Estimation de l’humidite du sol à partir de donnees radiometriques en bande-L

Introduction Genérale

L’eau 

L’eau est la source de toute la vie sur la Terre. Bien que la quantite d’eau presente sur la Terre soit constante, l’eau circule en permanence entre les oceans, l’atmosphere ` et la surface terrestre grace ˆ à l’ener gie solaire. Cette circulation (et conservation de l’eau terrestre) connue comme ’le cycle de l’eau’ (figure 1.1) est une composante cruciale de notre systeme ` climatique. La quantite d’eau presente dans la zone non saturee des surfaces continentales est l’humidite du sol. La quantite d’eau stockee dans le sol est petite par rapport à d’autres reserv oirs. L’humidite du sol joue cependant un role  majeur dans le cycle de l’eau. Les precipitations se partagent en ruissellement ou infiltration selon l’humidite du sol. A l’heure actuelle, les estimations de ruissellement, infiltration et de variation du stock d’eau dans le sol sont encore assez imprecises du au manque de mesures d’humidite. Dans un contexte hydrologique, des mesures precises d’humidite sont essentielles afin d’estimer les flux d’eau à l’echelle du bassin. La vegétation éxtrait l’eau du sol par les racines et l’emet dans l’atmosphere ` à travers ses stomates. La transpiration des plantes est donc determin ée par l’eau disponible pour la vegétation sur l’ensemble de la zone racinaire. Par ailleurs, sur une grosse partie du globe, la disponibiliteén eau est le facteur limitant pour la croissance des plantes et donc l’agriculture. Ainsi, la connaissance de l’humidite du sol est tres` precieuse pour detecter des periodes de stress hydrique. L’humidite du sol determine aussi la partition de l’ener gie solaire incidente entre ener gie sensible d’ev aporation et chaleur dans le sol. Etant donne que le processus de l’ev aporation d’eau demande des quantites importantes d’ener gie, ce processus a une forte influence sur le cycle de l’ener gie. Ainsi, l’humidite de surface du sol est une variable cle pour decrire les echanges d’eau et d’ener gie à l’interface surface terrestre / atmosphere. ` Ces processus interagissent sur une large echelle spatiale et temporelle. L’humidite de surface est fortement liee à la variabilite des precipitations [Koster 2004]. De nombreuses etudes montrent qu’il existe un mecanisme de retroaction éntre l’humidite du sol et les precipitations. Des valeurs anormalement ele vees d’humidite du sol resultent én une augmentation de la frequence ét magnitude des processus orageux, c’est-a-dire ` qu’il y a une retroaction positive entre l’humidite du sol et les precipitations.

 Inversement, il y a une retroaction éntre les conditions anormales de faible precipitation ét la secheresse [Eltahir 1998, Pal and Eltahir 2001]. A l’echelle regionale, l’agriculture peut avoir un impact sur les echanges d’eau et d’ener gie duˆ d’une part au changement d’utilisation du sol (de foretˆ à terrain cultive par exemple) et d’autre part à travers l’irrigation. L’irrigation affecte le cycle de l’eau en reduisant le debit des fleuves, augmentant l’ev aporation (des sols), et en augmentant la transpiration (des plantes). Par exemple, [de Rosnay et al. 2003] ont montre que l’irrigation en Inde augmentait de presque 10% le flux de chaleur latente. Un tel changement dans les echanges éau-energie modifie le comportement climatique à l’echelle regionale mais aussi à l’echelle globale [Chase et al. 2003]. L’humidite du sol est donc une variable d’importance majeure dans le champ de l’hydrologie, de la metéorologie ét du climat. La comprehension de ces phenom énes ` est capitale pour la gestion des ressources d’eau, pour le devéloppement des strategies agricoles, ainsi que pour la prevéntion de risques (humains et materiels) dans le cas d’evénements éxtremes. ˆ A titre d’exemple, l’impact de la connaissance de l’humidite du sol sur les previsions meteorologiques ést illustre sur la figure 1.2 On montre que la predictabilite des precipitations sur les terres emergees augmente par la connaissance de l’humidite du sol et notamment en zones sensibles comme le Sahel ou la mediterrannee. Les incertitudes actuelles sur les effets des perturbations du systeme ` climatique demandent une meilleure comprehension du cycle de l’eau. Pour traiter ces questions il est necessaire de devélopper des modeles ` metéorologiques ét climatiques globaux fiables [Entekhabi et al. 1999, Krajewski et al. 2006]. Cependant, deux des variables cles dans ces modeles, ` l’humidite du sol et la salinite de la mer, ne sont pas disponibles à l’echelle globale avec la precision ét couverture necessaires. L’humidite du sol varie fortement dans le temps et l’espace et les modeles ` atmospheriques utilisent des ’humidites’ provenant du forc¸age des observations ou des estimations issues des modeles ` de circulation genérale [Robock et al. 2000]. 

