Station météo de l’UNIL

La station météorologique de l’UNIL est une plateforme scientifique expérimentale située sur le campus de l’UNIL au quartier Mouline. Elle enregistre des données météorologiques et pédologiques et les transmet en temps réel à un serveur afin de les mettre à la disposition de l’ensemble de la communauté.

À quoi sert-elle ?

Les données à haute fréquence mesurées par une station météo peuvent être employées pour des études scientifiques :

• Suivi hydrologique (conditions de précipitation et d’évaporation d’un bassin versant)
• Suivi environnemental (activité biologique, dynamique des écosystèmes)
• Suivi météorologique (tendances saisonnières, évènements extrêmes)

comme pour diverses applications :

• Gestion des cultures (adaptation à leurs besoins en eau et en chaleur)
• Gestion des risques (incendie, inondation, sécheresse)
• Gestion des bâtiments (chauffage, climatisation)
• Production d’énergies renouvelables (quantité de vent, d’ensoleillement)

Les capteurs situés à différentes profondeurs mesurent le stockage de l’eau dans le sol et permettent ainsi, de déterminer les trajets de l’eau et la capacité de recharge des nappes phréatiques. Ces données sont utilisées en pédologie, la science des sols, mais aussi en agronomie pour déterminer les conditions de stress hydrique de la végétation. Elles permettent ainsi d’adapter les plantations selon les conditions hydriques du sol et de gérer leur irrigation.

Les différents paramètres mesurés à la station de l’UNIL sont :

Paramètres météorologiques

• Les précipitations, désignent la quantité d’eau à l’état liquide ou solide issue de l’atmosphère. Leur mesure, exprimée en hauteur d’eau en mm (millimètre), permet de déterminer la pluviométrie, soit leur distribution spatiale qui, associée à la température, conditionne le climat et ainsi, le fonctionnement des écosystèmes. En hydrologie, les précipitations correspondent à la quantité d’eau entrant dans un bassin versant. Celle-ci pouvant ensuite s’infiltrer dans le sol et recharger les nappes phréatiques, ruisseler et alimenter les cours d’eau ou être utilisée par les plantes.
• La température de l’air, mesurée en °C (degrés Celsius), régit avec les précipitations les climats terrestres et l’activité biologique des écosystèmes. La température de l’air, avec la pression atmosphérique, conditionne également l’état de l’eau : gazeuse, liquide ou solide.
• L’humidité relative de l’air, exprimée en %, correspond à la quantité d’eau sous forme gazeuse présente dans l’atmosphère par rapport à la capacité de l’air à contenir de la vapeur d’eau pour une température donnée. Si l’humidité relative de l’air atteint 100 %, l’air est saturé en vapeur d’eau et celle-ci alors se condense et forme des nuages.
• La pression atmosphérique est le poids de la colonne d’air à la surface de la terre. Elle dépend de l’altitude et de la température de l’air. Sa mesure, en mbar (millibar), permet d’évaluer la situation météorologique : une pression atmosphérique élevée étant généralement associée à un temps ensoleillé, alors qu’une basse pression indique un temps nuageux. Les différences de pression dans l’atmosphère déterminent également les mouvements d’air et donc la direction et la vitesse du vent.
• La pression de vapeur saturante, mesurée en mbar (millibar), est la quantité maximale de vapeur que l’air peut contenir pour une température donnée. Elle augmente avec cette dernière. Si la pression de vapeur partielle dépasse la pression de vapeur saturante, il y a condensation.
• Le vent correspond au déplacement des masses d’air. Sa vitesse est mesurée en m/s (mètre par seconde) et sa direction en ° (degrès). Trois vents principaux soufflent dans la région lémanique : le Vent (du sud-ouest), la Bise (du nord-est) et le Foehn (du sud-est).
• Le rayonnement solaire, mesuré en W/m2 (Watt par mètre carré), est l’ensemble des ondes électromagnétiques émises par le soleil. Lorsqu’il atteint la surface de la Terre, selon l’albédo de la surface frappée, une partie plus ou moins importante est réfléchie. L’autre partie de ce rayonnement est absorbée par la surface de la Terre sous forme de chaleur ou par les végétaux comme source d’énergie lors de la photosynthèse.
• La mesure du nombre d’éclair et de la distance de la foudre permet de lancer des alertes si besoin pour protéger des biens ou des personnes.

Paramètres pédologiques

• La température du sol, mesurée en °C (degrés Celsius), influence les processus chimiques, biologiques et physiques de celui-ci. En effet, de nombreuses réactions chimiques se déroulent plus rapidement quand la température du sol est plus élevée. De plus, la température du sol influence la croissance des plantes, chacune ayant sa température optimale de croissance. L’activité du sol dépend également de sa température avec des micro-organismes, en général, plus actifs quand les températures sont plus élevées. Enfin, cette activité biologique impacte la structure du sol et donc ses capacités physiques.
• L’humidité d’un sol correspond à la quantité d’eau stockée dans celui-ci. Elle dépend de facteurs météorologiques (précipitation, évaporation, température, rayonnement, vent) et pédologiques (porosité, taille des particules, taux de matière organique, exposition, déclivité). Elle permet de déterminer les deux seuils entre lesquels l’eau est disponible pour les plantes : son point de flétrissement et sa capacité au champ.
• L’eau se déplaçant d’un point d’énergie élevée à un point d’énergie plus faible, la mesure du potentiel hydrique, généralement en kPa (kilopascal), permet d’expliquer les mouvements d’eau à travers le sol et les plantes. Le potentiel hydrique est utilisé par exemple en agriculture pour optimiser l’irrigation en évaluant la disponibilité en eau du sol pour les plantes.

