Objectif

Étude des interactions surface / atmosphère en zone irriguées et non irriguées et de l’influence des activités humaines sur l’évaporation

Lieu et contexte

La vallée de l’Ebre se situe au nord est de l’Espagne, en Catalogne, au sud des Pyrénées. Les surfaces y sont devenues très hétérogènes en raison des activités humaines (principalement agriculture intensive), ce qui a altéré le cycle hydrologique et le paysage.

Moyens

instrumentation de champs agricoles et de zones naturelles, irrigués ou pas. La période d’observations Intenses (IOP en anglais) a débuté en mars, les instruments de long terme sont sur place jusqu’à sa fin, en septembre. Les lidars du LMD seront transférés début juillet pour être opérationnels entre le 15 et le 30 juillet, pendant la période d’observation spéciales (Special Obervation Period – SOP).

Schéma expérimental pour les LIDARs du LMD dans le cadre de la campagne LIAISE et configurations de mesure: balayage horizontal (PPI: plane-polar indicator), balayage vertical (RHI: range-height indicator) et vertical. EC: station de flux in situ d’eddy-covariance.

Partenaires

CNRM – Université de Toulouse, Météo-France (PI : Aaron Boone)
Université des Iles Baléares
UK Met Office
LMD-IPSL
LATMOS-IPSL
Observatori de l’Ebre
Efficient use of water in Agriculture Program (IRTA, Lleida)
Wageningen University and Research
Meteorological Service of Catalonia

Implication de l’IPSL

HILIAISE (Human imprint on Land surface Interactions with the Atmosphere over the Iberian Semi-arid Environment) est le projet financé par l’ANR auquel l’IPSL participe.

1. LMD-IPSL

Observation des flux turbulents par lidars : un système de lidars assez particulier sera sur place. Il permettra d’obtenir une image 3D de la turbulence atmosphérique au-dessus de la surface et de sa capacité à transporter la température, l’humidité et le dioxyde de carbone (mesure simultanée du vent, de la température et du rapport de mélange en H₂O et CO₂).

Equipe : Fabien Gibert (responsable) – Claire Cénac – Julie Collignan – Dimitri Edouart – Paul Monnier

Deux LIDARs (TERA et COWI) seront installés sur un des sites instrumentés du projet LIAISE et auront une vision à la fois horizontale et verticale par-dessus les zones arides naturelles et des zones agricoles irriguées.

Le lidar TERA émet des impulsions laser à 355 nm et effectue des mesures de température et de vapeur d’eau en exploitant la diffusion Raman des molécules N₂ et O₂ de l’atmosphère.  Le lidar COWI est un lidar à la fois Doppler et DIAL (absorption différentielle) qui émet des impulsions laser à 2 µm et effectue des mesures simultanées de vitesse radiale du vent et d’absorption du CO₂ en exploitant la diffusion des particules dans l’atmosphère. Les deux lidars sont munis de systèmes à balayage leur permettant d’effectuer des mesures 3D.

Dans la verticale les LIDARs pourront échantillonner toute la troposphère et particulièrement la couche limite atmosphérique avec une grande résolution spatio-temporelle. Des profils de flux de température, H₂O et CO₂ utilisant la méthode de corrélation turbulente seront effectués. En visée horizontale, c’est les champs de quantité de mouvement, de température, d’humidité, de CO₂ proche du sol en région semi-aride qui seront documentés. Un objectif phare est d’évaluer la méthode MOST (Monin-Obukhov similarity theory) qui relie les gradients aux flux de surface pour observer l’hétérogénéité spatio-temporelle des échanges surface-atmosphère. L’impact de l’humidité du sol en région semi-aride sur la formation, la structure de la couche limite et le transport sera aussi étudié.

Ce déploiement des stations LIDARs mobiles du LMD contribue au développement  d’observatoires multi-échelle et tridimensionnelle de l’atmosphère, GLAFO : the GEWEX land-atmosphere Feedback Observatory.

