Vent et canopées végétales : un regard sur quelques questions environnementales

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Submitted on 5 Jun 2020

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Vent et canopées végétales : un regard sur quelques questions environnementales

Yves Brunet

To cite this version:

Yves Brunet. Vent et canopées végétales : un regard sur quelques questions environnementales. Con- férence de l’Institut Coriolis pour l’Environnement, Ecole Polytechnique. FRA., Jan 2011, Palaiseau, France. 64 pl. �hal-02803361�

Institut Coriolis pour l’Environnement

Ecole Polytechnique, 10 janvier 2011

Vent et canopées végétales :

un regard sur quelques questions environnementales

Yves Brunet

INRA, EPHYSE, Bordeaux

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E

E N V I R O N N E M E N T

27/12/1999 : la forêt de Nezer (Gironde)

27/12/1999 : la forêt de Nezer (Gironde)

Classes de hauteur Classes de dégâts

Des champs de colza en Loir-et-Cher

Coexistence

•  Production de pollen

•  Dispersion turbulente

•  Barrières polliniques

Programme ANR « Flux de (trans)gènes et impact sur la biodiversité »

Les champs de vent dans les basses couches atmosphériques dépendent de la structure de la canopée végétale.

Vent et végétation

Les mouvements des plantes, et leur fonctionnement,

dépendent des champs de vent (action mécanique, actions

sur les propriétés de transport).

•  Interactions vent – arbre effet des tempêtes

•  Dispersion du pollen dissémination des OGM

•  Dispersion des pathogènes épidémiologie

•  Dérive au vent des pesticides santé environnementale

•  Ecoulements urbains rôle des espaces verts

•  Microclimat des canopées fonctionnement, biodiversité

•  Propagation acoustique bruit routier

Des questions environnementales

local paysage région continent

1 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ m

Fonctionnement écosystèmes

Prévision du temps

Simulation climatique

Echelle du paysage Echelles

« intermédiaires » Echelle

« sub-régionale »

Environnement

Les échelles impliquées

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingénierie environnementale

Bilan et perspectives

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingénierie environnementale

Bilan et perspectives

Vent et turbulence dans les canopées

Cestas, Gironde Arbanats, Gironde

Mesures in situ

CSIRO, Australie

Oxford, UK

Vent et turbulence dans les canopées

Mesures en soufflerie

Ghisalberti and Nepf (2009)

Vent et turbulence dans les canopées

Mesures en canal

U α ^{Ln z}

F = C_d A U²

C_d coefficient de traînée A surface foliaire / volume U vitesse moyenne

τ α ^U²

Vent et turbulence dans les canopées

Vitesse

Cisaillement Couche limite

Couche de mélange

Vent et turbulence dans les canopées

Raupach, Finnigan et Brunet (1996)

Vent et turbulence dans les canopées

Raupach, Finnigan et Brunet (1996) BLM

Vent et turbulence dans les canopées

Dupont et Brunet (1996) JFM

Vent et turbulence dans les canopées

Vent et turbulence dans les canopées

Collineau et Brunet (1993)

Vent et turbulence dans les canopées

Efficacité du transport

Luhar et al. (2008)

Vent et turbulence dans les canopées

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingénierie environnementale

Bilan et perspectives

transport turbulent stockage chaleur et

humidité

interception lumière et pluie photosynthèse

respiration

convection évaporation

Exemple : modèle MUSICA (Ogée et al., 2003, GCB) F = a Cd U²

Partie dynamique Micrométéorologie

Outils de modélisation : la végétation

Représentation de la végétation

- hauteur h (x,y) - densité foliaire a (x,y,z) - coefficient de traînée Cd (x,y,z)

Modèle

atmosphérique

Modèle de végétation

Outils de modélisation : le couplage

Deux possibilités :

- calcul de l’écoulement moyen

(RANS : Reynolds Averaged Navier-Stokes)

- calcul de la turbulence

(LES : Large Eddy Simulation)

Outils de modélisation : l’atmopshère

Ecoulement atmosphérique

ECT de sous-maille (fermeture 1.5)

Interaction avec le feuillage Quantité de mouvement

Large Eddy Simulation : modèle atmosphérique ARPS

(Advanced Regional Prediction System, Univ. Oklahoma)

