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L'évapotranspiration est l'un des processus les plus critiques du cycle mondial de l'eau, qui sert de mécanisme principal pour le transfert de l'eau de la surface de la Terre dans l'atmosphère. Ce processus combiné englobe à la fois l'évaporation de l'eau du sol, des canopées et des plans d'eau, ainsi que la transpiration par les stomates végétales.

La mesure de l'évapotranspiration joue un rôle clé dans la gestion des ressources en eau et l'irrigation agricole, en particulier à mesure que la rareté de l'eau s'intensifie dans le monde et que le changement climatique modifie les modèles de précipitations. Le changement climatique menace sérieusement les ressources en eau dans le monde, exacerbant les problèmes extrêmes de rareté de l'eau, en particulier dans l'agriculture, l'évapotranspiration étant particulièrement sensible à ces changements.

Comprendre l'évapotranspiration : la fondation de la gestion de l'eau

Qu'est-ce que l'évapotranspiration?

L'évapotranspiration est définie comme étant les processus combinés par lesquels l'eau est transférée dans l'atmosphère à partir de l'eau libre et de la glace, du sol nu et de la végétation qui composent la surface de la Terre. Ce processus hydrologique fondamental représente une part importante du mouvement de l'eau dans les écosystèmes terrestres.

L'évaporation est une combinaison d'évaporation et de transpiration, mesurée pour mieux comprendre les besoins en eau des cultures, le calendrier d'irrigation et la gestion des bassins versants. La composante d'évaporation comprend la perte d'eau des sols, des plans d'eau ouverts et des surfaces humides de végétation, tandis que la transpiration désigne spécifiquement le mouvement de l'eau à travers les plantes – absorbée par les racines, transportée par les tissus végétaux et libérée par les stomates foliaires dans l'atmosphère.

Facteurs de contrôle des taux d'évapotranspiration

Les niveaux d'évapotranspiration dans une zone donnée sont principalement contrôlés par trois facteurs : la quantité d'eau présente, la quantité d'énergie présente dans l'air et le sol, et la capacité de l'atmosphère à absorber l'eau.Ces facteurs interagissent de manière complexe pour déterminer les taux d'évapotranspiration réels à n'importe quel endroit et à n'importe quel moment.

La disponibilité de l'eau est la contrainte la plus fondamentale.Même avec une énergie abondante et une humidité atmosphérique faible, l'évapotranspiration ne peut pas dépasser l'approvisionnement en eau disponible. La disponibilité de l'énergie, principalement du rayonnement solaire, fournit l'énergie nécessaire pour convertir l'eau liquide en vapeur.

Les plantes herbacées se transpirant généralement moins que les plantes ligneuses en raison de feuillages moins étendus, les plantes dont les racines atteignent de profondeur se transpirant plus constamment et les forêts de conifères ont tendance à avoir des taux plus élevés que les forêts de feuillus à feuilles larges.

Types d'évapotranspiration

La compréhension de la distinction entre les différents types d'évapotranspiration est essentielle pour une bonne gestion des ressources en eau. L'évapotranspiration de référence (ET0 ou ETo) représente le taux d'évapotranspiration d'une surface normalisée, généralement définie comme une plante de référence hypothétique avec des caractéristiques spécifiques. La culture de référence est définie comme une culture hypothétique d'une hauteur supposée de 0,12 m ayant une résistance de surface de 70 m-1 et un albédo de 0,23, ressemblant étroitement à l'évaporation d'une surface d'extension de graminée verte de hauteur uniforme, en croissance active et arrosée de manière adéquate.

L'évapotranspiration potentielle (ETP) représente la quantité maximale d'eau qui pourrait être évaporée et transpirée d'une surface si l'eau n'était pas limitative. L'évapotranspiration réelle (ET ou ETA) représente la quantité réelle d'eau transférée dans l'atmosphère dans des conditions existantes, qui peut être limitée par la disponibilité de l'eau, le stress de la plante ou d'autres facteurs.

Méthodes complètes d'estimation de l'évapotranspiration

L'évapotranspiration est un élément important du cycle hydrologique et des estimations fiables de l'ETo sont essentielles pour évaluer les besoins en eau des cultures et la gestion de l'irrigation.Plusieurs méthodologies ont été développées au cours des décennies pour estimer l'évapotranspiration, allant de mesures directes sur le terrain à des approches de modélisation sophistiquées.

Techniques de mesure directe

Lysimètres: Le Standard Or

Les lysimètres représentent l'une des méthodes les plus précises pour mesurer directement l'évapotranspiration.Ces dispositifs sont constitués de contenants isolés de sol avec végétation qui permettent une mesure précise des entrées et sorties d'eau.Bien que les lysimètres soient l'un des outils les plus précis pour le calcul direct de ET0, ils ne conviennent pas à une utilisation généralisée en raison de leur coût relativement plus élevé, du temps nécessaire pour les mesures complexes et de leur accessibilité limitée dans la plupart des sites.

En tenant compte avec soin des précipitations, de l'irrigation, du drainage et des variations de masse, les chercheurs peuvent calculer l'évapotranspiration avec une précision exceptionnelle. L'ET horaire estimé par la version ASCE de l'équation des PM est très bien convenu avec l'ET mesurée par un lysimètre de précision, avec des estimations des PM basées sur le rayonnement solaire mesuré, la température de l'air, l'humidité et la vitesse du vent.