LIDARs du LMD sur le site d’El Plans. Vue vers le Nord et le village de Preixana. © F. Gibert, LMD-IPSL

Mesure de fluorescence en vue du satellite FLEX

Responsable : Yves Goulas

Des mesures de fluorescence de la végétation émise par les pigments photosynthétiques (chlorophylle, indicateur de la photosynthèse) seront faites pendant LIAISE.  La fluorescence de la végétation a émergée ces dernières années comme une nouvelle donnée d’observation spatiale du fonctionnement des écosystèmes terrestres. Plusieurs programmes spatiaux sont en cours sur ce sujet, certains sont en orbite, d’autres sont en cours de préparation pour un lancement prochain comme la mission FLEX de l’ESA, et également la mission MicroCarb du CNES.

Dans le cadre de LIAISE, l’objectif est de cartographier la fluorescence au niveau régional sur le bassin de l’Ebre, dans le but de mieux préciser l’impact de la végétation sur les échanges avec l’atmosphère.

Le LMD, en collaboration avec le CESBIO, y déploiera des instruments de télédétection in situ de la fluorescence, combinant des techniques actives et passives, à différentes échelles, afin de valider et modéliser les mesures aéroportées.

Le CNRM y organise des mesures aéroportées avec l’ATR42 de SAFIRE, avec l’instrument HYPLANT développé par le Jülich Forschungszentrum en Allemagne.

2. LATMOS-IPSL et LMD-IPSL

Études de modélisation

Responsables : Sophie Bastin (LATMOS-IPSL) et Jan Polcher (LMD-IPSL)

Les modèles de climat, par leur description des processus physiques, nous permettent de prédire comment le climat va évoluer suite aux modifications que l’homme apporte au système, que ce soit l’augmentation des gaz à effet de serre ou alors l’utilisation des sols. Ces modèles ne représentent actuellement que le fonctionnement naturel des surfaces continentales, or nous savons que l’irrigation et l’urbanisation affectent directement le climat régional.

En utilisant les observations de la campagne LIAISE et les connaissances que nous pourrons en tirer, nous pourrons rajouter l’irrigation et autres usages des sols dans ces modèles et  vérifier que leurs impacts sur l’atmosphère sont correctement représentés. Cela nous permettra de prédire comment l’empreinte de l’agriculture, et l’irrigation en particulier, vont moduler l’impact du changement climatique dans la région, un élément clef dans la discussion de la durabilité de l’agriculture intensive pratiquée dans les zones semi-arides dans un climat plus chaud.

Contact LIAISE : Jan Polcher, LMD-IPSL –

Carnet de campagne

10 juin 2021

Tests des lidars COWI et TERA à l’observatoire du SIRTA à l’Ecole Polytechnique, Palaiseau, France.

Les instruments effectuent des mesures en continu jour et nuit de profils de vitesse du vent, de température, de H₂O et de CO₂. Les scénarios de balayage vertical et horizontal sont configurés et synchronisés. Une station de flux comportant un anémomètre sonique GILL HS 50 et un analyseur de gaz LICOR 7200 est aussi testée. Elle servira de point de référence à distance de quelques kilomètres pour caractériser la turbulence (vitesse de friction, longueur de Monin-Obukhov) et pour effectuer des mesures de flux de chaleur sensible, latente et CO2 le long de la ligne de visée des lidars. Au niveau du container lidar 1, une autre station comportant un anémomètre sonique Campbell et un analyseur de gaz PICARRO apporte un autre point de référence.

Les lidars TERA (température, H2O Raman lidar) et COWI (CO2 and wind lidar) en test pré-campagne à l’observatoire du SIRTA, Palaiseau, France. photos © Fabien Gibert, LMD-IPSL

Station de flux en test sur le plateau de Saclay © Fabien Gibert – LMD-IPSL

22 juin 2021

Départ des containers lidars du SIRTA pour le site de campagne d’HILIAISE (El Plans, Preixana, Espagne).

