Conditions frontières (3) Répartition de l’énergie à la surface

Rayonnement net à la surface Q* Le rayonnement net à la surface est le résultat des contributions de : La radiation solaire incidente K La radiation solaire réfléchie K La radiation IR émise par l'atmosphère I  La radiation IR émise par la surface I  Q* Les flux sont positifs quand dirigées vers le haut.

Répartition de l’énergie Convention de signes : Forçage : Source radiative + vers la surface - s’éloignant de la surface Réponse : flux moléculaire et turbulents + s’éloignant de la surface - vers la surface 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.

Répartition de l’énergie La répartition exacte du surplus radiatif entre flux turbulents (sensible et latente) et flux moléculaire (vers le sol) dépend de : la nature de la surface sèche ou humide sol bon conducteur ou non eau l’aptitude relative de l’atmosphère et du sol à transporter l’énergie. intensité de la turbulence état d’humidité des surfaces

Composantes du bilan d’énergie le 30 Mai 1978, à Agassis, CB Jour sans nuages Sol humide et sans végétation Convention de signes : Forçage : Source radiative + vers la surface - s’éloignant de la surface Réponse : flux moléculaire et turbulents + s’éloignant de la surface - vers la surface Dans les conditions du jour le surplus d’énergie radiative est «dissipée» par ordre d’importance en chaleur latente, flux de chaleur dans le sol et chaleur sensible. L’importance de Qe est due à la grande disponibilité d’eau. Dans un environnement plus sec le roles de Qe et Qh serait inversé. On voit aussi que les transferts turbulents sont le mécanisme prédominant de transfert ou dissipation d’énergie. Pendant la nuit il y une perte nette d’énergie qui est compensée par des flux d’énergie de l’atmosphère et du sol. Dans ce cas, le flux du sol compense les pertes radiatives et le flux de chaleur sensible t latebnte ont des signes contraires. Pendant le jour les transports turbulents sont facilités. Pendant la nuit ils sont inhibés. La valeur de Qg ne change pas beaucoup. Souvent quand on intègre Qg pendant 24 h le flux net est presque nul

Composantes du bilan d’énergie le 30 Mai 1978, à Agassis, CB Énergie totale pendant 24 heures (MJ m-2 jour-1) Bilan d’énergie Termes dérivés Q* 18,0 QH/QE 0,17 QH 2,3 QE/Q* 0,75 QE 13,4 E(mm) 5,36 QG 2,3

Méthode de Bowen On définit le rapport de Bowen par:

Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : océans Oke, Boundary Layer Climates Océan Q* QE QH AdvQ  Atlantique 9.4 8.2 1.0 0.3 0.12 Indien 9.7 8.8 0.8 0.1 0.09 Pacifique 9.8 8.9 1.0 0 0.11 Moyenne 9.4 8.5 1.0 0 0.11 Moyenne annuel des components des flux énergétiques sur les océans (MJm-2/jour).

Évaluation des flux turbulents : Méthode de Bowen Dans cette méthode on fait une estimation des flux turbulents en faisant la partition de l’énergie disponible, –Q* + QG entre les flux turbulents de chaleur sensible QH et de chaleur latente QE selon le rapport de Bowen. Conditions d’application : état stationnaire : le flux radiatif et les vents ne doivent pas varier beaucoup pendant la période de mesures. Les flux doivent être approximativement constantes avec la hauteur

Évaluation des flux turbulents : Méthode de Bowen On sait qu’à la surface, puisqu’il ne peut pas avoir accumulation d’énergie dans une surface (pas de masse…), la somme des diverses formes d’énergie doit être nulle : Si on mesure les flux de droite et on connaît

Évaluation des flux turbulents : Méthode de Bowen Si on applique la théorie K : les flux sont proportionnelles à leurs gradients. En supposant que KH = KE

Méthode de Bowen Le rapport de Bowen peut être estimé avec des mesures de température et d'humidité, à deux niveaux. q2 q1 Q* QG La méthode requiert aussi les mesures de Q* et QG

Méthode de Bowen : estimation de QG

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

Méthode de Priestley - Taylor

Méthode de Priestley - Taylor

Méthode de Priestley - Taylor Mesures : flux radiatif net flux vers le sol température à 1 seul niveau proche de la surface Limitations: Les équations ont été obtenues en supposant que l ’air est en équilibre avec la surface d’eau (ou végétation mouillée)