Malgré leur précision, les lysimètres présentent des limites pratiques importantes. Les coûts d'installation peuvent être importants, nécessitant une construction soignée pour assurer que le profil du sol du lysimètre correspond aux conditions environnantes. Les exigences d'entretien sont considérables et les mesures à l'échelle des points ne représentent pas nécessairement des paysages hétérogènes plus grands.

Méthode de covariance Eddy

L'anémomètre sonique évalue les composantes du vent et de la vitesse, et l'analyseur de gaz mesure la concentration de vapeur d'eau. La méthode de covariance de eddy (également appelée corrélation de eddy) mesure les flux turbulents de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone et d'énergie entre la surface et l'atmosphère.

L'attrait de cette technique se manifeste dans le réseau FLUXNET mondial, qui compte plus de 900 sites EDC à l'échelle mondiale. Ces sites fournissent des mesures continues et à haute fréquence de l'évapotranspiration et d'autres flux, contribuant à notre compréhension de l'eau des écosystèmes et du cycle du carbone.

Cependant, les systèmes de covariance de eddy nécessitent une instrumentation sophistiquée, une expertise importante pour le fonctionnement et le traitement des données, et des investissements importants. La technique exige également des caractéristiques spécifiques du site, y compris une récupération adéquate (distance de vent supérieure de surface uniforme) et un terrain relativement plat.

Approche du bilan hydrique

L'équation du bilan hydrique fait le lien entre le changement de l'eau stockée dans le bassin et ses entrées et sorties, où le changement de l'eau stockée dans le bassin est lié aux précipitations, à l'évapotranspiration, au débit et à la recharge des eaux souterraines.

La méthode du bilan hydrique est particulièrement utile pour des périodes plus longues (mensuelles, saisonnières ou annuelles) lorsque les changements dans le stockage de l'eau du sol sont relativement faibles ou peuvent être mesurés. Pour les champs agricoles, la méthode nécessite une mesure ou une estimation prudente de l'irrigation, des précipitations, du drainage et du ruissellement, ainsi que la surveillance de l'humidité du sol pour déterminer les changements dans le stockage.

La précision des estimations du bilan hydrique dépend fortement de la précision des mesures d'entrée.Les erreurs de mesure des précipitations, les débits non comptabilisés de la sous-sol et les difficultés à quantifier tous les apports et sorties d'eau peuvent entraîner des incertitudes importantes.

Méthodes de bilan énergétique

Une deuxième méthode d'estimation consiste à calculer le bilan énergétique, où λE est l'énergie nécessaire pour passer de la phase de l'eau du liquide au gaz, Rn est le rayonnement net, G est le flux thermique du sol et H est le flux thermique sensible.

L'équation du bilan énergétique de surface est un concept fondamental dans l'étude de l'échange d'énergie à la surface de la Terre, qui représente la vitesse à laquelle la chaleur est perdue de la surface par évapotranspiration, le LE étant généralement obtenu comme résidu de l'équation du bilan énergétique de surface.

La méthode du rapport Bowen représente une application pratique des principes de bilan énergétique. En mesurant le rapport entre flux de chaleur sensible et latent et en combinant cette dernière avec des mesures du rayonnement net et du flux de chaleur du sol, l'évapotranspiration peut être calculée.

L'équation Penman-Monteith : la norme internationale

L'équation Penman-Monteith a pour effet d'estimer l'évapotranspiration nette à partir de données météorologiques comme un remplacement de la mesure directe de l'évapotranspiration. Cette méthode a obtenu une acceptation généralisée comme méthode standard pour calculer l'évapotranspiration de référence et constitue la base pour l'ordonnancement de l'irrigation et la gestion de l'eau dans le monde entier.

Fondation pour le développement et la théorie

Penman publie son équation en 1948, et Monteith la révise en 1965. L'équation originale de Penman combine le bilan énergétique et les approches aérodynamiques pour estimer l'évaporation à partir de l'eau libre et des surfaces humides. La contribution cruciale de Monteith est d'intégrer la résistance de surface, permettant l'équation de tenir compte des caractéristiques de la végétation et du contrôle stomatique de la transpiration.

La méthode Penman Monteith combine le bilan énergétique et les méthodes de transfert de masse. L'équation Penman-Monteith combine des composants qui rendent compte de l'énergie nécessaire pour soutenir l'évaporation, la force du mécanisme nécessaire pour éliminer la vapeur d'eau et les termes de résistance aérodynamique et de surface.

La méthode Penman-Monteith de la FAO

Le groupe d'experts a recommandé l'adoption de la méthode de la combinaison Penman-Monteith comme nouvelle norme pour l'évapotranspiration de référence et a conseillé sur les procédures de calcul des différents paramètres. La méthode Penman-Monteith de la FAO est recommandée comme seule méthode ETo pour déterminer l'évapotranspiration de référence.

La variation Penman-Monteith est recommandée par l'Organisation pour l'alimentation et l'agriculture et l'American Society of Civil Engineers. La normalisation autour de cette méthode a permis une communication cohérente des besoins en eau des cultures, l'amélioration des outils d'irrigation et la comparaison de l'évapotranspiration entre les régions et les études.