Nous, Fabien Gibert, Dimitri Edouart, Paul Monnier, Claire Cénac et Julio Lopez, partons le 23 juin pour une période de pré-campagne et de réglage des instruments sur le site de la campagne HILIAISE. Julie Collignan nous rejoindra plus tard.

Démontage des systèmes de balayage  et transport des deux containers vers le site d’El Plans, Preixana, Espagne. © Fabien Gibert, LMD-IPSL

23 juin 2021

Arrivés sur place, une période d’installation et de d’étude des performances des lidars commence.  Rien n’a été cassé pendant le voyage mais les détections des deux lidars doivent être réalignées. Une station in situ de référence pour la zone sèche, où sont installés les lidars, est mise en place au niveau du mât déployable du container lidar 1.

Installation des lidars sur le site d’El Plans, Preixana, Espagne. (© Fabien Gibert)

Installation du système de balayage sur le lidar Raman TERA (© Claire Cénac) et ré-alignement de la détection du lidar TERA et installation de la station in situ de référence. © Fabien Gibert

Une deuxième station de flux in situ servant de référence pour les mesures lidar est installée dans la zone irriguée proche du village de Preixana à 1.5 km des lidars.

Station de flux in situ déployée au-dessus d’un champ de maïs irrigué à Preixana. © Dimitri Edouart

15 juillet 2021

La campagne HILIAISE commence. Les lidars, grâce à leur capacité de balayage horizontal et vertical, analysent le contraste entre les échanges surface-atmosphère au-dessus des zones naturelles sèches et des champs irrigués à proximité de Preixana.

Lidars TERA et COWI en visée verticale. © Fabien Gibert

Lidars TERA et COWI en balayage horizontal. Le site d’El Plans comporte un radar UHF et un mât instrumenté de 50 m en arrière plan. © Fabien Gibert

Le site d’El Plans est un site multi-instrument comportant un radar UHF pour le profil de la vitesse et direction du vent horizontal, un mât instrumenté de 50 m, une station de flux à 10 m identique à celle déployée par le LMD-IPSL et des radiosondages chaque heure pendant les périodes intenses d’observation.

18 juillet 2021

Les conditions anticycloniques se poursuivent depuis plusieurs jours sur le site d’El Plans. L’équipe a mis en place un scénario pour les systèmes de balayage qui effectuent des sections verticales de l’atmosphère (0-200 m) à azimut fixe (RHI) pour tester la théorie de Monin-Obukhov dans la couche de surface, des sections horizontales (PPI) et des tirs verticaux. Les tirs verticaux permettront d’effectuer des profils de flux de chaleur sensible et latente de la couche de surface au sommet de la couche limite par la méthode d’eddy-covariance (utilisée aussi pour les stations de flux in situ en surface). Deux stations de flux in situ sont installées sur la zone sèche et la zone irriguée pour servir de points de comparaison aux mesures lidar.

Configuration de mesure lidar sur le site d’El Plans. RHI : range height indicator, PPI : plane polar indicator, EC : eddy covariance station (station de flux). © Fabien Gibert

Exemple de mesures lidar COWI et TERA pour le 18/07/21. Réflectivité lidar à 2 µm, vitesse radiale du vent, humidité spécifique et température. © Fabien Gibert

Le matin, nous observons une couche limite très basse (couche nocturne) avec une accélération du vent horizontal à son sommet (jet nocturne). Cette couche s’identifie aussi par une concentration en vapeur d’eau plus importante (surtout dans la zone irriguée comme attendue) et une température plus basse. Au fil du temps, nous voyons que les structures turbulentes dues à la convection détruisent cette stratification en commençant par la zone sèche (premier kilomètre) puis plus tard dans la zone irriguée.

Pendant la journée, la couche limite convective (CBL) s’élève, apportant de la vapeur d’eau à plus haute altitude. Cependant, une stratification importante des couches supérieures et de la subsidence limitent son développement vertical (inférieure au kilomètre). Des ondes de gravité forcées par la convection se développent au sommet de la CBL. Nous constatons aussi que la taille des structures turbulentes (mesurée avec les scans RHI et PPI) a aussi beaucoup augmenté.

