Paramètres globaux d’évapotranspiration et découpage des données

2.3.3.1 Paramètres globaux

L’atteinte de l’objectif portant sur la caractérisation des échanges d’énergie, de l’évapotranspiration et des paramètres vise d’abord à caractériser les échanges d’énergie et d’eau à différentes échelles temporelles. C’est-à-dire regarder les tendances des paramètres globaux pour une période diurne, mensuelle, annuelle et voir les différentes informations que ces échelles peuvent apportées. Cette caractérisation basée sur différentes périodes pourra ensuite permettre de comparer les trois sites et voir les différences majeures des trois sites en termes de leurs contrôles abiotiques de l’évapotranspiration. Pour prendre en considération les différences latitudinales des sites, des plages de temps différentes seront comparées, on évite de voir des différences entre les sites qui sont uniquement dues à leur séparation géographique. La phénologie est l’étude de la synchronisation d’évènements biologiques, mais qui sont aussi bien contrôlés par des procédés biotiques que abiotiques (Richardson et al. 2013). Il existe une influence entre le climat et les évènements phénologiques, mais aussi entre différents évènements phénologiques.

Caractériser les taux d’évapotranspiration et les comparer au déficit de pression de vapeur (DPV) permet de voir leur relation, à quel point ils varient ensemble et donc de déterminer

26 d’emblée l’importance du stress hydrique aux sites. Aussi, cela facilite la comparaison des sites puisqu’on voit leur réponse à différents contrôles sur la météo, on peut donc prendre en compte les différences au niveau des conditions météorologiques. Le DPV est une variable qui, si elle est élevée, aide à maintenir la rétroaction négative entre la fermeture des stomates et la hausse des échanges de chaleur sensible (Baldocchi et Vogel 1996). Le DPV nous informe sur comment l’air est loin de la saturation à un site. On s’attend donc généralement à une corrélation positive entre l’évapotranspiration et le DPV (relation plus ou moins linéaire puisqu’ils sont liés, mais sont aussi influencés par d’autres facteurs tels que les radiations solaires). Cette relation va jusqu’à un certain point où si les valeurs de DPV sont trop grandes, les stomates se fermeraient complètement empêchant les taux d’évapotranspiration d’augmenter.

Pour évaluer la limitation en eau des sites, l‘indice de limitation en eau consiste en la division des précipitations sur un intervalle spécifique par l’évapotranspiration au cours de ce même laps de temps (Budyko 1958). Si l’indice résultant est inférieur à 0.5, on peut considérer le site comme limité en eau sur la période observée. Le principe derrière cet indice est tout simplement que si le site perd en évapotranspiration deux fois plus d’eau qu’il n’en reçoit en précipitation, il est limité en eau (Zhang, Dawes, et Walker 2001).

Ensuite, quelques paramètres globaux seront aussi caractérisés. On parle des moyennes aux 30 minutes du rapport de Bowen, du facteur de découplage, de la conductance de surface brute et du coefficient alpha de Priestley-Taylor. Le rapport de Bowen (β) est le ratio entre les flux de chaleur sensible et de chaleur latente (Baldocchi et al. 2001). Il informe sur la répartition des deux flux d’énergie turbulents, permet d’identifier lequel domine l’écosystème. Si β est plus grand que 1 c’est l’énergie sensible qui domine s’il est plus petit c’est que l’énergie latente domine l’écosystème.

Le facteur de découplage (Ω) exprime le degré de couplage entre la végétation et l’atmosphère (Jarvis et McNaughton 1986). Il peut être calculé à l’aide de la formule suivante :

Ω =

𝜀+1+𝐺𝑎

𝐺𝑠

27 où 𝜀 est s/g, s est la pente de la relation entre la pression de vapeur de saturation et la température, 𝐺𝑎 est la conductance aérodynamique brute (mm/sec) et 𝐺𝑠 est la conductance

brute de surface (mm/sec) (Ryu et al. 2008). Il indique aussi si l’évapotranspiration est contrôlée par le déficit de saturation ou par le rayonnement (Runkle et al. 2014).

La conductance de surface brute (𝐺𝑠) est une intégration pondérée de la conductance de

feuille individuellement et peut être calculée à partir de l’inversion de l’équation de Penman- Monteith (Monteith 1965) puisqu’elle est l’inverse de la résistance :

1 𝐺𝑠

=

− 𝜀}− 1 (Équation 13)

Où ρ est la densité de l’air (kg m-3_{), 𝐶}

𝑝 est la chaleur spécifique de l’air (J kg-1 K-1), D est le

déficit de pression de vapeur (kPa), 𝛾 est la constante psychométrique et 𝐺𝑎 est la conductance

aérodynamique brute (Ryu et al. 2008). La conductance de la surface reflète quels sont les contrôles biotiques de l’évapotranspiration, c’est-à-dire les contrôles des stomates.

Le coefficient alpha de Priestley-Taylor (α), lui, est le rapport entre le flux de chaleur latente mesuré et celui à l’équilibre d’évaporation (𝜆𝐸𝑒𝑞) qui est calculé grâce à l’Équation 13 (Priestley

et Taylor 1972) :

𝛼 =(𝑅𝑛− 𝐺)𝑠 𝑠 + 𝛾

(Équation14)

Dans le but d’identifier les procédés abiotiques influençant l’évapotranspiration et les échanges d’énergie au cours des différentes périodes de l’année, les paramètres définis ci- dessus seront regardés pour différentes périodes de temps comprises dans la période à l’étude (du 1er _{avril 2013 au 31 mars 2014). Des tests statistiques, le test-t de signifiance (avec α=0.05)} et des tests de variance multifactorielle ANOVA (analyse de la variance) utilisant la méthode Scheffé (effectués à l’aide de Matlab), seront aussi faits pour voir si les périodes mentionnées sont significativement différentes ou non les unes des autres pour les paramètres globaux lorsque pertinent.

