L'atmosphère et la surface terrestre interagissent en permanence par le biais des échanges d'énergie et de matière. Ces flux jouent un rôle important dans l'étude de l'hydrologie des surfaces ou de l'écologie terrestre, ou bien encore l'étude des phénomènes météorologiques et climatiques. En effet, ils représentent les conditions aux limites des différents compartiments du système Terre et la quantification de ces échanges à différentes échelles spatiales est indispensable pour les modèles de prévision. Les mesures de flux d'énergie sont très répandues pour des mesures très localisées, in situ et au sol. Cependant, peu d'instruments de mesures permettent d'obtenir des flux intégrés sur des distances de l'ordre de la centaine de mètres à quelques kilomètres, c'est-à-dire des distances correspondant à la représentativité des pixels des images satellitaires. On compte parmi eux les scintillomètres, instrument de mesure optique, permettant de calculer les flux intégrés de chaleur sensible à partir des mesures de paramètres caractérisant l'intensité turbulente de l'atmosphère tels que le paramètre de structure de l'indice de réfraction de l'air Cn². La présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère peut cependant perturber le signal de ces instruments. L'objectif de ce travail est le développement et la mise en oeuvre d'un scintillomètre optique permettant de mettre en évidence la contribution de l'absorption par la vapeur d'eau sur les scintillations. Les études menées à partir du développement instrumental ne s'orienteront qu'autour de la bande d'absorption à 940nm, longueur d'onde d'émission de certains scintillomètres LAS (Large Aperture Scintillometer). Au début de ma thèse, un prototype de scintillomètre, type LAS, a été conçu de façon à maitriser complètement la technologie : partie optique électronique et le traitement du signal reçu. Celui-ci a ensuite été installé au-dessus d'un site de cultures dans les environs de Toulouse, au cours des années 2007 et 2008. Les résultats obtenus avec ce prototype ont permis d'optimiser le choix de la méthode de calcul H à partir du Cn², en fonction du rapport de Bowen (rapport du flux de chaleur sensible sur le flux de chaleur latente). Les variations de l'intensité lumineuse de l'onde, menant au Cn², sont principalement dues à des effets de réfraction et de dispersion, maissont aussi sensibles à l'absorption de la vapeur d'eau. Afin de quantifier l'influence de 'absorption sur le signal Cn², j'ai utilisé 2 approches : une première approche par filtrage numérique (‘Gabor Transform'), et une seconde, par méthode chromatique. Cette dernière a nécessité de modifier considérablement le système optique du prototype LAS. Les résultats obtenus expérimentalement montrent que la contribution de l'absorption à la mesure du Cn² est en moyenne assez faible, mais qu'elle peut prendre de forte valeur, principalement lors de faibles flux H. La quantification de l'absorption par méthode hromatique est pour l'instant limité au développement technique de l'instrument. / Atmosphere, soil and vegetation are in interactions by the bias of energetic or matter exchanges. This latters have an important impact on hydrology, ecology, meteorology. Actually, they represent the boundary conditions of the Earth-Atmosphere system. Then, the quantification of these exchanges or fluxes is necessary to understand large scales phenomena and to improve forecasting models. Numerous devices are able to quantify these fluxes at local scales, but few are available to measure them over kilometres, which mean at the resolution of remote sensing datas. Amongst them, we can notice the scintillometers that are able to calculate sensible heat fluxes over distances from hundred meters to few kilometres. Actually, these devices are sensitive to variations of the refractive index of air, mainly due to turbulent eddies, defined by the structure parameter of refractive index : Cn². However, this measurement can be altered by the presence of water vapour in the air. Thus, the aim of this work is to design and make a scintillometer which is able to quantify the water vapour contribution on the Cn² measurement. In this thesis, we will focus on this contribution in the 940nm band which is the wavelength of various scintillometers LAS (Large Aperture Scintillometers). At the beginning of my PhD thesis, un scintillometer prototype has been realised in order to master the technology : optics, electronics, signal processing…This latter has been set up over crops at a few kilometres from Toulouse, between 2007 and 2008. Thanks to the results of this scintillometer, we optimize the choice on the Cn² to H algorithm, according to the Bowen ratio ß (ratio of sensible to latent heat flux). Variations of the light beam, leading to the Cn², are mainly due to refraction and dispersion effect. However, absorption can be important. In order to quantify the contribution of absorption on the Cn², 2 methods are suggested : one based on signal processing aspect (Gabor filtering), and the second one on two wavelengths propagation. To realize this latter the optics and electronics of the device have been really modified. Results show that absorption contribution is small, but can be important for low H values. Finally, the quantification of absorption by two wavelengths approach is nowadays bounded to instrumental development.

