Détermination de l'albédo des surfaces enneigées par télédétection : application à la reconstruction du bilan de masse du glacier de Saint Sorlin

Using remote sensing to retrieve the albedo of snow-covered areas : application to the reconstruction of the mass balance of the Saint Sorlin Glacier

• Auteur / Autrice : Marie Dumont
• Direction : Marc Bocquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie physique et physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'Enseignement et de Recherche en Environnement Atmosphérique (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Charles Obled
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bocquet, Gerhard Krinner, Eric Brun, Yves Arnaud, Yves Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludwig Braun, Jean-Louis Roujean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assimilation de données (géophysique)

Télédétection

Bilan hydrologique

Albédo

Mots clés libres

Neige/glacier

Bilan de masse

Brdf

Albédo

Télédétection

Assimilation

Snow/glacier

Mass balance

Brdf

Albedo

Remote sensing

Assimilation

Résumé

L'albédo, fraction de rayonnement réfléchi dans le spectre solaire, est une variable clef du bilan énergétique des surfaces enneigées et englacées. Cette grandeur possède une forte variabilité spatio-temporelle ce qui fait de la télédétection un outil adapté pour son étude. L'albédo dépend à la fois des propriétés physiques du milieu considéré et des caractéristiques du rayonnement incident. Les différentes grandeurs liées à l'albédo sont fonction des domaines angulaires et spectraux des radiations considérées. Les mesures de répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige ont montré que l'hypothèse lambertienne pouvait conduire à des erreurs non négligeables lors de la détermination de l'albédo par télédétection. La connaissance des caractéristiques de la répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige permet de développer une nouvelle méthode de détermination de l'albédo en zones montagneuses. Cette méthode prend en compte les effets liés à la forte variabilité topographique des terrains de montagne, à l'anisotropie du rayonnement réfléchi par la neige et par la glace ainsi que les variations spectrales de l'albédo en fonction des propriétés physiques de la surface. Elle a été appliquée à deux types de données : des photographies terrestres visibles et proche infrarouges (résolution spatiale 10 m) et des images MODIS (résolution spatiale 250 m). L'incertitude sur la valeur de l'albédo ainsi déterminée est évaluée à ±10% grâce aux mesures de terrain effectuées sur le glacier de Saint Sorlin (massif des Grandes Rousses, France). L'étude des cartes d'albédo issues de dix années (2000-2009) d'images MODIS montre qu'il n'y a pas de décroissance marquée de la valeur de l'albédo en zone d'ablation au contraire de ce qui a été prouvé pour le glacier du Morteratsch (Suisse). De plus, il existe une corrélation très élevée entre la valeur minimale de la moyenne de l'albédo sur le glacier, i.e. l'albédo moyen du glacier le jour où la ligne de neige est proche de la ligne d'équilibre, et la valeur du bilan de masse annuel spécifique. L'assimilation des données d'albédo obtenues grâce aux images MODIS et aux photographies terrestres dans le modèle de neige CROCUS permet une bonne estimation du bilan de masse spatialisé du glacier de Saint Sorlin (rmse=0.5 m w.e. pour les cinq années hydrologiques étudiées). Les forçages météorologiques utilisés pour cette étude sont de moyenne échelle. L'analyse succincte de la contribution des différents flux atmosphériques au bilan d'énergie de surface montre qu'en zone d'ablation comme en zone d'accumulation, le bilan radiatif net courtes longueurs d'ondes constitue la source principale d'énergie et que la variabilité de ce flux explique la majeure partie de la variabilité journalière de la somme des flux atmosphériques. Appliquées à d'autres glaciers, ces méthodes permettraient de savoir si les conclusions établies pour notre seul glacier d'étude sont valables pour d'autres glaciers. Elles rendraient également possibles la reconstruction du bilan de masse spatialisé sur 10 ans d'autres glaciers et potentiellement une meilleure quantification des processus physiques mis en jeu dans le bilan de masse de ces glaciers tempérés

Albedo is defined as the ratio of reflected to incident radiation over the solar spectrum and is a key parameter in the surface energy balance of snow and ice. This parameter is highly variable both temporally and spatially; thus remote sensing is an ideally suited approach for the retrieval of albedo data.The albedo value depends on both physical properties of the target and the characteristics of the incident radiation. Furthermore, the physical parameters linked with the albedo concept vary in consideration with spectral and angular ranges. Measurements of bi-directional reflectance over natural snow have shown that the Lambertian hypothesis may lead to significant error when estimating albedo from remote sensing data.Detailed knowledge of the angular distribution of radiation reflected by snow allows for the development of a new method to retrieve albedo values for mountainous, snow/ice covered areas. This method takes into account multiple reflections on mountainous areas, anisotropy of radiation reflected by snow and ice, and albedo spectral variations with surface physical properties. The method is applied to visible and near-infrared terrestrial photographs (spatial resolution 10 m) and MODIS data (spatial resolution 250 m). The accuracy of the method is evaluated at ±10% on the retrieved albedo value using concurrent field measurements at theSaint Sorlin Glacier (Grandes Rousses, France) during the summers of 2008 and 2009. The method is used to retrieve albedo data for this glacier from 2000 to 2009. Results indicate that the albedo of the ablation area of the Saint Sorlin Glacier has not shown any decreasing trend over this decade, in opposition to results presented for the Morteratsch Glacier (Switzerland). In addition, the minimal value over the summer period of the whole glacier averaged albedo is highly correlated to the specific annual mass-balance.Albedo data from MODIS and terrestrial photographs are then assimilated into the snow model CROCUS. This assimilation allows for an estimation of the spatialized mass-balance of the Saint Sorlin Glacier over the five studied hydrological years. Root mean square error is evaluated to 0.5 m w.e. For this study, we have used mid-scale meteorological data from SAFRAN. A brief analysis of the contribution from the atmospheric fluxes to the surface energy balance shows that, for the time period considered in this study, the shortwave radiation budget is the main process determining the surface energy balance. Furthermore, variability in shortwave radiation budget explains the major part of the daily variability in surface energy balance.The methods developed in this work are readily applicable to other temperate glaciers. They allows spatialized mass-balance reconstruction on a decadal scale and lead to improved quantification of the physical processes controlling mass-balance in temperate glaciers