Chaleur urbaine et température globale

par Prof. Dr. Jean N.


Le présent article vise à présenter une analyse remarquable, publiée en 2015 par l’équipe de Willie Soon (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), qui démontre que l’effet de chaleur urbain a grandement influencé les enregistrements de température terrestre depuis le début de l’ère industrielle. Cette étude, qui mériterait d’être plus largement diffusée, a été publiée dans la revue Earth-Science Reviews. Ce travail ne fait que renforcer la présomption d’innocence du CO2 dans la lente augmentation de la température globale

1. Une urbanisation galopante

Un récent rapport des Nations Unies (World Urbanization Prospects 2018) nous indique qu’environ 55% de la population mondiale vit actuellement dans des villes (soit ± 4,3 milliards de personnes). On recense environ un million de villes dans le monde, parmi lesquelles 4 231 qui comptent plus de 100 000 habitants (voir ici). Mais en 1950, le chiffre était beaucoup plus bas avec seulement 30% de la population qui était urbaine (soit 750 millions de personnes sur 2,5 milliards). La courbe impressionnante de l’urbanisation est illustrée à la Figure 1.
Par contre, en 2050, on prévoit que la proportion urbaine passera à 68% (Figure 1).

Figure 1. Évolution de la population urbaine (brun) et rurale (vert) depuis 1950. L’axe Y est gradué en milliards d’individus. Source : World Urbanization Prospects 2018.

Cette urbanisation galopante, qui est le résultat de l’explosion démographique, conduit bien évidemment au remplacement progressif de l’environnement naturel par des agglomérations de plus en plus nombreuses et de plus en plus étendues(Figure 2). Or, chacun devrait savoir que les surfaces artificielles des villes comme le béton, la brique et l’asphalte possèdent des propriétés radiatives et thermiques complètement différentes par rapport aux surfaces naturelles. Il a ainsi été montré que l’urbanisation est capable de modifier rapidement les conditions climatiques régionales (e.g., Haashemi et al. 2016). En effet, les villes densément bâties comportent une atmosphère chaude et stagnante pendant la journée et une atmosphère qui se refroidit lentement pendant la nuit (e.g., Sultana & Satyanarayana 2019). Chacun peut constater cela en allant se promener dans les campagnes. Ceci est appelé le phénomène d’îlot de chaleur urbain (Urban Heat Island, UHI) (e.g., Roth 2013).

Figure 2. Les villes ont évolué naturellement dans de nombreuses cultures différentes et sont maintenant l’habitat prédominant de l’espèce humaine (Photo: Kayte Dolmatch / www.kaytedolmatchphotography.com).

Étant donné l’augmentation progressive de l’urbanisation au niveau mondial depuis 1950, accompagnée de son effet de chaleur urbain, ne se pourrait-il pas que la température moyenne globale de la basse troposphère ait été influencée par ce phénomène? Si oui, en quelle proportion? Nous allons tenter de répondre à cette question en présentant une étude remarquable publiée en 2015 (Soon et al. 2015) et basée sur des données historiques de température fournies par le GHCN. Mais présentons d’abord cette base de données.

2. Présentation de la base de données GHCN

Le réseau mondial de climatologie historique (Global Historical Climatology Network ou GHCN) est une base de données américaine qui comporte des enregistrements de température, de précipitations et de pression et qui est gérée par le NCDC américain (National Climatic Data Center, Asheville, North Carolina), l’Université de l’Etat d’Arizona, et le CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Center). Les données sont collectées à partir de nombreuses stations fixes fonctionnant en permanence à la surface de la Terre. Le réseau comporte environ 6000 stations mesurant la température, 7500 stations pour les précipitations et 2000 stations relevant la pression atmosphérique. Le GHCN est souvent utilisé pour inférer les températures mondiales passées, et a été utilisé dans les reconstitutions les plus connues, celle préparée par le NCDC, et celle préparée par l’institut GISS de la NASA. En moyenne, les séries de température des stations GHCN s’étendent sur 60 ans. Cependant le GHCN comporte environ 1650 enregistrements de plus de 100 ans, dont 220 de plus de 150 ans. Les plus anciens relevés du GHCN datent de 1697.

