Modélisation de l'évapotranspiration

L'évapotranspiration (ET) est le terme utilisé pour décrire la perte d'eau de la surface de la Terre vers l'atmosphère par les processus combinés d'évaporation du sol (ainsi que

des plans d'eau libres et des surfaces végétales) et de transpiration de la végétation. L'ET est un élément clé dans les processus qui contrôlent l'échange d'énergie et de masse (eau et carbone) entre les écosystèmes terrestres et l'atmosphère. L'ET est donc responsable du couplage entre le bilan hydrique et le bilan énergétique superficiel (Fig. 1.4).

Au cours des dernières décennies, plusieurs travaux ont documenté le rôle essentiel de l'ET dans le bilan hydrique pour son importance critique sur la disponibilité des ressources (Oki et Kanae, 2006), les prévisions hydrologiques et météorologiques (Findell et al., 2011), les scénarios de changement climatique liés aux indices de sécheresse (Gao et al., 2011) et le calendrier d'irrigation agricole (Allen et al., 2005; Senay et al., 2013a). Par conséquent, la connaissance de l’ET est essentielle pour le suivi des ressources en eau dans les régions où il y a pénurie d'eau puisque le taux réel d'utilisation de l'eau par la végétation peut différer considérablement des taux potentiels d’ET (Anderson et al., 2012a).

Fig. 1.3. Schéma représentant les cycles de l'énergie de surface (A), de l'eau (B) et du carbone. L'ET est représentée comme un flux de chaleur latente en A, comme l'évaporation du sol et la transpiration des plantes en B et l’ET est fortement liée à la photosynthèse et à la respiration du sol en C. Source: Bonan (2008).

Il existe différentes méthodes qui permettent de quantifier l'ET au moyen de mesures directes. Les mesures directes sont des estimations techniques au sol obtenues à partir de différentes techniques telles que: i) les approches hydrologiques (p. ex. lysimètres), ii) les approches physiologiques des plantes (p. ex. débit de sève et méthodes en chambre) et iii) les approches micro-météorologiques (p. ex. rapport Bowen, eddy covariance et scintillomètre). Ces techniques diffèrent également par l'échelle des mesures. Par exemple, à l'échelle locale, les capteurs de flux de sève permettent d'assurer la transpiration de chaque plante tandis que les lysimètres permettent d'assurer l'ET à partir d'une petite surface ou l'évaporation lorsque la surface se trouve dans des conditions de sol nu. D'autre part, les techniques d’Eddy covariance permettent d'obtenir

34 1.3. Modélisation des composantes du bilan hydrique des cultures à l’aide de la _{télédétection}

une ET à l'échelle de la parcelle (~100 m), ce qui est plus approprié pour le suivi des besoins en eau des cultures. Les scintillomètres peuvent fournir l'ET sur une plus grande échelle de plusieurs centaines de mètres à une dizaine de kilomètres. Bien que ces techniques puissent fournir de longues séries temporelles à très haute fréquence (~10 Hz), ces systèmes ne fournissent pas de distributions spatiales à l'échelle régionale sur des surfaces hétérogènes, en particulier dans les régions aux conditions climatiques advectives. Les modèles d'ET à l’aide de la télédétection sont mieux adaptés à l'estimation de l'utilisation de l'eau des cultures à l'échelle régionale, offrant une solution rentable pour le suivi des zones larges.

De nombreuses approches basées sur la télédétection, de complexité variable, ont été mises au point pour le suivi des besoins en eau des cultures à l'aide d'estimations d’ET. Par exemple, le modèle FAO-56 a été largement utilisé à l’échelle de la parcelle pour estimer les besoins en eau des cultures au moyen de l'ET simulée. Comme il a été mentionné à la section 1.2.1, les coefficients des cultures ont été estimés à partir des VI issue de la télédétection pour mieux contraindre les stades phénologiques, ce qui a également été inclus dans le modèle FAO-56 (Er-Raki et al., 2010, 2007; González-Dugo et Mateos, 2008; Hunsaker et al., 2005). Ainsi, les modèles FAO-56 couplés à VI ont montré une amélioration significative par rapport au modèle classique FAO-2Kc. Etant donné que les données thermiques sont plus aptes à détecter le stress hydrique que VI, le LST a été assimilé à la méthode FAO-56 (Er-Raki et al., 2008), et plus récemment, utilisé pour le coefficient de stress hydrique pour mieux contraindre la méthode FAO-56 (Dejonge et al., 2015; Ihuoma et Madramootoo, 2017; Kullberg et al., 2016).

