Belot, Alice (2007) Simulation des échanges d'énergie et de masse d'un couvert végétal : développement et validation d'un modèle quasi 3D, DART-EB. PhD thesis Sciences de l'Environnement, Cesbio, UMR 5126, F-31401 Toulouse, AgroParistech 2007AGPT0018 p.198.

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Abstract

La plupart des nombreux modèles de transfert sol-végétation-atmosphère (SVAT) qui simulent le transfert radiatif, le bilan d’énergie et le fonctionnement des couverts végétaux reposent sur des hypothèses très simplificatrices pour représenter le couvert. Ainsi, l'architecture tridimensionnelle (3D) des couverts est en général représentée par un milieu turbide, ce qui tend à induire de fortes erreurs sur la simulation des propriétés optiques et du fonctionnement des couverts.

C'est dans ce contexte que le SVAT 3D appelé DART-EB a été développé. Il simule avec précision le transfert radiatif et les principaux processus de surface (activité photosynthétique des couverts, flux de chaleur et d'eau dans le sol, flux convectifs dans le couvert, etc.). Une de ses principales originalités est d'introduire, de manière réaliste, l'architecture 3D du milieu et de couvrir une large gamme d'échelles spatiales, de la parcelle à un ensemble de parcelles agricoles et boisées.

DART-EB utilise le modèle 3D de transfert radiatif DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) (Gastellu-Ethegorry et al., 1996, 2004 ; Martin, 2006) pour simuler à la fois les paysages (naturels et urbains, avec atmosphère et relief) et leurs bilan radiatif et images de télédétection, dans les domaines spectraux du visible à l'infrarouge thermique. La modélisation de la photosynthèse foliaire s'inspire du modèle de Collatz, modifié pour s'appliquer à une architecture 3D. Les échanges turbulents au sein du couvert (i.e., profils de température, humidité et concentration en CO2) sont déterminés par la "Localized Near Field Theory" de Raupach (1989). Ils sont calculés actuellement en une dimension mais doivent évoluer vers une approche 3D. Enfin, les échanges d’énergie et de masse au niveau du sol sont modélisés via une approche diffusive type ISBA-df.

DART-EB a été testé de manière concluante avec des mesures terrain sur les sites de MUREX et du Bray. Il est un outil efficace pour étudier le fonctionnement des couverts et l'impact de leur architecture 3-D sur leurs propriétés radiatives et énergétiques (e.g., écarts de température de près de 1K sur un même niveau de houppier).

Un SVAT 3D capable de simuler des images de télédétection spatiale, tel que DART-EB, offre des perspectives très intéressantes pour étudier les surfaces terrestres par télédétection. Ainsi, il permet d'évaluer l’impact de l’hétérogénéité de surface sur les températures de brillance observées, d'estimer par télédétection certains paramètres de surface, etc.

Table of content

REMERCIEMENTS 3

TABLE DES MATIERES 5

LISTE DES ILLUSTRATIONS 8

LISTE DES TABLEAUX 11

NOMENCLATURE 12

LISTE DES SYMBOLES 12

LISTE DES ACRONYMES 19

I INTRODUCTION 21

I.1 CONTEXTE, QUESTIONS SCIENTIFIQUES 21

I.2 PROCESSUS MIS EN JEU 23

I.3 QUELLE MODELISATION DES TRANSFERTS DE MASSE ET D'ENERGIE? ETAT DE L'ART 24

I.3.1 Modèle 1D de type big leaf 24

I.3.2 Modèle 1D de type multicouches 27

I.3.3 Modèles 3D 28

I.4 OBJECTIFS DU TRAVAIL DE THESE 30

I.5 PLAN 31

II MODELISATION DU TRANSFERT RADIATIF : PRESENTATION DU MODELE DART ET BILAN RADIATIF 3D 35

II.1 INTRODUCTION 35

II.2 LE MODELE DART: GENERALITES SUR LE TRANSFERT RADIATIF 37

II.2.1 Equations de transfert radiatif 38

II.2.2 Emission thermique 41

II.3 REPRESENTATION DU PAYSAGE PAR LE MODELE DART 44

II.3.1 Cellules "turbides" de type végétation (Houppier, Plot) : 45

II.3.2 Cellules "opaques" 47

II.4 ALGORITHME DE SIMULATION DE DART 48

II.4.1 Pré-calculs généraux 50

II.4.2 Calcul de l’éclairement du paysage 50

II.4.3 Illumination solaire directe du paysage 51

II.4.4 Itération k=1 51

II.4.5 Illumination atmosphérique du paysage 52

II.4.6 Itération k>1 52

II.4.7 Calcul des fonctions de transfert atmosphérique et de l’éclairement de couplage 53

II.5 PARAMETRES D’ENTREE ET DE SORTIE DU MODELE DART 54

II.6 LE BILAN RADIATIF 3-D 56

II.7 PARTITION DU RAYONNEMENT SOLAIRE : DETERMINATION DU RAYONNEMENT DIFFUS 57

III MODELISATION DES PROCESSUS TURBULENTS DANS ET AU-DESSUS D’UN COUVERT VEGETAL 60

III.1 INTRODUCTION 60

III.2 DISPERSION DES SCALAIRES DANS L’AIR : APPROCHE LAGRANGIENNE 63

III.2.1 Principe de l'approche Lagrangienne 63

III.2.2 La localized near field theory - LNF 66

III.3 MODELISATION DE LA VITESSE DU VENT ET DES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE A L’ECHELLE D’UN COUVERT VEGETAL 72