Outils de modélisation : la LES

peuplement

paysage

région

Approche force de traînée

Approche de rugosité

A

C

z

plante

Outils de modélisation : les échelles

•  Résolution : 0.1 – 1 – 10 m

•  Domaine ≈ 10² - 10⁴ m

Outils de modélisation : échelle de la plante

Conditions périodiques

20h 16h

1h

h=18 m

Vent

Couche d’amortissement de Rayleigh

140 m 70 m

Ex. typique de simulation

Δx=Δy=Δz=2 m

Outils de modélisation : le domaine

30 m => 43h

0.69m Wind

Rayleigh damping layer

5.4m 2.5m

Δx=Δy=0.15 m Δz=0.08 m

Ex. colline

Ex.

validation soufflerie

Outils de modélisation : le domaine

Coarse horizontal resolution: 30 m (109 x 109 x 120 grid points)

Δt=0.5 s

10 layers 3 km

2.5 km

Rayleigh damping layer

Periodic conditions

24 July 2006

(convective condition)

6:00 UTC 12:00 UTC

Domain size: 3 x 3 x 2.5 km³

Fine horizontal resolution: 7 m (432 x 432 x 120 grid points) Δt=0.12 s

13:00 UTC

Results analyzed during the last 30 min

Sylvain Dupont, travail en cours

Outils de modélisation : le domaine

Dupont et Brunet (2008) BLM Brunet et al. (1994) BLM

U / U_ref

σ_U / U_ref

σ_w / U_ref

-u’w’ / U²_ref

Sk_u

Outils de modélisation : validations

Mesures en soufflerie de Finnigan et Brunet (1995) Wind and Trees

Dupont, Brunet, Finnigan (2008) QJRMS

Outils de modélisation : validations

Dupont et Brunet (2008) AFM

Outils de modélisation : validations

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingénierie environnementale

Bilan et perspectives

Quelques recherches en cours

Propriétés mécaniques du vent

•  Impact des tempêtes sur les peuplements

•  Beaucoup d’études empiriques

•  Développement d’approches plus mécanistes

•  Hétérogénéités, lisières, fragmentation, relief…

Propriétés de transport (dispersion turbulente)

•  Particules (poussières, pollen…)

•  Aérosols (microbes,pesticides…)

•  Gaz (CO₂, O₃, composés azotés, GES…)

décéleration

accélération formation de cisaillement

croissance de la couche cisaillée

mouvements ascendants

faibles niveaux

zone intermittente

augmentation de la turbulence

rouleaux structures tri-dimensionnelles

ECOULEMENT MOYEN

ECOULEMENT TURBULENT

TOURBILLONS

0 ~2 ~6 ~10

x/h =

Ecoulement de lisière

Dupont et Brunet (2008) BLM, (2009) JFM

Dupont et Brunet (2008) Forestry

Ecoulement de lisière

Fragmentation du paysage

Ecoulement sur relief

Dupont, Brunet, Finnigan (2008) QJRMS

40

➔   Plantes modélisées comme oscillateurs mécaniques (tiges rigides)

➔   Seul le mode fondamental de vibration des tiges est considéré

inertie amortisse ment

raideur + gravité

traînée + modification de l’équation ECT de sous-maille

force de traînée

Dupont et al. (2010) JFM Thèse David Pivato

Couplage vent-plante (1-way)

Couplage vent-plante (1-way)

Dupont et al. (2010) JFM

Couplage vent-plante (2-way)

Dupont et al. (2010) JFM

•  q’’, q’, q : accéleration, vitesse, position

•  M, D, K : inertie, amortissement, raideur

•  F, G : traînée, gravité

M q’’ + D q’ + K q = F(t) + G(t)

Couplage vent-plante (1-way)

Sellier, Brunet et Fourcaud (2008) Forestry

h (x,y) a (x,y,z) C_d (x,y,z)

Couplage vent-plante (1-way)

Couplage vent-plante (1-way)