La méthode permet de surmonter les lacunes de la méthode Penman de la FAO et fournit des valeurs plus cohérentes avec les données actuelles sur l'utilisation de l'eau de culture dans le monde entier. La publication FAO-56, intitulée «Crop Evapotranspiration - Guidelines for Computing Crop Water Requirements», fournit des conseils complets sur l'application de la méthode et est devenue la référence définitive pour les praticiens à l'échelle mondiale.

Composantes et paramètres clés

Le taux d'évapotranspiration est représenté par le flux thermique latent : où Rn est le rayonnement net à la surface de la culture, G est le flux thermique du sol, es est la pression de vapeur de saturation, ea est la pression de vapeur réelle, et rs et ra sont respectivement la résistance de surface et aérodynamique.

La résistance de surface décrit la résistance de l'écoulement de vapeur par les ouvertures de stomates, la surface totale des feuilles et la surface du sol, tandis que la résistance aérodynamique décrit la résistance de la végétation vers le haut et implique des frictions de l'air qui coule sur les surfaces végétatives.

L'évapotranspiration de référence est souvent calculée à l'aide de la méthode Penman-Monteith, qui nécessite des données sur la température, l'humidité relative, la vitesse du vent et le rayonnement solaire. Les exigences de la méthode, bien que plus étendues que les approches plus simples, sont généralement disponibles auprès des stations météorologiques standard, ce qui rend pratique pour une application généralisée.

Avantages et limites

Le modèle Penman-Monteith est très précis dans l'estimation de ET0, mais il nécessite de nombreuses entrées de données météorologiques peu fréquentes, donc une méthode idéale est nécessaire pour réduire le nombre de variables de données d'entrée sans compromettre la précision de l'estimation.

Aucune équation d'évapotranspiration basée sur les conditions météorologiques ne peut être prévue pour prédire l'évapotranspiration parfaitement dans chaque situation climatique en raison de la simplification de la formulation et des erreurs de mesure des données, et il est probable que les instruments de précision dans d'excellentes conditions de gestion environnementale et biologique montreront l'équation Penman-Monteith de la FAO pour s'écarter parfois des mesures réelles.

La méthode fonctionne bien dans divers climats, des régions humides aux régions arides, des zones tropicales aux zones tempérées. La sensibilité des particules à chacune des quatre composantes météorologiques dépend du climat et des forces relatives de chaque composante par rapport aux autres. La compréhension de ces sensibilités aide les utilisateurs à déterminer quelles mesures météorologiques exigent la plus grande précision pour leurs conditions spécifiques.

Coefficients de culture et évapotranspiration réelle

Cette évaporation de référence ET0 peut ensuite être utilisée pour évaluer le taux d'évaporation ET des plantes non stressées en fonction des coefficients de culture Kc: ET = Kc * ET0. L'approche des coefficients de culture fournit un cadre pratique pour traduire l'évaporation de référence en besoins réels en eau des cultures.

La méthode Penman Monteith de la FAO utilise le concept de surface de référence, en supprimant la nécessité de définir des paramètres pour chaque culture et chaque stade de croissance, avec des taux d'évapotranspiration de différentes cultures liées au taux d'évapotranspiration de la surface de référence par l'utilisation de coefficients de culture.

Les coefficients de culture varient selon le type de culture, le stade de croissance et les pratiques de gestion. Les jeunes cultures dont la couverture est incomplète ont des coefficients inférieurs aux cultures matures à la couverture complète. Les coefficients de culture tiennent également compte des différences de hauteur des cultures, de caractéristiques foliaires et de profondeur d'enracinement.

Autres modèles météorologiques et méthodes simplifiées

La mesure directe de l'évapotranspiration est à la fois coûteuse et comporte des procédures complexes et complexes, d'où l'utilisation courante de modèles empiriques pour estimer l'E To à l'aide de données météorologiques accessibles.

Méthodes basées sur la température

Les méthodes basées sur la température offrent l'avantage de ne demander que des données de température facilement disponibles, ce qui les rend attrayantes pour les endroits où les mesures météorologiques sont limitées.

La méthode Hargreaves-Samani représente l'une des approches les plus utilisées en fonction de la température. D'autres équations pour estimer l'évapotranspiration à partir de données météorologiques incluent les équations Hargreaves. Cette méthode ne nécessite que la température maximale et minimale et le rayonnement extraterrestre (calculé à partir de la latitude et du jour de l'année), ce qui rend cette méthode applicable même dans les régions où les données sont exprimées en spars.

La méthode Thornthwaite, l'une des premières approches basées sur la température, utilise la température moyenne et la longueur du jour pour estimer le potentiel d'évapotranspiration. Bien qu'elle soit historiquement importante et encore utilisée dans certaines applications, cette méthode a des limites dans les climats arides et nécessite un calibrage local pour obtenir les meilleurs résultats.

Les mesures des erreurs statistiques indiquent que les modèles basés sur la température et les radiations fonctionnent mieux pour certaines régions, mais que les modèles basés sur les radiations se déroulent mieux que les modèles basés sur la température.

Méthodes basées sur les rayonnements

Les méthodes basées sur les radiations reconnaissent que le rayonnement solaire est la source d'énergie primaire pour l'évapotranspiration, qui nécessite généralement moins d'intrants que l'équation Penman-Monteith, tout en maintenant une précision raisonnable, particulièrement dans les climats humides où les effets advectifs sont minimes.

