Tâche 1.1 : Développement et évaluation d’un scintillomètre micro-onde
Contexte
la scintillométrie est une méthode qui permet de quantifier les échanges surface/atmosphère à l’échelle du paysage (Hill 1992). Cette échelle est particulièrement adaptée aux études hydrologiques et aux études de rétroaction des surfaces continentales sur le climat. La scintillométrie permet tout d’abord de ‘gommer’ la variabilité fine liée aux discontinuités d’occupation du sol et aux phénomènes d’advection locale ; elle est de plus cohérente avec la résolution spatiale kilométrique des systèmes satellitaires actuellement disponibles offrant une revisite journalière (AVHRR, MODIS) compatible avec les objectifs de suivi du fonctionnement des surfaces. Enfin, la scintillométrie vient combler le fossé existant entre les réseaux de stations locales au sol (exigeants en terme de maintenance et de suivi) et les moyens aéroportés, lourds à mettre en œuvre, représentatifs d’échelles supérieures, et de plus incompatibles avec un suivi en continu.
Méthode
La scintillométrie est basée sur l’analyse au niveau d’un récepteur des fluctuations d’intensité (scintillations) – et éventuellement de phase – d’un signal émis à distance par un émetteur (qqs 100aines de mètre à qqs km). Les fluctuations observées trouvent leur origine dans les variations de l’indice de réfraction rencontrées le long du trajet du signal dans l’atmosphère, et renseignent ainsi – selon les longueurs d’ondes utilisées – sur les caractéristiques de la turbulence et in fine sur les flux de chaleur intégrés. Ce phénomène de scintillation s’observe fréquemment en journée au-dessus des surfaces chaudes lorsque la ligne d’horizon se met « à danser », ou la nuit lorsqu’on contemple la voûte céleste.
Pour des longueurs d’ondes de signaux émis dans le visible et le proche infra-rouge, la scintillation dépend essentiellement des fluctuations de température de l’air entre l’émetteur et le récepteur et permet d’estimer le flux de chaleur sensible (voir WP1.2). Pour des micro-ondes, la scintillation est sensible aux fluctuations de température et d’humidité. L’utilisation de deux scintillomètre dans deux longueur d’onde différente permet de déconvoluer les effets de chaque variable et d’estimer les flux de chaleur sensible et latent.
Développement d’un outil innovant
Dans le cadre du WP1.1 du projet CRITEX, un prototype de scintillomètre micro-onde à 94GHz a été réalisé par le LTHE et le Rutterford Appleton Laboratory (UK) spécialisé dans le développement d’instrument de télédétection en particulier dans le domaine des radiofréquences.
Figure 1 : récepteur du scintillomètre micro-onde à 94GHz
Installation sur site
Le scintillomètre micro-onde a été installé sur le bassin de l’Orgeval (Observatoire ORACLE, Ile-de-France, Fig. 2 et 3) afin de mettre en place les procédures d’analyse du signal. Il est opérationnel et acquiert des données au kHz en continu depuis le 11/03/2016. Ces données très hautes fréquences permettent d’une part d’extraire un signal propre à l’aide de filtres numériques et d’autre part de qualifier les données. Les procédures d’inversion permettant le passage de la donnée brute (variance du signal reçu) au données physiques que sont les paramètres de structure pour l’indice de réfraction de l’air Cn², de la température CT², et de l’humidité spécifique, sont en phase de finalisation. La conversion en données hydrologiques d’intérêt (ETR) est en cours.
Figure‑2 : Scintillomètres Infra-Rouge et Micro-Onde sur le Château d’eau de Rebais sur le bassin de l’Orgeval (77)
Figure ‑3 : Zone d’empreinte des scintillomètres entre la butte de Doue (à gauche) et le château d’eau de Rebais (à droite) pour des conditions de journée (flux sensible : 200W/m²). Chaque iso-contour représente la surface contribuant respectivement à 10%, 30%, 50%, 70% et 90% à la mesure.
Traitement des données
Figure ‑4 : Paramètres de structure pour la température (rouge) et l’humidité spécifique (bleu) pour un période de 5 jours au mois d’Aout 2016. Les 2 séries ont été mises à l’échelle pour pouvoir être comparées. Elles sont superposées au rayonnement net (gris) et aux précipitations (noir)
La fig. 4 présente 5 jours de signaux inversés représentant les paramètres de structure pour la température et l’humidité spécifique qui permettent d’évaluer les flux de chaleur sensible et de chaleur latente.
Du 15 au 17 août 2016 les journées étaient bien ensoleillées sur l’Orgeval(Courbe du rayonnement net). Le signal CT² après mise à l’échelle, a une dynamique plus grande que le signal de Cq². La pluie du 18 août (~6mm) vient perturber l’inversion, puis les jours suivants Cq² et CT² ont une dynamique similaire. La baisse de l’énergie disponible entraîne une baisse de la convection et de l’activité turbulente observée par les scintillomètres.
Responsable du WP : Jean-Martial Cohard