Conception, réalisation et mise en oeuvre d'un scintillomètre : influence de la vapeur d'eau dans la bande 940nm

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. ABSTRACT : 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 β (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

Conception réalisation et mise en oeuvre d'un scintillomètre (influence de la vapeur d'eau dans la bande 940nm)

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 Cn . 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 Cn , 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 Cn , 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 Cn , 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 Cn 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 : Cn . 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 Cn 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 Cn to H algorithm, according to the Bowen ratio ß (ratio of sensible to latent heat flux). Variations of the light beam, leading to the Cn , are mainly due to refraction and dispersion effect. However, absorption can be important. In order to quantify the contribution of absorption on the Cn , 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.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Designing and making a scintillometer : influence of water vapour in the 940nm band

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

Attenuating absorption contribution on Cn² estimates with a large-aperture scintillometer

Large aperture scintillometers (LAS) are often used to characterise atmospheric turbulence by measuring the structure parameter of the refractive index Cn². However, absorption phenomena can lead to an overestimation of Cn². By applying an accurate numerical filtering technique called the Gabor Transform to the signal output of a LAS, we improved our knowledge of the accuracy of the measured Cn² by determining and attenuating the contribution of absorption. Two studies will be led on a 12-day dataset using either fixed band pass or adaptive filtering. The first one consists in evaluating the best-fitted filter for which the resulting Cn² is independent of meteorological conditions, especially wind speed, and the second one consists in accurately attenuating absorption phenomena. A reference Cn² (hereafter 'reconstructed Cn²') will be created by accurately removing absorption from the scintillation spectrum, and will be used to evaluate each filter. By comparing the 'reconstructed Cn²' with a raw Cn² measured by a scintillometer we found that the average relative contribution of absorption to the measurement of Cn² is approximately 1.6%. However, the absorption phenomenon is highly variable; occasionally, in the worst cases, we estimated that the absorption phenomenon could represent 81% of the value of Cn². Some explanations for this high variability are proposed with respect to theoretical considerations. Amongst the fixed band pass filtering used in this paper, we concluded on the preferential use of a band pass filter [0.2- 400 Hz] for Cn² at 60%. Using an adaptive filter on the 12-day dataset really improves the filtering accuracy on both points discussed in this paper

Uncertainty analysis of computational methods for deriving sensible heat flux values from scintillometer measurements

International audienceThe use of scintillometers to determine sensible heat fluxes is now common in studies of land-atmosphere interactions. The main interest in these instruments is due to their ability to quantify energy distributions at the landscape scale, as they can calculate sensible heat flux values over long distances, in contrast to Eddy Covariance systems. However, scintillometer data do not provide a direct measure of sensible heat flux, but require additional data, such as the Bowen ratio ( ), to provide flux values. The Bowen ratio can either be measured using Eddy Covariance systems or derived from the energy balance closure. In this work, specific requirements for estimating energy fluxes using a scintillometer were analyzed, as well as the accuracy of two flux calculation methods. We first focused on the classical method (used in standard softwares) and we analysed the impact of the Bowen ratio on flux value and uncertainty. For instance, an averaged Bowen ratio ( ) of less than 1 proved to be a significant source of measurement uncertainty. An alternative method, called the " -closure method", for which the Bowen ratio measurement is not necessary, was also tested. In this case, it was observed that even for low values, flux uncertainties were reduced and scintillometer data were well correlated with the Eddy Covariance results. Besides, both methods should tend to the same results, but the second one slightly underestimates H while decreases (<5%)

Forcing a land surface model with satellite-derived biophysical products in the Sahel: Inpacts of various sources on the simulated energy and water cycles.

International audienc

Variations in Cn2 measured by LAS scintillometery over the city of Nantes during the FluxSAP 2010 measurement campaign

International audienceIn the framework of a large French research program investigating sustainable development of cities (ANR ‘Villes Durables‛), one project, VegDUD, proposed the exploration of the role of the vegetation in the urban environment. Within this project an intensive experimental campaign, know as FluxSAP, was planned, involving remote sensing and surface flux measurements (further details can be found on http://www.irstv.fr/). The aim of FluxSAP is to improve our characterisation of fluxes over a city, with Nantes in the north-west of France chosen as model

Variations in Cn2 measured by LAS scintillometery over the city of Nantes during the FluxSAP 2010 measurement campaign

International audienceIn the framework of a large French research program investigating sustainable development of cities (ANR ‘Villes Durables‛), one project, VegDUD, proposed the exploration of the role of the vegetation in the urban environment. Within this project an intensive experimental campaign, know as FluxSAP, was planned, involving remote sensing and surface flux measurements (further details can be found on http://www.irstv.fr/). The aim of FluxSAP is to improve our characterisation of fluxes over a city, with Nantes in the north-west of France chosen as model

DART : modèle physique 3D d'images de télédétection et du bilan radiatif de paysages urbains et naturels

Le modèle DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) simule le transfert radiatif optique dans le système "Terre - Atmosphère", du visible à l'infrarouge thermique, pour des paysages urbains et naturels (e.g., forêts multi-espèces), avec atmosphère et relief. Ses deux principales sorties sont : - images de télédétection spatiale (i.e., réflectance ou température directionnels), pour toute direction solaire et de visée, altitude du capteur, résolution spatiale, etc. - Bilan radiatif 3-D. ce bilan est utilisé pour simuler la photosynthèse ainsi que les bilans d'énergie et de masse des surfaces terrestres. DART génère aussi des séries de simulations où certains paramètres (e.g., LAI, temps, longueur d'onde) varient, ce qui permet de créer des courbes spectrales et temporelles. De plus, il inverse les images de télédétection pour calculer certains paramètres biophysiques (e.g., LAI, taux de couverture). DART simule les paysages en tant que matrices 3-D de cellules parallélépipédiques qui contiennent de la matière turbide et/ou des éléments de surface opaques ou translucides dotés de propriétés optiques isotropes (i.e., lambertien) ou non (e.g., spéculaire). Ces propriétés peuvent être spécifiées par des bases de données spectrales ou via le couplage de DART avec le modèle foliaire PROSPECT. Une interface graphique gère la simulation du paysage et l'affichage des résultats (e.g., images, spectres). Validé lors de l'expérience RAMI, puis breveté en 2003, DART est désormais un outil très utile pour analyser et interpréter les images de télédétection. Les scientifiques peuvent obtenir des licences gratuites auprès de l'Université Paul Sabatier

FluxSAP 2010 experimental campaign over an heterogeneous urban zone, Part 1: heat and vapour flux assessment

International audienceThe FluxSAP 2010 is the first of two experimental campaigns aiming at quantitatively assessing the contribution of urban vegetation in the sensible heat and water vapour fluxes, over an heterogeneous area including buildings, semi-impervious surfaces, low and high vegetation. The 2010 experiment objective was primarily the feasibility of measurements with five different methods, and their analysis with respect to the surface cover mode variability of their footprints