Chapitre 9 - Flux de vapeur d'eau entre la végétation et l'atmosphère Flashcards
EUE signifie
Efficacité de l’Utilisation de l’Eau
Énergie, vapeur d’eau et CO2
Influence de la végétation sur le climat
(2)
Stockage du CO2
Bilan énergétique
Conductance stomatique et DPV
L’ouverture des stomates contrôle:
(2)
Les flux de vapeur d’eau
La quantité d’énergie dissipée par ET vs chaleur sensible
[Est-ce qu’il manque un mot ou le par est de trop, bonne question]
Évapotranspiration : Symbole et définition
(ET)
Quantité de vapeur d’eau transférée dans l’atmosphère par transpiration (plantes) et par évaporation au niveau du sol
Évaporation potentielle : Symbole et définition
(ETP)
Valeur maximale d’ET en fonction des caractéristiques énergétiques (Rn, H) et dynamiques de l’atmosphère (suffisamment d’eau disponible dans le sol pour satisfaire la demande évaporative).
Évaporation réelle : Symbole et définition
(ETculture)
Perte de vapeur d’eau effective subie par un couvert végétal. Moindre que l’ETP à cause des résistances à la circulation de l’eau (sol-plantes) et à la diffusion de la vapeur d’eau (feuilels-atmosphère)
ETculture d’une culture bien irriguée = 2 à 6 mm par jour
Pouvoir évaporatif de l’air : définition
Dépend du rayonnement solaire (80%), T°, vent (14%) et densité de vapeur d’eau dans l’air (6%). Ces pourcentages ont été déterminés à partir d’un bac à évaporation.
L’évapotranspiration est souvent exprimée en … convertie en vapeur d’eau; ainsi 1 mm d’eau correspond à 1kg/m2 (soit 10 tonnes par hectare)
Épaisseur de la lame d’eau
Prédiction des pertes d’eau à partir de sols nus, réservoirs, lacs, cultures et forêts –> … ; régie pour productions agricole, horticole et forestière; gestion et utilisation des ressources hydriques, du territoire
systèmes d’irrigation
Évapotranspiration totale : définition et 2 éléments à connaître
Évaporation de toutes les surfaces et transpiration de chacune des feuille
Connaître la vitesse du vent et la densité de vapeur à l’intérieur du couvert végétal (près des surfaces évaporantes)
On peut aussi diviser le couvert végétal en strates ayant chacune une … et un …
On peut aussi diviser le couvert végétal en strates ayant chacune une conductance foliaire moyenne et un indice de surface foliaire (m2 foliaire/m2 sol)
Conductance foliaire moyenne : symbole, unité et autre noms + principalement…
gf, mol m-2 s-2; aussi appelée conductance physiologique ou de surface –> principalement stomatique
g[c] est …
la conductance du couvert (de la canopé)
Formule g[c] =
Somme (g[fi] * ISF)
Modèles de surface continentale :
- rs … ET de la surface
- Équation … pour rs
Modèles de surface continentale :
- rs DIMINUE ET de la surface
- Équation EMPIRIQUE pour rs
Un des modèles de conductance stomatique couramment utilisés dans les modèles de circulation générale : …
Modèle Ball-Berry
Modèle Ball-Berry : formule
g[s] = (m * A * rh) / C[s] + g[0]
A : photosynthèse
Rh : humidité relative
Cs : CO2 leaf surface
Mesure de l’évapotranspiration : approches pour déterminer les flux de vapeur d’eau (ET): (5)
- Bilan hydrique du sol
- Évaporimètres et lysimètres pesables
- Formules empiriques
- Méthodes de profil
- Méthode de la diffusion due à la turbulence (aux fluctuations)
Approche du bilan hydrique du sol : formule
E = P - (Qruissellement + Qdrainage + Qinterception + deltaQnappe + deltaqsol)/S [+irrigation]