En fin de journée, le site d’El Plans est traversé par une brise marine en provenance du sud-est (la Méditerranée est à environ 75 km) qui se caractérise par une anomalie conséquente de vapeur d’eau (augmentation d’un facteur 2) et de température (diminution). Une forte ascendante est observée à son approche, entrainant de l’air plus sec dans les couches supérieures, l’air plus humide et plus froid restant proche de la surface. Après son passage, la turbulence organisée de la CBL (ascendances et descendances) laisse place à une turbulence beaucoup plus chaotique avec formation de tourbillons.

Ci-dessous les mesures des lidars COWI et TERA pour la journée du 18 juillet 2021 entre  : a) 7 h et 9 h b) 11 h et 13 h et c) 18 h et 20 h

19 juillet 2021

Les mesures se poursuivent jour et nuit sur le site expérimental d’El Plans dans des conditions anticycloniques. Le cycle diurne de la vapeur d’eau dans la basse troposphère semble identique d’un jour à l’autre :

1) apport de vapeur d’eau en altitude lors de la montée de la couche limite

2) assèchement de la masse d’air à partir du milieu d’après-midi

3) apport de vapeur d’eau dans les basses couches avec l’arrivée de la brise marine en fin d‘après-midi mais aussi transport de vapeur d’eau à haute altitude

4) stratification et condensation en surface (principalement en zone irriguée) seulement environ deux heures avant le lever du soleil.

La figure ci-dessous présente l’évolution du contenu en vapeur d’eau sur la première semaine de mesure. Le trait jaune correspond au jour et les flèches à l’arrivée de la brise marine. (© Fabien Gibert)

20 juillet 2021

L’arrivée de la brise marine s’accompagne généralement d’une augmentation de CO₂ et d’une baisse du CH₄. La masse d’air continentale est en effet impactée par les puits en surface du CO₂ (prélèvement de CO₂ par la photosynthèse de la végétation) et par les sources de CH₄ (élevage, décomposition de matière organique), puits et sources dont est dépourvue la surface de la mer méditerranée.  La corrélation des augmentations de CO₂ et de CH₄ est caractéristique des émissions de plusieurs fermes d’élevage de porc situées au Sud-Est du site expérimental.

En ce qui concerne la vapeur d’eau, l’arrivée de la brise marine en entraine le plus souvent une augmentation dans les basses couches de l’atmosphère, toutefois cela peut dépendre de la quantité de vapeur d’eau présente dans la masse d’air continentale.  Dans l’exemple ci-dessous du 20 juillet 2021, on assiste plutôt à une baisse. Cette figure (© Fabien Gibert) montre l’évolution de la quantité de CO₂, CH₄ et H₂O  mesurée par le PICARRO à 10 m au-dessus du sol à l’arrivée de la brise marine à environ 13 :30 UTC (15 :30 heure locale) le 20 juillet 2021. Les émissions des fermes d’élevage de porc sont visibles à environ 13 :45 (UTC).

21 au 26 juillet 2021

Avec l’arrivée des hautes températures (> 36°C), le site expérimental d’El Plans est touché par de fréquentes coupures de courant à des heures aléatoires jour et nuit, empêchant le fonctionnement  optimal des instruments et soumettant nos organismes à rude épreuve. Nous passons plusieurs jours à chercher des solutions et à installer des onduleurs. Le fonctionnement en triphasé des moteurs du lidar TERA empêche cependant de régler définitivement le problème. Une solution pérenne devra être trouvée à l’avenir pour permettre le fonctionnement des stations lidar mobiles avec des alimentations électriques de mauvaises qualités. En attendant, nous trouvons quand même un fonctionnement viable pour la dernière semaine de mesures sur le site.

27 au 31 juillet 2021

Les mesures jour et nuit continuent sur le site d’El Plans. La journée du 27 juillet est la dernière journée où des radiosondages sont effectués en continu entre 6 h et 19 h par l’équipe anglaise du Met Office, en simultané avec les mesures lidar.

