Analyse multi-échelle de l'évolution des flux de chaleur sensible et latente échangés entre un écosystème forestier et l'atmosphère au moyen de la transformée en ondelettes continue

Abstract

Les écosystèmes terrestres dissipent l’énergie incidente sous deux formes principales qui sont caractéristiques de leur fonctionnement : la chaleur sensible (H) et latente (LE). La répartition de l’énergie disponible entre celles-ci détermine non seulement l’état d’équilibre physiologique de tels systèmes mais également leur impact sur les paramètres physiques de l’atmosphère environnant. Partant de ce constat, ce travail propose d’investiguer la dynamique inter- et intra-annuelle des deux flux de chaleur turbulents par l’étude de leurs interactions. Il a pour vocation à la fois d’identifier les tendances présentes dans les évolutions temporelles des échanges de H et LE tout en les rattachant aux processus éco-physiologiques sous-jacents qui affectent la distribution de l’énergie disponible de l’écosystème. Dans cette optique, la transformée en ondelettes continue, outil d’analyse temps-fréquence dont la prépondérance s’établit progressivement dans le domaine climatique, a été implémentée. Le jeu de données se constitue de 14 années de mesures de flux à la demi-heure de chaleur sensible et latente récoltés par eddy covariance au-dessus d’une jeune hêtraie à Hesse, Nord-Est de la France. Par le biais de la méthodologie précitée, il a été possible de déceler de nombreux comportements périodiques à des échelles intermédiaires, comprises entre la journée et l’année, sur toute l’étendue de la saison de croissance. Qui plus est, les variables directrices des évolutions de H et LE ont pu être mises en évidence. Parmi celles-ci, le rayonnement incident possède la corrélation la plus importante avec les deux flux. Par ailleurs, la déplétion des réserves en eau du sol a été associée à d’importants mouvements périodiques, aux échelles intermédiaires. Enfin, au départ de l’ensemble de ces variables, des mécanismes fonctionnels propres aux écosystèmes forestiers tempérés ont été déduits, illustrant globalement la grande résilience du système étudié. A terme, ce travail propose d’explorer les perspectives d’analyses à long terme de mesures micro-climatiques offertes par l’utilisation de la méthode de transformée en ondelettes continue, qui est présumée devenir un outil de plus en plus prisé à l’aube du changement climatique planétaire actuel.

Terrestrial ecosystems dissipate incident energy in two main forms according to their own characteristics : sensible (H) and latent (LE) heat. The distribution of available energy between these forms determines not only the physiological equilibrium state of such systems but also their impact on the physical parameters of the surrounding atmosphere. Based on this observation, this study investigates the inter- and intra-annual dynamics of both mentioned turbulent heat fluxes while taking their interactions into account. Its purpose is to identify patterns in temporal evolution of H and LE exchanges while linking them to underlying eco-physiological processes that affect the distribution of ecosystem’s available energy. Following this perspective, the continuous wavelet transform, a time-frequency analysis tool whose relevance is gradually being established in the climate field, has been implemented. The dataset consists of 14 years of half-hourly fluxes of sensible and latent heat obtained by eddy-covariance over a young beech forest at Hesse, North-eastern France. By applying the above-mentioned methodology, it was possible to detect many periodic behaviours at intermediate scales, ranging from days to years, throughout the growing season. Moreover, the main drivers of H and LE fluxes were highlighted. Among these, incident radiation has the highest correlation with both fluxes. In addition, depletion of soil water content has been associated with large periodic movements at intermediate scales. From these drivers, functional mechanisms specific to temperate forest ecosystems were deduced, illustrating overall the high resilience of the studied system. Ultimately, this work explores the opportunities of long-term analyses of microclimatic measurements offered by the use of the continuous wavelet transform, which is expected to become an increasingly popular tool at the dawn of current global climate change.