L'atout des données thermiques vient de l'avantage de détecter l'information sur l'état hydrique de la végétation et de la capacité d'étudier la variabilité de la consommation d'eau dans des parcelles individuelles ou même pour la variabilité intra-parcellaire (Anderson et al., 2012a). Cet avantage est donné principalement par la résolution spatiale des données thermiques d'environ 100 m. Ainsi, différentes méthodes ont été développées au cours des dernières décennies pour estimer l'ET en utilisant les données LST comme entrée principale, démontrant son immense valeur dans le suivi de l'ET (Gowda et al, 2008; Kalma et al, 2008; Li et al., 2009). La plupart de ces méthodes sont basées sur la résolution du bilan énergétique de surface, dont trois grandes approches peuvent être distinguées selon Su (2002): i) les approches résiduelles, ii) les modèles de surface terrestre et iii) les méthodes de fraction évaporative. Les méthodes résiduelles estiment le flux de chaleur sensible (H) et obtiennent ensuite le flux de chaleur latente (i.e. ET exprimé en énergie) comme résiduel de l'équation du bilan énergétique de surface. La deuxième approche consiste à estimer toutes les composantes du bilan énergétique à la surface du sol à l'aide de modèles continus de surface du sol en incluant des modèles SVAT (Sol-Végétation-Atmosphère Transfer). La troisième approche estime l’ET comme une fraction de l’ET potentielle (Moran et al., 1994) ou de l'énergie disponible (Long et Singh, 2012; Roerink et al., 2000). La fraction évaporative (EF) est définie comme

le rapport entre la ET et l'énergie disponible (rayonnement net moins flux de chaleur du sol). L'EF peut être estimée à partir de l'information contextuelle des images optiques/thermiques issue de la télédétection, où les conditions sèches et humides sont identifiées à partir de l'espace LST - VI (e.g. Long et Singh, 2012; Moran et al., 1994), l'espace LST - albedo (e.g. Roerink et al., 2000) ou par combinaison des deux espaces (Merlin, 2013; Merlin et al., 2014). C'est pour cette raison que ces approches ont été appelées approches contextuelles, qui ont suscité un intérêt particulier dans la communauté scientifique pour leur simplicité et leur mise en œuvre opérationnelle sur de larges surfaces.

Les valeurs d’EF peuvent définir deux régimes d’ET principaux: un régime limité par l'humidité du sol et un régime limité par l'énergie (Seneviratne et al., 2010). Le régime d'ET limité en humidité du sol est caractérisé par des valeurs d’EF inférieures à 1 et des valeurs d'humidité du sol inférieures à une humidité critique du sol (SMcrit) donnée, ce qui entraîne des conditions de stress de la végétation (Fig. 1.5). Au-dessus de SMcrit, l’EF est indépendant de la teneur en humidité du sol (régime d’ET à énergie limitée), ce qui signifie que la végétation n'est pas dans des conditions de stress avec des valeurs d’EF égales à 1. SMcrit est donc défini entre l'humidité du sol à capacité au champ (SMfc, au- dessus de laquelle l'eau ne peut être retenue contre le drainage gravitaire) et celle du sol au point permanent de flétrissement (SMwp, au-dessous duquel l'eau n'est pas accessible aux plantes). A partir de ces définitions, des régimes humides (SM > SMcrit, EF = 1), secs (SM < SMwp, EF = 0) et transitoires (SMwp < SM < SMcrit, 0 < EF < 1) peuvent être définis à partir de modèles à l’aide de la télédétection thermique au moyen d'EF dérivés de la information contextuelle. Ces aperçus sont essentiels dans cette thèse parce qu'elles nous permettent d'établir un lien entre l'information contextuelle détectée à partir des données optiques et thermiques et l'humidité du sol dans la zone racinaire. Plus de détails sur l'humidité du sol sont présentés ci-dessous.

Fig. 1.4. Schéma représentant l'humidité du sol dans la zone racinaire et sa relation avec la fraction évaporative et le stress hydrique de la végétation. Source: based on Allen et al. (1998).

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