont que des éléments de base et des hypothèses.