Le processus d’évapotranspiration (ETR) reste actuellement difficile à évaluer. L’objectif poursuivi par cette recherche est de proposer une méthode suffisamment robuste pour pouvoir être appliquée à l’échelle pluriannuelle tout en permettant un suivi à pas de temps fin au cours de la journée. En s’appuyant sur l’état de l’art, l’étude s’intéresse successivement au cas idéalisé des surfaces homogènes puis à celui des surfaces hétérogènes. Depuis quelques années, l’IRM a entrepris d’automatiser son réseau de stations synoptiques. Un sous-ensemble de stations a été choisi afin d’être doté d’un équipement plus complet comprenant un mât météorologique destiné à effectuer des mesures de la température et de la vitesse du vent à plusieurs niveaux. Ces nouvelles données sont exploitées dans la méthode préconisée. Celle-ci combine la théorie de Monin-Obukhov et l’évaluation du bilan énergétique de surface pour calculer les flux turbulents de chaleur sensible et de chaleur latente ainsi que le flux d’ETR. La télédétection offre quant à elle la possibilité d’observer de vastes territoires. Un modèle diagnostique est proposé pour estimer les flux turbulents de surface et l’ETR sur l’ensemble de la Belgique. Il s’agit d’une variante simplifiée du schéma « Isba » de transfert sol-végétation-atmosphère. Des flux radiatifs déduits d’images du satellite Meteosat sont exploités en entrée. La résolution spatiale est celle du capteur infra-rouge utilisé jusque Meteosat-7 (5*9 km). L’application est réalisée sur la période 1994-2003 avec un pas de temps horaire ce qui représente une première dans le domaine. Des comparaisons sont effectuées avec les résultats obtenus aux stations automatiques de l’IRM et avec des données récentes des stations belges du réseau Fluxnet. Les résultats sont très satisfaisants. Le travail s’achève sur des perspectives de développements futurs, la recherche en la matière étant encore en pleine évolution.

Résumé: Les lacs occupent environ 30% du territoire dans le nord du Canada. Ils peuvent avoir d’importants impacts sur le climat qui ont un effet par la suite sur les propriétés thermiques des lacs. L’étude d’un lac doit généralement débuter avec un bilan calorifique de la surface. La différentiation précise que l’énergie disponible en flux de chaleur sensible ou latent est un élément crucial pour la compréhension des interactions entre les processus climatiques à une échelle régionale. Dans cette étude, le flux de chaleur sensible et le ratio de Bowen sont obtenus à partir des données de la télédétection. La méthodologie se base sur l’utilisation de données microondes (SMM/I) afin de calculer la température de la surface du sol avec la méthode de Fily et al. (2003) et Mialon et al. (2007). La caractérisation de la surface du sol est effectuée à partir de données satellitaires optiques (capteurs SPOT & VGT). Les paramètres météorologiques utilisés pour estimer les flux proviennent de la base de données du North American Regional Reanalysis (NARR). Les résultats présentent un portrait quotidien, mensuel et saisonnier de l’énergie sensible à l’interface sol-air par rapport à la fraction de la surface de plan d’eau (FWS). Nous comparons ensuite nos résultats avec les flux du modèle NARR et quelques mesures in situ. Quatre sites couvrants différents types de surfaces à travers le Canada ont été étudiés pendant les étés 1998 et 2000 (de juin à septembre) : le nord du Québec (toundra), les Territoires du Nord-Ouest (le Grand lac des Esclaves [ou, en anglais, Great Slave Lake. GSLJ et le bassin de la rivière Mackenzie), le Manitoba (zone humide) et le Labrador (taïga). Les résultats montrent que les flux d’énergie sensible satellitaires sont semblables aux flux estimés par le NARR lorsque la FWS est petit (sans lac) ou pour des zones avec de larges surfaces d’eau (Mackenzie Great Slave Lake), mais diffèrent lorsque la FWS augmente à l’intérieur d’un pixel. Ceci signifie que les modèles climatiques régionaux devraient considérer la proposition du territoire occupée par des étendues d’eau. Nous déduisons que les effets de la taille des lacs sont reliés aux conditions environnementales du milieu. Les résultats de la comparaison avec des mesures in situ pour le GSL et la zone humide sont encourageants. Le ratio de Bowen sur le site du bassin de la rivière Mackenzie montre qu’il y a une augmentation de la chaleur sensible durant la deuxième moitié de l’été en comparaison à la première moitié. Il y a ainsi un plus grand stress hydrique pendant la deuxième moitié de l’été. Cependant, il n’y a pas de patrons clairs en comparaison avec le site GSL. La comparaison entre les différents sites indique une variation énergétique annuelle minimale pour la zone humide. || Abstract: Lakes occupy roughly 30% of Canada's northern landscape. They can