Le processus d'évapotranspiration (ET) est l'une des composantes les plus significatives du cycle de l'eau de la Terre. C'est le plus important consommateur d'énergie, créant le lien entre les cycles de l'eau et de l'énergie. La maîtrise de ce processus est donc indispensable pour mieux appréhender les mécanismes complexes régissant les interactions entre le sol et l'atmosphère en terme de transfert de masse et de chaleur. Compte tenu de son intérêt majeur dans un éventail de disciplines, l'étude d'un tel processus a fait l'objet de plusieurs travaux scientifiques ces dernières années. Ceci a conduit au développement d'une grande variété de méthodes ayant pour objectif de quantifier l'ET et ses principales composantes, comme par exemple l'évaporation et la transpiration. Néanmoins, malgré l'effort scientifique, l'estimation précise de l'ET reste limitée par un certain nombre de problèmes non résolus. Certains de ces problèmes sont liées à la variabilité de l'ET dans l'espace et dans le temps, ainsi que selon les climats et les biomes. D'autres problèmes sont liés au paramétrage et à l'étalonnage des modèles ET proposés et au nombre important des données nécessaires pour exécuter ces modèles. Afin de pallier les difficultés des modèles ET existants, un nouveau modèle, dit modèle MEP (Maximum Entropy Production), a été récemment développé en se basant sur la thermodynamique hors-équilibre et la théorie des probabilités bayésiennes. Ce modèle offre une alternative intéressante pour estimer efficacement l'ET et les flux de chaleur de surface en utilisant moins de variables d'entrée que les modèles existants, tout en respectant la fermeture du bilan énergétique de surface. Il existe trois versions de ce modèle permettant d'estimer séparément l'évaporation, la transpiration et la sublimation. Cependant, jusqu'à présent, les capacités de ce modèle n'ont été évalués que sur des sites et conditions climatiques relativement simples et homogènes. Son applicabilité sur des sites complexes présentant des climats et couvertures végétales variés n'a pas été étudiée. Dans ce contexte, le présent projet de thèse vise à investiguer les capacités du modèle MEP à simuler correctement l'ET pour une large gamme de climats et de couvertures végétales et d'apporter les améliorations nécessaires en cas d'insatisfaction. Pour atteindre ses objectifs, ce travail est divisé en deux parties.La première partie du travail s'est intéressée à l'investigation du modèle MEP dans des conditions climatiques et végétales complexes en l'absence des effets de neige. Pour ce faire, un couplage entre les deux versions du modèle MEP utilisés pour estimer l'évaporation du sol et la transpiration de la végétation a été développé. Le modèle couplé obtenu, désigné par MEP-ET par la suite, repose sur l'introduction d'un coefficient de pondération caractérisant la proportion de la surface végétalisée par rapport à la surface totale du site étudié. Ainsi, l'ET totale dans les sites partiellement végétalisés est calculée comme la somme pondérée de l'évaporation du sol et de la transpiration de la végétation. Pour étudier les performances du modèle MEP-ET, celui-ci a été appliqué sur huit sites FLUXNET sur le continent américain présentant différentes conditions climatiques et végétales. La comparaison entre les estimations obtenues et les observations in situ de l'ET montre la grande aptitude du modèle MEP-ET à estimer l'ET dans les sites caractérisés par une présence abondante à modérément limitée d'eau. Dans les sites caractérisés par des conditions de stress hydrique élevé, les estimations obtenues sont loin d'être réalistes. Ceci est dû au fait que la version originale du modèle MEP-ET ne prend pas en compte les effets du stress hydrique du sol sur les stomates. Pour sur monter ce problème, un nouveau paramètre de régulation permettant de reproduire correctement ces effets a été introduit. L'ajout de ce paramètre a considérablement réduit les biais de la version originale du modèle MEP-ET, notamment dans les conditions de stress hydrique. Le modèle MEP-ET généralisé, impliquant le paramètre de régularisation, se montre beaucoup plus performant que d'autres modèles classiquement utilisés pour estimer l'ET, comme le modèle dePenman–Monteith (PM), la version modifiée de la méthode Priestley–Taylor–Jet (PT-JPL) et le modèle modèle à deux sources basé sur l'humidité relative de l'air (ARTS) dans tous les sites testés. La deuxième partie de ce travail s'est intéressée à la prise en compte des effets de neige sur l'estimation de l'ET pour permettre la simulation des flux de vapeur d'eau de surface (chaleur latente) sur l'ensemble du cycle de vie du manteau neigeux, notamment l'accumulation de neige et la fonte au début de la saison de croissance. Pour ce faire, le modèle MEP-ET généralisé,qui a été proposé dans le première partie du travail, a été couplé avec la version du modèle MEP simulant la sublimation de la neige pour prendre en compte l'effet de la perte d'eau de la neige dans l'atmosphère pendant le cycle de vie du manteau neigeux sur l'ET. Deux hypothèses basées sur des observations pluriannuelles de plusieurs sites on été utilisées pour développer ce couplage : (1) la sublimation devient négligeable pendant la fonte lorsque le manteau neigeux est isotherme (0°C) et (2) la transpiration est progressivement activée en fonction de la température de l'air au réveil de la végétation. L'approche de couplage proposée s'avère