Quantification du bilan de masse des glaciers de montagne à l'échelle régionale par télédétection spatiale optique

par Lucas Davaze

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Antoine Rabatel, Yves Arnaud et de Yves Arnaud.

Le président du jury était Delphine Six.

Le jury était composé de Simon Gascoin.

Les rapporteurs étaient Christophe Delacourt, Michael Zemp.


  • Résumé

    Au-delà de leur rôle d’icône du changement climatique, les glaciers de montagne sont une composante essentielle de notre planète. Ils sont, de plus, de véritables « climat-mètres » naturels. Malgré leur faible superficie (0.5% des terres émergées), les glaciers de montagne contribuent à hauteur de 30% à la hausse du niveau des mers. Dans certaines régions, ils constituent de véritables enjeux quant à l’eau potable, l’agriculture, la production hydroélectrique ou les aléas glaciaires. Peu sont en revanche instrumentés (<0.0025%) et leurs fluctuations à l’échelle de régions entières sont mal connues.Grâce au développement de capteurs satellitaires à haute résolution spatiale (métrique à décamétrique), le développement de méthodes automatisées permet aujourd’hui d’augmenter considérablement le nombre de glaciers observés. Après avoir dressé un état de l’art des méthodes existantes et identifié les verrous méthodologiques, nous avons développé deux méthodes en particulier.La première se base sur la détection automatique de l’altitude de la limite glace/neige (i.e. ligne de neige) à la surface du glacier, à partir d’images satellites optiques. Cette altitude, lorsque mesurée à la fin de l’été, est un marqueur du changement de masse à la surface du glacier ayant eu lieu au cours de l’année (appelé bilan de masse de surface). Cette approche nous a permis d’estimer le bilan de masse de surface annuel de 239 glaciers dans les Alpes européennes et de 82 glaciers dans les Andes tropicales pour la période 2000-2016 et 2000-2018, respectivement. La perte moyenne annuelle observée est de -0.74 et de -1.29 m équivalent eau par an pour les deux régions respectivement. A notre connaissance, cette approche a permis d’établir le premier jeu de données de bilans de masse de surface annuels pour des glaciers individuels à échelle régionale à partir d’images satellites optiques. Une dépendance du bilan de masse de surface moyen par glacier à des caractères morpho-topographiques (e.g. pente, altitude médiane …) a été observée, où plus les glaciers sont pentus et hauts en altitude, moins leur perte de masse est importante. Une comparaison avec des mesures in situ dans les Alpes Européennes révèle une surestimation de la perte de masse par ces dernières si on les extrapole spatialement, notamment à cause de la faible représentation de glaciers à forte pente (>20°) dans les mesures in situ. Notre étude sur les Alpes Européennes a de plus permis d’identifier une variabilité interannuelle hétérogène sur cette région, en partie expliquée par des contextes climatiques différents grâce à l’utilisation de données issues de ré-analyses.Le développement d’une autre méthode a permis, à partir de l’analyse de carte d’albédo issues du capteur MODIS, de caractériser le bilan de masse de surface annuel et estival de 30 glaciers dans les Alpes françaises. Cette étude ouvre la porte à l’utilisation de cette méthode pour l’analyse du bilan annuel et saisonnier à l’échelle régionale.Ce travail a permis, à travers des applications dans différentes régions englacées, de développer et valider des méthodes capables, à partir d’images satellites optiques, d’estimer le bilan de masse de surface annuel et saisonnier de glaciers de montagne à l’échelle de régions entières. Ces estimations peuvent ensuite être utilisées pour : (1) étudier l’impact du climat local sur les glaciers de montagne ; (2) d’investiguer de possibles conditions météorologiques favorisant les fluctuations observées ; (3) calibrer et valider les modèles glacio-hydrologiques utilisés pour estimer les contributions actuelles et futures des glaciers de montagne au fonctionnement hydrologique des bassins versants et à l'élévation du niveau des mers.

  • Titre traduit

    Quantification of mountain glaciers surface mass balance at regional scale from optical satellite images


  • Résumé

    Beyond their iconic role of climate change, mountain glaciers can be considered as Earth’ essential component and natural “climate-meter”. Despite their small spatial coverage (0.5% of emerged land), mountain glaciers contribute as high as 30% of the observed sea-level rise. In some regions, they are considered as essential issues because of their importance in terms of potable water, agriculture, hydroelectricity or natural hazards. A small share is however monitored in situ (<0.0025%) and their fluctuations at regional scale are poorly known.Thanks to the development of high spatial resolution satellite sensors (metric to decametric), new methods are today available to significantly increase the number of monitored glaciers. After a state of the art of the existing methods and an identification of the limitations, we focused our attention on the development of two methods.The first one is based on the automatic detection of the snow/ice interface altitude (i.e. snowline) at the glacier surface from optical satellite images. This altitude, when estimated at the end of summer, is a proxy of the annual glacier-wide mass change at the glacier surface (called surface mass balance, SMB). Using this approach, we estimated the annual SMBs of 239 glaciers in the European Alps and 82 glaciers in the tropical Andes for the period 2000-2016 and 2000-2018, respectively. The mean mass loss are -0.74 and -1.29 m water equivalent per year for the two regions, respectively. This approach allowed to derive the first dataset of annual SMBs for individual glaciers at regional scale from optical remote sensing. We found significant relationships between the computed SMBs and the glacier morpho-topographic features (e.g. slope, median altitude, …), with steeper and higher glaciers, experiencing less mass losses. Comparison with in situ monitored SMBs revealed an overestimation of mass losses from in situ estimates, due to a low representativeness of steep glaciers (>20°) in the in situ datasets. Our study also revealed heterogeneous inter-annual variability across the European Alps, partially explained by the climatic context of the studied sub-regions, thanks to the analysis of climate reanalysis data.We developed a second method to derive the annual and summer SMBs from albedo maps, computed from MODIS images. With an application on 30 glaciers in the French Alps, this work opened the way toward a regional application of this method, in order to estimate both annual and summer SMBs.By performing regional applications on different glacierized regions, we developed and validated methods capable of deriving the annual and summer SMBs of individual mountain glaciers at regional scale, from optical remote sensing data. These data could then be used to (1) assess the impact of peculiar climatic conditions onto mountain glaciers; (2) investigate possible meteorological conditions driving the documented glacier fluctuations; (3) calibrate and validate glacio-hydrological models used to estimate the current and future contributions of mountain glaciers to the hydrological functioning of mountain catchments and to sea level rise.


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