have important impacts on the climate, and climate modification will affect lake thermal properties. Study of a lake most generally begins with heat budget at its surface. Accurate partitioning of the available energy at the surface into sensible and latent heat flux is crucial to the understanding of interactions between climate processes on a regional scale. In this study, sensible heat flux and the Bowen ratio for the summer period are retrieved using reanalysis and remote sensing data. The methodology is based on the use of microwave data for retrieving land surface temperature (SSM/I) with the method of Fily et al. (2003) and Mialon et al. (2007). The land cover characterization is derived from remotely sensed optical data (SPOT VGT sensor). Some meteorological parameters used for retrieving flux are derived from the North American Regional Reanalysis (NARR) database. The results from this study present a picture of the daily, monthly and seasonally sensible energy over summer period at the land-air interface versus the Fraction of Water Surface (FWS). We compare our results with the NARR model's flux in addition to few in situ measurements. Four sites covering different land cover types across Canada were investigated during the 1998 and 2000 summers (June to September): Northern Quebec (tundra), Northwest Territories (Great Slave Lake, or GSL, and Mackenzie River Basin), Manitoba (wetlands) and Labrador (taiga). The results show that the satellite-derived sensible flux is close to the NARR flux estimate when the fraction of water surface is small (no lakes) and over large open water areas (Mackenzie Great Slave Lake), but differs when the FWS increases within the pixel. This means that regional climate models should take into account lake cover fraction. We infer that effects of the lake-size are closely related to surrounding environmental conditions. The results of the comparison with in situ measurements for Great Slave Lake (1998) and the Wetland site are encouraging. For the Mackenzie River Basin site, the results of the Bowen ratio show that there is an increase of sensible heat partition during the second half of the summer in comparison with the first half, meaning that there is more water stress over the second half of the summer than the first. But for the Wetland site, there is no clear pattern, and in comparison with GSL, temporal variation is less significant. Comparisons between different sites indicate minimum year to year energy variation for the Wetland area.

La circulation atmosphérique en Afrique de l'Ouest est caractérisée par des vents de sud-ouest (mousson) pendant la saison humide et par des vents de nord-est (harmattan) pendant la saison sèche. Cette alternance des saisons est due aux variations de pression liée à l'état des surfaces (rugosité, albédo, végétation) en réaction au forçage solaire. Ces mêmes états de surface génèrent une variabilité de flux turbulents de surface et des circulations secondaires qui rendent complexes les analyses des mesures effectuées sur place en vue de documenter les interactions surface-atmosphère. La modélisation fine échelle (LES) couramment utilisée dans l'étude de la couche limite atmosphérique est requise pour pouvoir palier à ces difficultés en raison de sa capacité à prendre en compte les flux turbulents en 3D et sur topographie complexe. Notre site d'étude est le bassin versant d'ARA située au Nord du Bénin dans un contexte Soudanien avec des propriétés de surface variables. Une analyse climatique est effectuée sur la base des observations de radiosondage, de radar UHF et de stations au sol afin d'extraire des données composites représentatives des saisons sèche et humide. Ces données composites ont servi par la suite à forcer le modèle Méso-NH dans sa version LES. Pour pouvoir caractériser les échelles de longueur des flux turbulents de surface relatives aux saisons sèche et humide, les données standard de forçage de surface de Méso-NH que sont le relief GTOPO30 (1km de résolution) et la végétation ECOCLIMAP (1km de résolution) ont été respectivement remplacer par le SRTM (90m de résolution) et les données de SPOT/HRV (20m de résolution) reéchantillonné à 90m de résolution. A l'aide d'outils statistiques comme la variographie 2D et le suivi Lagrangien, il ressort que la variabilité spatiale de la chaleur sensible H est gouvernée par le couple vent-relief tandis que celle de la chaleur latente E est difficile à mettre en lien sur végétation hétérogène (SPOT/HRV) en saison sèche. En saison humide, la variabilité spatiale du champ H dépend du vent tandis que celle du champ E dépend de la végétation. Cette étude révèle dans tous les cas que les échelles caractéristiques de ces deux champs diffèrent dans les mêmes conditions de forçage de surface et atmosphérique.