efficace pour modéliser les flux de vapeur d'eau de surface totaux au cours du cycle de vie du manteau neigeux. / The process of evapotranspiration (ET) is one of the most significant components of the earth water cycle. It is the most important consumer of energy, creating the link between the cycles of water and energy of the Earth. Therefore, control of this process is essential to better understand the complex mechanisms governing the interactions between the soil and the atmosphere in terms of mass and heat transfer. Given its major interest in various disciplines,the study of such a process has been the subject of several scientific works in recent years.This has led to the development of a wide variety of methods for quantification of ET and its main components, such as evaporation and transpiration. Nevertheless, despite the scientific effort, precise ET estimation remains limited by a number of unresolved problems. Some of these problems are related to the variability of ET in space and time, as well as in climate sand biomes. Other problems are related to the setting and calibration of the proposed ET models and the important number of data needed to run them.To overcome difficulties related to existing ET approaches, a new model, called the Maximum Entropy Production (MEP) model, was recently developed based on out-of-equilibrium thermodynamics and Bayesian probability theory. This model offers an interesting alternative to efficiently estimate ET and the surface heat fluxes, using fewer input variables than the existing models, while respecting the closure of the surface energy balance. There are three MEP versions used to separately estimate evaporation, transpiration and sublimation. However, until now, the capabilities of this model have only been evaluated in relatively simple and homogeneous sites and climatic conditions. Its applicability on complex sites with varied climates and plant covers has not been studied. In this context, the present project aims to investigate the capabilities of the MEP model to accurately predict ET in a wide range of climates and plant covers and to propose improvements in order to enhance such capabilities if necessary. To achieve its objectives, this work is divided into two parts.The first part of the work has focused on the investigation of the MEP model under complex climatic and plant conditions in the absence of snow effects. To this end, a coupling between the two versions of the MEP model used to estimate soil evaporation and vegetation transpiration has been developed. The obtained coupling model, which is referenced to in the followingas MEP-ET model, is based on the introduction of a weighting coefficient characterizing the proportion of the vegetated surface with respect to the total surface of the studied site. Using this model, total ET in partially vegetated sites is calculated as the weighted sum of soil evaporation and vegetation transpiration. To study the performance of the MEP-ET model,it has been applied to eight FLUXNET sites, with different climatic and plant conditions, in the American continent. The comparison between the obtained estimates and the in-situ observations of the ET shows the great ability of the MEP-ET model to estimate the ET in sites characterized by an abundant to moderately limited presence of water. In sites characterizedby conditions of high water stress, the estimates obtained are far from being realistic. This is because the original version of the MEP-ET model does not take into account the effects of soil moisture stress on stomata. To overcome this problem, a new regulation parameter has been introduced to correctly reproduce these effects. The addition of this parameter has significantly minimized biases of the original version of the MEP-ET model, especially underwater stress conditions. The generalized MEP-ET model, involving the regulation parameter,is much more efficient than other models conventionally used to estimate ET at all test sites, such as the Penman–Monteith (PM), modified Priestley–Taylor–Jet Propulsion Laboratory(PT-JPL), and air-relative-humidity-based two-source model (ARTS).The second part of this work has focused on the inclusion of snow effects on the ET estimationin order to allow for simulation of the surface water vapor fluxes (latent heat) over the entire snowpack cycle, including snow accumulation and snow melting at the beginning of the growing season. To do this, the generalized MEP-ET model proposed in the first part of the work has been coupled with the MEP version for snow to consider effects of water loss in the atmosphere during the snowpack life cycle on the ET. Two hypotheses based on multi-year observations of several sites have been used to develop this coupling: (1) effects of sublimation are negligible during melting when the snowpack is isothermal (0°C) and (2) effects of transpiration are progressively activated according to the air temperature when the vegetation awakes. The proposed coupling approach is shown to be very effective in modeling the total surface watervapor fluxes during the snowpack life cycle.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/67564 |
| Date | 27 January 2024 |
| Creators | Hajji, Islem |
| Contributors | Anctil, François, Music, Biljana |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xiii, 114 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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