Problèmes en conditions de faibles turbulences

En conditions de faibles turbulences, le plus souvent la nuit quand il y a peu ou pas de vent et pas de convection, l'équation (1) ne peut plus se simplifier au seul terme Ft car le transport de matière

et d'énergie ne se fait plus essentiellement par la turbulence. Il est alors important de prendre en considération le terme Fs. A partir de mesures d'un profil vertical d'un scalaire ρ, Fs peut être calculé

selon la formulation proposée par Aubinet et al. (2001) :

Fs =

_⌡⌠

0 hm

dρ(z)

dt dz (6)

Avec hm la hauteur de mesure du système d'EC. A chaque pas de temps, une moyenne de ρ est

calculée pour chaque couche définie par les mesures du profil vertical. La dérivée de ρ par rapport au temps (t) est calculée comme la différence entre deux mesures successives. L'intégrale est calculée en sommant la variation du stockage au niveau de chaque couche, pondérée par son épaisseur. Les mesures de profils verticaux de concentration en CO2, d'humidité et de température, n'ayant été

installées qu'à partir de septembre 2006 à Auradé et Lamasquère, le calcul de Fs se fait alors à partir

d'une seule couche dont la valeur moyenne de ρ est celle mesurée à la hauteur du système d'EC. Bien que cette méthode engendre des sous-estimations de Fs, de 20 à 25 % dans le cas du CO2 (Saito et al.,

2005), elle est souvent utilisée pour des écosystèmes où la végétation et le système d'EC sont bas et où Fs est supposé faible (Anthoni et al., 2004a; Moureaux et al., 2006; Suyker et al., 2005; Verma et al.,

2005; Wohlfahrt et al., 2005; Xu & Baldocchi, 2004). De plus il a été montré que l'impact de cette méthode n'induisait que de très faibles erreurs sur les valeurs annuelles cumulées de flux net de CO2

sur cultures, du fait de la succession de phase de stockage et de déstockage à l'échelle journalière (Chapitre 2 (Béziat et al., 2009)).

La Figure 5 (a) montre l'importance de la variation du stockage de CO2 (Fsc) lorsque les

valeurs de la vitesse de frottement avec la surface (u*), représentant le niveau de turbulence dans la couche limite de surface, deviennent faibles. Les valeurs positives de Fsc correspondent à un stockage

de CO2 sous la hauteur de mesure du système d'EC, causé par la quasi absence de mouvement d'air.

Les valeurs négatives de Fsc correspondent à un déstockage de CO2 qui peut être induit par le

démarrage de la convection en début de journée avant que les turbulences soient importantes ou à des phénomènes de turbulences intermittentes, déchargeant rapidement la couche d'air du CO2 accumulé

sous le système d'EC (Aubinet, 2008). Les valeurs de Fsc plus faibles à Auradé qu'à Lamasquère

s'expliquent par la topographie de la parcelle d'Auradé, qui est légèrement en pente, dans une zone de coteaux où les conditions venteuses ainsi que les phénomènes d'écoulement (advection) le long de la pente sont fréquents. A Lamasquère la parcelle est parfaitement plane et entourée de forêts qui

favorisent donc le stockage pour les faibles u*. Le cycle journalier de Fsc a été représenté par une

journée de valeurs médianes afin de pouvoir observer les phénomènes sans perturbations des valeurs extrêmes. Le stockage commence en début de soirée jusqu'au matin, où un important déstockage est observé. Il est dû au réchauffement de la surface par le soleil et à la mise en place de la turbulence. Le décalage de phase observé en période de végétation avec un stockage plus précoce le soir et un déstockage durant plus tard le matin s'explique par l'atténuation du vent dans le couvert végétal et un réchauffement du sol moindre.

