Motivations

Les phénomènes météorologiques puisent leur énergie de la surface terrestre et dissipent la plus grande partie de leur énergie près de la surface. Ces transferts d’énergie entre la surface et l’atmosphère sont quantifiés par des flux turbulents de quantité de mouvement et de chaleur, ces derniers faisant partie du bilan énergétique de surface. Sur les surfaces continentales, les flux turbulents et les paramètres météorologique présentent de grandes variations diurnes, saisonnières mais également spatiales.
Les mesures faites dans le cadre de la thématique « Météorologie et flux de surface » documentent les conditions à la limite inférieure de l’atmosphère, tant en terme de météorologie de surface (température, humidité, pression, vent, rayonnement, pluviométrie), qu’en terme de bilan d’énergie à la surface (flux de chaleur sensible, de chaleur latente et de quantité de mouvement).

Ces mesures sont utiles à plusieurs points de vue:

  • Ces paramètres sont nécessaires aux études des processus de basses couches, notamment ceux qui se développent ou qui dépendent fortement des conditions dans la couche limite atmosphérique : le mélange turbulent, la dispersion des polluants, la convection, la formation nuageuse,….
  • Ces mesures sont fortement utilisées pour valider les modèles de prévision du temps et du climat et notamment vérifier si les interactions entre la surface et l’atmosphère sont correctement simulées.
  • Elles sont aussi utilisées comme mesure de référence pour le développement de nouveaux capteurs.

Sites de mesure (ou plateformes d’observation) 

Mesures de la météorologie de surface: Les sites ACTRIS-FR de la Météopole, de l’OHP, de l’OPAR, de la P2OA et du SIRTA ont tous des stations de mesure de la météorologie de surface. Dans le but de quantifier la variabilité spatiale de cette mesure de surface, nécessairement locale, les mesures des stations du réseau opérationnel de Météo-France qui entourent les sites d’ACTRIS-FR sont aussi disponibles.

Mesures des termes du bilan d’énergie en surface: les sites ACTRIS-FR de la Météopole, de la P2OA et du SIRTA possèdent des stations de mesure du bilan d’énergie en surface.

● Instruments et variables mesurées pour la météorologie de surface:

Les mesures de la météorologie de surface sont faites à des fréquences d’acquisition en général inférieures ou égales à 1 Hz. Ces mesures sont effectuées classiquement avec un anémomètre à coupelles pour la vitesse du vent (10m), une girouette pour la direction du vent (10m), des sondes dans un abri à ventilation naturelle pour température et humidité (2m), un baromètre installé à 1.5m pour la pression et enfin un pluviomètre chauffé à augets pour la pluviométrie (à 1m au-dessus du sol).

Instruments et variables mesurées pour le bilan d’énergie en surface :

Les termes du bilan d’énergie en surface sont le rayonnement net (Rn) (différence entre la somme des flux radiatifs courtes et grandes longueurs d’onde descendants et la somme des flux radiatifs courtes et grandes longueurs d’onde montants), les flux turbulents de chaleur sensible (H) et de chaleur latente (Le) ainsi que le flux de conduction dans le sol (G). Le calcul des flux turbulents de chaleur par eddy-covariance nécessite des mesures à des fréquences d’acquisition typiquement de l’ordre de 10Hz. Les autres termes du bilan (flux radiatifs et flux de conduction) peuvent êtres mesurés par des capteurs avec des fréquences d’acquisition plus faibles de l’ordre de 1Hz voire moins pour les flux de conduction par exemple.

Chacun des trois sites possèdent des capteurs reposant sur la même physique de la mesure mais de constructeurs qui peuvent être différents. Le tableau 1 donne le principe de la mesure et les type de capteurs utilisés sur les 3 sites.

Rayonnement Net Principe de la mesure: Mesures des 4 composantes du rayonnement par des thermopiles ainsi que de la température interne du capteur.