Méthode Priestley-Taylor

L'équation Priestley-Taylor a été développée comme substitut de l'équation Penman-Monteith pour éliminer la dépendance aux observations, ne nécessitant que des observations de rayonnement. Ceci est fait en supprimant les termes aérodynamiques de l'équation Penman-Monteith et en ajoutant un facteur constant dérivé empiriquement.

L'équation E.E.-C. de Priestley-Taylor, qui est basée sur les radiations, permet de calculer le potentiel d'ET sur de nombreux types de végétation en fonction de l'énergie disponible et d'un coefficient sans dimension qui paramétre le stress par évaporation, avec la formule utilisant une valeur de 1,26 pour la végétation courte et le sol nu. Ce coefficient explique l'amélioration de l'évapotranspiration lorsque les masses d'air se déplaçant sur des surfaces végétales avec de l'eau abondante deviennent saturées.

La méthode Priestley-Taylor se porte particulièrement bien dans les régions humides où l'advection est limitée et l'atmosphère est presque saturée. Cependant, dans les régions arides où les conditions d'advection sont fortes et où l'humidité est faible, la méthode peut sous-estimer l'évapotranspiration.

Méthode Makkink

L'équation de Makkink est simple mais doit être étalonnée à un endroit précis. Cette méthode basée sur les radiations utilise le rayonnement solaire et la température pour estimer l'évapotranspiration de référence.

La simplicité de la méthode la rend efficace par calcul et adaptée aux applications opérationnelles. Cependant, la nécessité d'un calibrage local limite sa transférabilité entre les régions ayant des caractéristiques climatiques différentes. Lorsqu'elle est correctement calibrée, la méthode Makkink peut fournir des estimations fiables avec des exigences minimales en matière de données.

Méthode d'évaporation des pans

La pan-évaporation permet une mesure simple et directe de la demande d'évaporation à l'aide d'une casserole normalisée remplie d'eau. La casserole d'évaporation de classe A, largement utilisée aux États-Unis et à l'étranger, consiste en une casserole circulaire de 1,21 mètre de diamètre et de 25,4 centimètres de profondeur.

Pour convertir l'évaporation de la casserole en évapotranspiration de référence, on applique un coefficient de pan (généralement 0,7-0,85) pour tenir compte des différences entre la casserole et une surface végétalisée. Les coefficients de pan varient selon le placement de la casserole (niveau du sol versus élevé), les conditions de surface environnantes et le climat.

Bien que l'évaporation de la pan ait diminué avec l'avènement de stations météorologiques automatisées et de méthodes de calcul normalisées, elle demeure précieuse dans certaines régions et fournit une mesure tangible et facile à comprendre de la demande d'évaporation.

Sélection des méthodes appropriées

Étant donné que les méthodes empiriques reposent sur diverses hypothèses, il est essentiel d'évaluer leur rendement pour déterminer les méthodes les plus appropriées pour le calcul de l'ET en fonction de la disponibilité des données d'entrée et des conditions climatiques particulières d'une région.

En raison des exigences plus élevées en matière d'information de la méthode Penman-Monteith et de l'incertitude des données existantes, des méthodes empiriques simplifiées pour le calcul du potentiel et de l'évapotranspiration réelle sont largement utilisées dans les modèles hydrologiques, avec différentes méthodes de calcul de l'évapotranspiration utilisées en fonction de la complexité du modèle hydrologique.

Pour les études régionales de bilan hydrique ou de modélisation climatique, lorsque la disponibilité des données est limitée, des méthodes simplifiées, calibrées en fonction des conditions locales, peuvent donner des résultats adéquats. Pour les évaluations préliminaires ou les études de dépistage, des méthodes encore plus simples basées sur la température peuvent suffire.

Applications de télédétection pour l'estimation à grande échelle

Au cours des cinq dernières décennies, la télédétection est devenue une solution rentable pour estimer l'ET aux échelles régionale et mondiale. La télédétection par satellite a révolutionné l'estimation de l'évapotranspiration en permettant des mesures spatiales réparties sur de grandes zones, en dépassant les limites des mesures au sol par points.

Principes de la télédétection pour l'évapotranspiration

De nombreux modèles ont été développés, offrant des informations précieuses sur la dynamique de l'ET, permettant une surveillance à grande échelle, précise et continue tout en présentant des degrés de complexité variables.

Ces modèles utilisent les données de télédétection thermique fournies sous la forme de LST pour estimer H et calculer LE comme un résidu de l'équation de bilan énergétique de surface, qui est ensuite utilisée pour estimer ET. Le cadre de bilan énergétique fournit la base théorique pour la plupart des algorithmes d'évapotranspiration de télédétection.

Les modèles ET basés sur la température sont de niveaux de complexité différents et peuvent être classés en modèles à source unique ou à deux sources, selon la façon dont les apports du sol et de la canopée au flux thermique global ont été pris en compte, avec des méthodes simplifiées également introduites.

Algorithmes majeurs de télédétection

Plusieurs algorithmes de télédétection opérationnels ont été développés et validés pour l'estimation de l'évapotranspiration. L'algorithme de bilan énergétique de surface pour le sol (SEBAL) utilise l'imagerie thermique satellite pour estimer l'évapotranspiration comme résidu de l'équilibre énergétique de surface. L'évapotranspiration est un indicateur clé pour la gestion de l'eau et les performances d'irrigation, et SEBAL et MERIC peuvent cartographier ces indicateurs clés dans le temps et l'espace, pendant des jours, des semaines ou des années.

