Conditions frontières Répartition de l’énergie à la surface.

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1 Conditions frontières Répartition de l’énergie à la surface

2 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : méthode de Bowen Les flux de chaleur sensible et flux de chaleur latente à la surface sont déterminées par les mesures de l ’énergie radiative nette à la surface. Cette énergie est l ’énergie disponible, qui vas être «dissipée» vers l'atmosphère en forme de flux convectif de chaleur sensible, de chaleur latente et, vers le sol, en forme de flux moléculaire de chaleur.

3 Méthode de Bowen On définit le rapport de Bowen par:

4 Méthode de Bowen Si on mesure les flux de droite et on connaît

5 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : océans Oke, Boundary Layer Climates OcéanQ * Q E Q H AdvQ  Atlantique9.48.21.00.30.12 Indien9.78.80.80.10.09 Pacifique9.88.91.000.11 Moyenne 9.48.51.000.11 Moyenne annuel des components des flux énergétiques sur les océans (MJm -2 /jour).

6 Méthode de Priestley - Taylor Si l ’air est saturé, de l ’équation Clausius Clapeyron et de la définition d ’humidité spécifique Dans cette méthode on applique la théorie K : les flux sont substitués par les gradients.

7 Méthode de Priestley - Taylor

8

9 Limitations: Les équations ont été obtenues en supposant que l ’air est en équilibre avec la surface d’eau (ou végétation mouillée)

10 Méthode de Priestley - Taylor améliorée Dans le cas où il y a de l ’advection, l ’air à la hauteur z n ’est pas saturée ce qui augmente le taux d ’évaporation

11 Méthode de Priestley - Taylor améliorée Dans le cas où il y a de l ’advection, l ’air à la hauteur z n ’est pas saturée ce qui augmente le taux d ’évaporation Advection : sous-saturation de l’air

12 Méthode de Priestley - Taylor améliorée Dans le cas des surfaces bien irriguées : Le coefficienttient compte des situations de sous saturation Dans le cas des régions plus arides :

13 Méthode de Priestley - Taylor amélioré D ’autres auteurs préfèrent additionner une correction A aux deux flux de chaleur

14 Méthode combinée ou de Penman – Monteith Humidité relative de la surface ou de la végétation Flux de vapeur d ’eau Humidité relative de l ’air proche de la surface Dans le cas où l’air et la surface ne sont pas nécessairement saturés

15 Méthode de Penman - Monteith rprp

16 Répartition de l’énergie : régions rural & urbaine

17 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : bilan d’énergie à la surface d’un lac séché. Oke, Boundary Layer Climates El Mirage, Californie (35 N) Desert. 10-11 juin 1950.

18 Répartition de l’énergie : forêt Oke, Boundary Layer Climates(pp. 149) Thetford, Angleterre (52 N), 7 Juillet 1971 Forêt de pins. Haney, C.B (49 N), 10 Juillet 1970 Forêt de sapins. Déficit en vapeur Facteurs contrôlant Q E 1) Disponibilité en énergie 2) Disponibilité en eau 3) Gradient de la pression de vapeur à la surface 4) Turbulence, r a 5) Activité végétale, r c

19 Répartition de l’énergie : forêt Haney, C.B (49 N), 10 Juillet 1970 Forêt de sapins. Déficit en vapeur 1) Disponibilité en énergie 2) Disponibilité en eau 3) Gradient de la pression de vapeur à la surface 4) Turbulence, ra 5) Activité végétale, rc Variation diurne de a) résistance de la canopée; b) résistance Aérodynamique. (Gay and Stewart, 1974 & McNaughton and Black, 1973) Oke, Boundary Layer Climates(pp. 150)

20 Repartition de l’énergie : le facteur biologique Rothamsted, Angleterre (52 N), 23 Juillet 1963 Champ d ’orge. Oke, Boundary Layer Climates(pp. 135)

21 ConductanceTranspiration =Coeff. physiquesMoteurSurface foliaire Déterminisme de la transpiration : sources de variabilité Environnement : P atm PRFT air HR% vent

22 Génotype : Résistance cuticulaire Stomates - densité, ouverture Adaptations à moyen termeRéponses à court terme Déficit hydrique Environnement contrôlé Surface foliaire Réflectance Port foliaire Déterminisme de la transpiration : sources de variabilité