Vitesse  horizontale   Vitesse  ver/cale  

Perturba/on  de  la  pression   Energie  ciné/que  turbulente  

Thèse Ali Chahine

Dispersion à courte distance

Dispersion à courte distance

Champs  de  concentra/on  à  la  fin  de  traitement  

D_mean  =  100  µm       D_mean  =  70  µm      

Epandage de pesticides

•  Emission d’un jet avec granulométrie imposée

•  Modèle lagrangien

•  Dépôt sur la végétation et le sol

•  Dérive au vent, exposition des populations

Thèse Ali Chahine

Dispersion de pollen

•  Emission, transport, dépôt

•  Distance de propagation

•  Prise en compte de géométries complexes

Dispersion à courte distance

Dispersion à longue distance

Champs de maïs

Concentration

Viabilité

Inclusion of Eulerian pollen transport

For alive and dead pollen, add conservation equations - for pollen concentration

δC_al / δt = adv + turb + gravity – T_a→d (N gr m^-3) - for pollen water concentration

δW_al / δt = adv + turb + gravity – T_a→d – evap (kg m^-3)

gravity α V_s(θ) (Aylor, 2002) T_a→d α dG(θ) / dt (Aylor, 2003)

evap α A_p θ g_eff δ (new model)

Dispersion à longue distance

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingéniérie environnementale

Bilan et perspectives

2

0 2

0 1 5

1 5 1

0

1 0 7.5

7.5 7.5

7.5

Parc urbain ravagé au cours de la tempête Lothar

(Décembre 1999)

Dupont and Brunet 2006, Boun.-layer Meteorol.

Exemple d’application à un parc urbain

Vent

Niveaux énergie cinétique turbulente

0.158-0.

533%

0.001-0.

011%

0.001-0.

014%

0.002-0.

016%

0.001-0.

008% 0.002-0.0

17%

0-0.002

%

0-0.001

% 0-0.003

%

0-0

%

0.018-0 .166%

0.107-0.

878%

0.041-0 .235%

0.003-0.

033% 0.001-0.0

12%

0.003-0.

029%

(Messéan et al., 2006) Carte fournie par l’IPSC (JRC, UE) et l’AUP-ONIGC (ex ONIC)

Chiffres : valeurs des taux de croisement mini et maxi pour chaque champ de maïs non GM (en vert), selon la direction du vent

Scénario à 10% de maïs GM (en rose) dans le paysage

Scénario à 50% de maïs GM (en rose) dans le paysage

Modélisation de la dispersion à courte distance

Modélisation de la dispersion à courte distance

Ecoulements urbains

Communauté urbaine de Strasbourg

•  Etude sur 5 parcs urbains après la tempête de 1999

•  Analyse mécaniste (Pourtales), diagnostic(4 autres)

Grand Lyon

•  30 000 arbres de voirie

•  Formation « Vent et arbre », 13-14 janvier 2011

Communauté urbaine de Bordeaux

•  Appel d’offres 2010 « Etudes et expertises arbres »

•  Volet aérologique

Aménagement du territoire

Aménagement du territoire

Aménagement du territoire

Sommaire

Introduction

Vent et turbulence dans les canopées Outils de modélisation

Quelques recherches en cours

Expertise et ingénierie environnementale

Bilan et perspectives

Bilans et perspectives

Etudes fondamentales

compréhension des processus, modélisation, mécanismes de couplage

Nombreuses applications environnementales Beaucoup de progrès depuis 10-15 ans

Peu d’équipes

Simulations à échelle fine (France) : Inra, ECN, Cerea LES végétation (international) : 4-5 équipes

Bilans et perspectives

Mécanique

Vers de plus grandes échelles (mitage de la forêt, fragmentation du paysage…)

Dispersion

Pathogènes, microorganismes (microbiologie aérienne)

Urbain

Projet ANR VegDuD (impact végétation sur microclimat et énergétique)

Ecologie

Restauration écologique (lits de rivière)

Couplage avec l’ensemble du microclimat de la canopée

ARPS   MuSICA  

Advanced Regional Prediction System developed at the University of Oklahoma and adpated to vegetation at INRA

Multi-layer simulator of the interactions

between vegetation stand and the atmosphere developed at INRA

Coupling developed by Sylvain Dupont at NCAR (Boulder, Co), with M. Irvine, J. Jouangy et J. Ogée

Bilans et perspectives

Sylvain Dupont, travail en cours

Bilans et perspectives

Remerciements à L. Reveret (Inria, Grenoble)