E : évaporation, ETR ou ETP
P : précipitations
Q: pertes par…
deltaQ : variation du volume de …
S : Surface du bassin sous étude
Approche basée sur les évaporimètres : fonctionnement
On se sert d’instruments pour mesurer l’évaporation et on ajuste ces données à l’aide de coefficient expérimentaux pour évaluer ETP : i) bacs d’eau et ii) évaporimètres à plaque poreuse (indice du pouvoir évaporant de l’air)
Approche basée sur les formules empiriques : développées à partir de …. (2, 5)
Paramètres climatiques couramment mesurés (T°, humidité, vitesse du vent, nébulosité, photopériode)
Mesures expérimentales de l’ET (lysimètres) pour estimer ETP
Approche basée sur les formules empiriques : Appliquées à …
Appliquées à l’évaporation de surfaces d’eau libre et modifiées à l’aide de facteurs empiriques pour la végétation. Pour des régions spécifiques
Approche basée sur les formules empiriques : Ces méthodes fonctionnent bien sur… et sur …
Sur une grande échelle et sur un long pas de temps
Formules empiriques pour estimer ET (5)
Thornthwaite
Blaney-Morin
Makkink
Turc
Robertson et Baier
Formules empiriques pour estimer ET : Thornthwaite (pour …)
Pour les climats tempérés et continentaux en Amérique du Nord ou Tair et radiation sont très corrélées
Formules empiriques pour estimer ET : Blaney-Morin (Blaney-Criddle)
Pour les zones arides et semi-arides du Canada et des É-U; évaporation reliée à Tair, HR et photopériode
Formules empiriques pour estimer ET : Makkink
Climat humide des Pays-bas; mesures de rayonnement solaire pondérées avec Tair
Formules empiriques pour estimer ET : Turc
Calcule ETR pour environ 10 jours en utilisant, P, deltaQsol, Tair, Rs, photopériode et type de couvert végétal; complexe; version plus simple utilise seulement Rs, Tair et HR
Formules empiriques pour estimer ET : Robertson et Baier
ETP calculée à partir de l’énergie solaire au sommet de l’atmosphère (longitude et latitude), et Tmax et Tmin journalières
Formules empiriques pour estimer ET : Méthode de Thornthwaite :
développée à partir de…
Paramètres (3 types)
Développée à partir de lysimètres et
bassins versants du centre et de l’est des États-Unis
– température moyenne mensuelle (Tm; si Tm< 0, alors Tm= 0)
– indice de chaleur mensuel (i) –> i = (Tm/5)1,514
– correction pour la longueur de la photopériode
Formules empiriques pour estimer ET : Méthode de Thornthwaite : formule
ETP[m] = 16b (10T[m]/I)^a
ETP[m] : évapotranspiration potentielle mensuelle (mm)
T[m] : T° moyenne mensuelle (ou période)
I : indice thermique annuel (somme des i mensuel)
a: 0,49 + (1,79x10^–2* I) – (7,711x10^–5* I^2) + (6,751x10^–7 *I^3)
b: photopériode mensuelle en heure/360
Formules empiriques pour estimer ET : Méthode de Thornthwaite : avantage et inconvénient
Avantage : Simple, purement empirique et peu de données nécessaires
Lacune :
(1) température n’est pas un bon indice de l’énergie disponible pour ETP;
(2) température est déphasée par rapport à la radiation (sur une base annuelle);
(3) on considère que l’ETP cesse à 0°C (faux puisque ETP dépend de D);
(4) on néglige l’effet du vent (couche limite) et l’énergie d’advection
Formules empiriques pour estimer ET : Au Québec c’est…
Rochette et Dubé (1989)
Formules empiriques pour estimer ET : Rochette et Dubé (1989): formule
ETP(mm) = -1,75 + 0,0646 Tmax + 0,0975ATx + 0,00448 Re
Tmax : T° maximale de la journée °C
ATx = AT-ATnor où