La circulation atmosphérique en Afrique de l'Ouest est caractérisée par des vents de sud-ouest (mousson) pendant la saison humide et par des vents de nord-est (harmattan) pendant la saison sèche. Cette alternance des saisons est due aux variations de pression liée à l'état des surfaces (rugosité, albédo, végétation) en réaction au forçage solaire. Ces mêmes états de surface génèrent une variabilité de flux turbulents de surface et des circulations secondaires qui rendent complexes les analyses des mesures effectuées sur place en vue de documenter les interactions surface-atmosphère. La modélisation fine échelle (LES) couramment utilisée dans l'étude de la couche limite atmosphérique est requise pour pouvoir palier à ces difficultés en raison de sa capacité à prendre en compte les flux turbulents en 3D et sur topographie complexe. Notre site d'étude est le bassin versant d'ARA située au Nord du Bénin dans un contexte Soudanien avec des propriétés de surface variables. Une analyse climatique est effectuée sur la base des observations de radiosondage, de radar UHF et de stations au sol afin d'extraire des données composites représentatives des saisons sèche et humide. Ces données composites ont servi par la suite à forcer le modèle Méso-NH dans sa version LES. Pour pouvoir caractériser les échelles de longueur des flux turbulents de surface relatives aux saisons sèche et humide, les données standard de forçage de surface de Méso-NH que sont le relief GTOPO30 (1km de résolution) et la végétation ECOCLIMAP (1km de résolution) ont été respectivement remplacer par le SRTM (90m de résolution) et les données de SPOT/HRV (20m de résolution) reéchantillonné à 90m de résolution. A l'aide d'outils statistiques comme la variographie 2D et le suivi Lagrangien, il ressort que la variabilité spatiale de la chaleur sensible H est gouvernée par le couple vent-relief tandis que celle de la chaleur latente E est difficile à mettre en lien sur végétation hétérogène (SPOT/HRV) en saison sèche. En saison humide, la variabilité spatiale du champ H dépend du vent tandis que celle du champ E dépend de la végétation. Cette étude révèle dans tous les cas que les échelles caractéristiques de ces deux champs diffèrent dans les mêmes conditions de forçage de surface et atmosphérique. / West Africa atmosphere circulation is characterized by south-westerly wind (monsoon regime) during the wet season and north-easterly wind (harmattan regime) during the dry season. This alternation of wind regime is due to surface pressure variability linked to surface heterogeneities. Surface heterogeneities generate surface flux variability, secondary circulation and make complex analysis when trying to document surface-atmosphere feedbacks. LES modelling usually used for boundary-layer studies due to its potential to take into account 3D turbulence over complex topography, is used here to overcome these difficulties. Our site of interest is located in north of Benin characterized by Soudanian climate and heterogeneous surface properties. Climate analysis are first performed with radiosoundings, UHF radar, and EC station data in order to extract composite profile representing dry and wet season.. These composite profiles are then used to force atmosphere part of the Méso-NH LES model. To characterize turbulent fluxes length scales relative to dry and wet season, standard surface forcing data with Méso-NH like GTOPO30 orography (1km ) and ECOCLIMAP vegetation (1km) are respectively replaced by SRTM (90m) and SPOT/HRV vegetation data (20m) resampled to 90m. Along with statistical tools like 2D variography and Lagrangian, we notice that during dry season on heterogeneous vegetation, sensible heat flux H is more driven by wind and orography while we not able to discuss the latent heat flux E case. During wet season with the same surface forcing, it appears that H is driven by wind while E is more dependent to vegetation variability. Our study concludes in all case that H and E are not characterized by the same length scale.