SMOS 

La telédétection ést la technique la plus adaptee pour fournir une cartographie globale de l’humidite du sol. Bien qu’il n’ait pas eu de satellites dedi és à cette tache, ˆ de nombreuses etudes ont eté faites pour estimer l’humidite à partir des donnees éxistantes. Ainsi, par exemple les donnees dans l’infrarouge peuvent etre ˆ utilises pour estimer l’humidite [Sandholt et al. 2002]. Le principe physique se base sur l’inertie thermique : plus la surface est humide plus son inertie thermique sera importante. Cependant, la telédétection dans le spectre du visible ou de l’infrarouge est limitee à cause de sa vulnerabilit é aux couvert nuageux, au manque de couverture globale et à sa frequence de revisite trop basse. La telédétection dans le domaine des micro-ondes est fondee sur l’ecart éntre les constantes dielectriques du sol et de l’eau et presente l’avantage ne dependre pas de l’illumination solaire et etre ˆ tres` peu influences par les phenom énes ` atmospheriques. La telédétection én micro-ondes peut se en connaissant la salinite de la mer (en haut), la salinite de la mer et l’humidite de la surface (milieu) et difference éntre les deux (en bas).

 SMOS 

Les systemes ` actifs sont plus sensibles aux caracteristiques structurales de la surface, comme la rugosite ou la structure de la canopee. La quantite d’information que l’on peut extraire du signal radar est limitee car les systemes ` actifs sont classiquement limites à une seule polarisation et une seule frequence. De plus, le temps de revisite des capteurs actifs est trop faible pour les etudes metéorologiques ét climatiques. Les radiometres ` sont donc prefer és pour l’estimation de l’humidite du sol. Par ailleurs, les radiometres ` ont une dynamique plus forte en fonction de l’humidite du sol. Les donnees micro-ondes des satellites existants (SSM/I, SMMR, AMSR-E) ont fait l’objet de nombreuses etudes pour estimer l’humidite du sol [Owe et al. 2001, Njoku et al. 2003]. Cependant, ces satellites mesurent à des frequences superieures à 5 GHz ou` l’opacite de la vegétation ést ele vee. Ainsi, l’estimation de l’humiditeést limitee aux zones arides ou semi-arides. La figure 1.3 montre la sensibilite de l’emission micro-ondes aux differents parametres de surface. La figure montre que les basses frequences micro-ondes presentent un maximum de sensibilite à l’humidite de surface et minimum aux phenomenes perturbateurs (biomasse, rugosite de surface …). Dans les basses frequences micro-ondes, la fenetre ˆ à 1.400-1.427 GHz en bande-L (0.39-1.55 GHz) est protegée pour des applications radio-astronomiques (pas d’emissions). Mise à part la sensibilite à la constante dielectrique, la bande-L presente les avantages suivants par rapport aux frequences plus ele vees : – A 1.4 GHz l’influence de la vegétation sur le signal est plus faible qu’aux frequences plus ele vees, ét le signal est sensible à l’humidite du sol jusqu’à des biomasses de 5 kgm2 ce qui represente 65% de la surface terrestre. – La sensibilite aux phenom énes ` atmospheriques ést minimale. En particulier, à cette frequence, les nuages sont pratiquement transparents, seuls les nuages precipitants contribuent à l’emission proportionnellement à leur contenu en eau. – La sensibilite à la rugosite de la surface est minimale. FIG. 1.4 – Instrument SMOS. La correlation éntre les differentes fonctions de visibilite permet de reconstituer le diagramme d’antenne de l’instrument. De nombreuses etudes basees sur des capteurs terrain [Wigneron et al. 1995] ou aeroport és [Wang et al. 1990, Schmugge and Jackson 1994, Chanzy et al. 1997] ont montre le potentiel de la bande-L pour l’estimation de l’humidite du sol. Bien que les principes soient connus depuis longtemps, l’observation de la Terre à une certaine resolution spatiale se heurtait à des contraintes technologiques, etant donnees les tailles d’antennes requises (>8 m). En effet, la resolution angulaire d’une antenne depend du diametre ` de l’antenne. Ainsi, plus la longueur d’onde observeeést grande, plus l’antenne pour avoir la meme ˆ resolution spatiale doit etre ˆ grande. Le devéloppement des techniques interferom étriques a permis le devéloppement d’antennes à synthese ` d’ouverture . Cette technique, inspiree des reseaux de radiotelescopes, consiste à combiner les signaux issus d’au moins deux antennes