L'algorithme Mapping Evapotranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (Metric), développé par l'Université d'Idaho, s'appuie sur les principes SEBAL tout en intégrant des procédures d'étalonnage automatisées.

Le modèle de bilan énergétique de surface simplifié opérationnel (SSEBop), élaboré par la Commission géologique des États-Unis, fournit des estimations opérationnelles d'évapotranspiration à l'échelle continentale à l'échelle mondiale. SSEBop utilise une approche simplifiée qui nécessite moins d'intrants que SEBAL ou MERIC, permettant la production courante de cartes d'évapotranspiration pour les grandes zones.

Le produit d'évapotranspiration du spectroradiomètre à résolution modérée (MODIS) fournit une couverture mondiale de 500 mètres à 1 kilomètre de résolution, mis à jour tous les 8 jours. Ce produit utilise l'équation Penman-Monteith avec des propriétés de végétation et des données météorologiques de satellite, fournissant des estimations d'évapotranspiration globales cohérentes utiles pour les études climatiques et les évaluations des ressources en eau.

Avantages et défis de la télédétection

La télédétection offre des avantages uniques pour l'estimation de l'évapotranspiration. La couverture spatiale permet de cartographier les profils d'évapotranspiration à travers les paysages, de révéler les variations liées au type de végétation, aux propriétés du sol, à la topographie et aux pratiques de gestion.

La capacité d'estimer l'évapotranspiration réelle plutôt que les valeurs potentielles ou de référence fournit des informations directes sur la consommation d'eau et le stress hydrique des cultures.Cette capacité soutient l'agriculture de précision, l'application des droits sur l'eau et la surveillance des écosystèmes.

La résolution temporelle des dépassements de satellites (habituellement de jours à semaines) peut manquer de variations à court terme. Il existe des compromis de résolution spatiale entre les détails à grande échelle et la couverture étendue. La validation reste difficile en raison des écarts d'échelle entre les pixels satellites et les mesures au sol.

La précision de l'algorithme dépend de la qualité des données d'entrée, y compris les variables météorologiques qui doivent être obtenues des stations météorologiques ou des produits de réanalyse. L'hétérogénéité de surface au sein des pixels satellites peut introduire des erreurs, en particulier aux résolutions plus grossières.

Technologies émergentes et fusion des données

Ces dernières années, les chercheurs ont introduit plusieurs nouvelles techniques et approches, notamment la télédétection, les véhicules aériens sans pilote et l'apprentissage automatique pour mesurer directement les valeurs de l'ET à partir de domaines, avec des études indiquant que les méthodes modernes peuvent estimer l'ET sans utiliser d'équipement coûteux et d'expertise technique, offrant des avantages par rapport aux méthodes traditionnelles en matière d'efficacité, d'exactitude et d'évolutivité.

Les véhicules aériens sans pilote (UAV ou drones) équipés de caméras thermiques et multispectrales permettent de cartographier l'évapotranspiration à haute résolution à l'échelle du terrain. Les approches basées sur l'UAV permettent de combler l'écart entre les mesures par satellite et au sol, offrant une flexibilité dans le timing et la résolution spatiale.

Les techniques de fusion des données combinent plusieurs capteurs satellites avec différentes caractéristiques spatiales, temporelles et spectrales pour surmonter les limites individuelles des capteurs. Par exemple, combiner des données de résolution temporelle élevée mais grossière avec des données de résolution spatiale élevée mais de faible résolution temporelle peut produire des estimations d'évapotranspiration avec des détails spatiaux fins et des mises à jour fréquentes.

Apprentissage automatique et approches de l'intelligence artificielle

Ces approches fondées sur les données peuvent identifier des relations complexes et non linéaires entre les variables météorologiques et l'évapotranspiration sans exiger d'équations physiques explicites. Les algorithmes d'apprentissage automatique, y compris le Perceptron multicouche, le Subespace aléatoire, l'arbre modèle M5P et la forêt aléatoire, ont été évalués pour estimer l'ET quotidienne, avec des modèles formés et validés sur des périodes distinctes pour évaluer la précision historique et la robustesse dans des conditions climatiques changeantes.

Types de modèles d'apprentissage automatique

Les réseaux neuronaux artificiels (RAN) ont été largement appliqués à l'estimation de l'évapotranspiration. Ces modèles sont constitués de nœuds interconnectés organisés en couches qui apprennent les modèles à partir des données de formation.

Les méthodes de la forêt aléatoire et d'autres ensembles combinent plusieurs arbres de décision pour produire des prédictions robustes.Ces approches gèrent bien les relations non linéaires, sont relativement insensibles aux valeurs aberrantes et peuvent identifier des variables prédictives importantes.

Les méthodes d'apprentissage approfondi, y compris les réseaux neuronaux convolutionnels et les réseaux neuronaux récurrents, sont prometteuses pour l'estimation de l'évapotranspiration à partir des images de télédétection et des données de séries chronologiques.

Avantages et considérations

Les méthodes d'apprentissage automatique offrent plusieurs avantages : elles peuvent être très précises lorsqu'elles sont formées à des données de qualité suffisantes, ce qui peut surperformer les méthodes traditionnelles dans des conditions spécifiques. Les modèles peuvent s'adapter aux conditions locales en formant aux données régionales, en réduisant le besoin d'étalonnage manuel.