3. L’étude de Soon et al. 2015 basée sur les données GHCN

Le but de l’étude de Soon et al. 2015 consiste simplement à répartir les enregistrements de température du GHCN en deux groupes : (1) les enregistrements issus de stations localisées loin des villes (à la campagne), afin d’éviter l’effet de chaleur urbain; et (2) les enregistrements issus de stations proches ou à l’intérieur de grandes villes, et logiquement impactées par l’effet de chaleur urbain.

Pour chaque station, le GHCN fournit habituellement deux estimations différentes de l’urbanisationLa première est une estimation approximative de la population proche de la station de mesure, avec les villes voisines à proximité, à condition que la population estimée soit supérieure à 10 000 habitants. Sur cette base, chaque station est alors qualifiée de « rurale » (population < 10 000), « intermédiaire » (10 000 ≤ population < 50 000) ou « urbaine » (population ≥ 50 000). La deuxième estimation est basée sur la quantité de lumière détectée pendant la nuit par satellite à l’endroit de la station de mesure. Comme pour la première estimation, les stations sont ensuite catégorisées comme rurales, intermédiaires ou urbaines.

Ces deux métriques différentes d’urbanisation sont relativement grossières, et une station identifiée comme « urbaine » par l’une des métriques est parfois considérée comme  «rurale» par l’autre, ou vice versaCependant, comme les deux métriques sont complètement indépendantes, si une station est considérée comme « urbaine » par les deux métriques en même temps, il y a de fortes probabilités que la station soit réellement urbanisée. De même, si une station est considérée comme « rurale » par les deux paramètres, il est peu probable qu’elle soit fortement affectée par l’urbanisation. Par conséquent, dans l’analyse de Soon et al. 2015, les deux métriques d’urbanisation ont été combinées afin de garantir le résultat du tri des stations (i.e., groupe rural ou urbanisé).

Voyons maintenant les résultats obtenus par Soon et al. 2015. Les auteurs ont analysé 4 grandes régions de l’hémisphère Nord : la Chine, les États-Unis, l’Irlande et la zone Arctique (i.e., au nord du cercle polaire arctique à 66°33’N). Pour chaque région, les données brutes fournies par le GHCN ont été utilisées, c’est-à-dire les données non traitées (non « homogénéisées »).

3.1. Résultats pour la Chine

Les résultats obtenus par Soon et al. 2015 pour la Chine sont présentés à la Figure 3. Si l’on se focalise sur les stations rurales (126 stations chinoises retenues) on peut remarquer qu’entre 1950 et 1990 la température moyenne de l’atmosphère n’a presque pas augmenté (Fig. 3a). En effet, la droite de régression tracée parmi les données présente une pente proche de zéro (+0,025°C/décennie). Par contre, lorsque l’on considère uniquement les stations urbaines (106 stations retenues, Fig. 3c), on constate une nette augmentation de la température au cours du temps avec une pente de +0,119°C/décennie (soit presque 5 fois plus). Lorsque toutes les stations sont considérées ensemble (rurales, intermédiaires et urbaines) on obtient une pente de +0,109°C/décennie (Fig. 3d). Clairement, pour la Chine, le réchauffement climatique global peut être expliqué par un simple effet de l’urbanisation… Inutile d’invoquer le taux de CO2!



Figure 3. Étude du biais d’urbanisation pour la Chine pendant la période de couverture maximale des stations chinoises (1951–1990) (Soon et al. 2015).
 

3.2. Résultats pour les autres régions

Les auteurs ont ensuite analysé les données disponibles pour la Chine sur une plus longue période (de 1840 à nos jours), mais également les données pour les États-Unis, l’Irlande et la zone Arctique. Les évolutions des températures rurales pour ces 4 régions sont présentées à la Figure 4.

