Measurement of aggregated sensible and latent heat fluxes at km² scales and their variability over a heterogeneous landscape during the MOSAI experiment.

5 mois : février - juin 2024

(English version below)

Mesure des flux de chaleur sensible et latente agrégés à l’échelle du km² et de leur variabilité sur un paysage hétérogène pendant l’expérience MOSAI

L’évapotranspiration, et plus généralement les flux turbulents, restent particulièrement difficiles à quantifier et à modéliser, notamment sur des paysages complexes et hétérogènes. Plus précisément, les modèles climatiques et atmosphériques reposent sur des hypothèses d’homogénéité de surface qui, la plupart du temps, ne sont pas valables. Cela conduit à de grandes incertitudes dans les simulations des modèles atmosphériques pour la croissance de la couche limite, la disponibilité de l’humidité et la dynamique des nuages de basse couche. Dans le cadre du projet ANR MOSAI, nous cherchons à caractériser la variabilité des flux turbulents à l’échelle d’un pixel de modèle climatique ou météorologique et à évaluer les schémas d’agrégation à la taille du pixel de modèle. Parmi les actions du projet, une expérimentation est prévue sur le site P2OA ACTRISS près de Lannemezan (65) pour mesurer les flux turbulents avec une douzaine de stations turbulentes sur une zone de 5x5km², des scintillomètres, des profileurs de vent, des mesures aéroportées, ... Depuis les années 1990, la scintillométrie est reconnue comme une méthode capable d’estimer les flux turbulents à l’échelle du km², compatible avec un pixel satellite ou une maille de modèle météorologique/hydrologique.

Le stage visera à faire fonctionner deux scintillomètres, l’un dans le domaine Hyperfréquence et l’autre dans le domaine Infra-Rouge, ainsi qu’une station de flux dans le cadre de l’expérience MOSAI P2OA. Les scintillomètres couvrent un trajet de 0,6 km et mesurent les turbulences produites par des zones sèches et humides. Les mesures du scintillomètre seront comparées aux données de turbulence de deux tours à flux installées respectivement sur une zone humide et sur une prairie située sur une crête, afin de documenter la variabilité des flux turbulents associés à l’humidité du sol. Les instruments ont été installés à proximité du CRA (Centre de Recherche Atmosphérique - Lannemezan) à partir d’avril 2023 et ont livré des données pour 3 périodes d’observation intensive (POI). L’instrument sera toujours disponible pour des mesures supplémentaires tout au long du stage.
Le stage consistera à gérer les instruments sur site, et à traiter les données des trois POI. Les procédures de de traitement des données de scintillométrie a été amélioré et testé en 2022 avec succès sur une mosaïque de cultures et sera appliqué à l’expérience MOSAI. Les données de d’Eddycovariance seront traitées à l’aide du logiciel EddyPro. Ces données seront ensuite utilisées pour la comparaison avec la modélisation atmosphérique haute résolution (Large Eddy Simulations).

english version :
Measurement of aggregated sensible and latent heat fluxes at km² scales and their variability over a heterogeneous landscape during the MOSAI experiment

Evapotranspiration and more generally turbulent fluxes remain particularly difficult to quantify and to model, especially over complex and heterogeneous landscapes. Specifically, climate and atmospheric models rely on surface homogeneity assumptions which most of the time are not valid. This leads to large uncertainties in atmospheric model simulations for boundary layer growth, moisture availability and low level clouds dynamic. Within the MOSAI ANR project, we aim to characterize turbulent fluxes variability at the scale of a climate or meteorological model pixel and evaluate aggregation scheme at model pixel size. Among the project actions, an experiment is schedule at P2OA ACTRISS site near Lannemezan (65) to measure turbulent fluxes with a dozens of turbulent stations on a 5x5km² area, scintillometers, wind profilers, UAV measurements, …
Specifically, since the 1990s, scintillometry has been recognized as an accurate method to estimate turbulent fluxes at km² scales compatible with a satellite pixel or a meteorological/hydrological model mesh. The internship will aim to operate two scintillometers one in the Microwave domain and one in the Infra-Red domain, together with one flux stations within the context of the MOSAI P2OA experiment. Scintillometers are covering a 0.6km path and measure turbulence produced by dry and wetlands. Scintillometer measurements will be compared with turbulence data from two Eddy-flux towers installed respectively over a wetland and over a grassland located on a ridge to document turbulent fluxes variability associated with the soil moisture. Instruments are installed close to the CRA (Centre de Recherche Atmosphérique - Lannemezan) from April 2023 and delivered data for 3 Intensed observation periods. The instruentation will be still available for extra measurements along the internship.
The internship will consist in managing the instruments on site, and in processing the data from the three IOPs. The processing work-flow for scintillomettry data have been upgraded and tested in 2022 with success over a crop Mosaic and will be apply for the MOSAI experiment. Eddy-covariance data will be processed using the EddyPro Software. Those data will be further used for comparison with high resolution Large Eddy Simulations atmospheric modeling.