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Simplification de l’estimation des taux d’évapotranspiration sur les tourbières boréales par la quasi-neutralité de l’atmosphère.

Isabelle, Pierre-Erik (2014). Simplification de l’estimation des taux d’évapotranspiration sur les tourbières boréales par la quasi-neutralité de l’atmosphère. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 202 p.

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Résumé

Les tourbières occupent entre 10% et 20% du territoire boréal mondial, pour une superficie de près de 3 millions de km². Toutefois, elles sont aussi typiquement éloignées et isolées, ce qui limite le nombre et la précision de données mesurées in situ, particulièrement pour l’évapotranspiration (ET). Or, ce terme du bilan hydrologique est crucial dans ce type d’environnement, où l’ET estivale peut représenter jusqu’à 95% des précipitations. Les travaux de ce mémoire de maîtrise ont pour but de combler ce manque de données en proposant une nouvelle approche pour estimer l’ET des tourbières avec un minimum de variables météorologiques. L’étude utilise des séries temporelles recueillies par la méthode de la covariance des tourbillons sur trois tourbières canadiennes. La tourbière Nécopastic, située dans les basses terres de la Baie James, au nord du Québec, est le site d’étude principal avec un jeu de données originales, comportant des mesures pour l’été 2012. Les deux autres jeux de données proviennent du réseau Fluxnet, et les analyses ont été faites sur les étés seulement. La deuxième tourbière, Mer Bleue, localisée à environ 10 km à l’est d’Ottawa, en Ontario, est le site de données couvrant les étés 1999 à 2003. Finalement, le site Western Peatland est situé à environ 80 km au nord-est d’Athabasca, en Alberta, et les données analysées couvrent les étés 2003 à 2009. Le rayonnement solaire est le moteur le plus important derrière l’ET, la source d’énergie principale permettant la vaporisation de l’eau. À ce titre, la corrélation est très forte (R² ≈ 0.8) entre l’ET et le rayonnement net, et ce pour tous les sites de mesure et toutes les années analysées. L’ET est pratiquement nulle lors des épisodes de précipitation, mais l’humidification de la surface tourbeuse renforce par la suite le processus évaporatif. Finalement, le mouvement de la nappe phréatique ne semble pas corrélé avec l’ET, si ce n’est qu’une augmentation importante de sa profondeur peut causer une diminution de l’ET cumulative estivale. Des trois sites, Mer Bleue est celui ayant la plus forte ET estivale, probablement en raison du plus fort rayonnement solaire y étant présent. Les deux autres sites subissent un rayonnement similaire, mais la plus grande humidité du site Nécopastic l’avantage au niveau de l’ET. Les données observées d’ET sont comparées à des données générées par plusieurs modèles connus d’estimation de l’ET (Hydro-Québec, Thornthwaite, Linacre, Hargreaves-Samani, Penman, Priestley-Taylor, Penman-Monteith). Les quatre premiers modèles sont fortement empiriques et ne parviennent pas à expliquer une grande proportion de la variance des données observées. Les trois derniers modèles sont tous basés sur le bilan d’énergie et offrent d’excellentes performances sur chacun des sites d’étude. La meilleure performance de l’équation de Penman par rapport à celle de Priestley-Taylor démontre que le calcul du pouvoir évaporant de l’air apporte une précision significative pour expliquer la variance de l’ET. Néanmoins, ces trois formulations s’avèrent très exigeantes en données d’entrée dans le contexte des tourbières boréales, où des données de rayonnement net depuis le sol sont rarement disponibles. Les trois sites à l’étude ont toutefois en commun une forte récurrence de conditions atmosphériques quasi neutres, causées par une turbulence mécanique accrue et de très faibles effets de flottabilité thermique. Cette dernière est diminuée par le stockage de chaleur dans le médium tourbe/eau et par la priorisation du flux de chaleur latente aux dépens du flux de chaleur sensible, qui est aussi diminué par une couverture nuageuse et du brouillard fréquent. Ces conditions particulières simplifient les équations pour les profils de vitesse du vent et de vapeur d’eau dérivées de la théorie de similarité de Monin-Obukhov. Ceci a conduit à l’utilisation de l’approche des transferts massiques décrite par Brutsaert (2005) et typiquement utilisée sur des étendues d’eau. Ce modèle donne des résultats prometteurs en termes d’erreur moyenne et de corrélation, mais devient dépendant de la proportion du temps passé sous conditions atmosphériques quasi neutres. Le modèle semble surestimer l’ET lors des périodes quasi neutres et la sous-estimer en périodes instables, ce qui semble être un contrebalancement dû au processus d’optimisation. Le modèle est sujet à deux sources d’erreurs principales : une due à la stabilité atmosphérique et une autre due à la non-saturation de la surface. La première semble négligeable étant donnée la forte récurrence de périodes quasi neutres sur les trois sites d’étude. La deuxième peut avoir un effet important, particulièrement lors des épisodes de très fortes ET où le rayonnement solaire est maximal, et la surface de la tourbe manifestement sèche de par l’absence de pluie depuis plusieurs jours. Dans tous les cas, la hauteur de la nappe phréatique semble jouer un rôle sur l’efficacité du modèle en augmentant le stockage de chaleur dans la tourbe et donc le nombre de périodes quasi neutres et en augmentant le contenu en eau de la tourbe de surface par capillarité.

