OSR : Observatoire Spatial Régional / PATS : Pôle d'Aplication des Techniques Satellitaires
Calcul de l’évapotranspiration de référence ET0...
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Calcul de l’évapotranspiration de référenceET0 selon la méthode FAO (Allen et al. 98)
Gilles Boulet, IRD/UCAM
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Programme et objectifs de la session
• Objectif = comprendre et mettre en œuvre la méthodeFAO d’évaluation des besoins en eau des cultures (Allen etal. 1998);
• Programme =– mardi 6 mai: calcul et définition de l’ET0; application pratique
pour des données de SudMed;– mercredi 7 mai: mise en œuvre des coefficients culturaux;
utilisation de la télédétection en vue de la spatialisation;
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Plan de la formation• Définition de l’évapotranspiration de référence
• L’évapotranspiration comme le fruit de deux bilans• Les facteurs météorologiques de l’évaporation• Le bilan d’énergie et ses différentes composantes
• Dérivation de la formule de Penman-Monteith• Formulation retenue des différentes composantes• Résolution du bilan d’énergie et dérivation de la formule
• Mise en pratique de la formule• Choix stratégiques et valeurs numériques des paramètres• Formulation journalière/horaire• Application: calcul de l’ET0 pour le site R3 Sidi-Rahal
PARTIE 1: théorie
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Bilan hydrique du couvert
interceptiondu feuillage
pluie
irrigation
transpiration
Pluie non interceptée
évaporation
drainage
stockage dans la zone racinaire
remontéescapillaires
ruissellement
stockage dans la plante
Extraction racinaire
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Bilan hydrique du couvert
stockage dans les tissus dela plante faible pour les
ligneux, négligeable pourles herbacées
transpiration
extraction
transpiration = extraction
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eau + énergie = évaporation
• L’évaporation du couvert est gouvernée par ladisponibilité simultanée de deux facteurs:– L’énergie du milieu– L’eau du milieu
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Un peu de bon sens et d’histoire...
• D’autre part, on sait que pour sécher du linge il faut uneatmosphère sèche et du vent...
• Dalton (1802) a établi, suite à des travaux sur le sujet, uneloi de proportionnalité entre le taux d'évaporation d'un pland'eau, le déficit de saturation de l'air et une fonction de lavitesse du vent.
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Qu’est-ce que l’évaporation ?• C’est le processus par lequel l’eau liquide est convertie en
vapeur (vaporisation) puis extraite milieu (convection etdiffusion)
• Elle dépend donc de facteurs climatiques dont:– L’énergie solaire (source d’énergie pour la vaporisation)– La température ambiante (agitation moléculaire et capacité de l’air à
stocker l’eau)– L’humidité de l’air (capacité de l’air à stocker l’eau)– La vitesse du vent (pour la convection, qui permet de remplacer de l’air
humide par de l’air plus sec)
C'est par le mouvement des molécules d'eau que débute l'évaporation. A l'intérieur d'unemasse d'eau liquide, les molécules vibrent et circulent de manière désordonnée et cemouvement est lié à la température : plus elle est élevée, plus le mouvement est amplifié etplus l'énergie associée est suffisante pour permettre à certaines molécules de s'échapper etd'entrer dans l'atmosphère.
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Importance de l’évaporation
• à l’échelle continentale, 62% de l ’eau tombant sous formede précipitation repart dans l ’atmosphère par évaporation
• à l’échelle du bassin versant, ce pourcentage est plusfaible (ruissellement en plus)
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Typologie des transferts
• échanges radiatifs (spectres solaire et tellurique)• convection (mouvement associé à un fluide)• conduction (transfert sans mouvement)• changements d’état (vaporisation, condensation…)• photosynthèse, processus biochimiques• énergie cinétique (ex. précipitation)
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Spectres solaire/tellurique
4surfacesurface TR ����Loi de Stefan-Boltzman:
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Bilan radiatif terrestre…
vient de loin...