Figure 5 : Représentation de la variation du stockage de CO2 (Fsc) sous la hauteur de mesure du système

d'EC : (a), en fonction de la vitesse de frottement du vent avec la surface (u*) à Auradé et Lamasquère et (b), pour une journée médiane en période de sol nu (PAI = 0) et en période de végétation (PAI > 1) à Lamasquère. Les données ont été sélectionnées quand le profil de mesures verticales de concentration en CO2, d'humidité et de température était opérationnel.

Le flux net de CO2 (NEE pour Net Ecosystem Exchange) correspond donc à la somme de Ftc

et Fsc. Cependant, malgré l'ajout du terme de stockage, une sous-estimation systématique de NEE est

observée pour les faibles valeurs de u* (Figure 6). Cette sous-estimation est très probablement provoquée par des phénomènes d'advection (Equation (1)) qui ne sont pas pris en compte dans le calcul de NEE et par une probable sous-estimation de Fsc due à un profil de mesures dont la résolution

est limitée verticalement et temporellement. Les phénomènes d'advection sont probablement le résultat de la topographie (particulièrement à Auradé) et de différences d'occupation du sol sur les parcelles voisines, engendrant d'importantes variabilités spatiales dans les sources des flux (Aubinet, 2008); l'hypothèse de l'homogénéité spatiale n'est donc plus respectée dans ces conditions. Les fortes valeurs de NEE observées pour les fortes valeurs de u* (> 0.4 m s-1_{) pourraient être le résultats de phénomènes}

de pompage du CO2 accumulé dans le sol (Gu et al., 2005) ou bien correspondre à des périodes de

turbulence intermittentes provoquant d'importants déstockages de CO2 (Aubinet, 2008; Wohlfahrt et

Figure 6 : Flux net de CO2 (NEE pour Net Ecosystem Exchange) nocturne en fonction de la vitesse de

frottement du vent avec la surface (u*) au maximum de développement de la végétation (PAImax − 0.5 < PAI < PAImax) pour (a) le tournesol à Auradé et (b) le blé d'hiver à Lamasquère. Les

données de NEE ont été moyennées dans 20 classes de u* avec le même nombre de données dans chaque classe et normalisées par la moyenne des NEE sur la période considérée. Les barres verticales correspondent à l'écart type de chaque classe normalisé par la moyenne des NEE sur la période considérée.

Face à ce problème de sous-estimation de NEE en conditions stables, la technique la plus couramment utilisée consiste à déterminer un seuil de u* en dessous duquel les données sont rejetées puis remplacées (voir section 6). La méthodologie proposée par Reichstein et al. (2005) a été utilisée pour déterminer ce seuil de façon objective et systématique. Pour cette détermination, les données nocturnes de NEE (représentant la respiration totale de l'écosystème) ont été découpées en six classes de température de l'air (Ta) pour s'affranchir de l'effet de la température sur la respiration (voir section

7.1 de ce chapitre). Chacune de ces classes a ensuite été découpée en vingt classes de u*. Pour chaque classe de Ta, le seuil de u* est atteint si la moyenne de NEE de la classe de u* actuelle dépasse 95 %

de la moyenne de NEE de la classe de u* supérieure. Si la corrélation entre Ta et u* dépasse 0.45 au

sein de chaque classe de Ta, le seuil de la classe de Ta correspondante n'est pas conservé pour éviter de

confondre les effets physiques (faibles turbulences) et écophysiologiques (augmentation de la respiration avec l'augmentation de Ta) sur la variation de NEE nocturne. Le seuil de u* final

correspond à la médiane des seuils calculés pour chaque classe de Ta. Par cette méthode une valeur de

seuil de u* a été calculée pour chaque CFP. La valeur la plus élevée du seuil de u* a été sélectionnée pour filtrer tout le jeu de donnée pour garder la même approche conservative définie par Reichstein et al. (2005).

Pour les autres flux (H et LE) le seuil de u* défini pour NEE a été utilisé pour filtrer les données correspondant aux problèmes de mesure liés au stockage et à l'advection.