Îlot de chaleur urbain et îlot de fraîcheur urbain : quelques exemples de grandes zones métropolitaines américaines

Roy Spencer (*)

(*) Roy Spencer est chercheur principal à l’Université d’Alabama à Huntsville en 2001, Il a reçu, avec le Dr John Christy, la médaille de la NASA pour réalisations scientifiques exceptionnelles en reconnaissance de leurs travaux de surveillance de la température mondiale par satellite.

Publié le 23 avril 2026 sur le blog de Roy Spencer

Résumé

Roy Spencer présente une méthode utilisant les surfaces imperméables (routes, bâtiments) mesurées par satellite Landsat, plutôt que la densité de population, comme indicateur d’urbanisation pour quantifier l’effet d’îlot de chaleur urbain (UHI). Cette approche s’appuie sur des recherches publiées montrant qu’environ 60% de la tendance au réchauffement américain depuis la fin du 19e siècle dans les zones urbaines et suburbaines pourrait être attribué à l’augmentation de la densité de population.
Un résultat surprenant concerne l’altitude : les grandes villes américaines sont historiquement situées à des altitudes plus basses que les zones rurales environnantes, car elles se sont développées près des cours d’eau pour faciliter le transport. Spencer a donc dû corriger ses calculs pour isoler l’effet réel de l’urbanisation de celui de l’altitude.

Deuxième découverte : dans l’ouest américain, l’arrosage nocturne de la végétation pendant les jours de chaleur extrême atténue l’effet UHI.

Troisième facteur : les brises marines ou lacustres (comme à Los Angeles ou Chicago) contrecarrent le réchauffement urbain, la brise de mer dominant même totalement l’UHI à Los Angeles dans certains cas.

Pour New York, l’effet UHI est bien plus marqué sur les températures minimales (nocturnes) que sur les maximales, avec un effet d’“îlot de fraîcheur urbain” observable en journée.

Pour Los Angeles, un fort effet de refroidissement diurne est observé en zone urbaine, probablement dû à la brise marine estivale persistante. L’étude, basée sur des données GHCN de 1985 à 2025 pour environ 50 grandes agglomérations, sera soumise à la revue Urban Climate.

J’ai consacré ces derniers mois à l’application de notre méthodologie novatrice de quantification de l’effet d’îlot de chaleur urbain (ICU) sur la température de l’air en surface, en utilisant cette fois la fraction de couverture de surfaces imperméables (SI) issue des données Landsat comme indicateur d’urbanisation. Il s’agit d’une adaptation de nos travaux de recherche publiés, qui utilisaient la densité de population (DP) comme indicateur d’urbanisation. Dans cette étude, nous avons démontré qu’environ 60 % du réchauffement observé aux États-Unis depuis la fin du XIXe siècle dans les zones urbaines et périurbaines pouvait être attribué à l’augmentation de la densité de population. Nous avions alors utilisé des données de température GHCN non homogénéisées (brutes) ; on ignore encore dans quelle mesure les procédures d’homogénéisation mises en œuvre par la NOAA, Berkeley BEST et d’autres organismes ont permis d’éliminer cet effet de réchauffement parasite.

Un aspect important de la recherche basée sur la densité de population était que l’effet d’îlot de chaleur urbain sur les tendances au réchauffement climatique aux États-Unis a largement disparu après 1960 environ. Nous avons utilisé la densité de population pour cette étude car il existe des ensembles de données mondiales de densité de population (DP) avec une résolution spatiale d’environ 10 km remontant à plusieurs siècles. Il s’agissait donc d’un choix dicté par la disponibilité des données.

Mais l’indicateur physique le plus direct de l’urbanisation dans le contexte de l’îlot de chaleur urbain est la surface imperméable (principalement les routes, les parkings, les bâtiments, etc.). Il existe désormais des jeux de données Landsat sur la couverture des surfaces imperméables aux États-Unis à haute résolution spatiale (environ 30 m), mais seulement depuis 1985, date à laquelle la qualité des données Landsat était suffisante pour de telles analyses. Cet article présente certains résultats obtenus à partir de ces données. Voici un exemple de données pour la région de New York en 2024 :

Plus précisément, j’analyse les principales aires métropolitaines statistiques (AMS), classées par population totale, afin de quantifier l’impact moyen de l’îlot de chaleur urbain (ICU) estival (juin-juillet-août) sur les températures maximales (Tmax) et minimales (Tmin) quotidiennes. Je calcule ces effets séparément pour les journées de forte chaleur (environ le 97e percentile) et les journées de chaleur modérée, ce qui donne des résultats intéressants. Les analyses reposent sur toutes les données quotidiennes disponibles du GHCN pour les étés de 1985 à 2025, dans un rayon de 40 à 100 km autour du centre approximatif des principales aires métropolitaines.

