4.4 Analyse des mesures de flux de particules
4.4.4 Comparaison de deux techniques de mesure : filet et SPC
Les filets à neige et les SPC permettent tous deux de mesurer des flux de particules de neige transportées. Ils diffèrent cependant dans la technique de mesure. Les filets à neige sont des capteurs mécaniques alors que les SPC reposent sur une mesure optique (cf 4.1.2). Chacune de ces techniques présente des limitations. Outre l’incertitude associée au protocole de mesure estimée à 10 % (Eq. 4.20), les filets à neige sont caractérisés par une efficacité de captage variable (e.g.
Font et al., 1998, 2001; Gordon et al., 2010). Elle dépend de la forme du filet et du tissu utilisé.
En effet, les mailles du filet tendent à réduire la vitesse du vent, modifiant ainsi l’écoulement de l’air et la trajectoire des particules de neige. Il peut en résulter une sous-estimation du flux réel de particules de neige. Contrairement aux filets, les SPC n’obstruent pas le flux de particules de neige. En revanche, ils tendent à sur-estimer les flux lorsque les particules sont de forme non-sphérique (Sato et al., 2005). Les données collectées au cours des campagnes d’observation permettent de comparer ces deux méthodes de mesure.
Efficacité de captage des filets Nous rapportons ici les efficacités estimées pour des filets de forme rectangulaire similaire à celle utilisée dans cette étude. A partir de mesures en souffle- rie, Takeuchi (1980) a déterminé que l’efficacité aérodynamique variait de 60 à 90 % pour des filets dont l’ouverture mesurait 15×5 cm2. Les mesures de Font et al. (1998), effectuées à la station de la Molina (Pyrénées espagnoles), ont permis d’estimer une efficacité variant de 5 à 45 % pour des filets de forme similaire à ceux de Takeuchi (1980). Font et al. (1998) ont associé cette faible
4. Campagnes d’observations intensives 77 efficacité à la sublimation de la neige piégée dans le filet. Leur étude ne précise cependant pas la durée d’exposition des filets. Enfin, plus récemment, Gordon et al. (2010) ont rapporté une dimi- nution de l’efficacité de captage en fonction du temps d’exposition : de 51 % pour une exposition de 30 min à 25 % pour une exposition de 03h40. Leur mesures ont été effectuées dans le Nord du Canada à l’aide de filets d’ouverture 10×10 cm2 et comparées à celles provenant d’une caméra.
Ils expliquent également cette diminution par la sublimation de la neige capturée dans les filets.
Pour estimer l’efficacité de captage des filets utilisés au Col du Lac Blanc, les données du SPC Haut ont donc été comparées aux données des filets interpolées en loi puissance à la hauteur de ce SPC, comprise entre 1.1 et 1.3 m. Afin de limiter l’effet de la sublimation de la neige dans les filets, seuls les profils ayant une durée d’exposition inférieure à 40 min ont été retenus. Les SPC Fixe et Bas n’ont pas été utilisés car le SPC Fixe est situé à une hauteur supérieure à celle du filet le plus haut alors que le SPC Bas se trouve dans une zone de forte variabilité du flux de particules sur la verticale et sur l’horizontale (Fig. 4.14).
0 2 4 6 8 10 12
024681012
14/02/11−15/02/11
Flux neige SPC (g m−2 s−1)
Flux Filet : Moyenne A+B (g m−2 s−1 )
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y=0.319 x with R2=0.86
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Sans precip.
Avec precip.
(a)14-15/02/11
0 1 2 3 4
01234
22/02/11−23/02/11
Flux neige SPC (g m−2 s−1)
Flux Filet A (g m−2 s−1 )
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y=0.405 x with R2=0.905
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Sans precip.
Avec precip.
(b) 22-23/02/11
0 20 40 60 80 100
020406080100
15/02/12
Flux neige SPC (g m−2 s−1)
Flux Filet A (g m−2 s−1 )
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y=0.341 x with R2=0.985
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Sans precip.
Avec precip.
(c) 15/02/12
Figure 4.15 – Comparaison entre les flux mesurés par les SPC et les filets pour trois épisodes de transport. Pour les filets, les flux correspondent à la moyenne des profils A et B lorsque les mesures sont disponibles (a). Dans le cas contraire (b etc), les flux ont été mesurés sur le profil A situé à 22 m du support des SPC (Fig. 4.2). Les barres d’incertitude tiennent compte de l’erreur d’observation calculée en 4.4.2.
La figure 4.15 montre que le SPC Haut mesure des flux de neige plus élevés que les filets. Ce constat s’applique aux profils collectés avec ou sans chute de neige. Malgré des valeurs absolues de flux différentes pour chacun des trois épisodes, une régression linéaire FFilet = λFSPC donne des résultats similaires. On trouve λ=0.319 pour l’épisode du 14-15/02/11, 0.405 pour celui du 22-23/02/11 et 0.341 pour le 15/02/12. Les filets ont donc une efficacité de captage moyenne de 35 % en prenant les SPC comme référence. Cette estimation est dans l’ordre de grandeur des efficacités mentionnées au paragraphe précédent pour des filets d’ouverture rectangulaire. Elle est également cohérente avec les résultats de Font et al. (2001) obtenus en soufflerie qui montrent que des filets d’ouverture rectangulaire ont une efficacité de captage inférieure à 50 % par rapport à un SPC lorsque le flux de particules est inférieur à 100 g m−2 s−1. Cependant, elle diffère des résultats de Naaim-Bouvet et al. (2010) qui ont trouvé un bon accord entre les flux mesurés par
78 4.4. Analyse des mesures de flux de particules des filets et des SPC. Ainsi, Naaim-Bouvet et al. (2010) ont mesuréλ= 0.95 au Col du Lac Blanc.