AT: amplitude de T° de la journée
ATnor : normale d’AT pour le mois
Re : rayonnement solaire extraterrestre (cal cm-2 d-1) à la latitude considérée
Principes physique contrôlant ET et la diffusion des gaz dans l’air : méthode de profil : fonctionnement
Flux de vapeur d’eau estimés à partir des profils moyens de chaleur sensible (H), vapeur d’eau (λE) et du degré de turbulence dans l’air (profil de vent)
Principes physique contrôlant ET et la diffusion des gaz dans l’air : méthode de profil : Principe de similarité
En conditions de neutralité atmosphérique, près de la surface, le transfert de CO2, λE et de H se fait selon un profil identique à celui du vent
Coefficients de diffusivité turbulente : K[M] =
K[M] = K[H] = K[V] = K[CO2]
Méthodes de profil (2)
Profil aérodynamique et bilan énergétique (β = H / λE)
Profil aérodynamique : fonctionnement
La méthode aérodynamique nécessite une mesure de la vitesse du vent à au moins 2 niveaux. À l’air du profil logarithmique du vent, on détermine le flux vertical du momentum vertical
Profil aérodynamique : formules
τ = ρ k^2 z^2 (Δu / Δz)^2
τ = ρ[a] * K[M] (δu / δz)
LE = – λ * K[V] (δ ρv/δz)
H = – ρ[a] * c[p] * K[H] (δT/δz)
δu/δz; constante de von Karmank;
hauteur de la mesure z;
vélocité de friction u*
Profil aérodynamique : Les conditions suivantes doivent être respectées pour obtenir
de bonnes valeurs : (4)
- Bonnes mesures de la vitesse du vent
- Stratification thermale adiabatique (–1ºC par 100 m)
- Site de mesure où la végétation est continue et uniforme
- Site de mesure éloigné de la bordure du champ
Bilan énergétique : Fonctionnement + Ratio de Bowen
On peut aussi estimer les flux verticaux (convectifs) de la vapeur d’eau (i.e. ET) en déterminant l’importance relative de la chaleur sensible (H) et de la chaleur latente (LE) –> dépend généralement de la disponibilité de l’eau pour l’évaporation
Ratio de Bowen (β) = H / LE
Bilan énergétique : formule
LE = Rn - G / β + 1
(β) = H / LE = y * ( ΔT / Δe)
Bilan énergétique : pour estimer ET il faut mesurer … (4)
Rn
Flux de chaleur du sol (G)
Gradient de température (ΔT)
Gradient de pression de vapeur (Δe) dans la couche limite de la végétation
Bilan énergétique et flux de masse combinée : E à partir d’une surface humide (la base)
Les formules ne sont pas par coeur, juste comprendre
E = g[v] * (p[vs(Ts)] - p[va])
Si on ne connait pas la T° de la surface (Ts ) on peut combiner l’équation et le bilan énergétique en utilisant une approximation suggérée par Penman (1948)
Bilan énergétique et flux de masse combinée : Équation de Penman : formule
Les formules ne sont pas par coeur, juste comprendre
S(Ts-Ta)
(p[vs(Ts)] - p[va]) = D[a]
donc s = (p[vs(Ts)] - p[va]) / (Ts-Ta)
Ainsi,
LE = λ g[v] * (p[vs(Ts)] - p[va])
LE = λ g[v] * [ D[a] + s(Ts - Ta) ]
LE = λ g[v] * [ D[a] + sH / (g[h] p[a] * C[p]) ]
LE = (g[h]* p[a] * C[p] * D[a] + S (Rn - G)) / (s + y)
Bilan énergétique et flux de masse combinés : équation de Penman permet…, ETR vs ETP et coefficient peut être plsu petit si…
De calculer l’évaporation à partir d’une surface d’Eau libre; elle peut aussi être utilisée pour estimer l’évapotranspiration de cultures bien irriguées et continues –> ETP
ETR de plusieurs types de couverts végétaux représente une valeur relativement constante de l’ETP
Coefficient peut être plus petit si le sol n’est pas
complètement couvert par la végétation (p. ex. après avoir semé).