Type de capteurs utilisés: radiomètre CNR1 ou CNR4 de Kipp & Zonen

Flux de chaleur sensible Principe de la mesure: Le flux de chaleur sensible est proportionnel à la covariance des fluctuations de la vitesse verticale et de la température de l’air.

Type de capteurs utilisés: anémomètre sonique (CSAT de Campbell Scientific, WindMaster de Gill, USA-1 de Metek)

Flux de chaleur latente Principe de la mesure: Le flux de chaleur latente est proportionnel à la covariance des fluctuations de la vitesse verticale et de l’humidité spécifique de l’air.

Type de capteurs utilisés: anémomètre sonique (CSAT de Campbell, WindMaster de Gill, USA-1 de Metek) et hygromètre rapide (LI-7200 ou LI-7500 de LI-COR)

Flux de conduction dans le sol Principe de la mesure: Le flux de conduction de la chaleur dans le sol est proportionnel au gradient vertical de température dans le sol.

Type de capteurs utilisés: plaque à flux HFP01 de Campbell Scientific.

Tableau 1 : Principe de la mesure et type de capteurs utilisés pour le bilan d’énergie en surface.

Le tableau 2 donne les hauteurs des capteurs et les couverts végétaux au-dessus desquels sont faites les mesures :

  Hauteur de mesure Végétation
Météopole 2 m Prairie
P2OA 30 m

45 m

60 m

Principalement pairie

Intégration du paysage

Intégration du paysage

SIRTA 2 m

30 m

Prairie

Limite Prairie-Forêt

Tableau 2 : Hauteur de la mesure et couvert végétal échantillonné

QC-QA

Calibration des instruments :

  • Les anémomètres soniques sont régulièrement (tous les 2 ans ??) envoyés au constructeur pour calibration et vérification de la structure.
  • Les hygromètres sont calibrés une à 2 fois par an sur chaque site.

Entretien régulier des instruments :

  • Nettoyage régulier des fenêtres optiques des radiomètres (hebdomadaire) et hygromètres open-path (hebdomadaire) + close-path (mensuel).
  • Normalisation des signaux des hygromètres à mesure que la diode laser baisse.

Filière de traitements 

L’estimation des termes turbulents du bilan d’énergie est faite par la méthode d’eddy-covariance par le logiciel EddyPro (distribué par LI-COR). Le même jeu d’options de traitement est appliqué à toutes les stations des sites ACTRIS. Les principales options choisies sont les suivantes : (1) retrait des valeurs aberrantes (Mauder et al., 2013), (2) retrait de la tendance linéaire pour le calcul des fluctuations, (3) double rotation pour la correction d’inclinaison de l’anémomètre sonique, (4) maximisation de la covariance pour corriger le déphasage entre l’hygromètre rapide et l’anémomètre sonique, (5) Webb correction sur les flux de chaleur latente, (6) calcul du footprint (Kljun et al., 2004), (7) vérification de la qualité (Mauder and Foken, 2006), (8) corrections pour les hautes fréquences du spectre (Moncrieff et al, 1997).

Les flux sont fournis avec un indicateur de qualité et accessible sur AERIS.

– Kljun, N., P. Calanca, M. W. Rotach, and H. P. Schmid. 2004. A simple parameterisation for flux footprint predictions. Boundary-Layer Meteorology, 112: 503-523.
– Mauder, M. and T. Foken. 2006. Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure. Meteorologische Zeitschrift, 15: 597-609.
– Moncrieff, J. B., J. M. Massheder, H. de Bruin, J. Ebers, T. Friborg, B. Heusinkveld, P. Kabat, S. Scott, H. Soegaard, and A. Verhoef. 1997. A system to measure surface fluxes of momentum, sensible heat, water vapor and carbon dioxide, Journal of Hydrology, 188-189: 589-611.

Highlights

L’étude de la représentativité des mesures locales dans l’hétérogénéité du paysage est en cours avec la mise en place de trois campagnes de mesure sur les sites de la Météopole, de la P2OA et du SIRTA (projet Model and Observation for Surface-Atmosphere Interactions (MOSAI)).