L'avenir à court terme de la Terre est celui d'une planète qui se réchauffe, l'expansion urbaine et les émissions de gaz à effet de serre alimentent les effets du changement climatique. Les projections climatiques actuelles montrent que dans les villes américaines, les températures devraient augmenter de 2 à 7 °C (3,6 à 12,6 °F) d'ici 2099.

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

Par exemple, une nouvelle modélisation révèle la dynamique du changement climatique et de l'étalement urbain à un niveau plus détaillé, conduisant à une nouvelle compréhension de ce qui pourrait être en réserve à mesure que les villes se développent et que les régions se réchauffent. Cette information pourrait être essentielle pour déterminer ce qui pourrait ou non fonctionner alors que nous essayons de nous adapter à la chaleur à venir.

Maintenant, des chercheurs dirigés par l'Arizona State University ont terminé certaines des modélisations les plus sophistiquées des effets du changement climatique et des centres urbains aux États-Unis, et constatent que certaines des solutions proposées aujourd'hui ne fourniront qu'une fraction de soulagement de la chaleur projetée.

Les chercheurs ont examiné l'interaction quotidienne entre l'expansion urbaine, changement climatique et adaptation aux États-Unis au cours du 21e siècle. Leur analyse a révélé une interaction non linéaire entre l'expansion urbaine et les émissions de gaz à effet de serre et l'a fait sur une vaste étendue de terre - la zone continentale des États-Unis - en accordant une attention particulière aux zones mégapolitaines en croissance. Ensuite, ils ont examiné un éventail de stratégies d'atténuation de la chaleur qui comprenaient des arbres au niveau de la rue et des solutions techniques qui s'attaquent au phénomène de la chaleur urbaine.

"Des études antérieures ont montré que les stratégies conventionnelles pour réduire le réchauffement fonctionnent principalement en abaissant les températures diurnes plutôt que nocturnes, " dit Matei Georgescu, professeur agrégé à l'École des sciences géographiques et de l'urbanisme de l'ASU. "Toutefois, les villes ont tendance à avoir leurs plus grands impacts sur l'environnement thermique régional pendant les heures du soir et de 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 également simulé les impacts associés aux matériaux d'ingénierie sur la température proche de la surface, " a-t-il ajouté. " Nous avons constaté un atténuation modérée des températures pendant les heures nocturnes en utilisant des matériaux à faible admission thermique. "

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans « Interaction diurne entre l'expansion urbaine, changement climatique et adaptation dans les villes américaines du 21e siècle" dans la première édition en ligne de Nature Changement Climatique . Les co-auteurs avec Georgescu sont E. Scott Krayenhoff, Université de Guelph, AU, Canada, un ancien post-doctorant travaillant avec Georgescu à l'ASU, et Mohamed Moustaoui, Ashley Broadbent et Vishesh Gupta, tous affiliés au Centre de recherche sur le climat urbain de l'ASU.

Un focus sur les États-Unis

La nouvelle recherche jette un regard analytique sur les États-Unis continentaux et le fait à un niveau de sophistication plus élevé que les études précédentes. Par exemple, des études antérieures supposaient que les effets de l'urbanisation et des gaz à effet de serre pouvaient être déterminés en additionnant simplement les effets des deux. La nouvelle approche permet aux chercheurs de caractériser dans quelle mesure ces deux facteurs du changement climatique régional interagissent de manière non linéaire.

« L'effet du développement urbain et des émissions de gaz à effet de serre est inférieur à la simple somme des composantes individuelles, " a déclaré Georgescu. "Ceci n'est évident que pendant les heures de nuit. L'ampleur de la non-linéarité réduit le réchauffement total jusqu'à 1 C (1,8 F) localement. » Mais, il met en garde, " nous devons nous rappeler que c'est considérablement moins que le réchauffement total lui-même (de 4 à 8 C, 7,2 à 14,4 F) selon le scénario GES simulé."

En outre, L'équipe de Georgescu a approfondi les données. Des travaux antérieurs utilisaient la température moyenne sur 24 heures de chaque jour comme point de données. Dans cette recherche, l'équipe a produit beaucoup plus de données (environ 100 téraoctets) via des simulations informatiques réalisées sur les clusters de superinformatique haute performance disponibles à l'ASU et a examiné les impacts sur une période de 24 heures, ou échelle "diurne", à des intervalles de trois heures.

« La mise à disposition de ces données à la communauté des chercheurs permettra des recherches connexes telles que les évaluations biométéorologiques des chercheurs en santé et les évaluations énergétiques de la communauté des sciences du bâtiment, " a déclaré Scott Krayenhoff, auteur principal de l'étude.

Ce qui est révélé dans la modélisation, c'est un continent qui se réchauffe, en particulier dans les centres urbains régionaux des États-Unis.

"Le réchauffement urbain estival résultant d'une combinaison dynamiquement interactive d'expansion urbaine et de changement climatique est de 1 à 6 C (1,8 à 10,8 F) l'après-midi et de 3 à 8 C (5,4 à 14,4 F) la nuit d'ici la fin du siècle, " a déclaré Mohamed Moustaoui, membre de l'équipe.

Globalement, les simulations prévoyaient que le réchauffement urbain de l'après-midi serait plus prononcé dans l'est des États-Unis et que le réchauffement nocturne serait le plus fort dans les Appalaches, Régions des Grands Lacs et de la vallée centrale de Californie, en grande partie en raison de l'expansion urbaine dans ces régions.

Les chercheurs ont ensuite simulé les performances de diverses technologies d'atténuation de la chaleur compte tenu des températures régionales plus élevées prévues. Ces technologies comprennent les toits frais, toits verts et arbres de rue, qui peuvent tous être utilisés pour atténuer les températures extérieures proches de la surface d'une zone.

S'adapter à la chaleur

"En utilisant des simulations dynamiquement interactives, nous avons examiné plusieurs stratégies d'adaptation dans le but de compenser la chaleur urbaine projetée au 21e siècle, " a expliqué Krayenhoff. " Nous avons combiné la mise en œuvre à haute intensité de toits frais, les toits verts et les arbres de rue (c'est-à-dire un scénario d'adaptation complet) et a constaté que cela conduit à 1,3 à 2,0 C (2,3 à 3,6 F) de refroidissement moyen l'après-midi en été selon la région, mais à moins de 1 C (1,8 F) de refroidissement nocturne. Le refroidissement local de l'après-midi dans de nombreuses régions métropolitaines américaines projetées était un peu plus élevé, notamment en Californie, Le Texas et 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 combiné, la mise en œuvre à haute intensité de toutes les stratégies d'adaptation n'a pas réussi à compenser le réchauffement climatique dans le cadre du scénario climatique RCP 8.5 (ou business as usual), laissant un réchauffement urbain moyen du continent américain de 1 à 4 C (1,8 à 7,2 F) pendant la journée et de 3 à 6 C (5,4 à 10,8 F) la nuit, et les fortes augmentations prévues des jours de chaleur extrême dans les villes du pays, ", a expliqué Krayenhoff.

"Même avec des réductions substantielles de gaz à effet de serre, C'est, dans le scénario d'émissions RCP 4.5, le réchauffement nocturne est resté non négligeable après la pleine application des mesures d'adaptation, " a-t-il ajouté. " Cela signifie que nous pouvons construire des bâtiments " cool " et planter des arbres dans nos rues et que les villes américaines deviendront probablement beaucoup plus chaudes sans réduction simultanée et substantielle des émissions de gaz à effet de serre. "