Les modèles d'apprentissage automatique ont toutefois d'importantes limites, qui exigent des données de formation substantielles, qui ne sont pas disponibles dans toutes les régions. La performance des modèles dépend fortement de la qualité et de la représentativité des données de formation. L'extrapolation au-delà des conditions de formation peut produire des résultats peu fiables.

Le surajustement représente un risque important, où les modèles fonctionnent bien sur les données de formation mais mal sur les données indépendantes. Une validation attentive à l'aide de ensembles de données indépendants est essentielle. Les exigences de calcul pour les modèles complexes de formation peuvent être substantielles, bien que la prédiction soit généralement rapide une fois les modèles formés.

Applications pratiques dans la gestion des ressources en eau

L'estimation précise de l'ETo est essentielle pour une planification efficace des ressources en eau, un calendrier d'irrigation et une surveillance de l'environnement, en particulier dans les régions semi-arides où la disponibilité de l'eau est limitée et où la variabilité climatique est prononcée.

Calendrier et gestion de l'irrigation

En calculant les besoins en eau des cultures en fonction des coefficients d'évapotranspiration et de la culture de référence, les gestionnaires de l'irrigation peuvent déterminer quand et dans quelle mesure ils doivent irriguer. Cette approche optimise l'efficacité de l'utilisation de l'eau, réduit les déchets, réduit la percolation profonde et le ruissellement et maintient la productivité des cultures.

L'agriculture est le plus grand consommateur d'eau douce et l'utilisation efficace des ressources en eau douce dans la production de produits agricoles est une préoccupation essentielle pour le développement durable, en particulier dans les climats arides ou semi-arides où l'irrigation joue un rôle crucial dans les systèmes de production alimentaire et les économies, bien que l'eau disponible limitée ne réponde pas aux exigences de la production alimentaire.

Les outils modernes de planification de l'irrigation intègrent les estimations de l'évapotranspiration avec la surveillance de l'humidité du sol, les modèles de croissance des cultures et les prévisions météorologiques pour fournir un soutien décisionnel. Les applications mobiles et les plateformes Web fournissent des recommandations d'irrigation aux agriculteurs, souvent en intégrant les données des stations météorologiques locales et les estimations de l'évapotranspiration par satellite.

Les stratégies d'irrigation déficientes, qui appliquent délibérément moins d'eau que les besoins en culture durant des stades de croissance précis, reposent sur des estimations précises de l'évapotranspiration pour optimiser le moment et l'ampleur du stress hydrique, ce qui peut améliorer la productivité de l'eau (récolte par unité d'eau) tout en maintenant des rendements acceptables, particulièrement dans les régions où l'eau est éparse.

Administration et répartition des droits relatifs à l ' eau

Dans de nombreuses régions, les droits d'eau sont attribués en fonction des besoins en eau des cultures calculés à partir de l'évapotranspiration. Des estimations précises de l'évapotranspiration assurent une distribution équitable de l'eau entre les utilisateurs et aident à prévenir la surallocation de ressources en eau limitées.

Les systèmes de comptabilité de l'eau utilisent des données d'évapotranspiration pour suivre la consommation d'eau aux échelles des champs, des districts et des bassins. Ces données appuient la planification des ressources en eau, aident à identifier les possibilités de conservation et assurent la transparence de la gestion de l'eau.

Surveillance et évaluation de la sécheresse

L'évapotranspiration joue un rôle central dans la surveillance de la sécheresse et les systèmes d'alerte rapide. La comparaison de l'évapotranspiration réelle avec des valeurs normales ou potentielles révèle des conditions de stress hydrique.

L'indice de stress par évaporation (IES), produit par la NOAA, utilise la télédétection thermique pour identifier les conditions de sécheresse en évolution rapide avant qu'elles ne apparaissent dans les indices de sécheresse traditionnels.

Modélisation hydrologique et bilan hydrique

L'évapotranspiration réelle est un processus clé du cycle hydrologique et un seul terme qui relie le bilan des eaux de surface et le bilan énergétique de surface, l'évapotranspiration jouant un rôle clé dans la simulation de l'effet hydrologique du changement climatique.

L'évapotranspiration représente le plus grand terme de perte d'eau dans la plupart des bassins versants, souvent en excès de débit. Les erreurs dans l'estimation de l'évapotranspiration se propagent par l'intermédiaire de modèles hydrologiques, affectant les prévisions de disponibilité de l'eau, de risque d'inondation et des besoins en eau des écosystèmes.

Les évaluations des impacts du changement climatique reposent fortement sur des projections d'évapotranspiration. L'augmentation des températures augmente la demande d'évaporation atmosphérique, peut-être en intensifiant les sécheresses et en modifiant la disponibilité de l'eau.

Gestion des écosystèmes et de l'environnement

L'estimation de l'évapotranspiration appuie l'évaluation des besoins en eau des écosystèmes pour les zones humides, les zones riveraines et la végétation naturelle.

L'estimation de l'évapotranspiration des écosystèmes aide à déterminer les taux de pompage des eaux souterraines durables qui maintiennent la santé des écosystèmes tout en répondant aux besoins en eau humaine.

La gestion urbaine de l'eau intègre de plus en plus l'estimation de l'évapotranspiration pour l'irrigation paysagère, la conception d'infrastructures vertes et l'atténuation de l'île de chaleur urbaine. Comprendre l'évapotranspiration de la végétation urbaine aide à optimiser l'irrigation des parcs et de l'aménagement paysager, en réduisant les déchets d'eau tout en conservant les avantages esthétiques et environnementaux.

