Estimation of surface fluxes in a small agricultural area using the three-dimensional atmospheric model meso-NH and remote sensing data

International audienceTo provide an accurate water budget over a whole basin, hydrological models need to know the spatial variability of evapotranspiration at the watershed scale. The three-dimensional (3D) atmospheric models can provide such estimations at a regional scale, since they calculate the different energy and water fluxes by accounting for the landscape heterogeneity with a mesh grid varying from a few metres to several kilometres. We have used such a transfer model (Meso-NH) at a high spatial scale (50 m) to simulate the small agricultural region of the Alpilles (4 km × 5 km), where an experiment took place in 1997 and included intense ground measurements on different types of crops and airborne and satellite data collection. It was the first time that this model was used at such a fine resolution. The aim of this paper is to analyze the effects of the various crops on the spatial variability of the main energy fluxes, particularly evapotranspiration. We also wished to validate Meso-NH from this important available dataset. All input parameters were derived from remote sensing or airborne data: leaf area index (LAI) and albedo were computed from polarization and directionality of the earth's reflectances (POLDER) images. Roughness length was estimated combining both a land-use map obtained from Satellite pour l'Observation de la Terre (SPOT) images and the POLDER images. Maps of the main energy fluxes and temperatures were simulated for two periods in April and June and showed large spatial variations because of differences in soil moisture and in roughness of the crop types. Comparisons between the simulations and the measurements gave satisfactory results. Thermal images acquired by the infrared airborne camera were in good agreement with the surface temperatures estimated by the model. Significant differences were observed when we compared, on the same area, the value of averaged fluxes with the value of fluxes calculated with averaged surface parameters. This was due to the nonlinearity processes associated with averaging of environmental variables. The interest in using a mesoscale model applied at microscale is that coherent structures can be observed in the surface boundary layer, particularly on transects of the vertical wind speed. Such structures cannot be simulated at a larger scale or analyzed with simplified models. Remote sensing data acquired at a fine spatial resolution are a useful tool to provide accurate surface parameters to such a model. This allows quantification of the effect of each crop type on the spatial variation of temperature and evapotranspiration and thus improves our knowledge of the water budget of an agricultural landscape and the watershed functioningL'estimation de la variation spatiale de l'évapotranspiration à l'échelle d'un bassin versant est primordiale si l'on veut obtenir des bilans précis sur les échanges d'eau et d'énergie avec des modèles hydrologiques. Les modèles 3D simulant les transferts atmosphériques peuvent fournir des informations sur cette variation spatiale à des échelles régionales, car ils calculent les différents flux de surface, en tenant compte de l'hétérogénéité du paysage, simulé suivant des grilles qui peuvent varier de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Nous avons utilisé un tel modèle, Meso-NH, afin d'étudier quel est l'impact des cultures sur les variations spatiales des flux et du climat à l'échelle d'une petite région agricole : la zone du projet ALPILLES/ReSeda (4 km × 5 km au sud est d'Avignon). En 1997, une expérimentation importante a eu lieu sur ce site avec de nombreuses mesures caractérisant le sol, la végétation et l'atmosphère, accompagnées d'images de divers capteurs satellitaires et aéroportés. Les principaux paramètres de surface intervenant pour l'estimation des flux d'énergie ont été dérivés à partir de ces données de télédétection. L'indice foliaire (LAI), la fraction de trous et l'albedo ont été obtenus à partir d'images POLDER. Des cartes de rugosité ont été élaborées en combinant des information SPOT et POLDER. Des simulations courtes ont permis d'obtenir des cartes des principaux flux d'énergie et des températures de l'air et de la surface à deux périodes en avril et en juin. La comparaison des simulations aux mesures donne des résultats globalement satisfaisants. Le modèle reproduit correctement le comportement des principales cultures qui présentent une variabilité importante des flux même sur une petite zone. Les températures de surface simulées par le modèle sont également bien reproduites et comparables aux images thermiques acquises sur le site pendant la période étudiée. En revanche, la comparaison des flux et des températures obtenus lorsque l'on considère une zone homogène (de 5 km × 5 km) caractérisée par la moyenne des principaux paramètres de surface, à ceux obtenus sur la zone hétérogène d'Alpilles, montre des écarts importants de plus de 50 W/m2 pour le rayonnement net et de 2° pour la température. Ceci est dû à la non-linéarisation des équations utilisées pour décrire ces échanges. L'intérêt d'utiliser un modèle complexe 3D à fine échelle apporte des informations sur les processus de turbulence qui se passent en surface. On peut voir apparaître des structures cohérents dans la couche limite de surface (notamment sur les transects verticaux de vitesse verticale) qui ne peuvent être analysés qu'avec ce type de modèle. D'autres simulations pour différentes conditions atmosphériques et de surface sont nécessaires afin d'approfondir l'étude de ces structures et analyser les problèmes liés aux changements d'échelle. Néanmoins, il ressort que les données de télédétection acquises à haute résolution apportent des informations utiles à de tels modèles en leur permettant d'accéder à une caractérisation plus fine de la surface améliorant ainsi l'estimation des flux transmis à l'atmosphèr