Dans les années récentes, des politiques visant à promouvoir l’efficacité énergétique ont été instaurées en réponse aux obligations réglementaires européennes et internationales. Le stockage d’énergie thermique s’est révélé être une technologie qui permet une amélioration de l’efficacité énergétique, en particulier celle des installations techniques pour le conditionnement d’air, le chauffage et l’eau chaude sanitaire pour le bâtiment. Parmi les différents types existants, le stockage thermique par chaleur sensible est le plus ancien et le plus répandu sur le marché. Or, l’intégration du ballon de stockage dans les installations énergétiques s’avère délicate tant dans la phase de conception que de l’exploitation de ces installations. Par ailleurs, il convient d’évaluer – pour les systèmes et équipements techniques du bâtiment – leurs consommations énergétiques annuelles (ou saisonnières). Pour répondre à l’ensemble de ces exigences, le recours à la modélisation et simulation dynamique des composants et systèmes énergétiques devient indispensable. Le travail de la présente thèse présente une approche de modélisation et de simulation dynamique d’un ballon de stockage d’eau par chaleur sensible qui répond aux contraintes particulières suivantes : assurer une modélisation fine à partir de la résolution des équations de Navier-Stokes d’un composant – le ballon de stockage – dans lesquels les mécanismes de transfert et d’écoulement sont complexes et réaliser une modélisation dynamique d’un système thermique associant des divers composants techniques d’un circuit et ceci avec des temps de calcul raisonnables, compatibles avec les pratiques courantes des bureaux d’étude spécialisés en conception d’installations . Le travail réalisé associe donc une analyse fine du comportement dynamique du ballon grâce au développement d’un modèle CFD, la détermination d’un modèle réduit à partir de ce modèle – qui permet la construction d’un champ dynamique de température – et enfin une modélisation sous Modelica adaptée à la simulation d’un système énergétique complexe. Dans les différentes phases de cette étude, les résultats issus de la simulation sont alors confrontés aux résultats déduits de divers travaux expérimentaux. La validation de la démarche suite à cette confrontation calculs/expériences permet d’envisager l’application des outils présentés à des projets techniques notamment au projet « PV cooling » de climatisation des bâtiments avec une ressource solaire photovoltaïque, projet réalisé en parallèle de ce projet de thèse et porté par les acteurs industriels qui soutiennent cette recherche. / In recent years, policies to promote energy efficiency have been introduced in response to European and International regulatory obligations. Thermal Energy Storage has proven to be a technology that improves energy efficiency, particularly for the air conditioning, heating and domestic hot water utilities in buildings. Among the existing types, sensible heat storage is the oldest and most widespread on the market. The integration of the storage tank into energy installations may be tricky in both the design and operation phases of these installations. Moreover, the annual (or seasonal) energy consumption of the building's technical systems and equipment should be evaluated. To meet all these requirements, dynamic modeling and simulation of energy components and systems becomes essential. The work of this thesis presents a dynamic modeling and simulation approach of a sensible heat water storage tank which respond to the following particular constraints: To ensure a fine modeling based on the resolution of the Navier-Stokes equations of a component – the storage tank – in which the flow and transfer mechanisms are complex, and to carry out a dynamic modeling and simulation, with reasonable computational time, of a thermal energy system associating various technical components of a circuit and compatible with the usual practices of the specialized system design offices. Thus, the carried out work combines a detailed analysis of the dynamic behavior of the storage tank through the development of a CFD model, the development of a reduced model from the previous CFD model that allows the construction of temperature dynamic fields and finally a Modelica modeling adapted to the simulation of a complex energy system. In the different phases of this study, the results from the simulation are compared to the results deduced from various experimental works. The validation of the approach following this comparison between calculations and experimental results makes it possible to consider the application, of the presented tools, in technical projects and in particular the project “PV cooling” for buildings air conditioning with a photovoltaic solar resource, a project that is carried out in parallel with this thesis by the industrial players supporting this research.

