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Mise en place et qualification des procédures de traitement pour la mesure des flux d’énergie, d’eau de CO2 et d’azote en zone de moyenne montagne.

par Encadrants de stages - 4 août 2017

Contact : Jean-Martial Cohard (jean-martial.cohard@univ-grenoble-alpes.fr), Didier Voisin (didier.voisin@univ-grenoble-alpes.fr)

Les zones de moyenne montagne sont particulièrement impactées par les changements climatiques. L’élévation des températures change de manière importante la présence du manteau neigeux, réacteur bio-physico-chimique avéré, et ainsi le fonctionnement de la zone critique (comprise entre la nappe phréatique et la basse atmosphère) et des écosystèmes. Les grands cycles de l’énergie, de l’eau, du CO2 et de l’azote, en sont profondément impactés. Par ailleurs, les apports atmosphériques azotés devraient doubler voire tripler au cours du XXIème siècle (IPCC 2014), introduisant une contrainte supplémentaire sur l’écosystème.
Les conséquences de ces changements, les rétroactions sur les écosystèmes eux-mêmes et sur le climat, sont encore mal connues. En effet peu d’observations permettent de quantifier simultanément ces échanges entre le sol et l’atmosphère de par la difficulté de mesurer dans les zones de montagne. D’une part les processus aérodynamiques impliqués sont particulièrement complexes en présence de relief et d’autre part, ces cycles, couplés par le fonctionnement de l’écosystème limité par la disponibilité en énergie, en eau et en azote dans le sol, nécessitent des analyses multidisciplinaires.
Dans le cadre du programme FluxAlp, une station éco-climatique a été installée à plus de 2000 m d’altitude pour documenter les échanges radiatifs, énergétiques, d’eau et de carbone d’une prairie de fauche. Elle est située près du col du Lautaret (05) à proximité du « Jardin Alpin » de la Station Alpine Joseph Fourier (SAJF). Le projet est mené en étroite collaboration avec les responsables du projet européen ICOS (Integrated Carbon Observation System) dont le site du Lautaret sera le seul site de montagne pour la France. Le dispositif de mesure par Eddy-Covariance (EC) est opérationnel en continu depuis octobre 2016. Le jeu de données obtenu couvre d’ores et déjà une saison hivernale, une période de fonte et un cycle de végétation. Le dispositif sera complété en 2018 par une tour à neige permettant le prélèvement d’air à différentes hauteurs pour estimer les gradients de CO2 de NOx et de N2O.
Dans le cadre de ce stage le travail consistera d’une part à traiter et analyser les données d’Eddy-Covariance avec le logiciel Eddy-Pro pour obtenir des chroniques de flux turbulents en particulier pendant la période de fonte pour laquelle des flux de CO2 et d’azote importants sont attendus. Les flux EC de quantité de mouvement et de chaleur sensible permettront d’obtenir l’évolution temporelle des paramètres aérodynamiques pour les différentes périodes (neige, fonte, végétation). Ces paramètres sont nécessaires pour estimer les flux de N2O et NOx par la méthode des gradients. Cette méthode sera évaluée en l’appliquant pour les flux d’H2O et de CO2 mesurés directement par EC. Les paramètres aérodynamiques pourront également être mis en regard des caractérisations granulométriques de la neige réalisées dans le cadre de l’ANR EBONI. Une caractérisation systématique des zones d’empreinte (footprint) des mesures EC sera effectuée pour les différents régimes de vent observés afin de se doter d’un outil robuste pour identifier les zones sources et qualifier les mesures. Enfin, les conductances surfaciques et stomatiques pourront être estimées par inversion de la formule de Pennman-Monteith. Ces estimations, comparées à un modèle de transpiration de type Ball&Berry permettront d’identifier les périodes de stress de la végétation et leurs causes potentielles. La chaine de traitement ainsi mise en place permettra ainsi de formuler des hypothèses sur le fonctionnement des praires de montagne et du rôle potentiel des apports azotés issus de la fonte de la neige.


Implementation and qualification of data processing for the measurement of energy, CO2, water and nitrogen fluxes in mountainous areas.

Contact : Jean-Martial Cohard (jean-martial.cohard@univ-grenoble-alpes.fr), Didier Voisin (didier.voisin@univ-grenoble-alpes.fr)

Mountainous areas are particularly affected by climate change : increased temperatures significantly change the extent of the snowpack, a recognized bio-physicochemical reactor, and thus the functioning of the ecosystems and the critical zone (area comprised between the water table and the lower atmosphere). The major cycles of energy, water, CO2 and nitrogen are hereby deeply impacted. Moreover, atmospheric nitrogen inputs should double or even triple during the 21st century (IPCC 2014), introducing yet another variable forcing on those ecosystems, which are nitrogen, water, and energy limited.
The consequences of these changes, ie feedbacks on ecosystems themselves and climate, are still poorly understood. Indeed, too few observations are available to quantify simultaneously all those exchanges between the soil and the atmosphere : measurements in mountain areas are fundamentally difficult. On one hand, complex topography makes the aerodynamic processes involved difficult to deal with and, on the other hand, the simultaneous study of these cycles requires multidisciplinary approaches because they are coupled through the ecosystem’s functions.
As part of the FluxAlp program, an eco-climatic station was installed above 2000 meters asl to document the radiative, energy, water and carbon exchanges of a grass pasture. It is located near the Col du Lautaret (05) near the "Alpine Garden" of the Alpine Joseph Fourier Station (SAJF). The project is being carried out in close collaboration with the European Integrated Carbon Observation System (ICOS) project, for which Lautaret site will be the only mountain site in France. The Eddy-Covariance (EC) measurement system has been functioning continuously since October 2016. The data set already covers a snow season, a melting period and a full vegetation cycle. The device will be completed in 2018 by a snow tower allowing air sampling at different heights to estimate CO2 gradients as well as NOx and N2O.
In this internship, the student will first process and analyze the Eddy-Covariance data with Eddy-Pro software to obtain turbulent fluxes time series, especially during the melting period for which large CO2 and nitrogen fluxes are expected. The EC momentum and sensible heat fluxes will then provide time series of the aerodynamic parameters for the different periods (snow, melting, vegetation). These parameters are necessary to estimate the N2O and NOx fluxes by the gradient method. This method will be evaluated by applying it for the H2O and CO2 fluxes also directly measured by EC. The aerodynamic parameters obtained will possibly be linked to the snowpack characterizations carried out within the EBONY ANR project. A systematic characterization of the footprint of the EC measurements will be carried out for the different wind regimes observed in order to have a robust tool to identify the source zones and to qualify the measurements. Finally, the surface and stomatic conductances will be estimated by inversion of the Pennman-Monteith formula. These estimates, compared to a Ball & Berry vegetation model, will help identify stress episodes of the vegetation and their potential causes. The data pipeline thus established will make it possible to formulate hypotheses on the functioning of mountain pasture and the potential role of nitrogen inputs resulting from the snow melt.

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