Qualification of microclimate models and simulation tools: An academic benchmark
Qualification des modèles de microclimat et des outils de simulation : une intercomparaison académique
Résumé
In recent decades, numerous urban microclimate models have been developed to address various applications, such as diagnosing urban overheating and evaluating heat mitigation strategies using green or grey solutions. These models account for complex physical interactions; however, their qualification and validation remain significant challenges due to their complexity and the lack of a standardized framework and comprehensive reference datasets. This paper presents the first step of a comprehensive qualification and validation methodology through the definition of an academic benchmark and its application to four urban microclimate models. The proposed methodology follows an incremental phenomenological approach, systematically analysing heat transfer processes within an idealized street canyon with well-defined conditions across four cases: shortwave radiation, longwave radiation, aeraulics, and their coupling with heat conduction and storage in walls and ground. The benchmark aims to analyse the behaviour of different microclimate models, quantify deviations between simulation results, and identify their underlying sources within the physical models. This is achieved through the intercomparison of simulation results, incorporating reference data with a known standard deviation where available. The results show good agreement between models for solar radiation, infrared radiation, and heat conduction but reveal significant deviations in surface convection, stressing the need for further research into convection modelling and its influence on coupled processes. Additionally, the results confirm the suitability of the proposed methodology in identifying the sources of deviations between models. This benchmark provides a robust framework for model qualification and is expected to be widely adopted in future studies.
Au cours des dernières décennies, plusieurs modèles de microclimat urbain ont été développés et utilisés pour diverses applications. Ces modèles permettent de diagnostiquer les surchauffes urbaines ou d'évaluer différentes stratégies d'atténuation de la chaleur, basées par exemple sur des solutions vertes ou grises, en tenant compte de toutes les interactions physiques. Cependant, leur validation reste un défi pour la recherche, en raison de leur complexité et de l'absence d'un cadre de qualification commun. Cet article propose et met en œuvre la première étape d'une méthodologie de qualification commune progressive par le biais d'un benchmark sur une étude de cas académique idéale, correspondant à un canyon de rue. La méthodologie proposée vise à analyser d'abord, de manière aussi indépendante que possible, les différents phénomènes physiques simulés, tels que le rayonnement solaire, le rayonnement infrarouge, l'aéraulique et la conduction thermique, puis leur couplage. Cette méthodologie a été appliquée à quatre modèles de microclimat urbain : MATHIS, SOLENE-Microclimat, SOLENE-SUSHI et TRABOULE-ProLB, mettant en évidence leurs capacités respectives, leurs similitudes et leurs différences. Dans l'ensemble, les résultats montrent une bonne correspondance pour le rayonnement solaire, le rayonnement infrarouge et la conduction thermique, mais des écarts significatifs pour la convection à la surface. Ces résultats soulignent l'importance de poursuivre les travaux de recherche sur la modélisation de la convection. Ils montrent également la pertinence de la méthodologie développée afin d'évaluer l'origine des divergences entre les modèles. Par conséquent, cette méthodologie devrait être appliquée plus largement à l'avenir.
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