Caractérisation des manteau neigeux polaires et suivi climatique par télédétection micro-onde.

par Céline Vargel

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Ghislain Picard et de Alain Royer.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 03-03-2017 .


  • Résumé

    Le réchauffement climatique observé et anticipé dans les hautes latitudes nord a non seulement un impact sur le dynamique du couvert nival (précipitation, fonte) mais aussi sur ses propriétés physiques (densité, conductivité thermique, croute de glace …). Ces changements des propriétés de la neige ont, en retour, un impact important sur l'environnement nordique, notamment sur les écosystèmes végétaux, le sol (gel/dégel, pergélisol) et l'hydrologie (ruissellement, crues printanières). En Antarctique, les couches superficielles de neige au Dôme C (sur le plateau continental de l'Antarctique de l'Est) semblent aussi évoluer vers une augmentation de densité, pour des raisons encore inconnues. L'observation satellite dans le domaine des micro-ondes est un outil depuis longtemps utilisé pour suivre et cartographier la neige au sol, mais de façon encore peu quantitative (méthode semi-empirique) et avec de larges sources d'erreur selon les conditions du manteau (couche importante de givre de profondeur par exemple, croûtes de neige soufflée avec de forte densité). Le projet vise à améliorer l'extraction des paramètres géophysiques du couvert nivale à partir des observations micro-onde (Température de brillance, Tb) par satellite et mesures au sol, pour un meilleur suivi de son évolution en lien avec la variabilité climatique. Le premier objectif spécifique sera de valider le nouveau modèle de transfert radiatif micro-onde SMRT, développé dans le cadre d'un projet de l'ESA par Ghislain Picard et ses collègues, étant donné que l'ancien modèle développé (DMRT-ML, http://lgge.osug.fr/~picard/dmrtml/) a montré des limites, en particulier concernant les métriques de microstructure de la neige considérées dans le modèle (taille des grains et cohésion). Un travail d'analyse de propagation d'erreur sera réalisé à partir de mesures au sol de radiométrie micro-onde dans une large gamme de fréquence (1.4, 10, 19 37 et 89 GHz) sur des neiges bien caractérisées in-situ. Un deuxième objectif spécifique sera de coupler ce modèle SMRT avec le modèle de neige SURFEX/Crocus de Météo-France, de façon a pouvoir simuler des séries temporelles de températures de brillance pour différents types de neiges: - arctique (Cambridge Bay, Nu, Canada; Sodankyla, Finlande); - subarctique (Baie James, Nunavik); - boréale (Montmorency, Qc); - et Antarctique (Concordia, Dôme C). Ces analyses, validées par des mesures au sol des propriétés de la neige et du sol sous-jacent pour les sorties de Crocus et des mesures satellites et/ou au sol de radiométrie micro-onde pour les simulations de Tb, permettront d'une part d'améliorer certains processus d'évolution du couvert nival dans le modèle de neige, et d'autre part de permettre de caractériser l'impact d'un changement de climatologie hivernale sur les propriétés de la neige. Ce travail a pour finalité l'application aux images satellites du suivi temporel de l'évolution du manteau neigeux dans l'Arctique en lien avec l'important réchauffement climatique actuel observé et aussi des couches superficielles de neige à Dôme C, depuis les 15 dernières années.

  • Titre traduit

    Polar snowpack characterization and microwaves remote sensing for climate monitoring


  • Résumé

    The observed and anticipated climate warming in Polar Regions has a significant impact on snow cover dynamics (precipitation, melt) and the associated physical properties (density, thermal conductivity, ice crust). These changes lead to various responses of the northern environment, in particular the vegetation ecosystems and the ground (freezing/thaw, permafrost) and of hydrology (streamflow, spring floods). In Antarctica, the snow surface layers at Dome C (continental shelf of East Antarctica) have increased in density for unknown reasons to date. Microwave satellite observations represent an interesting tool for a long-term snow cover monitoring, but remains very qualitative (semi-empirical methods) and with broad sources of errors according to the snowpack conditions (important layer of depth hoar for example, crusts of blowing snow with strong density, ice lens after rain-on-snow events, etc.). The project aims at improving the extraction of the snowpack geophysical parameters from passive microwave observations (Brightness Temperature, Tb) using satellite- and surface-based measurements, for an improved monitoring of its evolution in relation to the observed climate variability. The first specific objective will be to validate the new microwave radiative transfer model (SMRT), developed within the framework of an ESA project led by Ghislain Picard and colleagues, since the old model developed (DMRT-ML, http://lgge.osug.fr/~picard/dmrtml/) demonstrated several limitations such as the snow microstructure metrics considered in the model (grain size, stickiness and cohesion). Research working on error propagation analysis will be completed using surface-based radiometers in a broad range of frequencies (1.4, 10,19 37 and 89 GHz) over well-characterized snowpack. A second specific objective will be to couple this SMRT model with the snow model SURFEX/Crocus from Météo-France, in order to simulate time series of Tbs over various types of snowpacks: - Arctic (Cambridge Bay, Nunavut, Canada; Sodankyla, Finland); - subarctic and taiga regions (Bay James, Nunavik); - boreal forest regions (Montmorency, Québec, Canada); - and Antarctica (Concordia, Dome C). These analyses will be validated with field measurements of snowpack and soil properties for Crocus outputs and by satellite- and/or surface-based radiometers for Tb simulations. On the one hand, this will allow the improvement of snow cover related evolution processes in the snow model, and on the other hand, the characterization of the impact of winter climate variability on snowpack properties. The modelling work aims to improve the use of satellite images for the spatio-temporal monitoring of the snowpack in the Arctic responding to climate change, but also to monitor snow surface layers evolution at Dôme C, over the past 15 years (using the second generation of satellite passive microwave sensors, AMSR-E and AMSR2).