Les auteurs ont ensuite combiné les 4 courbes de températures obtenues pour les 4 régions investiguées de l’hémisphère nord. Le composite de température obtenu et présenté à la Figure 4e (« North Hemisphere Composite », NHC) montre clairement deux périodes de réchauffement : de 1880 à 1940, puis de 1970 à nos jours. Il montre également une période de refroidissement entre 1940 et 1970. Notons que les deux pics de température ne diffèrent tout au plus que de 0.3°C : environ +0.6°C en 1945 et environ +0.9°C de nos jours (Figure 4e).

Figure 4. Évolution des températures (anomalies en fonction du temps) pour les régions rurales en Chine (a), aux États-Unis (b), en Irlande (c) et pour les régions arctiques (d). Un composite de température (« North Hemisphere Composite », NHC) a également été calculé en combinant les 4 régions (e). Ce composite a été calculé en donnant des poids différents (« weight », voir graphiques) aux 4 séries pour tenir compte du phénomène d’amplification polaire (Soon et al. 2015).

Ensuite, les auteurs ont comparé leur composite de températures (NHC), calculé avec les stations rurales, avec la courbe obtenue lorsque l’on considère toutes les stations du réseau GHCN (rurales et urbaines). Le résultat est présenté à la Figure 5 et montre clairement que si l’on n’élimine pas les stations météo considérées comme urbaines on sous-estime ou surestime la température (tout dépend de la période de référence considérée pour calculer les anomalies de température : 1961–1990 pour la Figure 5a, et 1881–1910 pour la Figure 5b). Remarquons que lorsque l’on considère les données du réseau GHCN (courbes rouges sur la Figure 5) il n’y a quasi aucun réchauffement entre 1940 et 1980.

Figure 5. Composite NHC (stations rurales pour l’hémisphère nord) comparé à toutes les stations du réseau GHCN (Soon et al. 2015).
 

Afin de voir si le composite NHC de températures était conforme à la réalité, les auteurs l’ont ensuite comparé à d’autres données, comme la température de surface de l’eau de mer (Figure 6). Nous pouvons voir que le composite de températures NHC suit bien l’évolution des températures de l’eau de mer de surface (Figure 6). Les enregistrements de température de surface de l’eau de mer ont également enregistré un refroidissement entre 1940 et 1970.

Figure 6. Composite NHC (stations rurales pour l’hémisphère nord), en noir, comparé à la température de surface de l’eau de mer (en bleu) pour l’hémisphère nord (estimations provenant des données ERSST et HadSST). a, données brutes non mises à l’échelle; b, données mises à l’échelle pour que les deux séries présentent la même variance.
 

Mais le plus étonnant est la comparaison du composite de température NHC avec l’irradiance solaire totale (TSI). La courbe de températures suit presque parfaitement l’évolution de l’irradiance solaire en fonction du temps (Figure 7) !

Figure 7. La courbe rouge en pointillés retrace l’évolution de l’irradiance solaire (TSI, en W/m2) entre 1800 et aujourd’hui. La courbe bleue est le composite NHC calculé avec les stations météorologiques rurales de l’hémisphère nord.
 

La Figure 7 suggère que les tendances de la température de l’air à la surface de l’hémisphère nord ont été fortement influencées par les changements de l’irradiance solaire totale depuis au moins 1881. Ce résultat contredit directement les conclusions des derniers rapports du GIEC (Bindoff et al., 2013)dans lesquels il est suggéré que les tendances de la température de l’air à la surface ont été dominées par les changements des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre depuis au moins 1950. Nous pouvons d’ailleurs le voir sur la Figure 8, ou le composite NHC de températures (noir) est comparé aux modèles CMIP5 du GIEC, avec ou sans forçage radiatif causé par les gaz dits à effet de serre.