Productivité de l'eau agricole et sécurité alimentaire

La productivité de l'eau, définie comme le rendement des cultures par unité d'eau consommée (évaporée), constitue une mesure clé de la durabilité de l'agriculture. L'amélioration de la productivité de l'eau permet une production alimentaire accrue avec des ressources en eau limitées, essentielles à la sécurité alimentaire mondiale.

Les programmes de sélection des cultures utilisent l'information sur l'évapotranspiration pour développer des variétés avec une meilleure efficacité de l'utilisation de l'eau. La recherche agronomique repose sur des mesures d'évapotranspiration pour évaluer les méthodes d'irrigation, les dates de plantation et d'autres pratiques de gestion.

La cartographie de l'évapotranspiration basée sur la télédétection permet de surveiller de façon rentable les grands secteurs et d'appuyer les efforts visant à améliorer la productivité de l'eau agricole et la sécurité alimentaire à l'échelle mondiale.

Défis et orientations futures

Malgré les progrès importants des méthodes d'estimation de l'évapotranspiration, d'importants défis subsistent : il faudra poursuivre la recherche, l'innovation technologique et améliorer les systèmes de collecte de données.

Disponibilité et qualité des données

L'élargissement des réseaux de stations météorologiques, l'amélioration du contrôle de la qualité des données et l'accès ouvert aux données renforceraient considérablement les capacités d'estimation de l'évapotranspiration.

La continuité des données satellitaires est un autre sujet de préoccupation : la surveillance à long terme de l'évapotranspiration exige des observations satellitaires cohérentes, mais les défaillances des capteurs, les lacunes des missions et l'évolution des spécifications des satellites peuvent perturber les enregistrements de données.

Questions d'échelle et hétérogénéité spatiale

L'évapotranspiration varie spatialement en raison des différences de végétation, de propriétés du sol, de topographie et de microclimat. La capture de cette hétérogénéité tout en fournissant des estimations pratiques à des échelles pertinentes pour la gestion demeure difficile.

Les méthodes de calcul à basse échelle qui combinent les données satellitaires à résolution grossière et les données à résolution fine sur la végétation et le terrain peuvent améliorer les détails spatiaux. Les méthodes de calcul à haute échelle qui regroupent les mesures à grande échelle dans des zones plus vastes doivent tenir compte des relations non linéaires et de la variabilité spatiale.

Quantité d'incertitude

Toutes les méthodes d'estimation de l'évapotranspiration comportent des incertitudes liées aux erreurs de données d'entrée, aux hypothèses du modèle et aux incertitudes des paramètres. La quantification et la communication de ces incertitudes sont essentielles pour une prise de décision éclairée.

Les méthodes de prévision probabiliste qui représentent explicitement l'incertitude sont de plus en plus importantes pour la gestion de l'eau fondée sur le risque. L'élaboration d'approches normalisées pour la quantification et la communication de l'incertitude améliorerait la valeur pratique de l'information sur l'évapotranspiration.

adaptation aux changements climatiques

Les changements climatiques modifient les modèles d'évapotranspiration à l'échelle mondiale par des changements de température, de précipitations, d'humidité, de rayonnement solaire et de végétation.

Les réactions de la végétation à des concentrations élevées de CO2 dans l'atmosphère affectent la conductance stomatique et l'évapotranspiration, mais ces effets ne sont pas pleinement compris ni intégrés dans les méthodes d'estimation.

Intégration et accessibilité

Les gestionnaires de l'eau, les agriculteurs et les décideurs ont besoin de données d'évapotranspiration dans des formats et à des échelles appropriées à leurs décisions. Des outils conviviaux, une documentation claire et des programmes de formation peuvent améliorer l'adoption et l'utilisation appropriée de l'information d'évapotranspiration.

L'intégration des estimations d'évapotranspiration avec d'autres outils de soutien à la décision, notamment les modèles de cultures, les contrôleurs d'irrigation et les systèmes de comptabilité de l'eau, améliore la valeur pratique.

Plusieurs pays et régions ont mis au point de tels services, mais la couverture mondiale reste incomplète, et la collaboration internationale et le partage des connaissances peuvent accélérer le développement de systèmes d'évapotranspiration opérationnels, en particulier dans les régions où les capacités techniques sont limitées.

Meilleures pratiques pour l'estimation de l'évapotranspiration

L'application réussie de l'estimation de l'évapotranspiration exige une attention particulière à plusieurs facteurs clés.

Sélection de la méthode

Pour l'établissement des calendriers d'irrigation exigeant une précision élevée, utilisez la méthode Penman-Monteith de la FAO avec des données météorologiques complètes lorsque cela est possible. Pour les évaluations régionales ou les situations limitées par des données, des méthodes simplifiées calibrées en fonction des conditions locales peuvent donner des résultats adéquats.

Comprendre les hypothèses et les limites de la méthode. Aucune méthode ne fonctionne de façon optimale dans toutes les conditions. Les méthodes basées sur la température peuvent sous-estimer l'évapotranspiration dans les climats arides et advectifs. Les méthodes basées sur les radiations peuvent être moins précises dans les régions humides où le couvert nuageux est fréquent.

