Méthode des fluctuations turbulentes ou Eddy covariance

Transcription

1 Ecole d hiver 2015 Méthode des fluctuations turbulentes ou Eddy covariance Rim Zitouna Chebbi INRGREF

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3 Pourquoi observer les échanges surfaceatmosphère? En plus de l étude de la pollution Evapotranspiration ressources en eau Microclimat dans le couvert végétal conditions de croissance, phénologie gel, stress thermique maladies qualité des productions Météorologie et climatologie condition limite inférieure des modèles Changement climatique effets sur la production agricole effets sur les ressources en eau

4 Objectif Eddy covariance un outil statistique + les mesures de la vitesse du vent et de l humidité ETR à l échelle de la parcelle agricole et plus.

5 Plan Introduction et Objectif 1- Notions de base 2- Méthode d Eddy covariance 3- Fetch et Footprint 4-Calcul des flux Conclusion

6 Où se fait le transfert de l énergie entre la surface et l atmosphère? Couche limite atmosphérique 500 à 2000 m CLA Influencée par la rugosité de la surface 1- Notions de base Milieu turbulent

7 Bilan radiatif de surface : le rayonnement Rg arg net Rn (1- ) Ra + Ts 4 Ra Rn (1 a) Rg ( Ra 4 Ts ) Rn : énergie radiative disponible à la surface 1- Notions de base

8 Bilan d énergie d une surface mince : cas de la parcelle agricole Transfert radiatif Rn bilan radiatif Transfert convectif Rn= H + λe + G H chaleur sensible E = ETR chaleur latente 1- Notions de base G conduction dans le sol Transfert conductif

9 Notion de flux turbulents : les «eddys» Le transport de la chaleur et de l humidité dans CLA est gouverné par la turbulence. 2- Méthode d Eddy covariance Écoulement horizontal de mouvements tourbillons (eddy)

10 Principe de la mesure des flux par covariances turbulentes F c wc 2- Méthode d Eddy covariance

11 Eddy covariance : outil statistique F c F c Reynolds decomposition wc ( w w )( c c') wc wc w c w c w 0 w 0 c 0 m/s w :26,4 01:43,7 02:01,0 02:18,2 02:35,5 02:52, C T s :26,4 01:43,7 02:01,0 02:18,2 02:35,5 02:52,8 F c w c cov( w, c) LE L w'q' H C p w't' 2- Méthode d Eddy covariance Instruments rapides mesurant w et c à la même fréquence.

12 Instruments de mesure Anémomètre sonique à 3D (u, v, w, T) Hygromètre optique (q) 2- Méthode d Eddy covariance

13 Acquisition de données Acquisition de données en continu 2- Méthode d Eddy covariance

14 Hauteur de mesure

15 Fetch Couche limite de surface vent Zone d advection Zone à flux conservatifs Couvert 1 Couvert 2 une zone de flux transitoire existe entre deux couverts adjacents la zone de fetch est la distance à partir de laquelle l influence de l advection ne se fait plus sentir (la zone à flux conservatifs) 3- Fetch et Footprint

16 Footprint (1) m surface source ou surface d influence Zm=6 m, zh=3 m, u * =0.2 m/s, surface=2384 m² Model: Horst and Weil (1994) Zm=6 m, zh=3 m, u * =0.52 m/s, surface=16622 m² m 0 60 m m la direction et la vitesse du vent La stabilité atmosphériques La hauteur de mesure La hauteur du végétal L écart type du vent latéral 3- Fetch et Footprint

17 3- Fetch et Footprint Footprint (2)

18 Vérification a posteriori E footprint Footprint (3) E simulé (mm/h) ME = 0.04 RMSE = 0.07 ME = 0.01 RMSE = 0.04 E dépression E footprint E dépression E cov. turb. (mm/h) Bsaibes (2007) 3- Fetch et Footprint

19 W/m² Calcul des flux horaires Etape 1 Les données brutes mesurées à haute fréquence (u, v, w, T, q) Plusieurs logiciels gratuits sur le web: Ex: EdyRe, EddyPro, EC-pack Corrections instrumentales ou statistiques Mesure de flux sur Verger d agrume Béni Khalled 14/06/ :00 0:00 12:00 0:00 12: Rn H Le G moy Rn bilan flux horaires (H, λe) 4-Calcul des flux

20 Calcul des flux journaliers Etape 2 Les données horaire Contrôle qualité / filtres + Gap filling Les données journalières Gap filling 4-Calcul des flux Long terme

21 ET (mm/j) ET (mm/j) ET (mm/j) ET (mm/j) Variabilité de l ETR à l échelle de la saison de culture ET 0 ETR ETo ETR_BE blé sol nu labour Parcelle A 2004 janv. mars mai juil. sept. nov. avoine sol nu Parcelle B 2005 janv. mars mai juil. sept. nov. fève parcours sol nu Parcelle A 2006 janv. mars mai juil. sept. nov. ETo ETR_BE parcours sol nu Parcelle C Calcul des flux janv. mars mai juil. sept. nov. Estimation de l ETR à l échelle de la saison de culture 21

22 Application: mesures idéales Superficie adéquate : La zone d influence doit être bien définie Terrain plat Homogénéité de la végétation S éloigner des points d eau Parcelles avoisinantes similaires (nature de couvert et apport d eau) Conclusion

23 Fetch Couche limite de surface vent Zone d advection Zone à flux conservatifs Couvert 1 Couvert 2 Conclusion

24 Questions de recherche: Intérêts de l étude de l advection à quelle distance du bord de la parcelle doit-on placer les mesures (fetch, anneau de garde)? consommation en eau de petites parcelles irriguées dans un environnement sec (effet d oasis) dispersion par le vent de substances diverses (germes, polluants ) estimation des flux à l échelle du paysage Conclusion