Testing and Evaluating a microwave scintillometer to derive Evapotranspiration of a crop mosaic.

5 to 6 months - IGE Grenoble - Hydrology

Evapotranspiration (ET) remains particularly difficult to quantify, especially on complex and heterogeneous landscapes. 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 hydrological model mesh. If optic scintillometry is today considered to be an accomplished technique to measure spatially integrated sensible heat fluxes and to indirectly derive ET through the energy budget equation, very few results have been published using microwave (MW) scintillometry to derive ET more directly at km² scales for lack of reliable instruments. The recent development of new sensors operating in the microwave (MW) domain and the formalization of new algorithms for the treatment of turbulent correlations revive dreams of reliable and continuous measurements of the evapotranspiration at the landscape scale.
In the context of the ANR CRITEX project, a MW scintillometer (94GHz) has been developed in collaboration with the Rutherford Appleton Laboratory (UK) and operated over a crop mosaic on the ORGEVAL catchment, located east of Paris in the Seine Catchment. It is implemented together with an IR scintillometer to estimate evapotranspiration fluxes at the catchment scale. An 18 months series is available and their processing will be part of the internship. The scintillometer had to be renewed and a new calibration of the instrument is necessary to lead a new campaign in 2023 (MOSAI project for the study of the variability of soil-atmosphere exchanges and their representation in models). A small experiment field has to be organized for this purpose. This will be the second part of the internship.
For analysis Several methods will be applied to derive latent and sensible heat flux which will help to characterize uncertainties. The data will be qualified regarding the energy budget closure. A systematic footprint analysis will be performed to be used for an inter comparison with the available Eddy-covariance estimations of the turbulent fluxes and to estimate the water losses at catchment scale. This work will help to document the water budget of a sub-catchment (104km²) of the Seine River which feed 30% of the French population and which is still susceptible to flood.

L’évapotranspiration (ET) reste particulièrement difficile à quantifier, en particulier dans des paysages complexes et hétérogènes. Depuis les années 1990, la scintillométrie a été reconnue comme une méthode robuste pour estimer les flux turbulents aux échelles du km² compatibles avec la taille d’un pixel satellite ou une maille de modèle hydrologique. Si la scintillométrie optique est aujourd’hui considérée comme une technique opérationnelle pour mesurer les flux de chaleur sensible intégrés et pour dériver indirectement l’ET comme le résidu du bilan d’énergie, très peu de résultats ont été publiés en utilisant la scintillométrie micro-ondes (MW) pour dériver plus directement les flux latents à l’échelle du km² par manque d’instruments fiables. Le développement récent de nouveaux capteurs fonctionnant dans le domaine des micro-ondes (MW) et la formalisation de nouveaux algorithmes pour le traitement des corrélations turbulentes relancent les ambitions de mesures fiables et continues de l’évapotranspiration à l’échelle du paysage.
Dans le cadre du projet ANR CRITEX, un scintillomètre MW (94 GHz) a été développé en collaboration avec le Laboratoire Rutherford Appleton (Royaume-Uni) et mis en œuvre sur une mosaïque de culture sur le bassin de l’ORGEVAL, situé à l’est de Paris dans le bassin de la Seine. Il est mis en œuvre avec un scintillomètre Infra-Rouge pour estimer les flux d’évapotranspiration à l’échelle du bassin versant. Une série de 18 mois est disponible et leur traitement fera partie du stage. Par ailleurs, le scintillomètre a dû être réparé et une nouvelle calibration de l’instrument est nécessaire pour mener une nouvelle campagne en 2023 (projet MOSAI pour l’étude de la variabilité des échanges sol atmosphère et leur représentation dans les modèles). Une petite expérience doit être organisé à cette fin. Ce sera la deuxième partie du stage.
Pour l’analyse des données, plusieurs méthodes seront appliquées pour dériver les flux de chaleur latente et sensible qui aidera à caractériser les incertitudes de mesures. Les données seront évaluées au regard de la fermeture du bilan d’énergie. Une analyse systématique de l’empreinte sera effectuée pour permettre une inter-comparaison avec les flux turbulents mesurés par Eddy-Covariance et pour estimer les pertes en eau à l’échelle du bassin versant. Ce travail aidera à documenter le bilan d’eau d’un sous-bassin versant (104 km²) de la Seine, bassin qui alimente près de 30% de la population française et qui est encore susceptible de subir des inondations.