juste au-dessus
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…et bilan radiatif de la feuille
Spectre solaire
transmission
réflexion
atténuation
Spectre tellurique
�������� llssn RRRRRRns Rnl
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L’équation du bilan d’énergie
• Il est constitué de 4 termes, dont 1 radiatif (Rn), 1 de conduction (G) etdeux de convection (H et �E); �E correspond au changement d’état(vaporisation si positif, condensation si négatif):
��������
���
llss RRRRRnEHGRn �
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Bilan d’énergie à l’échelle du globe
Moyennes en [W/m2]
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Répartition latitudinale de l’insolation
Marrakech
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Profil de vent: cas du sol nu
frein augmente
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Profil du vent: cas d’un couvert
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Analogie électrique des transferts turbulents
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Coupe longitudinale de feuille
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Fonctionnement du stomate
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analogie électrique: U=Ri
e0
rars+ra
stomate
�E H
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L’humidité relative
• L'humidité relative (« HR ») est le rapport entre la quantité d'eaucontenue dans une masse d'air et la quantité maximale d'eau que peutcontenir cette masse d'air.
• Ainsi, lorsqu'une masse d'air se refroidit, elle garde la même quantitéd'eau. Par contre, la valeur de sa quantité maximale diminue avec latempérature. Cette diminution implique qu'à un certain moment, l'airdevient saturé
• On nomme la température pour laquelle la pression de vapeur saturanteest égale à la pression de vapeur actuelle la température du point derosée (« dew point »)
� �asata TeRHe100
�
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La tension de vapeur saturante
e(Ta)
esat(Ta)
Déficit de saturation
T rosée Ta
liquide
vapeur
20°C0°C
2kPa
16kPa
� �asat Te
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relation température/humidité
100* RHsata ee � � �aT
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Résistances aérodynamique et de surface
z
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a ukzdz
zdz
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lnln ��
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hd 32�hzom 123.0�
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LAIrr feuille
s 5.0�
• L’indice de couverture foliaire (Leaf Area Index LAI [m2m-2]=[-])représente la surface foliaire rapportée à la surface de sol unitairequ ’elle recouvre
• Les feuilles actives sont directement soumises au rayonnement solaire(hypothèse FAO = 50% des feuilles)
h hauteur du couvert [m]
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Le flux de chaleur dans le sol (1/3)
• nécessite des mesures de températures en surface et en profondeur (ddistance entre les thermocouples de surface et profonde)
• k conductivité et du sol dépend de la nature, de la forme des grains, ducontenu en eau et de la porosité; elle est difficile à évaluer car trèsvariable dans l’espace
dTT
kGzTkG profondsurface �
���
��
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Le flux de chaleur dans le sol (2/3)
• nécessite des mesures de températures de surface• cs capacité calorifique volumique du sol est elle aussi difficile à
évaluer car très variable dans l’espace• de même pour �z la profondeur de pénétration des ondes de
température la profondeur de pénétration des ondes de température(qui dépend de plus du pas de temps �t considéré)
• en pratique, cette formulation est parfois utilisée à l’échelle mensuelle(FAO) ou abandonnée pour une formulation empirique
ztTTcG
zG
tTc ii
ss ��
���
�
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�
��1
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Le flux de chaleur dans le sol (3/3)
• en théorie, c ’est cette équation du bilan d’énergie dans le sol quidevrait être résolue, en équilibre avec un bilan d ’énergie de la surface
• en pratique, la formulation est précédente (capacité) est parfoisutilisée à l’échelle mensuelle (FAO)
• pour des applications simples elle est le plus souvent elle estabandonnée pour une formulation empirique de type:
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2
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Bilan d’énergie Jour/Nuit
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Cas d’un couvert bien alimenté en eau
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Cas d’un couvert en stress hydrique
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La formulation de Penman-Monteith
• si l’on linéarise le bilan d ’énergie selon la température de la surface, etaprès résolution, on obtient une formule simple (Penman-Monteith):
� � � �� �� �as
aaasatp
rrreTecGRn
E���
�����
1��
�
• avec des formules semi-empiriques pour évaluer certains paramètres(ex. ra) nous pouvons évaluer le bilan pour une gamme de résistancesstomatiques de surface• il existe de nombreuses autres formulations, mais leur évaluation pourune large gamme de climats et de sols favorise l’utilisation de l’équationPenman-Monteith
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Le forçage météorologique
• Rs rayonnement solaire incident• u2 vitesse du vent à 2 m• Ta température de l’air• RH humidité relative de l’air
Les stations météo du réseau synoptique géré par les services météo nationaux, lahauteur de mesure du vent est généralement de 10mle profil logarithmique du vent permet de retrouver la valeur à 2m
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Qu’est-ce quel’évapotranspiration de référence ?