III.3.1 Description de la couche limite de surface (CLS) 72

III.3.2 Equations de la turbulence 72

III.3.3 Modélisation de la turbulence dans la SCI; sous-couche inertielle 75

III.3.4 Modélisation de la turbulence dans la SCR, sous-couche de rugosité 76

III.3.5 Profil de vent dans le couvert 77

III.3.6 Profil de vent sous le couvert 79

III.3.7 Statistiques relatives à la vitesse verticale du vent : et 80

IV FONCTIONNEMENT FOLIAIRE 82

IV.1 INTRODUCTION 82

IV.1.1 Approche de l’efficience d’utilisation de la lumière (LUE) 82

IV.1.2 Approche biochimique 83

IV.2 ECHANGES GAZEUX A L'ECHELLE DE LA FEUILLE 83

IV.3 MODELISATION BIOCHIMIQUE DE LA PHOTOSYNTHESE 86

IV.3.1 Assimilation de carbone 86

IV.3.2 Paramètres du modèle de photosynthèse 88

IV.4 MODELISATION DES RESISTANCES FOLIAIRES 90

IV.4.1 La conductance stomatique gs 90

IV.4.2 La conductance de la couche limite laminaire foliaire 92

IV.5 FONCTIONNEMENT DU MODELE DE PHOTOSYNTHESE 93

IV.6 BILAN D'ENERGIE FOLIAIRE 95

V FONCTIONNEMENT DU SOL 98

V.1 INTRODUCTION 98

V.1.1 Les modèles simple bucket 98

V.1.2 Les modèles force restore 98

V.1.3 Les modèles multicouches 99

V.1.4 Modélisation choisie 99

V.2 REPRESENTATION DU SOL DANS DART-EB 100

V.3 TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR DANS LE SOL DANS DART-EB 101

V.3.1 Transferts de masse 101

V.3.2 Transferts de chaleur 104

V.4 ECHANGES DE CO2, DE CHALEUR SENSIBLE ET LATENTE ET ENTRE LE SOL ET L'ATMOSPHERE 105

V.5 RESISTANCE AUX TRANSFERTS SOL-AIR 106

V.5.1 Résistance aérodynamique sol-air ras 106

V.5.2 Résistance de surface rsoil 109

V.6 BILAN D'ENERGIE AU SOL 111

VI ALGORITHME ; PARAMETRES D’ENTREE ET DE SORTIE ; TEST DE STABILITE DE DART-EB 113

VI.1 ALGORITHME 113

VI.2 PARAMETRES D’ENTREE ET DE SORTIE DU MODELE DART-EB 117

VI.2.1 Paramètres d’entrée 117

VI.2.2 Données de sortie 121

VI.3 TESTS DU MODELE DART-EB : APPLICATION A LA FRICHE DU FAUGA, PRES DE TOULOUSE 122

VI.3.1 Présentation du site du Fauga 123

VI.3.2 Stabilité du modèle 124

VI.4 BILAN DU CHAPITRE 129

VII VALIDATION DE DART-EB. ETUDE DES HETEROGENEITES AU SEIN DES COUVERTS VEGETAUX. 131

VII.1 INTRODUCTION 131

VII.2 CRITERES STATISTIQUES DE VALIDATION 132

VII.3 SITE DE MUREX 133

VII.3.1 Présentation du site 133

VII.3.2 Représentation du paysage 135

VII.3.3 Résultats : comparaison des flux "DART-EB" et des mesures terrain 136

VII.3.4 Distribution verticale des flux dans le couvert 140

VII.4 SITE DU BRAY 143

VII.4.1 Présentation du site 143

VII.4.2 Représentation du paysage 145

VII.4.3 Résultats 146

VII.4.4 Distribution et évolution des flux au sein du couvert 150

VII.5 SITE D'AGDAL 159

VII.5.1 Représentation du site d'Agdal 163

VII.5.2 Simulation d'images satellites du site d'Agdal avec DART 164

VII.6 CONCLUSION PARTIELLE 166

VIII CONCLUSION ET PERSPECTIVES 168

PERSPECTIVES 170

BIBLIOGRAPHIE 174

ANNEXES 188

ANNEXE 1 : DONNEES D'ENTREES DU MODELE DART 189

1 FORMAT DU FICHIER DE SAISIE DES DONNEES D'ENTREE DE DART 189

2. FORMAT DU FICHIER DONNANT LA POSITION EXACTE DES ARBRES DANS LA MAQUETTE 195

ANNEXE 2 : FICHIERS D'ENTREE DE DART-EB, EXEMPLES 196

1. FICHIER AVEC VARIABLES D'ENTREE 196

2. FICHIER CARACTERISANT LES PARAMETRES DU SOL 197

3. FICHIER NOMBRE D'ESPECE ET SORTIES DE DART-EB 198

RESUME 199

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