Réseau, instrumentation, métrologie des tours à flux

Réseau, instrumentation,
métrologie des tours à flux
Bernard Longdoz, Laura Heid, Jérémy Mauer, Alwin Naiken, Bruno Garnier,
Olivier Darsonville, Katja Klumpp (INRA Lorraine et XXX)
Objectifs au sein de l’OPE
• Etudier le fonctionnement des écosystèmes à l’échelle de la parcelle
➱ Cycle du carbone, échanges d’énergie & rôle mitigateur (GES)
des forêts, prairies et cultures
• Détecter des évolutions environnementales à long terme
➱ Evolution interannuelle des flux de CO2, d’eau et d’énergie
• Caractériser les contributions relatives du changement climatique
➱ Influence des variables climatiques sur les échanges de GES
Etablissement et suivi de sites de
mesures d’échanges de CO2, H2O,
énergie (CH4 & N2O) sur une parcelle
forestière, prairiale et de culture
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Mesures des échanges GES Ecosystème - Atmosphère
Atmosphère homogène
Tourbillons
Couche limite du couvert
Transport des GES par des
tourbillons verticaux à
travers la couche limite
F
Air de la canopée
Flux vertical = Fluctuations de la vitesse vertical du vent
-1)
(m
s
-2
-1
(molx m s )
* Fluctiation de la concentration molaire
(molx mair-3)
𝐹 = 𝑤 ′ . 𝑥′
Covariance de turbulence
Eddy Covariance (EC)
Mesures du flux de GES
grâce à:
un anémomètre sonique 3D
➱ 𝑤′
+
un analyseur de gaz
(absorption IR) ➱ 𝑥 ′
Localisé au dessus du
couvert (tour ou mât)
𝐹=
𝑤 ′ . 𝑥′
Moyenne sur 1/2h ➱ 1 valeur de flux de CO 2,
H2O, (CH4, N2O), chaleur sensible par 1/2h
Mesurer à quelle fréquence ?
Fréquence des tourbillons
10 à 20 Hz
Timelag
1.5
380
370
1
360
350
Dt
340
144
133
122
111
100
-0.5
89
78
67
56
45
34
23
330
12
0
1
Rotation
w (ms-1)
0.5
320
[CO2] (ppm)
Problèmes (1/2):
310
-1
-1.5
w
300
[CO2]
290
280
Time
Coupure des
hautes fréquences
Footprint
c
Flux de CO2
Flux nocturne :
12
Respiration (Reco)
8
Fcéco (µmol/m².s)
4
0
-4 00
-8
03
06
09
12
15
18
21
00
-12
-16
-20
-24
-28
Flux diurne :
Photosynthèse + Photorespiration (GPP)
+ Reco
Temps (hh)
Problèmes (2/2): Par nuit calme, CO2 reste dans couvert ou
4
2
-1
Reco at 10°C (µmol m s )
s’écoule sous le couvert
➱ Mesure du
stockage dans
le couvert ou
élimination des
données
3
2
1
0
0
0.1
0.2
0.3
Friction velocity u* (m s-1)
0.4
0.5
Proxy pour le
taux de
turbulence
Data gap filling (nuits calmes, panne)
Estimation des flux manquants:  Régression linéaire
 Modèles
 Tables multi-factorielles
Principaux flux
GPP : gross primary production = photosynthesis +
photorespiration
Reco : ecosystem respiration = « dark » respiration
NEE : net ecosystem exchange = somme de GPP et Reco
(opposés) = ce qui est mesuré par eddy covariance
Partitioning: Déduire GPP et Reco à partir des mesures EC
1) Nuit NEE mesuré = Reco (GPP = 0)
2) Etablir relation Reco (Tsol, SWC)
3) Utiliser cette relation de jour pour avoir Reco diurne
4) Jour: NEE mesuré, Reco estimé, GPP = NEE - Reco
Description des sites
• Forêt de hêtres
• Prairie
• Culture
Forêt de Montiers
•
•
•
•
Futaie de hêtre, ~50 ans
Type de sol: Alocrisol et Calci-brunisol
Densité: 800t/ha
Hauteur: 20-25m
Instrumentation Tour à flux (45m) :
• Eddy Covariance
• Rayonnements (solaire, PAR, IRL)
• T°, humidité de l’air
• Pluviométrie
• Profil vent
• Caméra, & T° de couvert
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Instrumentation « hors » tour :
• Dendromètres automatiques
• Profil T°sol, Contenu en eau du sol
• Flux de chaleur par conduction dans
sol
Prairie et Culture : Osne-le-val
~8ha
~16ha
S. Conil
Type de sol: proche alocrisol/calci-brunisol
Culture: Colza (2013-2014),
Prairie: Fauchée, Paturée
Photo O. Darsonville
13
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 Obtention des flux semi horaire de CO2 (NEE, GPP,
