Météorologie

Définitions des différentes variables météorologiques de base

Les variables climatiques déterminant le bilan hydrique sont mesurées en routine sur le réseau synoptique de Météo-France. Des mesures sont aussi réalisées sur d’autres réseaux (INRA, Renecofor, Agences de bassins…).
Les variables nécessaires au calcul du bilan hydrique au moyen de Biljou© sont les suivantes (voir le détail des formats et unités dans l’aide pour l'utilisation de l'outil en ligne):

• Les précipitations liquides et solides (pluie), exprimées en mm (1 mm = 1 l.m^-2). Dans la Climathèque de Météo-France, cette variable correspond à « l-Hauteur de précipitations ». Il est codé « pluie » dans le fichier météo à soumettre à Bijlou©.
• le rayonnement global incident qui correspond à l’ensemble du spectre solaire, mais aussi provenant du rayonnement des nuages, aérosols etc. Lorsqu’on s’intéresse au cumul de rayonnement sur 24 h, il s’agit d’une énergie qui s’exprime en J.cm^-2 (unité classiquement utilisée par Météo-France et requise dans le fichier de données météo à soumettre à Biljou©). Attention, ce rayonnement peut également être proposé en MJ.m^-2 (unités SI).
  Le maximum de rayonnement global, atteint fin juin, est de l’ordre de 3 000 J.cm^-2 (= 30 MJ.m^-2). Le couvert végétal n’absorbe qu’une fraction du rayonnement global : une partie est réfléchie vers l’atmosphère [+ d'infosOn définit l’albédo, qui est égale à cette fraction réfléchie. Typiquement, sa valeur varie entre 0.11 pour des forêts très denses et sombres (résineux) et 0.16-0.20 pour des forêts feuillues claires.]. On définit ainsi le rayonnement net qui représente le bilan, établi au-dessus d’un couvert ou sur un sol nu, de tous les rayonnements, incidents et réfléchis par la surface considérée.
  Dans la Climathèque de Météo-France, cette variable correspond à « 28-Rayonnement global ». Elle est codée « rgl » dans le fichier météo à soumettre à Biljou©.
• La température moyenne de l’air. Sur une journée, la température moyenne de l’air (exprimée en degrés Celsius) peut être issue de mesures horaires ou semi-horaires, ou bien correspondre à la moyenne entre le minimum (TN) et le maximum (TX) de la journée. Les observations de TN et TX sont beaucoup plus fréquentes que les mesures journalières ; la valeur (TN+TX)/2 a donc été définie, par commodité, comme la valeur de référence et elle est d’autre part un très bon estimateur de la température moyenne journalière.
  Les données TN et TX peuvent également être utiles pour calculer des nombres de jours de gels ou de chaleur.
  Dans la Climathèque de Météo-France, ces deux variables correspondent à « 19-Température minimale sous abri » et « 21-Température maximale sous abri ».
  La température moyenne de l’air est codée « tsec» dans le fichier météo à soumettre à Biljou©.
• La vitesse du vent. Exprimée en m.s-1, la vitesse du vent peut être mesurée à 2 m de hauteur (cas général des stations INRA) ou à 10 m (cas général des données Météo-France) au-dessus du sol.
  Dans la Climathèque de Météo-France, cette variable correspond à « 6-Moyenne des vitesses du vent à 10 mètres ».
  Elle est codée « vent» dans le fichier météo à soumettre à Biljou©.
  Les vitesses de vent à intégrer dans les fichiers météo pour Biljou© doivent impérativement correspondre à une mesure à 2 m. Si la mesure n’est pas réalisée à 2 m, il est nécessaire d’effectuer une correction du vent mesuré à la hauteur Z (en m) en utilisant la transformation suivante :
  
  Ainsi, si V10m = 2 m.s^-1 alors V2m = 1,5 m.s^-1
• L’humidité de l’air peut être caractérisée soit par l’humidité relative (« hum », exprimée en % et correspondant à la variable « 33-Humidité relative moyenne » dans la Climathèque de Météo-France), soit par la pression partielle de vapeur d’eau (« tvap », exprimée en hPa et correspondant à la variable « 41-Tension de vapeur moyenne » dans la Climathèque de Météo-France). Une seule de ces variables est requise pour les fichiers météo utilisés par Biljou©. Le choix dépend uniquement de la disponibilité ; en règle générale, l’humidité relative est plus fréquemment disponible.
  A l’inverse de la température moyenne, il est déconseillé de calculer une humidité relative moyenne à partir des valeurs maximales et minimales journalières.
  Le logiciel Biljou© calcule, pour une température donnée, la pression de vapeur saturante, c'est-à-dire la quantité de vapeur maximale que peut contenir un volume d’air donné. La différence entre cette valeur et la tension de vapeur mesurée (ou recalculée à partir de l’humidité relative) est appelé déficit de saturation de l’air.
• Le déficit de saturation de l’air (Dsat) qui est, pour la température Ta, la différence de pression partielle de vapeur d’eau à saturation et celle qui existe réellement. Il est exprimé en en Pa, kPa ou hPa [+ d'infosPar le passé, on l’exprimait en mb (=1 hPa) tout comme la pression atmosphérique.].