Équation de Penman pour estimer ET : Esurface = ( S (Rn - G) + (g[h]* p[a] * C[p] * DPV)) / λ(s + γ)
Où est l’énergie ou est le défincit de saturation?
Les formules ne sont pas par coeur, juste comprendre
énergie : S (Rn - G)
déficit de saturation : DPV
Équation de Penman-Monteith
Les formules ne sont pas par coeur, juste comprendre
LE = (1/ s + γ) * ((s(Rn – G) + (g[aéro] * ρ[a] * c[p] * D[a]))/ (1 + g[aéro] /g[c])
Couplage aérodynamique : formule
Les formules ne sont pas par coeur, juste comprendre
LE = (1/ s + γ) * ((s(Rn – G) + (g[aéro] * ρ[a] * c[p] * D[a]))/ (1 + g[aéro] /g[c])
g[aéro] (ou g[a]) est une équivalent à g[h]
Couplage aérodynamique : g aéro petite feuille vs grande feuille
petite feuille : gaéro (ou gH) élevée
grande feuille : gaéro (ou gH) faible => découplée
ET de référence et coefficients culturaux : Symbole
ET0
ET de référence et coefficients culturaux : L’ETP d’une culture de référence (ET0) pour éliminer le … (c.-à-d. pour chaque culture, stade cultural et zone géographique)
calage local
ET de référence et coefficients culturaux :
Culture de référence = … ou…
GAZON
(hauteur ~8 à 15 cm, albédo ~0,23 et gv ~0,014 m s–1)
[Ou LUZERNE pour cultures de plus grande taille]
On multiplie ET0 par un coefficient cultural (kc) pour obtenir … (c.-à-d. valeur maximale d’ETR)
ETM
kc = ETc / ETo obtenus à partir de mesures d’ETR (…(instrument)…) et par estimation d’ET0 à l’aide de …
kc = ETc / ETo obtenus à partir de mesures d’ETR (LYSIMÈTRES) et par estimation d’ETo à l’aide de PENMAN-MONTEITH
Le coefficient kc varie selon le …
développement cultural
(0,3 – 0,7 pour la phase initiale
0,9 –1,15 pour la mi-saison
0,25 –1,15 de la maturation à la récolte)
Avantages de l’approche ETP
– Seuil max. d’ET = ordre de grandeur des apports journaliers ajustés en fct des relevés tensiométriques, teneur en eau
– Méthode pratique pour utilisation au jour le jour et démarrage des irrigations (diminution de la réserve utile)
– Estimé fiable d’ETP; aucun calage local
Limites de l’approche ETP
– Paramètres culturaux pour un champ partiellement couvert
– kc varie durant la saison de croissance, entre-rangs
– Aucune culture de référence pour couvert de ~2 m (maïs)
– Conductance du couvert varie avec le climat et les pratiques culturales (date d’irrigation, tonte du gazon, etc.)
– Estimation indirecte d’ETR des cultures; résolution spatiale
Approche agrométérologique : Fonctionnement + 2 étapes
Conduite de l’irrigation requiert une estimation de la demande en eau (ETP) et des ressources en eau (réserve en eau du sol, pluie et doses apportées)
1. Modéliser le bilan hydrique du sol (par ex., deux réservoirs) : superficiel ~40% de RU et profond ~60% de RU
2. Utiliser “Pluie-ETP” sans bilan hydrique du sol
L’approximation de Penman (1948) consiste à utiliser le … pour remplacer …
utiliser le bilan d’énergie (Rn-G) pour remplacer « Tsurface – Tair »
Approche agrométéorologie globale : définition et outils
Modèles plus ou moins complexes de bilan hydrique et énergétique du sol et du couvert végétal.