Une portion importante du cycle du carbone se situe au niveau des échanges gazeux entre l'eau et l'atmosphère. L'importance de ces flux est accentuée par l'enjeu des changements climatiques et de la gestion des gaz à effet de serre. Il reste cependant plusieurs aspects de ce processus qui sont mal compris et plusieurs biais persistent dans la méthodologie. Dans le but d'améliorer les techniques d'échantillonnage, la possibilité d'utiliser la turbulence pour prédire la vitesse d'échange gazeux (k) a été explorée et l'hypothèse que la chambre flottante engendre de la turbulence artificielle a aussi été testée. De plus, dans le but d'unifier les diverses relations entre le vent et k, plusieurs variables facilement mesurables combinées à la vitesse du vent ont été testés. Les données de cette étude ont été échantillonnées d'une part dans le réservoir hydroélectrique d'Eastmain-1 et d'autres parts dans 11 lacs en Estrie, Québec. La vitesse d'échange gazeux à été mesuré in situ à l'aide d'une chambre flottante. Plusieurs variables météorologiques dont la turbulence de l'eau ainsi que quelques variables limnologiques ont aussi été mesurés. Un modèle robuste a été élaboré en utilisant la turbulence de l'eau à l'intérieur de la surface d'échantillonnage de la chambre pour expliquer k. Il a aussi été démontré la chambre flottante surestime k et cela est due à la turbulence à l'intérieur de la surface d'échantillonnage créée par celle-ci. Le rapport de surestimation peut atteinte dix fois la valeur réelle et ensuite diminue plus la turbulence naturelle du système augmente. Finalement, il a été montré que l'ajout de l'aire du système aux vitesses de vents dans une régression multiple améliore grandement la prédiction de k dans une variété de systèmes aquatiques différents. En apportant de meilleurs outils de mesure et d'estimation des vitesses d'échanges gazeux, cette étude permettra d'améliorer la précision des estimations des émissions de gaz à effet de serre provenant des milieux aquatiques terrestres. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : échanges gazeux, dioxyde de carbone, interface air-eau, turbulence, chambre flottante

<p> The objective of this investigation was to examine the potential of the point heat-flux meter in studying the dynamic heat transfer process in a scraped-surface heat exchanger.</p> <p> The heat-flux meters were an integral part of the copper heat exchanger which was steam-heated. Water was passed through the equipment as a thin film. The steam condensate was collected for measurement.</p> <p> Mathematical analysis related the transient differential temperature of the detector with the transient applied heat flux. A mathematical model was found that would estimate the instantaneous heat flux from the heat-flux-meter experimental temperature difference.</p> <p> Instantaneous and time-average local heat fluxes were measured by the heat-flux meter and the condensate respectively. The meter accuracy was -7000 Btu/hr sq ft.</p> <p> The heat-flux meter can be used in studying dynamic heat transfer processes.</p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

Les milieux complexes sont une source d'incertitude importante notamment lorsqu'il s'agit de développer des modèles climatique ou météorologique. Le développement de la couche limite atmosphérique à l'intérieur d'une vallée encaissée, incluant des vents de vallée et de pente, n'est, par exemple, pas résolu, ce qui a un impact considérable sur la prévision de la convection, du transport de polluants, etc... La simulation des grandes échelles de la turbulence (SGE) est un outil qui a montré sa capacité à reproduire finement les structures turbulentes dans ce type de contextes au travers des approches idéalisées. L'extension de la SGE aux milieux naturels est réalisée dans cette thèse qui s'articule en trois parties. La première partie présente les équations et les notions nécessaires à la compréhension des problèmes de turbulence dans la couche limite atmosphérique. On s'attache à décrire le cadre des lois issues de la théorie des similitudes et le cadre de la turbulence optique. La seconde partie présente des résultats issus de deux simulations idéales dans lesquelles nous comparons les résultats issus de la simulation avec d'une part les lois issues de la théorie des similitudes et d'autre part les données radar disponible lors de la campagne IHOP. L'utilisation d'un maillage raffinée près du sol permet d'améliorer les profils verticaux des champs turbulents en améliorant la prédiction des gradients à l'interface sol/atmosphère. De plus, le profil de couche limite est bien reproduit par les profils du paramètre de structure des fluctuations de l'indice de réfraction de l'air simulé si on compare avec les résultats issus du radar. Globalement, la dynamique des champs turbulents résolus par le modèle reproduise une dynamique et des ordres de grandeurs corrects conformes à nos attentes. Une fois l'évaluation du modèle effectuée, une simulation a été mise en place autour de la campagne d'observation VOTALP située dans le sud de la Suisse. Cette simulation comprend 5 domaines emboités allant de 16 kms de résolution horizontales pour le plus grand domaine à 100m pour le plus petit domaine. L'important dispositif déployé durant la campagne VOTALP située dans une vallée dans le sud de la Suisse a permis de confronter les résultats issus de la modélisation à haute résolution avec ces données d'observation. Les résultats obtenus ont, entre autre, montré que la simulation à haute résolution est un outil adapté pour l'étude des phénomènes de basses couches et notamment la turbulence optique en milieu complexe.