Définition de l’évapotranspiration potentielle (ETP)

Les agronomes ont développé la notion d’ETP (exprimée en mm.jour^-1) qui est un index climatique utilisé pour quantifier la demande transpiratoire. L’ETP est utilisée dans des modèles de bilan hydrique pour calculer l’évapotranspiration réelle ou ETR (voir fiche bilan hydrique).

Il existe une assez grande variété de formules de calcul de l’ETP ; toutes ne sont pas équivalentes :

• la formule de Penman se rapproche bien des processus d’évapotranspiration puisqu’elle correspond à un calcul de bilan d’énergie complet, comportant un terme radiatif et un terme convectif. Pour un couvert forestier fermé (indice foliaire > 6 m² m^-2), sans limitation hydrique, le rapport ETR/ETP est de l’ordre de 0,75.
• la formule de Penman-Monteith, utilisée de façon standard par les agronomes, est un « raffinement » de l’ETP Penman. Elle permet de prendre en compte la résistance des couverts au transfert d’eau (hauteur des cultures, résistance stomatique, rugosité de la couverture végétale, etc.). Cependant, les paramètres nécessaires, sont d’une part, difficilement accessibles pour des couverts forestiers et, d’autre part, n’apportent pas d’amélioration sensible au calcul d’ETP. Pour les forêts les ETP Penman et Penman-Monteith sont parfaitement corrélées (r²>0,99) et le biais est de l’ordre de 1%.
• la formule de Turc (ou celle de Hargreaves, etc.) est une estimation statistique et non un modèle physique de l’ETP. Idéalement, ces formules devraient être calibrées à des échelles régionales. Elles sont assez bien corrélées à l’ETP Penman (la formule de Turc notamment) mais elles sous-estiment fortement la demande transpiratoire (notamment pendant la période de végétation) puisque ni l’albédo des couverts (affectant le terme radiatif), ni la vitesse du vent, ni l’humidité de l’air (pas de terme convectif) sont pris en compte.
• la formule de Thornthwaite (ou de Blaney–Criddle, etc.) est très simple. Comme Turc ou Hargreaves, c’est une estimation statistique. Seule la température de l’air est prise en compte. Ces ETP ne sont pas de bons modèles d’évapotranspiration potentielle et ne permettent pas d’estimer convenablement l’ETR.

Pour les forêts l’ETP Penman est l’ETP de référence. Elle est facilement calculable pour toutes les localisations géographiques, tous les climats (données historiques ou projections futures), tous les types de couvert (feuillus / résineux et LAI variés). Toutes les fonctions permettant de calculer les flux d’eau élémentaires dans le modèle Biljou© ont été calibrées à partir de cette ETP. L’utilisation d’une autre ETP que celle calculée par Biljou© conduirait à des résultats non réalistes, aussi bien sur les flux élémentaires que sur la réserve en eau du sol.

Comment mesurer les variables météorologiques ?

Le tableau ci-dessous et les différentes illustrations représentent les différents instruments qui sont utilisés pour mesurer les variables météorologiques :

Anémomètre sonique 3D

Références utiles

Badeau V, Ulrich E (2008) RENECOFOR - Etude critique de faisabilité sur : la comparabilité des données météorologiques « RENECOFOR » avec celles de Météo France, l’estimation de la réserve utile en eau du sol et le calcul des volumes d’eau drainée en vue du calcul de bilans minéraux sur les placettes du sous-réseau CATAENAT. Editeur : Office National des Forêts, Direction Technique et Commercial Bois, ISBN 978 – 2 – 84207 – 323 – 7, 108 p. et 166 pages annexes.

Peiffer M, Badeau V, Bréda N, Ulrich E (2008) RENECOFOR-Monitoring local forest weather conditions (France and Luxemburg)-report for 1995-2004. RENECOFOR-suivi de la météorologie forestière locale (France et Grand-Duché de Luxembourg). Bilan de la période 1995-2004. Editeur : Office National des Forêts, Direction Technique et Commercial Bois, ISBN 978 – 2 – 84207 – 325 – 1, 313 p.

Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M ( 1998) Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements - FAO Irrigation and drainage paper 56. Water Resources, Development and Management Service FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 1998.