Mesures des flux convectifs

La m´ethode des covariances turbulentes est consid´er´ee comme la m´ethode de me-sure de r´ef´erence des flux ´echang´es avec l’atmosph`ere car elle permet une estimation directe des densit´es de flux, sans hypoth`ese sur la forme des profils et sur les diffusivit´es turbulentes. Nous allons donner une description des principes g´en´eraux, une description d´etaill´ee pouvant ˆetre retrouv´ee dansBrunet et al.(1995) et dansDijk et al. (2004).

Le ph´enom`ene de turbulence atmosph´erique assure les ´echanges de mati`ere et d’´energie entre la surface et l’atmosph`ere. Des grandeurs vectorielles (vitesse du vent) et scalaires (temp´erature, concentrations en gaz) composantes de la turbulence atmosph´erique, fluc-tuent en permanence, ce qui peut ˆetre montr´e par des mesures `a une fr´equence ´elev´ee. La d´ecomposition de Reynolds est utilis´ee pour analyser ces variables et comprendre comment elles peuvent engendrer un flux. Elle se base sur la d´ecomposition des valeurs instantan´ees en une valeur moyenne et une fluctuation par rapport `a cette moyenne. Par exemple, pour la vitesse verticale du ventwet une variable scalairec(temp´erature, humidit´e, [CO2])

w=w+w⁰ (2.16)

c=c+c⁰ (2.17)

o`u w<sup>0</sup> et c<sup>0</sup> sont les fluctuations instantan´ees des grandeursw etc autour de leurs moyennes respectives wet c. En faisant l’hypoth`ese d’une couche limite homog`ene, la densit´e de flux moyenne F_c s’´ecrit sous la forme :

F_c=w0c0 (2.18)

Le flux vertical s’exprime alors comme la covariance entre les fluctuations de la vitesse du vent et celles de la grandeur scalaire consid´er´ee (Brunet et al., 1995). Elle s’applique `a toute variable. Ainsi, pour :

– la quantit´e de mouvement (en kg.m⁻¹.s⁻²)

2.3 D´emarche de validation

o`u τ est appel´ee contrainte de cisaillement et ρ est la densit´e de l’air. La vitesse de frottement u∗ est d´efinie par :

u∗=

r

τ

ρ ^(2.20)

– la chaleur sensible (en W.m⁻²)

H =ρC_pw0T (2.21)

o`u T est la temp´erature (K) et Cp la chaleur sp´ecifique de l’air `a pression constante (J.m⁻³.K⁻¹)

– la chaleur latente (en W.m⁻²)

LE =Lρw0q0 (2.22)

o`uqest l’humidit´e sp´ecifique de l’air (kg.kg⁻1) etLla chaleur latente de vaporisa-tion de l’eau (J.kg⁻¹), etEle flux de vapeur d’eau (kg.m⁻².s⁻¹) ou ´evapotranspiration (ETR)

Son inconv´enient est qu’elle n´ecessite des instruments relativement coˆuteux et de manipulation par du personnel qualifi´e et qu’elle g´en`ere un volume de donn´ees tr`es important, li´e `a la haute fr´equence de mesure. Pour obtenir des mesure de qualit´e, deux conditions doivent ˆetre satisfaite :

– la fr´equence d’´echantillonnage : doit ˆetre suffisamment ´elev´ee pour capturer les composantes `a haute fr´equence. Le crit`ere habituellement propos´e est :

f ≈10 ^u

zm ^(2.23)

o`ufest la fr´equence d’´echantillonnage (Hz),ula moyenne de la vitesse horizontale du vent (m.s¹) et z_m est la hauteur de mesure (m) (Brunet et al.,1995).

– le temps d’int´egration du signal, temps sur lequel sont calcul´ees les covariances, doit ˆetre suffisamment grand pour prendre en compte les composantes `a basse fr´equence. Le crit`ere habituellement propos´e est :

t≈1000^z

u ^(2.24)

2. CADRE EXP ´ERIMENTAL DE L’ ´ETUDE

Fig. 2.11: Station de flux par covariances turbulentes sur le site 7

Deux sites ont fait l’objet de ce type de suivi, la d´epression de Roujan (site 6) et le site 7.