L'impact des modifications climatiques et de l'augmentation de la démographie sur le cycle de l'eau et de l'énergie dans la région ouest africaine passe par la quantification des échanges entre les différents couverts de la surface continentale et l'atmosphère. Toutefois, la compréhension du rôle des interactions entre la surface et l'atmosphère dans la dynamique de la mousson ouest africaine est limitée par le manque d'observations dans cette région. Cette thèse porte sur l'étude des flux turbulents, en particulier l'évapotranspiration réelle, en climat soudanien. Les deux couverts étudiés sont une forêt claire (site de Bellefoungou) et une mosaïque de culture/jachère (site de Nalohou), situés dans la région du Nord – Bénin. On dispose de quatre années de mesures (2007 à 2010). Les sites d'étude font partie de l'observatoire hydro – météorologique AMMA – CATCH.Les données de flux turbulents de l'atmosphère ont été mesurées avec la technique d'eddy covariance. La partition énergétique des flux a été examinée à travers la fraction évaporative (EF) et le rapport de Bowen (β) aux échelles diurne, saisonnière et inter-annuelle. Des caractéristiques de surface (conductance de surface et aérodynamique) et le coefficient de découplage ont été calculés pour interpréter la dynamique de l'évapotranspiration réelle.L'analyse des résultats est basée sur un découpage du cycle saisonnier suivant quatre phases du cycle de la mousson : la saison sèche, la saison humide, les phases d'humidification et d'assèchement de l'atmosphère. Aux échelles diurne et saisonnière, on montre que le taux d'évapotranspiration réelle de la forêt est toujours supérieur à celui de la mosaïque de culture/jachère quelle que soit la saison. L'évapotranspiration réelle demeure non nulle en saison sèche sur le site de Nalohou malgré les conditions de surface peu favorables à ce processus. En saison humide, après le saut de mousson, la partition énergétique des flux atteint un régime stationnaire avec une moyenne égale à 0,75 à Bellefoungou et 0,70 à Nalohou pour les 4 années étudiées. Le rapport de Bowen pris dans le même ordre est environ de 0,4 et 0,6 traduisant ainsi, en dépit des conditions humides, la part non négligeable du flux de chaleur sensible sur les deux couverts végétaux. La différence de rugosité entre les deux couverts végétaux entraîne une conductance aérodynamique nettement supérieure à Bellefoungou par rapport à Nalohou. On montre également que la végétation du site de Nalohou est plus efficace en transpiration pendant la saison humide que celle du site de Bellefoungou. A l'échelle inter-annuelle, on n'a pas pu mettre en évidence une relation entre flux de chaleur latente et pluviométrie pour les quatre années étudiées qui sont toutes des années excédentaires. Cependant nous avons observé que le rayonnement net explique la majeure partie de la variabilité inter-annuelle des flux turbulents.Enfin, nous avons également montré avec le coefficient de découplage que la surface soudanienne et l'atmosphère restent couplées toute l'année. Ce fonctionnement de l'interface surface – atmosphère reflète le rôle majeur que jouent les conditions de surface dans la variabilité saisonnière de l'évapotranspiration réelle. Les résultats issus de cette étude donnent une première estimation des flux de chaleur latente et de chaleur sensible sur une forêt claire et une mosaïque de culture/jachère en climat soudanien. Ils sont d'une importance capitale pour la paramétrisation et la validation des modèles de surface ainsi que pour la quantification robuste de la ressource en eau disponible en surface pour l'agriculture, principale activité génératrice de revenus des populations locales. / Assessing the impact of climate and anthropic changes on the water and energy cycles, mainly rely on the quantification of the transfer between the various land covers and the atmosphere. Nevertheless the land – atmosphere interactions in the West African monsoon dynamic is not yet well understood because of the lack of observations in this region. This thesis focuses on the analysis of the sensible and latent heat fluxes under Sudanian climate. The two studied land covers are a clear forest (Bellefoungou) and a cultivated area (Nalohou), located in northern Benin, during four years (2007-2010). The study sites are a part of the hydro – meteorological AMMA – CATCH observatory.Turbulent fluxes were measured with the eddy covariance technique.The flux partitioning was investigated through the evaporative fraction (EF) and the Bowen ratio (β) at diurnal, seasonal and inter-annual scales. Surface characteristics (surface and aerodynamical conductance) and the decoupling factor were calculated to interpret the dynamic of the actual evapotranspiration.The analysis was performed according to four different stages of the monsoon cycle: dry and wet seasons drying and moistening intermediate stages. At diurnal and seasonal scales, actual evapotranspiration was always higher on the forest than on the cultivated area. It remained non zero during the dry season at Nalohou despite surface conditions which were not favorable to this process. During the wet season, after the monsoon onset, EF remained steady with a mean seasonal value of 0.75 at Bellefoungou and 0.70 at Nalohou for the four studied years. The Bowen ratio was 0.4 and 0.6 respectively, thus the sensible heat flux was significant on the two contrasted vegetation covers during the wet season. The contrasted roughness length of the two vegetation covers led to a highest aerodynamic conductance at the clear forest site. The mixed of crop/fallow was shown to be more efficient than the clear forest regarding wet season transpiration. At the inter-annual scale, no relationship can be evidenced between evapotranspiration and annual rainfall for the studied period (2007-2010), which was rather rainy. Nevertheless, the net radiation explains the main part of turbulent fluxes inter-annual variation.Finally, complete surface atmosphere decoupling was never observed. This property of the surface – atmosphere interface underlines the key role of the surface conditions in the actual evapotranspiration. Our results provide a first estimate of the latent and sensible heat fluxes over a clear forest and a mixed crop/fallow under sudanian climate. They are relevant to land surface models parametrisation or evaluation and to a robust quantification of the water resources for agriculture, the main economic activity in this region.