Fragmented landscape : impact on atmospheric flow and tree stability
La fragmentation du paysage : impact sur l'écoulement atmosphérique et la stabilité au vent des peuplements forestiers
Résumé
At present only the characteristics of a forest stand and its immediate environment are taken into account in calculating forest wind risk. However, it is known that the wind is strongly affected by the surfaces over which it has previously flowed. Forest edges in particular play an important role in determining the characteristics of the atmospheric flow by generating increased turbulence, triggering the formation of coherent tree scale structures. In a fragmented landscape, consisting of surfaces of different heights and roughness, the multiplicity of edges may have cumulative effects at the regional scale leading to increased forest damage during storms. Flow changes in the atmospheric boundary-layer across surface roughness changes have received extensive study in the past because of their importance in determining velocities, turbulence levels and exchange between the atmosphere and biosphere or ground. There have also been a number of studies across single forest edges both in the field, wind-tunnels and computer models. However, there have been no studies of flow across multiple forest edges or the impact of forest fragmentation on the characteristics of the boundary-layer. The only studies on multiple surface changes have been wind-tunnel examination of the flow though and across multiple wind-breaks. In this thesis we show results from a series of wind tunnel experiments on a range of levels of forest fragmentation. Five gap spacings (L = ~ 5, ~ 10, ~15, ~20, ~30h, where L is the length of the gap and h is the canopy height) were investigated using 3D laser doppler velocimetry in order to assess the effects of fragmented landscapes on mean and turbulent wind characteristics. The fragmentation was two-dimensional with the transition between forest and gaps only being along the wind direction and the forest and gaps were continuous perpendicular to the wind direction. The wind speeds and turbulence characteristics are compared against measurements from a single forest edge in the wind tunnel, which acts as a reference. No enhancement of turbulence formation at a particular level of fragmentation was observed but there was a consistent pattern of wind speed and turbulence back from the first edge of each simulation with the horizontal velocity at tree top increasing and the turbulent kinetic energy decreasing as gap size increased. We also compare mean wind speeds (U and W) and turbulence characteristics (variance in u, v, and w; skewness in U, V, and W; Reynold’s stress, and TKE) at all points in the experimental measurement domain of the wind tunnel with Large Eddy Simulation (LES) results, which allows us to confirm the validity of the LES calculations and to conduct a wider range of experiments than was possible in the wind-tunnel. The results demonstrate the importance of the frontal area index or roughness density of elements (in this case trees) in determining the nature of the flow and the effective roughness of the overall surface. They also show that as the gaps between forest blocks increases the flow transitions (at a gap size between 10 to 15 tree heights) from flow comparable to that over a continuous forest to flow across a set of isolated forest blocks.
A l’heure actuelle, seuls des facteurs locaux, stationnels, sont considérés pour le calcul des risques liés au vent alors que le vent qui aborde un peuplement forestier est affecté par les surfaces sur lesquelles il vient de passer ; les lisières en particulier jouent un rôle important sur l’écoulement atmosphérique, en contribuant à générer de la turbulence. Dans un paysage fragmenté, constitué d’une mosaïque de surfaces de différentes hauteurs et rugosités, la multiplicité des lisières est ainsi susceptible d’avoir des effets cumulatifs perceptibles à l’échelle régionale, qui pourraient contribuer de manière significative à la fragilité des massifs face à des tempêtes. Certains niveaux de fragmentation semblent susceptibles de conduire à un accroissement des risques en cas de vent violent. Bien que la région de lisière a été étudiée de manière approfondie dans le passé en raison de leur importance pour la détermination des vitesses de vent, des niveaux de turbulence et des échanges entre l’atmosphère et la canopée, il n’y a aucune étude de l’impact de lisières multiples ou de la fragmentation des forêts sur les caractéristiques de la couche limite à l’échelle du paysage. Quelques rares études laissent penser que la fragmentation du paysage pourrait moduler de manière significative la structure turbulente de la couche limite atmosphérique mais ces études concernent des réseaux de brisevents plutôt qu’un ensemble de parcelles forestières. On cherche par conséquent à caractériser les champs de vent et de turbulence pour ces différentes configurations. Pour ce faire, une expérimentation en soufflerie à été réalisée, visant à caractériser l’écoulement sur des maquettes de paysage présentant cinq degrés de fragmentation (L = ~ 5, ~ 10, ~15, ~20, ~30h, où L est la distance entre deux patchs de forêts régulièrement espacés et h est la hauteur de la canopée). Un cas homogène a également été simulé et sert ici de référence. Pour le modèle de canopée choisi, ces expérimentations montrent que l’énergie cinétique turbulente présente dans la basse atmosphère ne passe pas par un maximum pour une valeur de l’espacement intermédiaire comme il était supposé à l’origine. Le cas homogène est la configuration la plus rugueuse. Pour de grands espacements l’influence d’une parcelle ne se fait guère sentir sur la suivante et lorsqu’ils sont faibles l’écoulement ne "ressent" guère les clairières et présente des caractéristiques semblables au cas homogène. Nous avons également évalué un modèle atmosphérique de type "simulation des grandes échelles" à l’aide des données présentées précédemment. Le modèle est capable de reproduire les grandes caractéristiques de la turbulence telles que les vitesses de vent horizontales et verticales, l’énergie cinétique turbulente, les contraintes de Reynolds et les coefficients d’asymétrie horizontale et verticale en tous points du domaine. Cela nous a permis de confirmer la validité des calculs numériques et de simuler l’écoulement sur une plus large gamme de paysages fragmentés. Les résultats démontrent l’importance de l’indice foliaire pour le calcul de la rugosité effective sur une succession de patchs de forêt.
Origine : Version validée par le jury (STAR)