L’impact de l’altitude, de l’arrosage nocturne et des brises océaniques et lacustres diurnes

Élévation

Ce que j’apprécie particulièrement dans l’analyse de grands ensembles de données, c’est de découvrir des choses surprenantes… même quand cela n’aurait pas dû l’être. Le premier facteur observé était l’altitude. On sait tous que la température diminue avec l’altitude dans la troposphère. C’est pourquoi d’autres études sur les îlots de chaleur urbains ont exigé que les thermomètres urbains soient situés à des altitudes proches de celles des zones rurales. La norme de référence est une différence d’altitude maximale de 10 ou 30 mètres.

Le problème de cette norme est qu’elle restreint considérablement le nombre de stations GHCN disponibles pour l’analyse. Comme l’effet d’îlot de chaleur urbain (ICU) se confond souvent avec les biais propres à chaque station dus à d’autres facteurs, il est nécessaire d’utiliser un maximum de stations pour réduire le bruit et extraire le signal de l’ICU. J’ai utilisé une plage assez large de 100 à 250 m, mais je me suis progressivement rendu compte que cela introduisait un biais dans les résultats.

Pourquoi un biais, plutôt qu’un simple bruit lié à la différence d’altitude ? En parcourant la liste des principales zones métropolitaines américaines, j’ai constaté qu’elles ont presque toutes un point commun : leur altitude moyenne est inférieure à celle des zones rurales environnantes . Historiquement, cela s’explique par le fait que les grandes villes se sont initialement développées à proximité de grands plans d’eau pour faciliter les transports : l’océan, les grands fleuves et les grands lacs, tous situés à une altitude inférieure à celle de leur environnement. Cela signifie qu’une partie de ce que nous percevons comme l’effet d’îlot de chaleur urbain est souvent due aux différences d’altitude. Parfois, il n’y a pas de grand plan d’eau (comme à Las Vegas), mais pour diverses raisons pratiques, les villes sont rarement construites en montagne ; elles se situent plutôt en plaine.

J’ai donc mis en œuvre une procédure de régression multiple afin de dissocier l’influence de l’altitude de celle des surfaces imperméables dans mes calculs. Cela me permet d’utiliser toutes les stations disponibles, quelle que soit leur altitude, ce qui contribue à atténuer le bruit provenant d’autres facteurs, non liés à l’îlot de chaleur urbain, sur les températures de l’air mesurées.

Arrosage nocturne

J’ai également constaté que la plupart des villes de l’ouest américain subissent d’étranges effets d’îlot de chaleur urbain, surtout lors des journées de forte chaleur. La majeure partie de l’ouest américain est caractérisée par une sécheresse estivale persistante. Je suis désormais presque certain que, dans nombre de ces cas, ces résultats curieux sont dus à l’arrosage nocturne de la végétation, qui s’intensifie lors des journées de forte chaleur.

Brises de l’océan et du lac

Plusieurs grandes villes connaissent d’importantes brises marines (par exemple, Los Angeles) ou lacustres (par exemple, Chicago) en journée. Ce phénomène atténue le réchauffement dû à l’îlot de chaleur urbain. Comme nous le verrons, dans le cas de Los Angeles, la brise marine rafraîchissante compense presque totalement le réchauffement lié à l’îlot de chaleur urbain.

Résultats pour certaines grandes zones métropolitaines

Ma méthodologie exploite toutes les paires de stations GHCN disponibles pour chaque jour d’été, de 1985 à 2025. Pour chaque paire, je calcule les différences de température (Tmax et Tmin, séparément), ainsi que les différences de couverture moyenne de surface imperméable (1 × 1 km) centrées sur ces stations (j’ai également analysé les résultats pour des zones de 2 × 2, 5 × 5 et 10 × 10 km). Ce calcul est effectué pour toutes les paires de stations situées entre 40 et 100 km (selon la ville) du centroïde approximatif de l’aire métropolitaine considérée (dans le cas de New York, j’ai choisi Central Park). Je regroupe ensuite ces données de paires de stations en 7 classes de couverture moyenne de surface imperméable (IS) calculée à partir de deux stations, ce qui me permet d’examiner d’éventuelles non-linéarités dans la relation entre l’îlot de chaleur urbain (ICU) et la surface imperméable. Pour chaque classe, je régresse les différences de température sur les différences de surface imperméable afin d’obtenir une valeur moyenne de dT/dIS (pente de régression). Ces 7 pentes sont ensuite intégrées sur l’ensemble de l’IS pour obtenir des courbes d’impact de la température UHI en fonction de l’IS.

L’un des principaux avantages de cette méthode est qu’elle ne nécessite pas de catégoriser les stations comme « rurales » ou « urbaines », contrairement à la plupart des études sur les îlots de chaleur urbains. Comme le montre la figure 1 (ci-dessus), l’urbanisation est un continuum quantifié par la couverture des infrastructures de transport d’électricité, allant de 0 % (zones sauvages) à 100 % (couverture complète par routes, parkings, bâtiments, etc.).

Zone métropolitaine de New York-Newark-Jersey City

L’aire métropolitaine de New York-Newark-Jersey City est la plus peuplée des États-Unis, regroupant 6 % de la population américaine. La figure 2 illustre les effets moyens de l’îlot de chaleur urbain (ICU) sur les températures maximales (Tmax) et minimales (Tmin) dans cette aire métropolitaine, en comparant les journées de forte chaleur à celles de chaleur modérée.