La station de mesure du site 6 comporte un mˆat de 6.2 m de hauteur install´e au centre de la d´epression, l´eg`erement d´ecal´e vers le Sud-Est pour mieux tenir compte des vents dominants du Nord-Ouest. Au sommet du mˆat les appareils suivants sont install´ees :

– un an´emom`etre sonique 3D (Young 8100), capable de mesurer les composantes du vent dans ses trois directions x, y, z ainsi que la temp´erature de l’air.

– un hygrom`etre (Licor LI7500) pour la mesure des concentrations de vapeur d’eau et de CO₂

La fr´equence d’acquisition des donn´ees est de 10 Hz, l’´etalonnage du constructeur a ´et´e consid´er´e. Cette station faisant partie de l’observatoire ORE OMERE (Voltz and Albergel, 2002), elle enregistre en continu depuis septembre 2005 ce qui nous a permis d’avoir un jeu de donn´ee pratiquement continu durant toute la dur´ee de l’exp´erimentation (juillet 2007 `a octobre 2008).

2.3 D´emarche de validation

Installation Date d´ebut (YYYY-MM-DD) Date fin (YYYY-MM-DD)

1 2007-07-07 2007-07-16 2 2007-07-27 2007-07-30 3 2007-08-13 2007-08-16 4 2007-09-14 2007-09-17 5 2008-04-24 2008-04-28 6 2008-06-12 2008-06-16 7 2008-06-27 2008-07-01 8 2008-07-14 2008-07-17 9 2008-08-08 2008-08-11 10 2008-08-25 2008-08-27 11 2008-09-01 2008-09-03

Tab. 2.5: R´esum´e des dates d’installation de la station situ´ee au site 7.

la saison 2007-2008 de pr´ef´erence autour des passages ASTER. la hauteur d’installation des appareils a ´et´e variable en fonction de la p´eriode, entre 2.4 et 3.1 m.

– un an´emom`etre sonique 3D (Young 8100), capable de mesurer les composantes du vent dans ses trois directions x, y, z ainsi que la temp´erature de l’air.

– un hygrom`etre (KH2O) pour la mesure de la concentration de vapeur d’eau. La fr´equence d’acquisition des donn´ees est de 20 Hz, l’´etalonnage, correspond aux donn´ees constructeur. Les p´eriodes pr´esent´ees dans le tableau2.5ont ´et´e enregistr´ees. Ces dates correspondaient `a la programmation du satellite ASTER, cependant celle-ci a ´et´e d´ecal´ee sans pr´eavis pendant l’ann´ee 2008 ce qui a malheureusement conditionn´e une partie de notre ´etude en limitant nos points de validation sur une p´eriode non-n´egligeable de l’exp´erimentation. La station de mesure des flux n’´etait en place sur le site 7 que pour 4 des 12 dates d’acquisition ASTER. Le traitement des donn´ees permettant d’obtenir des flux a ´et´e effectu´e avec la biblioth`eque ECPACK (Dijk et al.,

2004), d´evelopp´e aux Pays Bas par le ”Joint Eddy covariance Project” qui regroupe le Royal Netherlands Meteorological Institute, les universit´es de Wageningen et de Utrecht. L’ensemble des calculs ont ´et´e r´ealis´es par L. Pr´evot.

Le calculs ont ´et´e r´ealis´es `a 2 pas de temps pour chaque site : Pour le site 6 ils ont ´

2. CADRE EXP ´ERIMENTAL DE L’ ´ETUDE

15 min et `a 30 min, ces diff´erences ´etant li´ees `a la hauteur de mesure. Dans les deux cas les corrections suivantes ont ´et´e r´ealis´ees :

– prise en compte de la distance entre l’an´emom`etre sonique et l’hygrom`etre (0.15 m) – prise en compte des composantes basse fr´equence (”linear detrend”)

– prise en compte de l’effet de l’humidit´e sur la temp´erature mesur´ee par l’an´emom`etre sonique

– rotation du syst`eme de coordonn´ees de fa¸con `a annuler les valeurs moyennes des composantes radiale (v) et verticale (w) de la vitesse du vent, ainsi que la covariance<w’,v’>

– correction de la vitesse verticale moyenne (Webb term)

De cette mani`ere, les flux de quantit´e de mouvement, de chaleur sensible (H), et de chaleur latente (LE) ont ´et´e obtenus et utilis´es pour la suite de cette ´etude.