Introduction, enjeux
Dans le contexte du réchauffement climatique, la chaleur est un danger important qui présente des risques graves pour la santé humaine, les infrastructures critiques (par exemple, la production d’énergie et les réseaux électriques) et l’économie.

Les risques liés à la chaleur sont encore amplifiés dans les villes, où les vagues de chaleur sont plus intenses et durent plus longtemps. Les matériaux de construction et la morphologie tridimensionnelle des bâtiments emmagasinent la chaleur plus efficacement que les surfaces naturelles, et les activités humaines sont responsables d’émissions directes de chaleur. Pour atténuer ce réchauffement urbain, la végétation est de plus en plus intégrée à l’environnement bâti sous forme d’arbres de rue ou d’espaces verts, car elle contribue à réduire l’absorption de chaleur, à fournir de l’ombre et à rafraîchir par évapotranspiration.

Le confort thermique extérieur dépend de multiples processus. Outre la température de l’air, le rayonnement total (rayonnement solaire et thermique) reçu par le corps humain détermine la charge thermique. Le flux d’air (vents) et l’humidité de l’atmosphère déterminent la capacité du corps à réguler sa température. Pour quantifier les variations des risques liés à la chaleur dans les environnements urbains très complexes, il est nécessaire d’analyser les informations détaillées sur les flux de rayonnement, la température de l’air, le vent et l’humidité tant pendant la journée que pendant la nuit, et dans diverses conditions météorologiques.

Si les outils numériques sont fréquemment utilisés pour évaluer les conditions microclimatiques urbaines, les observations réelles du confort thermique local combinées à des données météorologiques générales restent rares. Dans la région parisienne, par exemple, les observations des variables de confort thermique dans les différents environnements bâtis étaient rarement disponibles.

Grâce à une étroite collaboration entre les autorités locales (par exemple, la Ville de Paris, Plaine Commune), Météo-France, l’IPSL et d’autres institutions universitaires, plusieurs initiatives de réseaux de mesure ont été mises en œuvre au fil des ans, de sorte qu’un ensemble de données sans précédent est désormais disponible pour caractériser le stress thermique urbain diurne et nocturne à Paris.

Travaux de recherche scientifiques
L’objectif de ce stage est de caractériser les variations spatiales et temporelles du confort thermique extérieur et des conditions d’îlots de chaleur urbains dans la région parisienne, et de mettre en relation les variations des indicateurs thermiques avec les caractéristiques locales d’aménagement urbain, telles que l’orientation des rues, le facteur de vue du ciel, la végétalisation, les matériaux de surface, etc.

Les travaux exploiteront une combinaison d’observations atmosphériques inédites dans la région parisienne, à la suite de multiples étapes d’analyse.

i.          Une procédure rigoureuse de contrôle qualité doit être mise en place afin de signaler les observations erronées et d’assurer la cohérence des enregistrements provenant de différents systèmes (par exemple, l’alignement temporel).

ii.          Des indicateurs avancés du confort thermique humain (par exemple, la température radiante moyenne, l’indice universel de confort thermique – UTCI) et l’intensité de l’îlot de chaleur urbain seront calculés.

iii.          Les variations spatiales et temporelles de ces indices seront quantifiées et interprétées en relation avec les variations météorologiques sous-jacentes de la température de l’air, du rayonnement, de l’humidité, du vent et de la turbulence.

iv.          Enfin, les résultats seront replacés dans le contexte des caractéristiques locales du site (par exemple, orientation des rues, facteur de vue du ciel, matériaux de construction, fraction verte, etc.) afin de déterminer comment l’aménagement urbain peut influencer le confort thermique extérieur et l’îlot de chaleur urbain.

v.          Des conclusions doivent être tirées afin a) de caractériser les facteurs de stress thermique urbain et b) de formuler des recommandations sur la manière de réduire les risques liés à la chaleur au niveau local.

Ce stage permettra de se familiariser avec certains enjeux auxquels les villes devront faire face dans le futur proche, les choix d’urbanisme et les aménagements, ainsi que la problématique des îlots de chaleur urbains et de la variabilité de la chaleur en ville. Ce stage permettra de développer des compétences sur un large ensemble de variables environnementales, sur les capteurs utilisés pour les mesurer, et sur la programmation sous python pour analyser les données et réalisées de représentations graphiques des résultats.

Cadre de travail
Le stage aura lieu au sein de l’équipe SIRTA (https://sirta.ipsl.fr ) du Laboratoire de Météorologie Dynamique (Institut Pierre Simon Laplace https://www.ipsl.fr ), dont les bureaux sont situés à l’Ecole polytechnique (Palaiseau). L’équipe est constituée d’une vingtaine de personnes sympathiques et dynamiques, chercheurs et ingénieurs, post-doctorants et doctorants. L’équipe est spécialisée dans les sujets de la météorologie urbaine, les processus atmosphériques (dynamique, rayonnement, nuages), et l’énergie solaire photovoltaïque, s’appuyant essentiellement sur des moyens d’observation, avec une forte compétence dans le traitement et l’analyse de données scientifiques.

Ce stage sera également l’occasion pour échanger avec d’autres chercheurs travaillant sur des sujets connexes dans le cadre du projet interdisciplinaire inteGREEN (financé par le PEPR Ville Durable et Bâtiments Innovants) et avec des parties prenantes tels que les services des collectivités territoriales (comme Ville de Paris et Plaine Commune).

Pré-requis : inscription dans un programme Master en sciences physique ou chimique, sciences du climat, sciences atmosphériques, ou équivalent.