Reco), H2O, (CH4, N2O), énergie sur les sites de
Montiers et Osne sur plusieurs décennies: influence à
long terme du climat et des activités anthropiques
 Comparaisons du comportement forêt/prairie/culture
et avec d’autres sites (Réseaux)
 Obtention du label ICOS
• France : Système d'Observation et d'Expérimentation pour
la Recherche en Environnement (F-ORE-T, ACBB, PRO)
• Europe : Euroflux  Carboeuroflux  Carboeurope 
ICOS (ERIC)
• Amérique du Nord : Ameriflux  NEON
• Amazonie : LBA
• Asie : Asiaflux
• Afrique : CarboAfrica
• Australia : OzFlux
EC sites: Fluxnet
Integrated Carbon Observation System
(infrastructure dédiée à la surveillance des GES)
OBJECTIFS
Observations à long terme (>20 ans) du cycle des GES pour l’Europe en réalisant des
mesures de concentrations (atmosphère) et d échanges avec les écosystèmes terrestres et
mers/océan
UTILITIES
• Quantifier l’état actuel du cycle des GES
- accumulation dans l’atmosphère, attribution des sources et puits par régions
- influence du changement climatique (dérive continue, événements extrêmes)
• Utiliser les données pour mettre au point les modèles qui prédiront l’effet de serre futur
STRUCTURE
European Research Infrastructure Consortium (ERIC) reconnu par CE.
Chaque pays de la CE peut être membre d’ICOS mais doit financer sa propre participation
METHODE DEPLOYEE
Mesures des GES (CO2, H2O, CH4, N2O)
Concentrations (atmosphère)
Flux (écosystèmes terrestres)
Flux (mers/océan)
METHODOLOGIE
Utiliser des dispositifs expérimentaux et des procédures de travail complètement identiques sur
tous les sites pour permettre des comparaisons/analyses spatiales de haute qualité
PROGRAMME DE TRAVAIL
10 pays font déjà partie de l’ERIC: Belgique, Finlande, France, Pays-Bas, République Tchèque,
Allemagne, Suède, Norvège, Italie (+ Suisse)
6 pays sont en phase de ratification : Danemark, Irlande, Israël, Pologne, Portugal, UK
ICOS STRUCTURE
Représentant des
organismes
Director: W. Kutsch
Finland
Carbon Portal (Nl)
(Assemblée)
(Assemblée)
« Magasin » ICOS
avec les données
produites
(Assemblée)
Ecosystem Thematic Center : Italie (Flux & [] GES + météo), Flandre (données auxiliaires), France
(Labo d’analyse des végétaux et sols)
Stations écosystème :
• Forêt, Culture, Prairie, Tourbière
• Level 1 (fortement équipé avec grande précision de mesure), Level 2, associé (non permanent)
French ICOS-Ecosystem
Network
Mons
Grignon
Forêts de feuillus
(Hesse, Kourou, Puechabon,
Barbeau, Montiers)
Osnes Montiers
Barbeau
Hesse
Lusignan
Laqueuille
Grasslands
Salles
Auradé
Kourou
Forêts de conifères
(Sales, Fontblanche)
Forests
Crops
Puechabon Font-blanche
Lamasquère
Cultures (Grignon, Osnes,
Auradé, Lamasquère)
INRA level 1 : Hesse et Laqueuille
INRA level 2 : Salles et Lusignan
INRA associé : Kourou, Fond-blanche, Grignon, Mons, Avignon
Prairies
(Laqueuille, Lusignan,
Osnes)
Cultures Bioénergies
(Mons)
Equipement d’une station ICOS Ecosystème
Variables mesurées
Echange net de CO2, H2O et chaleur sensible entre l’écosystème et l’atmosphère (Eddy
Covariance, sommet de la tour)
Idem pour CH4 et N2O là où c’est pertinent (tourbière et culture)
CO2 concentration, pression atmosphérique
Rayonnement global, Infrarouge lointain et photosynthétiquement actif (↑&↓)
Profile de T° et humidité de l’air, direction & vitesse du vent
Précipitations
Profile de T° & humidité du sol + profondeur nappe phréatique
Biomasse, LAI, phénologie (camera)
~250 paramètres mesurés à 20 – 0.01 Hz durant 20 ans
Implique un post-traitement des données complexe:
- Contrôle de qualité, calibration, filtrage, corrections,
- remplissage des trous (panne instrumentale)
MERCI
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