WSL Institut pour l'étude de la neige et des avalanches SLF Link zu SLF Hauptseite Link zu WSL Hauptseite
 

Modélisation du rayonnement thermique au sein d’un peuplement forestier

Actuel

Plein phare sur la recherche du SLF :  

Influence de la structure de la forêt sur la fonte des neiges

Une nouvelle publication concernant ce projet est parue en septembre 2017 dans le «Journal of Geophysical Research». L’American Geophysical Union a choisi cet article pour le présenter comme « Research Spotlight » sur son site Internet. Elle sélectionne en effet régulièrement les meilleures contributions des éditions actuelles de ses revues scientifiques, qu’elle synthétise pour un large public.

Lorsqu’au printemps les jours s’allongent et deviennent plus doux, la neige commence à fondre même en montagne. Une assez grande partie de l’eau de fonte provient de régions forestières, puisque les forêts couvrent environ 30 % de notre territoire. Où, quand et à quelle vitesse fond la neige dans les forêts : ces paramètres vont contribuer à d’éventuelles crues au printemps.

Un facteur important pour la fonte des neiges en forêt est le rayonnement infrarouge qui atteint la surface de la neige, c’est-à-dire la chaleur émise par le ciel ou par la surface des arbres. Les modèles numériques qui existaient jusqu’ici simulaient ce rayonnement infrarouge au sein de la forêt en fonction de la température de l’air.

La forêt, puits de froid

Clare Webster, doctorante dans le groupe de recherche Hydrologie nivale, s’est fixé comme objectif de vérifier le degré de fiabilité de tels modèles de rayonnement thermique. Pour ceci, elle a pu accéder à une large banque de données : l’équipe Hydrologie nivale a mesuré pendant une dizaine d’années, sur trois sites différents dans des forêts de conifères des Alpes suisses, les quantités de rayonnement visible et infrarouge qui atteignent la surface de la neige. En outre, les chercheurs ont mesuré la température de l’air aussi bien au-dessus de la canopée à 35 m, qu’au sein de la forêt à 10 m et 2 m.

Wärmebildkameraaufnahme

Fig. 1 : Les appareils mesurent le rayonnement infrarouge et visible qui atteint la surface de la neige à proximité d’un tronc.

Clare Webster a constaté que certains défauts du modèle découlaient du fait que la température de l’air mesurée au-dessus de la canopée était supérieure à celle sous les arbres - la forêt jouait en quelque sorte le rôle de puits de froid. Par ailleurs, il est apparu que les modèles existants sont imprécis surtout lorsque les ondes courtes (rayonnement visible solaire) pénètrent de plus en plus dans la forêt au printemps avec la remontée du soleil, et qu’elles y réchauffent les troncs.

Les troncs d’arbres sont beaucoup plus chauds que l’air environnant

Comme le montrent les images thermiques, la température de surface des troncs peut être jusqu’à 30 °C plus élevée que la température de l’air ambiant : les arbres rayonnent donc plus de chaleur qu’on ne le pensait jusqu’ici. Clare Webster a pu intégrer cet effet dans un nouveau modèle, et obtenir ainsi des résultats bien meilleurs.

Wärmebildkameraaufnahme

Fig. 2 : Cette prise de vue d’une caméra thermique montre que le tronc de l’arbre peut être jusqu’à 30 °C plus chaud que l’air environnant.

Pour ceci, elle a développé une méthode simple qui permet de prévoir la température des troncs en fonction de la température de l’air mesurée et du rayonnement solaire visible. Le modèle étendu peut donc être utilisé également lorsqu’on ne dispose pas de données d’images thermiques sur la température des troncs.

Panoramaaufnahme eines Waldbestandes mit Hilfe einer Wärmebildkamera

Fig. 3 : Vue panoramique du peuplement forestier autour d’une clairière, prise par une caméra thermique. Ce sont les arbres situés à la lisière nord-ouest de la clairière qui se sont le plus réchauffés.

Publications

  • Clare Webster, Nick Rutter, Tobias Jonas; Improving representation of canopy temperatures for modeling sub-canopy incoming longwave radiation to the snow surface; 2017; Journal of Geophysical Research, doi: 10.1002/2017JD026581
  • Clare Webster, Nick Rutter, Franziska Zahner, Tobias Jonas; Modeling sub-canopy incoming longwave radiation to seasonal snow using air and tree trunk temperatures; 2016; Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121, 1220–1235, doi:10.1002/2015JD024099
  • Clare Webster, Nick Rutter, Franziska Zahner, Tobias Jonas; Measurement of incoming radiation below forest canopies: A comparison of different radiometer configurations; 2016; Journal of Hydrometeorology, 17, 853–864, doi: 10.1175/JHM-D-15-0125.1
  • Isabelle Gouttevin, Michael Lehning, Tobias Jonas, David Gustafsson, Meelis Mölder; A two-layer canopy with thermal inertia for an improved snowpack energy balance below needleleaf forest (model SNOWPACK, version 3.2.1, revision 741); 2015; Geoscientific Model Development, 8, 2379–2398, 2015, doi:10.5194/gmd-8-2379-2015
  • Manfred Stähli, Tobias Jonas, David Gustafsson; The role of snow interception in winter-time radiation processes of a coniferous sub-alpine forest; 2009; Hydrological Processes, 23, 2498–2512, doi:10.1002/hyp.7180

Lien vers d’autres projets

Les chercheurs du SLF ont utilisé dans un autre projet des données de télédétection pour pouvoir décrire de manière détaillée la structure forestière. Ils ont pu ainsi développer un nouveau modèle d’interception forêt-neige, 30 % plus précis que les calculs antérieurs.

Grâce aux résultats de ces deux projets, nous pouvons mieux évaluer les ressources en eau qui restent piégées dans la neige dans les régions boisées. Ces informations alimentent directement la surveillance dans le cadre du service hydronivologique opérationnel du SLF.

Contact