Cette période de mesure est caractérisée par des conditions très différentes. Le passage d’orages dans la région le 26 juillet 2021 a uniformisé les conditions d’humidité en surface de telle manière qu’il n’est plus possible de distinguer une anomalie de vapeur d’eau au-dessus de la zone irriguée dans les premières heures de la matinée.

Sur la figure suivante (© Fabien Gibert, mesures lidars entre 7h et 9h -heure locale- le 16 juillet 2021), les scans verticaux en direction de Preixana (RHI) montrent des caractéristiques différentes (réflectivité lidar, vitesse du vent, vapeur d’eau, température) entre la zone sèche (0-1 km) et la zone irriguée (1-2 km) (scan RHI @ 7h).

Ci-dessous, les mesures lidars entre 7h et 9h (heure locale) le 27 juillet 2021 : les scans verticaux en direction de Preixana (RHI) ne montrent pas de différence sur la quantité de vapeur d’eau et la température dans la couche nocturne (@ 7h). (© Fabien Gibert)

Cependant, le contraste en humidité existe toujours entre les deux zones irriguées et sèches comme nous allons le voir ci-dessous. Les précipitations ont été aussi plus abondantes au Nord dans la zone irriguée (environ 15 mm) par rapport à la zone sèche située au Sud (3 mm environ à Preixana). Le 27 juillet, un vent de Nord-Ouest crée ainsi une augmentation de vapeur d’eau par advection (en provenance de la zone irriguée) dans la couche limite convective au-dessus du site d’El Plans, en milieu de journée ( 13h locale). Nous constatons aussi la formation de cumulus dans l’après midi.

Ci-dessous les mesures lidar COWI et TERA pour la journée du 27 juillet 2021 : réflectivité lidar à 2 µm, vitesse radiale du vent, humidité spécifique et température. L’augmentation de  H₂O advectée de la zone irriguée est visible à 13h. (© Fabien Gibert)

28 juillet 2021

Les mesures lidar continuent mais la fin de campagne approche. L’équipe anglaise du UKMO est sur le départ. Il n’y a plus de radiosondages sur le site d’El Plans mais les mesures in situ du mât de 50 m et de la station de flux à 10 m restent en fonctionnement. Les conditions météorologiques sont caractérisées par une forte quantité de vapeur d’eau dans la couche limite.

Une campagne, c’est aussi et surtout des hommes et des femmes. Ci-dessous sur le site d’El Plans et de gauche à droite : Suzy Bingham et Jennifer Brooke (UKMO, Met Office), Fabien Gibert, Julie Collignan et Dimitri Edouart (LMD-IPSL – CNRS/Ecole Polytechnique. (© Fabien Gibert)

30 juillet 2021

C’est la dernière journée de mesures des lidars du LMD avant rangement et le départ des containers prévus le 2 août 2021. Des orages sont prévus dans la soirée. La journée est caractérisée par une couche limite convective de faible altitude et un vent d’Ouest, conditions similaires à la première semaine de mesure, excepté le contenu en vapeur d’eau qui est bien plus important. La journée nous accueille avec un superbe lever de soleil (lidar TERA sur la photo © Fabien Gibert).

Mesures lidar COWI et TERA pour la journée du 30 juillet 2021 : réflectivité lidar à 2 µm, vitesse radiale du vent, humidité spécifique et température. L’augmentation de  H₂O à 19h correspond à la brise marine. (© Fabien Gibert)

2 août 2021

La mission touche à sa fin, nous sommes encore quelques-uns sur place à El Plans, comme la photo le montre : de gauche à droite Paul Monnier, Fabien Gibert, Julie Collignan et Dimitri Edouart (Claire Cénac et Julio Lopez ont quitté le site le 2 et 12 juillet après leur contribution à la campagne). (© Fabien Gibert)

Les deux containers lidar du LMD-IPSL entament leur voyage de retour (@ Fabien Gibert) vers la France et le site du SIRTA à Palaiseau .

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