observant la meme ˆ scene ` depuis une position distincte. L’instrument ainsi compose, appele interferom étre, ` ne fournit pas directement un signal proportionnel à la temperature de brillance de la scene ` observee, mais une mesure de la coherence spatiale de cette scene, ` à partir de laquelle la temperature de brillance est calculee. Le satellite SMOS se base en la technique d’interferometrie pour fournir pour la premiere ` fois une cartographie globale de l’humidite du sol et de la salinite de la mer en utilisant la radiometrie én bande-L [Kerr et al. 2001]. Par ailleurs, la mission SMOS fournira aussi des informations utiles pour la recherche sur la cryosphere ` (accumulation de neige dans la calotte polaire). L’instrument SMOS comporte 69 eléments d’antennes distribues sur trois bras deplo yables (voir figure 1.4). Le diagramme d’antenne de SMOS provient de la correlation des diagrammes d’antenne des differents éléments (appeles aussi fonctions de visibilite). On peut ainsi constituer une image en deux dimensions avec une resolution similaire à une antenne de diametre ` equi valent aux bras de l’instrument SMOS. Tous les eléments d’antenne sont utilises simultanement pour genérer une image bidimensionnelle de la surface toutes les 2.4 secondes. Ainsi, lorsque le satellite se   FIG. 1.5 – A gauche, multi-angularite SMOS : lorsque le satellite se deplace la surface est observee sous differents angles de visee. A droite, champ de vue instantane de SMOS. deplace, les surfaces sont observees sous differents angles de visee. La figure 1.5 illustre la capacite multi-angulaire du satellite SMOS. La multi-angularite de SMOS permet d’explorer la signature directionnelle de la temperature de brillance. La variable mesuree par un radiometre, ` appelee temperature de brillance, depend de trois variables de surface : l’humidite, l’opacite de la vegétation ét la temperature. Le couvert vegétal attenue l’emission du sol et contribue lui-meme ˆ à l’emission. La correction des effets de la vegétation ést donc une question majeure pour l’estimation de l’humidite du sol avec des radiometres. ` Le satellite SMOS obtiendra des mesures à deux polarisations (horizontale et verticale) et pour plusieurs angles d’incidence. Ce systeme ` surdefini permettra d’estimer plusieurs parametres, ` notamment l’humidite du sol et l’opacite de la vegétation [Wigneron et al. 2001]. Les caracteristiques de la mission SMOS sur les terres emer gees ont eté definies pour fournir une cartographie globale de l’humidite du sol, avec une frequence ét une resolution appropriees aux besoins des etudes climatiques, metéorologiques ét hydrologiques. Ainsi, SMOS fournira : – Une precision sur l’estimation de l’humiditeén surface superieure à 0.04 m3m−3 . Sur les sols nus ou` l’influence de l’humidite du sol sur les flux de surface est plus forte, [Chanzy et al. 1995] ont montre qu’une precision de 0.04 m3m−3 est suffisante pour estimer l’ev aporation et les flux d’eau dans le sol. – Une resolution spatiale inferieure à 50 km. Les applications metéorologiques ét climatiques demandent des resolutions spatiales de l’ordre de la cinquantaine de kilometres, ` et sont donc completement ` compatibles avec SMOS. – Une frequence de revisite de 2 à 3 jours. Les estimations de contenu d’eau en profondeur et de flux d’ev apotranspiration à partir de l’humidite du sol requierent ` des mesures d’humiditeén surface tous les 3 jours [Calvet et al. 1998, Wigneron et al. 1999, Walker and Houser 2001]. – L’heure de passage sur l’equateur ést fixee à 6 a.m – 6 p.m. L’heure de passage n’est pas critique mais à 6 a.m. les effets ionospheriques sont minimaux, et la condition d’equilibre thermique plus probable.  – La couverture globale de la surface terrestre. Les applications hydrologiques travaillent à l’echelle du bassin versant et il faut changer de l’echelle SMOS à une echelle plus fine. Duˆ aux processus non-lineaires, le simple moyennage n’est pas suffisant. Le changement d’echelle doit prendre en compte les hetérog éneit és sub-pixel ou plus precis ément desagr éger les humidites. Les methodes éxistantes se fondent sur l’utilisation des caracteristiques hydrologiques du pixel observe [Pellenq et al. 2003] ou sur l’utilisation d’indicateurs d’humidite disponibles à une echelle plus fine comme la temperature [Merlin et al. 2005]. 