Le filet utilisé dans leur étude avait la même forme que ceux utilisés lors des deux campagnes de mesures mais possédait un tissu à la maille plus grande. Son efficacité de captage était donc potentiellement plus importante.
Profils verticaux de flux Les SPC et les filets permettent d’avoir accès au profil vertical de flux près de la surface. Afin de les comparer, une régression en loi puissance de la formeF =Az−γF a été appliquée aux données filets et SPC. Les filets situés entre 0.1 et 1 m de hauteur ont tout d’abord été considérés et seuls les profils présentant un cœfficient de détermination R2>0.95 ont été conservés. Les SPC Haut et Bas séparés de 1.2 m ont ensuite été utilisés. Seules les mesures où le SPC Bas était situé à une hauteur supérieure à 0.11 m ont été considérées afin de s’affranchir de l’influence du transport en saltation. Il convient néanmoins de remarquer que le profil simplifié de flux ne suit pas une loi puissance contrairement à la concentration (Eq. 4.17 et 4.18). Ces régressions ont été calculées uniquement dans le but de comparer filet et SPC.
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0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80
012345
Vitesse de frottement (m/s) Exposant γF (−)
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Filets SPC
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23/02/11 : 06h40−09h00 (TU) 18/03/11 : 06h45−13h24 (TU)
Figure 4.16 – ExposantγF de la régression en loi puissance sur les flux mesurés avec les filets et les SPC en fonction de la vitesse de frottementu∗. Deux périodes de mesures sont considérées.u∗ a été déterminé en appliquant le Fit Log. aux données du mât INEV.
La figure 4.16 compare les exposants γF mesurés par les filets et les SPC pour les épisodes de transport sans chute de neige du 23/02/11 et du 18/03/11. Les filets donnent des valeurs de γF supérieures à celles mesurées par les SPC pour des valeurs de u∗<0.65 m s−1. Ce comportement s’observe pour les deux épisodes de transport. Dans cette situation, les filets mesurent donc une décroissance du flux sur la verticale plus marquée que les SPC. L’écart entre SPC et filet augmente lorsque la vitesse de frottement diminue. A l’inverse, les exposants mesurés par les filets et les SPC sont en bon accord pour u∗>0.65 m s−1.
Cette différence entre les deux systèmes de mesure peut s’expliquer par la difficulté de mesurer de faibles valeurs de flux avec des filets. Dans ces cas, la perte relative de masse par sublimation peut être importante dans les filets supérieurs alors qu’elle affectera peu les filets situés près de
4. Campagnes d’observations intensives 79 la surface collectant des masses plus élevées. Cette situation entraîne donc une augmentation de γF par rapport à la valeur mesurée par un appareil optique tel le SPC non influencé par la sublimation. Font et al. (2001) ont également montré que l’efficacité de captage des filets par rapport aux SPC augmente avec le flux de particules de neige. Il faut enfin mentionner que cette comparaison a été réalisée entre deux profils séparés de 22 m. A cette échelle horizontale, les flux de neige présentent une variabilité spatiale potentiellement marquée près de la surface (Fig. 4.14) ayant pour conséquences des pentes variables du profil de flux.
Conclusion La comparaison filet/SPC présentée dans cette partie illustre l’influence du type de capteurs sur les mesures de flux. L’efficacité de captage des filets utilisés pour cette étude est de l’ordre de 35 % en prenant le SPC comme référence. Cette estimation repose sur 41 mesures et montre un comportement similaire pour trois épisodes de transport de neige par le vent. Elle a été réalisée à une hauteur (1 m) à laquelle les flux de neige ne montrent pas de biais systématique associé à de la variabilité spatiale (Sect. 4.4.3). Dans la suite de ce travail, afin de permettre une utilisation simultanée des flux SPC et filets, les flux filets sont corrigés en tenant compte d’une efficacité de captage de 35%. Cette modification affecte la valeur absolue des flux mais ne change pas la forme du profil et l’exposant γF.
La comparaison de la forme des profils verticaux de flux entre 0.1 et 1.3 m fait apparaître des différences entre filets et SPC : les filets tendent à mesurer une décroissance du flux sur la verticale plus marquée que les SPC. Cette différence augmente lorsque la vitesse de frottement diminue.
Plusieurs explications peuvent être avancées sans pouvoir conclure quant à leur importance re- lative : effet de la sublimation sur la mesure de faibles valeurs de flux avec les filets, variabilité de l’efficacité de captage avec l’intensité des flux, variabilité spatiale marquée près de la surface entre les deux points de mesures. Cette comparaison montre néanmoins qu’une attention toute particulière doit être apportée au type de capteur utilisé lors de l’analyse de profils verticaux de flux de particules de neige soufflée. L’utilisation de plusieurs types de capteur en parallèle doit être privilégiée dans la limite des ressources disponibles (financières, logistiques, personnelles, ...).
Au Col du Lac Blanc, le banc de mesure déployé par IRSTEA est un outil approprié. Des mesures simultanées et colocalisées de flux par les SPC et les filets à différentes hauteurs et dans diffé- rentes situations (avec ou sans précipitation) permettraient de mieux connaître le comportement de chacun des capteurs et son influence sur les profils mesurés.