Wind erosion in presence of vegetation

par Royston Fernandes

Thèse de doctorat en Physique de l'environnement

Sous la direction de Sylvain Dupont et de Eric Lamaud.

Le président du jury était Béatrice Marticorena.

Le jury était composé de Sylvain Dupont, Eric Lamaud, Denis Maro, Isabelle Calmet, Bertrand Carissimo.

Les rapporteurs étaient Denis Maro, Isabelle Calmet.

  • Titre traduit

    Erosion éolienne en présence de végétation


  • Résumé

    La poussière minérale atmosphérique résultant de l’érosion éolienne des sols affecte le système terrestre. La distribution en taille (PSD) de cette poussière joue un rôle clé dans le bilan radiatif et la chimie atmosphérique, la formation des nuages et la productivité des écosystèmes terrestres et marins. Néanmoins les modèles climatiques peinent à reproduire précisément la PSD de la poussière émise. Ceci vient de la représentation imparfaite des mécanismes d’émission de poussières et des vitesses de vent de surface associées. C’est particulièrement vrai en présence d’éléments de rugosité de surface comme la végétation en régions semi-arides. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de l’émission de poussière en environnements semi-arides, caractérisé par des surfaces hétérogènes liées à la végétation saisonnière éparse. A cette fin, une combinaison d’expériences numériques et de terrain a été employée, en partant d’un sol nu érodable à des surfaces couvertes de végétation éparse.Une revue des schémas existants a montré des ambiguïtés dans la paramétrisation des processus influençant l’émission de poussières. Une analyse de sensibilité utilisant un modèle 1D de dispersion de poussière a démontré l’importance (i) de la PSD de la poussière à la surface et de la paramétrisation de la cohésion interparticules qui affectent la PSD de la poussière émise, et (ii) des processus de dépôt qui influencent la PSD du flux net de poussière dans la couche de surface atmosphérique. A partir de cette analyse, un nouveau schéma d’émission a été incorporé à un modèle 3D d’érosion, couplé à un modèle turbulent Large Eddy Simulation (LES), et évalué d’abord sur une surface nue sur la base de l’expérimentation WIND-O-V 2017 en Tunisie. Le modèle a ainsi été capable de reproduire la dissimilarité entre les transports turbulents de poussière et de quantité de mouvement dans la couche de surface, observée durant l’expérience. Cela signifie que poussière et quantité de mouvement ne sont pas toujours transportées par les mêmes tourbillons. Le modèle a démontré que la cause principale de cette dissimilarité est l’intermittence de l’émission de poussières, qui varie avec l’intensité du vent et le fetch.L’impact de la végétation éparse sur le flux net de poussière émis a ensuite été étudié sur la base de l’expérimentation WIND-O-V 2018, conduite sur le même site que celle de 2017. Les mesures ont été utilisées pour évaluer le modèle 3D d’érosion incluant les caractéristiques de la végétation. La comparaison entre les expérimentations 2017 et 2018 a confirmé que la végétation éparse réduit l’émission en augmentant la vitesse de frottement seuil de l’érosion, qui dépend des caractéristiques de la végétation et de la direction du vent. Au cours de l’expérimentation 2018, nous avons observé que la PSD du flux net de poussière émis variait, contrairement à 2017, avec un appauvrissement progressif en grosses particules (1.50 µm). Il s’est avéré que cet appauvrissement n’était pas lié à la présence de végétation, mais à l'épuisement du sol en grosses particules en raison de périodes d’émission plus longues sans modification de la surface, comparé à 2017. Cette absence d’influence de la végétation a été validée par la similarité entre la PSD du flux de poussière au début de l’expérimentation 2018, quand la végétation était à sa hauteur maximum, et celle de 2017 sans végétation. Et elle a été confirmée par nos simulations qui montrent (i) une re-déposition négligeable des grosses particules sur la végétation durant les émissions, et (ii) un effet négligeable de la turbulence induite par la végétation sur la PSD du flux net de poussière émis.Notre modèle 3D d’érosion apparaît comme un outil prometteur pour caractériser les émissions de poussière sur des surfaces hétérogènes représentatives des régions semi-arides et pour établir des schémas d’émission de poussières pour les modèles climatiques en fonction des propriétés de rugosité de la surface.


  • Résumé

    Atmospheric mineral dust resulting from aeolian soil erosion affects the Earth system. Their size-distribution (PSD) plays a key role on atmospheric radiation balance, cloud formation, atmospheric chemistry, and the productivity of terrestrial and marine ecosystems. However, climate models still fail to reproduce accurately the suspended dust PSD. This is explained by the poor representation of the dust emission mechanisms and the associated surface wind speed in these large-scale models. This is particularly true in the presence of surface roughnesses such as vegetation in semiarid regions. This thesis aims at improving the understanding of dust emission in semi-arid environments, characterized by heterogeneous surfaces with sparse seasonal vegetation. To this end, a combination of numerical and field experiments was employed, with investigations progressing from a bare erodible soil to surfaces with sparse vegetation.A review of the existing dust emission schemes showed ambiguities in the parametrization of the processes influencing the emitted dust. A sensitivity analysis, using a 1D dust dispersal model, demonstrated (i) the importance of surface dust PSD and inter-particle cohesive bond parametrization on the emitted dust PSD, and (ii) the importance of the deposition process on the net dust flux PSD. Based on this analysis, a new emission scheme was incorporated into a 3D erosion model, coupled with a Large Eddy Simulation (LES) airflow model, and evaluated first on a bare surface against the WIND-O-V’s 2017 field experiment in Tunisia. The model was able to reproduce the near-surface turbulent transport dissimilarity between dust and momentum observed during the experiment. This means that momentum and dust are not always transported by the same turbulent eddies. The model demonstrated that the main cause of this dissimilarity is the dust emission intermittency, which varies as a function of wind intensity and fetch.The role of sparse vegetation on the net emitted dust flux was then explored using the WIND-O-V’s 2018 experiment, conducted at the same site as the 2017 experiment. The resulting field measurements were used to evaluate the 3D erosion model, including vegetation characteristics. A comparison between the 2017 and 2018 experiments confirmed that sparse vegetation reduces dust emission by increasing the erosion threshold friction velocity, which depends on vegetation characteristics and wind direction relative to the vegetation arrangement. During the 2018 experiment, the net emitted dust flux PSD varied continuously, unlike the 2017 experiment, with a progressive impoverishment in coarse particles (1.50 μm). This impoverishment was found independent of the vegetation, and resulted from the depletion of coarse particles at the surface due to longer emission periods in 2018 without surface tillage or precipitation. This non-influence of vegetation on the dust flux PSD was validated by the similarity of the dust flux PSD at the beginning of the 2018 experiment, when the vegetation was at its maximum height, with the one of the 2017 experiment without vegetation. It was further confirmed by the simulations that demonstrated (i) negligible re-deposition of coarse particles on to vegetation during emission events, and (ii) negligible effect of the turbulence induced by the vegetation on the PSD of the net emitted dust flux.Our 3D erosion model appears as a promising tool for characterizing dust emissions over heterogeneous surfaces typical of semi-arid regions and for deriving dust emission schemes for climate models as a function of surface roughness properties.


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