Les milieux complexes sont une source d'incertitude importante notamment lorsqu'il s'agit de développer des modèles climatique ou météorologique. Le développement de la couche limite atmosphérique à l'intérieur d'une vallée encaissée, incluant des vents de vallée et de pente, n'est, par exemple, pas résolu, ce qui a un impact considérable sur la prévision de la convection, du transport de polluants, etc... La simulation des grandes échelles de la turbulence (SGE) est un outil qui a montré sa capacité à reproduire finement les structures turbulentes dans ce type de contextes au travers des approches idéalisées. L'extension de la SGE aux milieux naturels est réalisée dans cette thèse qui s'articule en trois parties. La première partie présente les équations et les notions nécessaires à la compréhension des problèmes de turbulence dans la couche limite atmosphérique. On s'attache à décrire le cadre des lois issues de la théorie des similitudes et le cadre de la turbulence optique. La seconde partie présente des résultats issus de deux simulations idéales dans lesquelles nous comparons les résultats issus de la simulation avec d'une part les lois issues de la théorie des similitudes et d'autre part les données radar disponible lors de la campagne IHOP. L'utilisation d'un maillage raffinée près du sol permet d'améliorer les profils verticaux des champs turbulents en améliorant la prédiction des gradients à l'interface sol/atmosphère. De plus, le profil de couche limite est bien reproduit par les profils du paramètre de structure des fluctuations de l'indice de réfraction de l'air simulé si on compare avec les résultats issus du radar. Globalement, la dynamique des champs turbulents résolus par le modèle reproduise une dynamique et des ordres de grandeurs corrects conformes à nos attentes. Une fois l'évaluation du modèle effectuée, une simulation a été mise en place autour de la campagne d'observation VOTALP située dans le sud de la Suisse. Cette simulation comprend 5 domaines emboités allant de 16 kms de résolution horizontales pour le plus grand domaine à 100m pour le plus petit domaine. L'important dispositif déployé durant la campagne VOTALP située dans une vallée dans le sud de la Suisse a permis de confronter les résultats issus de la modélisation à haute résolution avec ces données d'observation. Les résultats obtenus ont, entre autre, montré que la simulation à haute résolution est un outil adapté pour l'étude des phénomènes de basses couches et notamment la turbulence optique en milieu complexe. / Complex environments are an important source of uncertainty especially when it comes to developing climate models and weather. The development of the atmospheric boundary layer within a valley, including valley and slope winds is, for example, unresolved, which has a significant impact on the prediction of convection, of transport of pollutants, etc ... The large eddy simulation of turbulence (LES) is a tool that has demonstrated its ability to reproduce turbulent structures in such idealized contexts. The extension of the LES to natural environments is performed in this thesis divided into three parts. The first part presents the equations and the concepts necessary to understanding the problems of turbulence in the atmospheric boundary layer. It attempts to describe the laws for the similarity theories and the context of optical turbulence. The second part presents the results of two ideals simulations and we compare the results of the simulation with one hand the laws of the similarity theories and in other hand with radar data available in the IHOP campaign. The use of a refined mesh near the floor improves vertical profiles of turbulent fields improving prediction gradients at the interface soil / atmosphere. In addition, the boundary layer profile seems to be well reproduced by Cn2 profiles when compared with the results from the radar. Overall, the dynamics of turbulent fields solved are in good agreement with our expectations. Once the model evaluation performed, a simulation was set up around the measurement campaign VOTALP located in the south of Switzerland. This simulation includes five nested domains ranging from 16 km horizontal resolution for the largest to 100m for the smallest area. The important device deployed during the campaign VOTALP located in a valley in southern Switzerland has to confront the results of modeling the high-resolution observational data. The results obtained, among others, showed that the high-resolution simulation is a suitable tool for the study of the phenomena of lower layers including optical turbulence in complex environments.

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