• L’évapotranspiration de référence est l’évapotranspiration d’unesurface de référence, bien alimentée en eau
• Le couvert de référence est exempt de maladie, cultivé dans deschamps de large superficie, dans des conditions de sol optimales,possédant un rendement maximal dans les conditions climatiquesexistantes
• Elle permet d’éviter de définir une évapotranspiration pour chaqueculture, chaque état phénologique, chaque état de stress
• Elle rassemble en fait tous les contrôles climatiques del’évapotranspiration; c’est un paramètre climatique
Parfois on parle d’évaporation potentielle, terme ambigu à proscrire
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Qu’est-ce qu’un couvert de référence ?
« une culture de référence hypothétique avec une hauteurde couvert supposée de 0.12m, une résistance desurface fixe de 70 s/m et un albedo de 0.23 »
Elle correspond à un gazon homogène en phase active decroissance, bien alimenté en eau et couvrant totalement lesol
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Zonation de l’ET0
4-76-9
2-44-7
1-21-3
z. tempéréehumidearide
5-76-8
3-54-6
2-32-4
z.intertropicalehumidearide
~30°C~20°C~10°CET0 en mm/jour
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ET0 [mm/j] à Marrakech
Janvier Février Mars Avril Mai Juin2 2.8 3.8 4.5 5.3 5.9
Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre7 6.8 5.3 3.8 2.4 1.9
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Argile compactée Sable perméable
Albédo 0,3-0,4
Albédo 0,15-0,2
ventventvent
Erosion éolienneErosion pluviale
Inter-ception
Vent atténué
Pluies violentes
Reprise évaporatoire
Beaucoup d’infiltrationPeu d’infiltration,sol compacté par
les animaux etincrusté
Tout ruisselle Frein au ruissellement
Pluies abondantes
Beaucoup d’infiltration,sol aéré par lesbioturbations,
extraction racinaire
Pluies amorties
Interception absorption
Flux de chaleur latente*>>> Flux de chaleur sensible
Flux de chaleur sensible>>> Flux de chaleur latente
Air sec
Airhumide
Flux de chaleur dansle sol et température
du sol importants
Températures dusol, de l’air et de lavégétation proches
Stockage de l’eaudans l’humus
hydrophobe riche enmatières organiques
Rayonnement filtré parle feuillage, peu de
rayonnement arrive ausol, et peu d’évaporation
*Evaporation est réduiteà la transpiration, utilise
eau profonde (voirel’eau de la nappe)
Désertintertropical
Zoneéquatoriale
Alimentation de la nappe
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Plan de la formation• Définition de l’évapotranspiration de référence
• L’évapotranspiration comme le fruit de deux bilans• Les facteurs météorologiques de l’évaporation• Le bilan d’énergie et ses différentes composantes
• Dérivation de la formule de Penman-Monteith• Formulation retenue des différentes composantes• Résolution du bilan d’énergie et dérivation de la formule
• Mise en pratique de la formule• Choix stratégiques et valeurs numériques des paramètres• Formulation journalière/horaire• Application: calcul de l’ET0 pour le site R3 Sidi-Rahal
Démonstration au tableau...
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� �
sa
asatp
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E
rTTcHEHGRn
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