Objectifs et plan de la these 

Une des activites principales en preparation de la mission SMOS est le devéloppement de l’algorithme pour l’estimation de l’humidite du sol à partir de donnees SMOS. Sommairement, pour chaque pixel SMOS les differentes contributions (foret, ˆ jachere, ` eau …) sont calculees proportionnellement à sa surface. L’algorithme utilise une approche iterati ve pour minimiser l’ecart éntre les temperatures de brillance observees ét estimees. Ainsi, les differents parametres ` (humidite du sol, contenu en eau de la vegétation) sont estimes. L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) est le modele ` choisi pour simuler les temperatures de brillance et englobe l’etat de l’art pour les differents types de couverts. De nombreuses experiences ont eté realis ées recemment pour ameliorer les modeles ` d’emission én bande-L [Schneeberger et al. 2004, Grant et al. 2005, Schwank et al. 2006, Fenollar et al. 2006]. L-MEB est un modele ` ouvert ou` les resultats de ces experiences seront introduits. Dans ce contexte, l’objectif de cette these ` est de respondre aux questions ouvertes dans la validation L-MEB. Concretement, ` des etudes recents montrent que : – la rugosite a des effets differents aux differentes polarisations et angles d’incidence [Wegmuller ¨ and Matzler ¨ 1999, Shi et al. 2002] – la rosee a une influence sur le signal [De Jeu et al. 2004, Hornbuckle et al. 2006] Ces deux aspects ne sont pas pris en compte sur le modele ` à l’heure actuelle. Le satellite SMOS sera lance deb ut 2008, et donc nous ne disposons pas de donnees SMOS. Pour cet etude on se basera donc sur les donnees éxperimentales du site SMOSREX, ce qui presente l’avantage d’etre ˆ un milieu controle. Dans une premiere ` partie de cette these, ` nous presentons les fondements physiques de la radiometrie micro-ondes. Nous decri vons briev` ement les differentes approches de modelisation pour relier les parametres ` physiques (humidite, contenu en eau de la vegétation) aux temperatures radiometriques. L’approche retenue est le transfert radiatif simplifie. Cette approche semi-empirique est tres` adaptee aux objectifs de cette these ` qui sont de devélopper des modeles ` directement applicables aux donnees SMOS. Le Chapitre 3 est consacre à la description des donnees éxperimentales. Ces donnees proviennent du site experimental SMOSREX (Surface Monitoring Of the Soil Reservoir EXperiment). SMOSREX a eté conc¸u dans le cadre de la preparation à SMOS. Un radiometre ` en bande-L mesure de fac¸on continue un sol nu et une jachere ` dans tout le spectre angulaire de SMOS. Par ailleurs, les deux surfaces sont completement ` instrumentees. énsuite, nous abordons la problematique de la validation des donnees radiometriques avec des mesures terrain dans le Chapitre 4. Le probleme  a deux volets. D’une part les mesures radiometriques sont des mesures integr ées de la surface observee par l’instrument tandis que les mesures terrain sont ponctuelles. D’autre part les mesures sont faites à des frequences differentes. Dans les modeles  de transfert radiatif d’une scene ` naturelle, une des contributions majeures est l’emission du sol. Bien que des etudes aient mis en evidence que les effets de la rugosite sont differentes pour des polarisations et des angles d’incidence differents [Mo et al. 1987, Shi et al. 2002], les modeles ` semi-empiriques existants considerent ` des effets equi valents de la rugosite [Choudhury et al. 1979, Wang and Choudhury 1981, Wegmuller ¨ and Matzler ¨ 1999, Wigneron et al. 2001]. Ainsi, dans le Chapitre 5, un nouveau modele ` de rugositeést devéloppe. Ce modele ` utilise les capacites multi-angulaires de SMOS. L’emission de la vegétation depend de son contenu en eau. Les heures du passage du satellite SMOS sont prevues à 6 a.m et 6 p.m lorsque le contenu en eau est maximal et minimal respectivement. Ainsi, le cycle journalier de la vegétation peut jouer un role ˆ important sur les estimations d’humidite. Par ailleurs, à 6 a.m. la presence de roseeést probable. Actuellement, les effets de la rosee ne sont pas pris en compte dans la modelisation, bien que des etudes ont montre que la presence de rosee peut avoir une influence sur le signal en bande-L [Hornbuckle et al. 2006, De Jeu et al. 2004]. Ainsi, dans le chapitre 6, nous etudions l’emission de la jachere  à l’echelle journaliere ` et la possible influence de la rosee sur l’emission