28 Aussi, pour certains graphiques de relation entre les données, les valeurs des moyennes de milieu du jour ont été utilisées lorsque jugé pertinent. Le milieu du jour étant le moment où le soleil est à son zénith pour un endroit en particulier. L’avantage à utiliser les moyennes de milieu du jour réside dans le fait qu’on obtient une valeur pour un paramètre alors que le soleil était à son point le plus fort, point où les procédés d’intérêt sont à leur maximum. Cela s’explique par le fait que les paramètres dépendent fortement du rayonnement net au site, on pourrait donc avoir des valeurs de milieu de jour qui sont semblables pour un mois d’automne et un mois d’été alors que leurs moyennes seront tout-à-fait différentes due aux heures d’ensoleillement qui sont différentes (Grelle, Lindroth, et Mo 1999). Pour empêcher les différences entre les périodes de jour qui changent avec les périodes et même entre les sites (SCC se trouve beaucoup plus au sud et connaîtra donc des journées généralement plus longues) ce sont donc les moyennes de milieu de jour qui seront utilisées. Le milieu du jour fut tout simplement établi comme le moment correspondant au midi solaire. Les midis solaires des trois sites furent établis à partir du NOAA Solar Calculator (NOAA-Earth System Research Laboratory 2015). Le midi solaire se trouve être à 14h pour SCC et à 15h pour HVC et TVC (plus ou moins 10 minutes en général) et ce pour l’ensemble de la zone temporelle à l’étude définie à la prochaine section. De telles moyennes sont utilisées lorsque des points fixes (dont la situation dans le temps importe peu) sont le sujet d’intérêt.

2.3.3.2 Découpage des données en périodes

Suite au calcul des paramètres définis ci-dessus, ils seront regardés (ainsi que les flux d’énergie de l’écosystème) au travers de différentes périodes. Car comme il fut mentionné plus haut, la phénologie des écosystèmes sera affectée par les changements de climat, mais son comportement vient aussi influencer les caractéristiques du climat à un certain niveau. La prise de données aux trois sites a débutée au printemps 2013 (aux environs des mois d’avril/mai tout dépendamment du site). Les 365 jours (une année) d’intérêt furent conséquemment définis comme allant du 1er _{avril 2013 au 31 mars 2014. Il sera donc question de cette période} lorsqu’une allusion sera faite à une moyenne annuelle puisque cette période comprends 365 jours bien que répartie sur deux années (2013 et 2014).

Par contre, les analyses par périodes ne seront faites que sur une partie de ces 365 jours, les tranches de temps regardées vont respectivement du 16 avril 2013 au 13 septembre 2013 pour SCC, du 28 avril 2013 au 25 septembre 2013 pour HVC et du 3 mai 2013 au 1er _{octobre 2013}

29 pour TVC. Les dates de début de première période (fonte des neiges) remontent à exactement 30 jours avant la fin de la fonte des neiges pour chaque site. Pour déterminer la date exacte de la fin de la fonte du couvert de neige, l’albédo aux trois sites fut regardé en s’appuyant des données d’épaisseur de neige (Figure 11) et des photos quotidiennes prises aux sites. L’albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente et diminue donc drastiquement lorsqu’il n’y a plus de neige pour réfléchir les ondes entrantes.

Figure 3 A) Couvert de neige à TVC le 3 juin 2013, fin de la première période puisque le

couvert de neige est presque disparu, en comparaison avec 3 jours plus tôt B) le 31 mai

2013 où la neige couvrait encore majoritairement le paysage.

Donc la fin de la période fonte des neiges correspond à la fin du couvert de neige au site et par la suite chaque période est d’une durée de 30 jours. Leurs dates respectives et leurs noms (pour faciliter leur appellation seulement,) sont présentés au Erreur ! Source du renvoi introuvable..

Tableau 1 : Les 5 périodes divisant la saison 2013, noms, dates et jours de l’année

(JDA) auxquels elles correspondent aux sites de SCC, HVC et TVC.

SCC HVC TVC

Fonte des neiges 16 avril au 16 mai 2013 (JDA 106 à 136)

28 avril au 28 mai 2013 (JDA 118 à 148)

3 mai au 3 juin 2013 (JDA 123 à 153)

Début d’été 16 mai au 15 juin 2013 (JDA 136 à 166) 28 mai au 27 juin 2013 (JDA 148 à 178) 3 juin au 3 juillet 2013 (JDA 153 à 183)

A)

B)

30 La couverture en termes de données sur ces cinq périodes n’est pas complète, la prise de donnée et le post-traitement amènent des trous dans les données. La plupart des trous dans les données sont négligeables ou ont pu être remplis grâce à des sources externes (Environnement Canada, etc.), mais la fonte des neiges pour le site de SCC étant plus tôt que ceux des deux autres sites, la première période commence si tôt qu’il n’y a que quelques jours de couverts pour la première période à ce site. Il arrive donc que la couverture par les données soit pauvre, mais dans l’ensemble elle est généralement complète et représentative.

2.4 Méthodes pour les résultats de la couche limite planétaire (chapitre 4)