(Il est important de préciser que ces résultats ne doivent pas être interprétés comme représentant nécessairement le centre-ville de New York par rapport aux zones rurales environnantes. Il s’agit des résultats moyens pour toutes les paires de stations disponibles situées dans un rayon de 60 km autour de Central Park, donc pour des stations généralement situées en dehors du centre de New York. Ils donnent plutôt une image moyenne de l’impact de l’urbanisation sur les températures de l’air, en moyenne, dans l’ensemble de la région métropolitaine.)

La première chose que l’on observe sur la figure 2, c’est que les effets de réchauffement de l’îlot de chaleur urbain sont beaucoup plus importants sur Tmin que sur Tmax, ce que beaucoup d’autres ont constaté.

Deuxièmement, nous constatons que les journées de forte chaleur ont un effet de réchauffement dû à l’îlot de chaleur urbain (ICU) légèrement plus marqué dans les zones les plus urbanisées (valeurs d’IS les plus élevées). Cependant, pour la température maximale (Tmax) lors des journées de chaleur modérée, on observe l’effet d’« îlot de fraîcheur urbain », déjà étudié et documenté par d’autres chercheurs. Ce phénomène résulte naturellement de la conduction de la chaleur vers le sous-sol par les surfaces imperméables, contrairement aux surfaces naturelles (et à la végétation), ce qui induit un décalage temporel dans la variation diurne de la température.

Zone métropolitaine de Los Angeles-Long Beach-Anaheim

Il suffit de se rendre dans la deuxième zone métropolitaine la plus peuplée (Los Angeles) pour constater que les variations de température en milieu urbain ne sont pas toujours dues au réchauffement lié à l’urbanisation. Ce phénomène est illustré par la figure 3.

Dans ce cas précis, on observe un important refroidissement diurne de la température maximale (Tmax) en milieu urbain, probablement dû à la brise marine persistante qui souffle dans le bassin de Los Angeles en été. Cet effet se manifeste également, dans une moindre mesure, sur la température minimale (Tmin) lors des journées de forte chaleur. J’ignore si cela est dû à des brises marines plus fortes et plus persistantes ces jours-là, à un arrosage nocturne plus important de la végétation, ou à une combinaison des deux.

À ce stade, vous vous demandez peut-être comment les journées les plus chaudes peuvent afficher des températures urbaines plus fraîches. C’est là qu’intervient ma méthode de classification des « journées de forte chaleur ». Du fait du grand nombre de stations GHCN situées à moins de 40 km du centre-ville de Los Angeles, il arrive que certaines stations dépassent leur seuil de température maximale (97e percentile) tandis que d’autres non. Comment détermine-t-on alors quelles journées sont considérées comme « de forte chaleur » pour l’ensemble de la région métropolitaine ? Pour chaque date des étés de 1985 à 2025, je calcule le nombre de stations dépassant leur seuil (97e percentile). Je calcule ensuite la température moyenne journalière de ces stations. Pour Los Angeles, il s’avère qu’au moins 12 stations doivent dépasser leur seuil de température (97e percentile) pour qu’environ 3 % des dates soient qualifiées de « de forte chaleur », ce qui permet de définir un seuil (97e percentile) pour l’ensemble de la région métropolitaine. J’utilise ensuite ce seuil minimal de 12 stations, appliqué à la température maximale (Tmax), et non à la température minimale (Tmin), pour déterminer quelles dates sont « de forte chaleur ».

Je constate que la plupart des grandes villes de l’ouest américain subissent une réduction du réchauffement dû à l’îlot de chaleur urbain (et, comme à Los Angeles, même un refroidissement) de jour comme de nuit lors des journées de forte chaleur. Dans de nombreux cas, je pense que cela est dû à l’arrosage de la végétation. En effet, pour toutes les villes que j’ai consultées, Grok indique une consommation d’eau plus importante la nuit lors des journées de forte chaleur. Par exemple, voici les résultats pour Portland-Vancouver-Hillsboro, la 24e agglomération la plus peuplée des États-Unis : on remarque que l’effet de réchauffement assez important de l’îlot de chaleur urbain sur les températures maximales et minimales est réduit lors des journées les plus chaudes, surtout la nuit, période où l’arrosage est le plus fréquent.

Pour la courbe inférieure de la Fig. 4 (températures nocturnes de Portland lors de dates excessivement chaudes), on pourrait même imaginer que l’effet de refroidissement maximal dû à un arrosage plus important se situe dans les banlieues (IS inférieur à 20-30 %), puis qu’il passe à un réchauffement dans les zones les plus urbanisées (IS supérieur à 50 %), probablement en raison des différences de couverture de la végétation arrosée.

J’ai déjà analysé une vingtaine des 50 zones métropolitaines les plus peuplées pour lesquelles je souhaite inclure des résultats dans un article que nous préparons pour la revue Urban Climate .