23 Bowen, Priestley - Taylor et Penman - Monteith Limitations de la méthode:  dépend du temps L ’évapotranspiration est une fonction complexe de l ’age, du type et de la température des plantes, ainsi que de la disponibilité en eau Conditions d’aplicabilité : 1) Stationnarité :le vent et le rayonnement quasi-stationnaires 2) Flux constants avec la hauteur

24 Méthode de Penman - Monteith Limitations : 1)La hauteur de la voûte végétale 2) La densité du couvert végétal 3) Hauteur de déplacement 4) Longueur de rugosité 5) Réflectivité des plantes 7) Le type de végétation 8) La région occupée par les racines 9) Profondeur des réserves hydriques 10) Conductance des sols 11) Humidité du sol 12) Résistance des stomates

25 Conditions frontières Flux thermique vers le sol

26 Régime thermique du sol Échanges énergétiques avec l’atmosphère : principalement les échanges radiatifs à la surface. Les flux radiatifs et turbulents déterminent la quantité d’énergie emmagasinée ou libérée par le système sol végétation La conduction est le mécanisme principal de transport de chaleur dans le sol Facteurs influençant le régime thermique du sol

27 Conduction de chaleur dans le sol En régime permanent la loi de Fourier s’applique

28 Conduction de chaleur dans le sol 1) loi de Fourier 2) loi de conservation d’énergie pas de sources/puits de chaleur dans le sol présence de sources/puits de chaleur dans le sol

29 Capacité calorifique par unité de volume des sols Capacité calorifique par unité de volume : quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 K un mètre cubique de sol f: fraction volumétrique s: solide ; w: eau; a:air C=  f s C s + f w C w + f a C a de Vries (1975) k g =  f s k s + f w k w + f a k a Conductivité thermique

30 Capacité calorifique par unité de volume des sols

31 Conductivité thermique Surface Sable sec Neige vieille neuve 800 1260 1480 0,3 1,9 2,2 1,0 0,12090

32 Flux vers le sol Paramétrage dans les modèles de circulation générale Modèle de sol à plusieurs couches Méthode «force restore» Le flux est fonction du gradient de température entre la surface (T g ) et le sol. Si le flux n’est pas mesuré il faut le paramétrer:

33 Flux vers le sol : modèles de circulation générale Partition énergétique de l’énergie reçue: Le flux de chaleur vers le sol est proportionnel à la quantité d’énergie radiative nette à la surface Pourcentage du flux de chaleur sensible: Le flux de chaleur vers le sol est une fraction du flux de chaleur sensible

34 Flux vers le sol : modèles de circulation générale Pourcentage du flux de chaleur sensible: Le flux de chaleur vers le sol est une fraction du flux de chaleur sensible Le flux de chaleur est toujours dans la même direction que le flux de chaleur sensible. Est-ce que ceci est toujours vrai?

35 Sol à plusieurs couches : flux vers le sol et variation de température 3 D 1 D

36 Solution de l’équation de transfert de chaleur Conditions frontières Surface : En profondeur : Solution

37 Solution de l’équation de transfert de chaleur Profondeur d’atténuation d

38 Solution de l’équation de transfert de chaleur Physique du sol : A. Mermoud T.R. Oke, Boundary Layer Climates

39 Flux de chaleur transféré au sol

40 Méthode «force restore» Approximation: le sol est constitué de deux couches TGTG TMTM G=-Q G H= Q H E= Q E VIS-IR= Q* VIS=- Q* S IR= Q* IR

41 Méthode «force restore» Paramétrage, Blackadar, 1976 TGTG TMTM G=-Q G H= Q H E= Q E VIS-IR= Q* s

42 Méthode «force restore» Paramétrage, Blackadar, 1976

43 Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente Oke, Boundary Layer Climates Agassiz, B.C. (49 N), sol nu et humide Température à la surface, à 0.2 m de profondeur et dans l ’atmosphère à un distance de la surface de 1.2 m. Bilan d ’énergie(MJm -2 /jour)Termes dérivés Q * 18.0  = Q E /Q E 0.17 rapport de Bowen Q H 2.3Q E /Q * 0.75 Q E 13.4 Q G 2.3

44 Température dans en environnement désertique Oke, Boundary Layer Climates Sahara Central Desert.