Abstract

Peatlands account for 10% to 20% of the circumpolar boreal biome, with a total surface close to 3 million km². Despite their widespread occurrence, they are typically found in remote areas, making their study difficult and costly, therefore limiting the number and accuracy of in-situ measurements, especially for evapotranspiration (ET). However, this water balance term is crucial in this type of environment, where summer ET can account for up to 95% of precipitation. The work of this master’s thesis aims to overcome this lack of data by proposing a new approach to estimate peatland ET with a minimum of meteorological variables. The study uses temporal series collected with the eddy covariance method on three Canadian peatlands. The Necopastic bog, which is located in the James Bay lowlands in northern Quebec, is the main study site with a set of original data, including measurements for summer 2012. The other two datasets were acquired from the Fluxnet database, and the analyses are performed on summers only. The Mer Bleue bog is located approximately 10 km east of Ottawa, Ontario, and data cover the summers of 1999 to 2003. The Western Peatland site is a forested fen located about 80 km northeast of Athabasca, Alberta, and data cover the summers 2003 to 2009. Solar radiation governs substantially ET, being the main energy source for water vaporisation. Therefore, strong correlation (R² ≈ 0.8) is observed between observed ET and net radiation for every field site and every year analysed. ET is negligible during precipitation events, although the humidification of the peat surface reinforces evaporative rates afterwards. The position of the water table does not appear to be correlated with ET, but a significant increase of its depth can decrease cumulative summer ET. Of the three sites, Mer Bleue has the largest summer ET, which is probably caused by stronger solar radiation. The two other sites are under relatively similar net radiation conditions, but the higher surface humidity in Necopastic appears to increase ET. The observed ET data obtained with the eddy covariance method are compared with values generated by several well-known models for ET estimation (Hydro-Québec, Thornthwaite, Linacre, Hargreaves-Samani, Penman, Priestley-Taylor and Penman-Monteith). The first four models have strong empirical basis and do not explain a large proportion of the variance of observed data. The last three models are based on an energy budget and give excellent results for each field sites. Penman’s best performance over the Priestley-Taylor equation shows the importance of including the drying power of the air to explain the variance of observed ET. However, these formulations end up being too costly in terms of data requirements in the context of boreal peatlands, where upward net radiation measurements are seldom available. The three study sites have in common a strong recurrence of near-neutral atmospheric conditions caused by an increased mechanical mixing and very low thermal buoyancy effects. The latter is decreased by heat storage in the peat/water medium and by the prioritization of latent heat flux at the expense of sensible heat flux, which is also diminished by frequent fog and cloud cover conditions. These singular characteristics simplify the equations for the profiles of wind speed and water vapor derived from the Monin-Obukhov similarity theory. All these findings lead to the development of a model called Neutral Profile, which is the equivalent of the “bulk-transfer” approach described by Brutsaert (2005) and typically used over open-water areas. The model gives promising results in terms of mean error and correlation, but the accuracy is, however, in all likelihood proportional to the number of near-neutral periods. An overestimation of ET is visible during near-neutral periods while an underestimation is detected under unstable conditions, which appears to be a counterbalancing effect induced by the optimization process. There are two main sources of error associated with the model: one due to atmospheric stability conditions and another due to non-saturation conditions of the peat surface. The former appears negligible, given the frequent occurrence of near-neutral stability over the three field sites. The latter can, however, have important effects, particularly when observed ET is at its strongest and net radiation is maximized while the peat surface is inevitably dried out by the lack of rain in previous days. In any case, the depth of the water table (with respect to the soil surface) appears to play a significant role on model accuracy by increasing heat storage in the peat, and, therefore, the proportion of near-neutral periods, and by increasing the peat water content by capillarity. Nevertheless, the simplicity of the model and the foreseeable low cost of an associated weather station make it a valuable tool to estimate ET over boreal peatlands.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Nadeau, Daniel F.
Mots-clés libres: évapotranspiration; tourbière boréale; stabilité atmosphérique; mesure; estimation; Baie James
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 09 févr. 2015 22:09
Dernière modification: 20 nov. 2015 18:29
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2587

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