Qualité et gestion des données

Assurer la qualité des données d'entrée grâce à des procédures appropriées d'étalonnage, de maintenance et de contrôle de la qualité des capteurs. L'emplacement des stations météorologiques selon les lignes directrices standard minimise les erreurs de mesure. L'étalonnage et le remplacement réguliers des capteurs maintiennent la précision.

Consigner clairement les sources de données, les méthodes et les hypothèses. Conserver les métadonnées décrivant les emplacements des stations météorologiques, les types de capteurs, les hauteurs de mesure et tout changement dans le temps. Documenter les procédures de calcul, y compris les versions logicielles, les valeurs des paramètres et toute modification des méthodes standard.

Validation et étalonnage

Valider les estimations d'évapotranspiration par rapport à des mesures indépendantes lorsque c'est possible. Les données de lysimètre, les mesures de covariance de l'édy ou les calculs du bilan hydrique fournissent des points de repère de validation.

Les coefficients de culture peuvent nécessiter un ajustement pour les variétés locales, les pratiques de gestion et le climat. Les algorithmes de télédétection ont souvent besoin d'un calibrage à l'aide de mesures au sol. Cependant, éviter une surétalonnage qui réduit la transférabilité des méthodes ou le réalisme physique.

Communication et application

Les agriculteurs peuvent préférer des recommandations simples d'irrigation plutôt que des valeurs brutes d'évapotranspiration. Les gestionnaires de l'eau peuvent avoir besoin de cartes spatiales montrant les modes de consommation. Les décideurs peuvent avoir besoin de statistiques agrégées aux échelles de district ou de bassin.

Fournir un contexte et une interprétation pour aider les utilisateurs à comprendre et à appliquer adéquatement l'information sur l'évapotranspiration. Expliquer ce que représentent les estimations, leur exactitude et leurs limites, et comment elles devraient être utilisées. Offrir de la formation et du soutien pour renforcer la capacité des utilisateurs.

Intégrer l'information sur l'évapotranspiration à d'autres données et outils pertinents. Combiner les estimations de l'évapotranspiration avec la surveillance de l'humidité du sol, les modèles de croissance des cultures, les prévisions météorologiques et les informations économiques fournit un soutien plus complet à la décision.

Conclusion : La voie à suivre pour la science et la pratique de l'évapotranspiration

L'estimation précise de l'évapotranspiration est la pierre angulaire d'une gestion efficace des ressources en eau au XXIe siècle. À mesure que la rareté de l'eau s'intensifie, que les populations grandissent et que le changement climatique modifie les modèles hydrologiques, la nécessité d'une information fiable sur l'évapotranspiration devient de plus en plus critique.

La méthode Penman-Monteith de la FAO a acquis un statut bien mérité en tant que norme internationale pour le calcul de l'évapotranspiration de référence, fournissant une approche physiquement solide et validée au niveau mondial adaptée à diverses applications. Méthodes complémentaires, allant d'équations simples basées sur la température à des algorithmes de télédétection sophistiqués, étendre les capacités d'estimation de l'évapotranspiration aux régions limitées par les données et aux grandes échelles spatiales.

Les lacunes subsistent dans de nombreuses régions, en particulier dans les pays en développement où la pénurie d'eau est souvent la plus grave. La quantification des incertitudes exige une attention soutenue pour que les utilisateurs comprennent la fiabilité des estimations de l'évapotranspiration.

Pour relever ces défis, il faudra s'engager de façon soutenue dans la recherche, le suivi des infrastructures et le renforcement des capacités. La collaboration internationale peut accélérer les progrès en partageant les connaissances, les données et les technologies.

Les applications de l'estimation de l'évapotranspiration vont bien au-delà de la programmation de l'irrigation pour englober l'administration des droits sur l'eau, la surveillance de la sécheresse, la gestion des écosystèmes, l'adaptation aux changements climatiques et la sécurité alimentaire.

Pour les praticiens qui cherchent à mettre en œuvre l'estimation de l'évapotranspiration, la voie à suivre consiste à choisir les méthodes appropriées pour les données disponibles et les applications prévues, à assurer la qualité des données, à valider les résultats et à présenter des informations dans des formats utiles aux décideurs.

L'avenir de l'évapotranspiration réside dans l'intégration continue de multiples approches, combinant la rigueur physique des méthodes d'équilibre énergétique, la couverture spatiale de la télédétection, les capacités de reconnaissance des modèles de l'apprentissage automatique et la vérité au sol fournie par les mesures directes.

Alors que nous sommes confrontés aux défis liés à l'eau des décennies à venir, une estimation exacte de l'évapotranspiration jouera un rôle de plus en plus vital dans l'utilisation durable de l'eau, le maintien de la productivité agricole, la protection des écosystèmes et l'adaptation aux changements climatiques.Les outils et les connaissances existent pour relever ces défis – la tâche à venir est de les appliquer efficacement, de continuer à faire progresser la science et de veiller à ce que l'information sur l'évapotranspiration atteigne ceux qui en ont le plus besoin.

Pour obtenir des ressources supplémentaires sur l'estimation de l'évapotranspiration et la gestion de l'eau, envisager d'explorer le Division des terres et de l'eau de la FAO, qui fournit des conseils détaillés sur les pratiques d'irrigation et de gestion de l'eau, et le programme de la Commission géologique des États-Unis sur les ressources en eau[, qui offre des données, des outils et des recherches sur l'évapotranspiration et la disponibilité de l'eau dans l'ensemble des États-Unis.