Outils agrométéorologique :
* ETP ou ET de référence (FAO 56) et kc
* Indicateurs de sécheresse
* Cumul des précipitations, DJ
* Observations météo (Tmax, Tmin, précipitation)
* Prévisions (3h); à court (0–48 h) et long terme (5 jours)
Équation de Priestley-Taylor (P-T) :
À l’instar de l’équation de Penman-Monteith, la méthode de P-T permet de calculer l’ETo (mm j–1) mais remplace le paramètre … par un facteur empirique (α ~1,26; sans dimension) lorsque la vitesse du vent et l’humidité relative ne sont pas disponibles
aérodynamique
ET0 = (1/λ) * s (Rn −G) / s +γ *α
Mesure de l’ET: diffusion due à la turbulence : “marque”
Flux
CongoFlux
CanadaFlux (Plus mtn)
Mesure de l’ET: diffusion due à la turbulence : Eddy correlation. Flux d’… et de …
Flux d’H2O et de CO2
Mesure de l’ET: diffusion due à la turbulence :
Un volume d’air traversant la hauteur z sur une surface S pendant une période de temps Δt
Δt → uz Δt S
Mesure de l’ET: diffusion due à la turbulence : La masse de vapeur d’eau est …
La masse de vapeur d’eau est → ρv uz Δt S
Mesure de l’ET: diffusion due à la turbulence : Le taux de passage de la vapeur d’eau (flux) à travers le plan z par unité de surface
E = (ρv uz Δt S)/( Δt S) = (kg m–2 s–1)
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence : Ceci correspond donc à la masse d’eau par unité de surface par unité de temps → c’est le … de transfert de la vapeur d’eau.
taux instantané
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence : Mais parce que l’atmosphère est turbulente, on fait la … de plusieurs mesures consécutives
Ce type de mesure s’appelle la corrélation des …
moyenne
Ce type de mesure s’appelle la corrélation des VORTEX ou TOURBILLONS
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence : On mesure la corrélation entre les fluctuations de de la vitesse du vent et de la vapeur d’eau; peut s’appliquer à d’autres quantités telles la chaleur sensible, le …
CO2
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence : Mesure directement le … → c’est la seule méthode micro-météorologique à le faire
flux de vapeur d’eau
Diffusion due à la turbulence : Quantité de vapeur transportée à la … par les remous d’air qui traversent un plan de mesure … situé au-dessus du couvert végétal
Quantité de vapeur transportée à la VERTICALE par les remous d’air qui traversent un plan de mesure HORIZONTAL situé au-dessus du couvert végétal
Diffusion due à la turbulence : … mesures par seconde
20
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence :
L’air qui monte –> humidité…
L’air qui descend –> humidité…
l’air qui monte → humidité plus élevée
l’air qui descend → humidité plus faible
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence :
L’intégration de uz sur de longues périodes = 0 puisqu’il …
n’y a pas de mouvement ascendant ou descendant net de l’air.
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence :
Si les fluctuations de la concentration de vapeur d’eau ne sont pas corrélées avec la vitesse verticale instantanée du vent (uz), alors …
le flux net sera zéro
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence :
Cette technique requiert donc des mesures très précises de la … (uz) et de la … (ρv) pendant de courtes périodes de temps.
vitesse verticale instantanée du vent (uz)
concentration de vapeur d’eau (pv)
Mesure de l’ET : diffusion due à la turbulence :
Temps de réponse des instruments de mesure doit pouvoir détecter tous les tourbillons → dépend de la … des tourbillons transportant le flux de vapeur.
Temps de réponse des instruments de mesure doit pouvoir détecter tous les tourbillons → dépend de la TAILLE des tourbillons transportant le flux de vapeur.
(~1 Hz à plusieurs mètres au-dessus de la canopée d’une forêt et ~1000 Hz près de la surface de couverts végétaux réguliers et homogènes.)
FACE : c’est quoi?
Free-Air Carbon dioxide Enrichement
C’est une genre de simulation des conditions éventuelles en augmentant notamment la quantité de CO2 dans l’air environnant l’expérience –> $$$