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

Méthode de Priestley - Taylor amélioré (2) D ’autres auteurs préfèrent additionner une correction A aux deux flux de chaleur

Approche de Penman

Approche de Penman Advection : représente le pouvoir asséchant de l’air sous-saturé

Méthode combinée ou de Penman – Monteith Cette méthode utilise une combinaison de l’équation du bilan d’énergie à la surface et les formules de transfert (les coefficients de transport ou de traînée). En connaissant l’humidité relative à la surface et de l’air proche de la surface on estime le flux de vapeur relié au déficit de vapeur. Flux de vapeur d ’eau Humidité à la surface Humidité de l’air proche de la surface Humidité relative de la surface ou de la végétation Humidité relative de l ’air proche de la surface

Méthode combinée ou de Penman – Monteith

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

Méthode de Penman - Monteith rp

Répartition de l’énergie : régions rural & urbaine Le bilan d’énergie de volumes où il y a des constructions habités par les humains. a) b) Les données sont des moyennes de 30 jours d’été (c aussi). Sur un terrain gazonneux bien irrigué le flux de chaleur latente est prédominant. On voit vers 16 h un maximum d’évaporation et un flux de chaleur sensible négative. Chaleur employée pour évaporer l’eau. Pendant la nuit, les vents sont faibles. Vers la fin de la journée il semble avoir du vent? c) Banlieue de Vancouver, 36% de construction, 64% d’espaces verts. Les transferts turbulents sont petits pendant la nuit. Le flux de chaleur sensible et le flux de cahleur latente sont presque équivalents. La disponibilité d’eau dans les banlieues nord américaines. Le terme de changement d’énergie à l’intérieure de la ville devient important. d) Bilan énergétique au sommet d la voute urbaine. L’excès de chaleur est évacuée essentiellement par convection pendant le jour. Une petite partie contribue à augmenter l’énergie en ville et une très petite fraction de l’énergie reçue est employer à évaporer de l’eau (peu disponible) Pendant la nuit, les pertes radiatives sont pratiquement complètement compensées par la perte d’énergie de la ville.

Flux de chaleur sensible versus flux de chaleur latente : bilan d’énergie à la surface d’un lac séché. Oke, Boundary Layer Climates -différences : albédo de la surface; diffusivité thermique du sol. OKE page 81 : climat extrême El Mirage, Californie (35 N) Desert. 10-11 juin 1950.

Répartition de l’énergie : forêt Oke, Boundary Layer Climates(pp. 149) Haney, C.B (49 N) , 10 Juillet 1970 Forêt de sapins. Déficit en vapeur Thetford, Angleterre (52 N) , 7 Juillet 1971 Forêt de pins. Facteurs contrôlant QE 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

Répartition de l’énergie : forêt Oke, Boundary Layer Climates(pp. 150) 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)

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

Déterminisme de la transpiration : sources de variabilité Patm vent Transpiration = Conductance Coeff. physiques Moteur Surface foliaire PRF Tair HR% Environnement : PRF = pouvoir réfléchissant des feuilles

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

Bowen, Priestley - Taylor et Penman - Monteith Conditions d’applicabilité : 1) Stationnarité : le vent et le rayonnement quasi-stationnaires 2) Flux constants avec la hauteur 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

Méthode de Penman - Monteith Limitations dues à la végétation: 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

Résumé La radiation nette reçue à la surface est équilibrée par les flux turbulents vers l'atmosphère et le flux de chaleur moléculaire vers le sol. Les flux turbulents sont le flux de chaleur sensible et le flux de chaleur latente associé à l'évaporation (condensation) de l'eau à la surface. Le rapport entre le flux turbulent de chaleur sensible et le flux turbulent de chaleur latente s'appelle rapport de Bowen. Tous ces flux varient avec le cycle diurne (apport d'énergie) et la disponibilité de l'eau à la surface. En supposant que le forçage externe est le flux radiatif net et que les flux turbulents et moléculaires sont la réponse du système à ce forçage on peut utiliser la méthode de partition d’énergie pour évaluer les flux turbulents.