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UMR ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes

SurfAtm

Un modèle pour l'échange de polluants entre les écosystèmes et l'atmosphère

SurfAtm
Echange de chaleur et de polluants entre l'atmosphère et la biosphère répartie sur le sol et les couches de plantes

Description :

SurfAtm est un modèle pour l'échange de polluants entre les écosystèmes et l'atmosphère.

C'est un modèle bi-directionnel pour l'échange de chaleur et de polluants.

The modèle distingue le sol et les plantes : Il décrit les échanges en terme d'adsorption par les cuticules des feuilles et du transport bidirectionnel par les stomates des feuilles et du sol.

SurfAtm combine une approche résistive pour l'équilibre de l'énergie et est mis en œuvre pour l'ammoniac (NH3) l'ozone (O3) et les pesticides

En ce qui concerne NH3, il intègre un point de compensation à la fois pour les stomates et la litière ou le sol, et pour une voie cuticulaire. Il a été validé pour une prairie.

En ce qui concerne O3, il comprend les stomates, la cuticule et le dépôt du sol quel que soit le parcours de développement du couvert, et est actuellement validée pour le maïs et le blé.

En ce qui concerne les pesticides, il calcule la volatilisation des pesticides juste après l'application, l'intégration de la pénétration de la cuticule et la photo-dégradation du pesticide.

L'approche de la résistance est schématisée en figure 1.(Actualisé par E.Personne et al. 2009).

SURFATM

Figure 1.Schéma de la résistance pour la vapeur d'eau, la chaleur, et le modèle d'échanges de polluants, où z est la hauteur au dessus du sol; e, T et C sont la pression partielle de vapeur d'eau, la température et la concentration des polluants respectivement; Ra, Rac, Rbf, Rbs, Rdry soil, Rwet soil, Rsf et Rwf sont la résistance aérodynamique, la résistance aérodynamique dans le couvert, la résistance de la couche limite de feuilles, la résistance de la couche limite de sol, la résistance de la couche de sol sec, la résistance de la couche de sol humide, la résistance stomatique et la résistance de la cuticule, respectivement; ref, a, z0, Z0', z0s, s, surf, soil et bot, se réfèrent à la référence, l'atmosphère, la longueur de rugosité du couvert pour la quantité de mouvement , la longueur de rugosité pour les scalaires, la longueur de rugosité du sol, la limite du sol, la surface du sol, la limite sol sec/sol humide, et la profondeur du sol humide, respectivement, Ddry et Dwet sont les profondeurs des compartiments de sol secs et humides respectivement.

À l'échelle du champ, Surfatm calcule toutes les 30 minutes :

  • Le bilan énergétique de la surface du sol et des plantes
  • Les températures de surface du sol, de l'air à l'intérieur du couvert végétal, et la surface de feuillage
  • L'équilibre de l'eau du sol
  • Les flux (sensible et latente) chaleur au dessus du couvert
  • Les flux de polluants dessus du couvert
  • La partition des flux de chaleur et de polluants entre le sol et les compartiments de plantes

Caractéristiques du model

Entrées

SURFATM prend en compte les caractéristiques du sol, la structure de la localisation de la végétation, les données météorologiques et la concentration à une hauteur de référence zref toutes les 30 minutes:

  • Les forces météorologiques à une hauteur de référence  zref :
    • Température de l'air (Ta),
    • Humidité relative (HR),
    • R rayonnement net (Rn),
    • Vitesse du vent (U),
    • Précipitations (P)
  • Les caractéristiques du sol:
    • Densité et porosité du sol
    • Capacité au champ,
    • Point de flétrissement
    • Humidité du sol sec afin de définir la disponibilité de l'eau des sols pour les plantes.
    • Conductivité thermique pour les sols humides et secs
  • La structure du peuplement de la végétation:
    •  Une seule face de surface foliaire (LAI)
    •  Hauteur du couvert (hc).

En ce qui concerne la régulation stomatique, il intègre un modèle multiplicatif qui décrit la conductance stomatique de la feuille en fonction des espèces végétales et des variables environnementales (température de feuille, rayonnement photosynthétiquement actif, déficit de pression de la vapeur feuille-air et potentiel hydrique du sol). La résistance des stomates des feuilles est calculée suivant Emberson et al. (2000) et Tuovinen et al. (2004) (voir le paramétrage par "EMEP").

Sorties

Surfatm délivre les données suivantes:

  • Bilan énergétique :
    • - H, LE, G (flux de chaleur sensible, flux de chaleur latente, conduction de la chaleur dans le sol)
    • - La repartition de ces flux entre les différents compartiments.
  • Températures et humidité :
    • à la surface du sol,
    • à la surface folliaire,
    • au sein du couvert
  • Concentrations (NH3, O3, ou pesticides):
    • à la surface du sol,
    • à la surface foliaire,
    • au sein du couvert
  • Flux
    • au dessus du couvert
    • à la surface du sol,
    • à travers les stomates
    • sur la surface de la feuille (cuticule)

Les développements en cours et à venir:

  • Le modèle est actuellement en cours de validation pour les forêts et les prairies (pour O3).
  • Le modèle va être validé pour les pesticides volatilisation.
  • Le modèle va être couplé avec Volt'Air (ammoniac et pesticides volatilisation modèle du sol nu) et donc intégrer les processus détaillés du sol dans ces modèles.
  • Le modèle sera utilisé pour des études en chimie dans l'air du couvert.
  • Le modèle sera utilisé pour une application à la modélisation du transport atmosphérique

Equipes projets

  • - National projects: BioPollAtm, IFLOZ, VULNOZ (ANR), ACCOZ
  • - European projects: GRAMINAE, NitroEurope-IP, ECLAIRE, INGOS

Partenaires

  • - EPHYSE (INRA Bordeaux ; E. Lamaud),
  • - LISA (CNRS, Paris ; I. Coll et al),
  • - Laboratoire Aérologie (CNRS, Toulouse, C. Delon),
  • - UMR INRA-UHP EEF, Nancy, D. Lethiec et al)
Loubet B

LOUBET Benjamin

Directeur de Recherche : Echanges biosphère-atmosphère de composés réactifs Animateur de l'équipe Eco & Phy (Ecophysiologie et Physico-chimie...
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