Figure 8. Comparaison entre composite NHC (noir) et la moyenne des modèles CMIP5 du rapport du GIEC en 2013 (rouge) (Fig. 10.1 du rapport IPCC WG1 5th Assessment Report; Bindoff et al., 2013). a, modèles CMIP5 au complet; b, modèles CMIP5 ne comportant que les forçages naturels; c, modèles CMIP5 ne comportant que le forçage radiatif des gaz à effet de serre.
 

Conclusions

• L’urbanisation est galopante et 55% de la population mondiale vit actuellement dans des villes (soit ± 4,3 milliards de personnes). Ceci a provoqué depuis la révolution industrielle une variation drastique de la proportion du sol recouverte par du béton et de l’asphalte, avec pour conséquence une variation drastique des propriétés radiatives d’une grande surface de la Terre. L’effet de chaleur urbain est bel et bien présent dans toutes les villes, a été quantifié par de nombreuses études et ne peut être nié. Tout le monde peut le constater en allant se promener à la campagne.

• L’analyse réalisée par Soon et ses collaborateurs démontre que les courbes retraçant l’évolution des températures depuis 1880 (réseau GHCN) sont fortement biaisées par l’effet de chaleur urbain. Ceci a été démontré en se focalisant sur les stations météorologiques rurales, localisées loin des villes. Il semblerait qu’une grande partie du réchauffement global, qui ne peut être nié, soit donc causé par d’autres facteurs que le taux de CO2 atmosphérique. L’effet de chaleur urbain jouerait un rôle plus important qu’on ne le pense, mais il faut bien entendu aussi tenir compte des variations de l’irradiance solaire totale (TSI), comme le montrent les auteurs, et il faut aussi tenir compte des courants marins.

• Les auteurs proposent une nouvelle courbe des températures de l’hémisphère nord beaucoup moins biaisée par l’effet de chaleur urbain (NHC, pour composite de l’hémisphère nord). Cette nouvelle courbe des températures montre une très bonne corrélation avec l’évolution de certains paramètres naturels comme la température de surface de l’eau de mer et l’irradiance solaire totale. La nouvelle courbe des températures présente par contre une faible corrélation avec les modèles CMIP5 établis par le GIEC dans son 5ème rapport (IPCC WG1 5th Assessment Report; Bindoff et al., 2013). On peut une fois de plus douter de la pertinence de ces modèles qui orientent nombre de décisions à l’échelle planétaire tout en propageant une urgence climatique.

Ajout du 13 mars 2021 : Deux nouvelles études font référence au déclin naturel de la réflectivité des nuages et des aérosols et à l’augmentation conséquente du rayonnement solaire entrant ou de la durée d’insolation comme explication des tendances au réchauffement en Europe. Le CO2 n’est même pas mentionné comme facteur de changement climatique. Lire ici.

Ajout du 16 mars 2021 : A lire également cet article de Roy W. Spencer sur le site de l’Association des des Climato-réalistes.

Références

Bindoff, N.L., Stott, P.A., et al., 2013. Detection and attribution of climate change: from global to regional. In: Stocker, T.F., Qin, D., et al. (Eds.), Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assessment Re- port of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press,

Cambridge, UK and New York, USA.

Haashemi, S., Weng, Q., Darvishi, A., & Alavipanah, S. K. (2016). Seasonal variations of the surface urban heat island in a semi- arid city. MDPI – Remote Sensing, 8(4), 352.

Roth, M. (2013). Urban heat islands. Chapter 11. In H. J. Fernando (Ed.), Handbook of environmental fluid dynamics (Vol. 2, pp. 143–159). Boca Raton: CRC, Taylor & Francis Group ISBN: 978-1-4665-5601-0.

Soon W, Connolly R, Connolly M (2015) Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century. Earth-Science Reviews 150:409–452.

Sultana S, Satyanarayana ANV (2019) Impact of urbanisation on urban heat island intensity during summer and winter over Indian metropolitan cities. Environ Monit Assess (2019) 191(Suppl 3):789.

World Urbanization Prospects (2018) United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division. World Urbanization Prospects 2018: Highlights (ST/ESA/SER.A/421).

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