Qui en bénéficie ?

• Le groupe de recherche en Hydrologie de l’UNIL utilise ces données dans leur modèle hydrologique du bassin-versant de la Chamberonne.
• Le service des bâtiments et travaux (UNIBAT) de l’UNIL peut l’utiliser pour la gestion des espaces verts du campus, entre autres, pour l’arrosage.
• Les données peuvent servir à l’enseignement, pour expliquer certains phénomènes météo ou pour développer des exercices spécifiques au campus.
• La présence de la station peut également bénéficier à la médiation scientifique en l’incluant, par exemple, à des parcours scientifiques sur le campus.
• Les données peuvent être employées pour valider les prévisions de certains modèles de MétéoSuisse et peuvent servir aux bases de données cantonales.
• Les données sont disponibles à tout le monde et donc tous les membres de la communauté UNIL comme les riverains et riveraines peuvent s’en servir.

Comment marche-t-elle ?

La station se compose de :

1. Un mât équipé d’une station météo compacte Campbell ClimaVUE 50 G2
2. Deux fosses dans le sol abritant un réseau de capteurs de types TEROS 11 et TEROS 21 de la marque METER
3. Un mât sur lequel sont installés un panneau solaire, un boîtier d’enregistrement des données et une antenne de communication à distance

Les capteurs présents sur la station sont :

capteurs météorologiques

• Pluviomètre. La précipitation est mesurée de deux manières : par le comptage du nombre de gouttes au volume calibrée et par une cuillère à bascule qui se déverse à chaque fois que le seuil massique est atteint.
• Thermomètre. La température de l’air est mesurée par une thermistance située au milieu des capteurs à ultrasons. Sa résistance électrique varie en fonction de la température.
• La vitesse du vent est mesurée par un anémomètre à ultrasons localisé sous le pluviomètre. Des ondes ultrasoniques sont émises vers la plaque à base convexe (cf. image ci-dessous) et sont renvoyées vers des capteurs. La vitesse du son à travers cet espace est affectée par le vent. Sa vitesse est alors calculée en mesurant la différence de vitesse que mets le son à aller et revenir entre les capteurs. L’avantage de ce type d’anémomètre, par rapport à celui à coupelles plus commun, est qu’il nécessite moins d’entretien.
• Hygromètre. Le capteur mesure l’humidité relative et la température de l’air dans une cavité protégée de l’eau liquide. La pression de vapeur est alors calculée à l’aide de ces deux mesures. Puisque la pression de vapeur ne varie pas avec la température mais l’humidité relative oui, la véritable humidité relative est calculée à l’aide de la véritable température de l’air et de la pression de vapeur calculée.
• Baromètre. La pression barométrique est mesurée par un capteur situé dans la même cavité que l’hygromètre. Elle est relative à l’altitude de la station (soit 400 m au-dessus du niveau de la mer) et n’est pas corrigée en fonction de l’altitude.
• Un pyranomètre à cellule en silicium intégré au rebord de l’entonnoir du pluviomètre mesure le rayonnement solaire total (direct et diffus).
• Le compteur d’éclair utilise une radio à modulation d’amplitude (AM). Quand la foudre tombe, une onde électromagnétique est émise et va perturber le signal radio AM. L’heure de l’impulsion est enregistrée ainsi que la distance de l’éclair, calculée en fonction de l’amplitude du signal.

capteurs pédologiques

• Les capteurs d’humidité du sol TEROS 11 génèrent un champ électromagnétique pour mesurer la permittivité diélectrique du milieu étudié. Pour cela, le capteur envoie une onde oscillante de 70 MHz aux aiguilles du capteur. Leur temps de charge est alors proportionnel à la permittivité du substrat et donc à sa teneur en eau.
• La mesure du potentiel hydrique avec les tensiomètres TEROS 21 consiste à introduire dans le sol un matériau avec une granulométrie connue jusqu’à atteindre son équilibre thermodynamique avec l’eau du sol. La mesure du potentiel hydrique du matériau donne alors le potentiel hydrique du sol. Le potentiel hydrique du matériau est déduit par la mesure de sa teneur en eau reportée sur sa courbe de rétention d’eau.

Du campus à votre mobile

La station de terrain n’est que la première étape du parcours des données. Avant d’être consultées par les utilisateurs, les mesures passent par plusieurs étapes de transmission et de traitement.

1. Collecte des données. Les capteurs sur le terrain mesurent différentes variables et transmettent les informations à un enregistreur de données (datalogger) situé dans le boîtier blanc.
2. Transmission. Toutes les cinq minutes, le datalogger envoie les nouvelles mesures à un serveur de l’UNIL via un modem situé dans le boîtier blanc. Cette étape est la plus énergivore du système et est alimentée par un panneau solaire.
3. Traitement et stockage. Les données sont automatiquement transmises à un serveur de l’Eawag, où elles sont vérifiées, formatées et stockées dans le cloud.
4. Accès. La plateforme DATALAKES récupère les données depuis le cloud et les rend accessibles sur ordinateurs et smartphones. Les utilisateurs peuvent consulter les données quelques minutes seulement après leur acquisition sur le terrain et les télécharger pour des analyses complémentaires.