Vérification de la validité des données du scintillomètre

Avant d’effectuer des études comparatives entre les flux du scintillomètre et ceux de la station Eddy Covariance, une étude préliminaire a été réalisée afin supprimer les valeurs données du scintillomètre qui ne respecte pas certaines hypothèses. Tout d’abord, les valeurs de CT² qui ne respectent pas les lois de la théorie de similitude de Monin et Obukhov (MOST)

ont été éliminées. Dans un second temps, une comparaison des footprints de la station EC et du scintillomètre a été réalisée pour ne tenir compte que des footprints inclus dans la surface du champ.

Comportement vis à vis de la MOST

Figure 3.2 : Comportement de CT²(zLAS-d)2/3/T*² en fonction de –(zLAS-d)/LO., avec représentation des

fonctions de similitude de Hill et al. (1992) représentée entrait noir gras, et de de Bruin et al. (1993) en trait fin noir et points noirs.

Le comportement du CT² vis à vis de la théorie de Monin et Obukhov est une

contrainte importante, souvent négligée lors du calcul de flux en scintillomètrie. En effet, les valeurs de CT² obtenues à l’aide du scintillomètre suivent un comportement décrit par une

fonction universelle, dépendant de la stabilité de l’atmosphère. Ces fonctions sont définies de manière expérimentale dans le cadre de la théorie de similitude de Monin et Obukhov. Les

différentes valeurs de CT²(zLAS-d)2/3_{/T*² ont donc été calculées, puis tracées en fonction (zLAS-} d)/LMO. Les valeurs de LMO et de T* sont celles calculées par la station EC comme le suggère

Hoedjes et al. (2007), afin d’éviter les effets indésirables (De Bruin et al., 1993). Les résultats ainsi obtenus et dont le comportement s’éloigne fortement de la théorie MOST (fonctions de similitude présentées dans le tableau 2 du Chapitre 1) ont alors été rejetés. Les données recueillies sur les trois périodes et conservées sont représentées sur la Fig. 3.2.

Recouvrement des footprints

L’empreinte (ou footprint) de flux, représente l’ensemble ‘des contributions (par unité de surface) de chaque élément de surface dans la direction du vent dominant, sur le flux vertical mesuré’ (Schuepp et al., 1990). D’un point de vue pratique, l’analyse du footprint est très utile pour l’installation des instruments de mesures. L’approche classique consiste à analyser les vents dominants, calculer le footprint en fonction de la rugosité de surface (z0) et

de l’état de l’atmosphère (différentes valeurs de LO), et sélectionner l’emplacement des

capteurs pour que les différentes contributions aux flux proviennent d’une surface donnée. Dans le cas de surfaces hétérogènes, l’analyse du footprint permet d’observer de façon qualitative : les perturbations causées par la canopée d’une forêt (Rannick et al., 2000), ou la contribution de chaque parcelle d’une surface agricole (Bsaibes, 2007).

Plusieurs modèles de footprint ont été développés depuis les années 1990, en utilisant des approches différentes (Vesala et al., 2008) : modèles analytiques (Schuepp et al., 1990 ; Horst and Weil, 1992, 1994), modèles stochastiques Lagrangiens de dispersion de particules (Sawford and Guest, 1987), LES (Large Eddy Simulation) (Leclerc et al., 1997), et modèles de fermeture (Sogachev et al., 2004). Les modèles analytiques sont les plus pratiques en terme de calcul, et les plus simples d’entre eux sont intégrés dans les logiciels de calcul par corrélation turbulente (Schuep et al., 1990). Des comparaisons avec des modèles stochastiques Lagrangiens ont donné de très bons résultats (Horst and Weil, 1992), à la condition d’effectuer des mesures à moins de 0.1 fois la hauteur de la couche limite, et de travailler dans des conditions de stabilité modérée (Kljun et al., 2003).

Nous avons donc choisi d’utiliser le modèle ‘analytique/stochastique Lagrangien’ proposé par Horst and Weil (1992), et défini pour les instruments de mesures ponctuels. Celui-ci dépend principalement de 3 paramètres : la hauteur d’installation de l’instrument, sa position par rapport au vent transverse, et la stabilité de l’atmosphère. Meijninger et al. (2002a) a utilisé ce modèle comme base et l’a fait évoluer pour calculer les empreintes des scintillomètres, en pondérant le footprint d’un instrument de mesure ponctuel avec la fonction de pondération du

résultats comparables aux résultats obtenus par Meijninger et al. (2002a), avec en plus des possibilités pour faire varier la direction du vent, et le mode de visualisation.

Ce modèle de footprint a été utilisé sur les données de l’année 2007, afin de vérifier si les résultats de la station EC et du scintillomètre étaient bien comparables. L’objectif était de répondre à la question : est ce que les mesures effectuées avec les deux instruments correspondent bien aux mêmes empreintes ? Une étude statistique préliminaire a été réalisée pour limiter le nombre de footprints à tracer. Pour cela, la rose des vents a été tracé pour chaque période, et la densité de cas pour 8 orientations (N, NE, E, SE, S, SO, O, NO) a été calculée. A partir de la station EC, la direction du vent, la vitesse de friction (u*), l’écart type

de la vitesse du vent (σv), et la longueur d’Obukhov (LO) ont été moyennés selon la direction

du vent qui prédomine, à partir des données de la station EC. Ainsi pour les 3 périodes d’observation, on obtient :

Avril Juin Septembre

Direction du vent (°) 339 124 311

u* (m.s-1) 0.17 0.4 0.32

σ_v (m.s-1) 0.31 0.64 0.57

LO (m) -5 -26 -12

hveg (m) 0.6 0.9 0.15

Table 3.1 : Paramètres d’entrée moyen du modèle de footprint pour les 3 périodes de 2007.

Les ‘footprints’ pour les 3 périodes ont été calculés, et sont représentés sur la Fig. 3.3. L’image de fond est constituée d’une image IGN, sur laquelle sont projetés les footprints de la station d’Eddy Covariance et du scintillomètre. On remarque que, dans l’ensemble, le footprint du scintillomètre est inclus dans le tracé du champ, mais que pour des directions de vent comprises entre 15° et 160°, une partie non négligeable des flux observés par le prototype provient de la forêt à l’est du champ. Afin d’effectuer une comparaison rigoureuse entre le prototype et la station EC, ne tenant compte que de la contribution de la parcelle, les flux obtenus pour des directions de vent comprises entre 15° et 160° ont été supprimés.

Figure 3.3 : Footprint du scintillomètre et de la station EC pour les 3 périodes : a) P1 (Avril) ; b) P2 (Juin), et c) P3 (Septembre).