Simulation de l’humidité du sol/ température de brillance à partir des données in situ dans le cadre de la validation des produits SMOS

 Humidité du sol 

L’implication dans le cycle d’eau 

L’eau est répartie dans divers réservoirs et les précipitations (pluie, neige, rosée, etc.) jouent un rôle clé dans le renouvellement de ces réservoirs et la biodiversité locale. En fonction des conditions, les précipitations peuvent alimenter les rivières et lacs, reconstituer les nappes phréatiques ou retourner dans l’atmosphère par évaporation et évapotranspiration. Les glaciers stockent l’eau sous forme de neige et glace et alimentent les cours d’eau locaux avec des quantités d’eau qui varient en fonction des saisons. La taille de ces glaciers semble diminuer d’avantage de nos jours, signe que le cycle hydrologique à tendance à s’accélérer notamment en raison du réchauement climatique. La conservation de l’eau dans le sol est cruciale non seulement pour soutenir la production primaire, mais est également intrinsèquement liée au climat. La compréhension et la description des phénomènes physiques et physico-chimiques se déroulant dans les sols aussi bien qu’à leur interface avec l’atmosphère, en présence ou non de la végétation, paraissent indispensables à une gestion adéquate de ces milieux. 

 La teneur en humidité supercielle d’un sol représente le stockage temporaire de l’eau des précipitations à l’intérieur d’une couche supercielle de la surface de la Terre, généralement limitée à la zone d’aération. 

 Importance pour la planète 

Bien que la quantité d’eau contenue dans le sol soit insigniante par rapport à la quantité totale d’eau à l’échelle globale, l’humidité du sol est une variable d’état fondamentale dans plusieurs sciences de l’environnement tels que l’agronomie, l’hydrologie et la météorologie. Ainsi, les prévisions sur la production agricole et la gestion optimisée des irrigations nécessitent des informations sur l’état hydrique du sol et sur ses variations spatio-temporelles. En hydrologie, il est bien connu que l’humidité de surface antérieure à une précipitation conditionne le ruissellement et l’inltration de la pluie. Enn, en météorologie et climatologie, l’humidité de surface contrôle les contributions relatives des ux de chaleur latente (évaporation et évapotranspiration) et sensible au rayonnement net (Vauclin, 1983).

 Échelle locale et échelle globale 

Actuellement, il existe deux types d’observations de l’humidité de sol : locales et globales. Les mesures locales eectuées par les stations hydrométéorologiques sont précises et continues dans le temps mais elles ne sont représentatives qu’à une faible échelle spatiale. Or, vu son implication dans le cycle de l’eau, l’humidité du sol présente un réel intérêt quand elle est connue à grande échelle. La solution pour les observations globales vient des mesures par télédétection. Le développement des instruments embarqués sur les satellites a permis d’avoir une vision globale et uniforme de notre planète. En hydrologie, ces instruments permettent donc d’étudier le cycle de l’eau de façon globale et d’observer en même temps sa variabilité spatio temporelle. Les satellites apparaissent alors d’autant plus intéressants qu’ils survolent la surface terrestre régulièrement et globalement. Les régions les plus reculées où les mesures terrain seraient diciles à réaliser deviennent observables. 

Inter-validation des méthodes 

Les mesures par satellite permettent l’obtention des valeurs spatialisées des paramètres étudiés. Ainsi, chaque valeur obtenue correspond à une surface terrestre élémentaire appelée pixel. Cependant, la grande taille des pixels de certaines missions satellitaires introduit un certain nombre de questions scientiques quant à la représentativité et la validité des mesures par satellite. La validation de ces mesures passe par un minimum de mesures in-situ indépendantes et représentatives de la zone vue par le capteur du satellite (Kerr, 1992). Il est donc nécessaire de développer une méthodologie spécique et d’eectuer des mesures précises sur de grandes supercies. Le lien relativement indirect entre les mesures satellitaires (rayonnement électromagnétique émis et/ou rééchi par la surface) et les paramètres de surface a nécessité le développement de méthodes pour expliciter leur relation. Les premières tentatives consistaient à établir des formules empiriques entre les observations et les mesures au sol. Ce type d’approche est limité dans la mesure où toute méthode empirique n’est pas forcément applicable en dehors des conditions dans lesquelles elle a été établie. Alternativement, des modèles physiques de transfert radiatif ont été développés (Wigneron et al., 2007). Ces modèles simulent les interactions physiques entre les ondes et les éléments diusant tels que la surface et l’atmosphère. De telles approches sont particulièrement intéressantes en télédétection, car elles permettent une réelle spatialisation des méthodes d’extraction de paramètres. Les informations ainsi accessibles par télédétection sont très variées, ce qui est un avantage important pour ce type d’observations. Cette variété provient de la capacité des capteurs spatiaux à observer dans diérentes bandes spectrales et selon diérentes congurations géométriques (angles de visée). Les bandes spectrales exploitables, de l’ultraviolet aux microondes, montrent en eet des sensibilités diérentes aux états de surface (Kerr, 1992). Ainsi la biomasse est couramment observée avec les réectances dans le rouge et proche infrarouge, la température de surface peut être obtenue à partir des données infrarouge thermique et l’observation dans le domaine des microondes est fortement sensible au contenu en eau du sol et à la nature de la surface (Merlin, 2005). D’autre part, les capacités multiangulaires de certains capteurs peuvent aider à caractériser davantage l’état de surface. Les caractéristiques multispectrales et multiangulaires des données de télédétection représentent donc une source très riche d’informations à priori complémentaires sur les états de surface. 

 La mission SMOS

 La mission SMOS, lancée en Novembre 2009, a été conçue pour observer l’humidité du sol au dessus des masses continentales de la Terre et la salinité des océans pour une période minimale de trois ans (Kerr et al., 2001). Cette mission est une réponse aux besoins de la modélisation météorologique et climatique pour laquelle l’humidité du sol est une variable encore mal connue face à son implication dans le cycle de l’eau et les échanges Terre-océan-atmosphère. Un aspect important de cette mission est qu’elle met en oeuvre une nouvelle technique de mesure en adoptant une approche complètement diérente dans le domaine de la télédétection. Cette technique est utilisée sur un nouvel instrument capable d’enregistrer en micro-ondes passives à une fréquence de 1.4 GHz (bande L) en bipolarisation et à de multiples angles d’observation. Située au coeur de cette thèse elle sera amplement détaillée dans les chapitres suivants. Pendant la phase de préparation à la mission SMOS, plusieurs études ont été réalisées an d’antici.per les éventuels problèmes et de tester les algorithmes d’inversion des paramètres de surface, tels que l’humidité supercielle du sol. De nombreuses études basées sur des mesures terrain ou aéroportées en bande L décrivent les eets de la végétation, de la rugosité et de la température du sol. Cependant, à l’exception d’un radiomètre embarqué sur Skylab (http ://heasarc.nasa.gov/docs/heasarc/missions/skylab.html) qui en 1973 a fourni une brève série temporelle, il n’existe pas de données satellitaires de radiométrie micro-ondes passives en bande L. Ainsi, le lancement de SMOS donne l’opportunité de tester des mesures et des résultats de modèles qui n’ont pas pu être validés jusqu’à maintenant à une échelle satellitaire. Cependant, comme pour tout instrument de télédétection, une étape de validation et d’étalonnage a été menée. 

 Activité de Etalonnage/Validation

 Les activités d’Etalonnage et de Validation s’eorcent de s’assurer que les produits de télédétection soient cohérents et reproductibles. Il s’agit d’une discipline en pleine évolution qui devient de plus en plus importante parce que de plus en plus d’études à long terme sur le changement climatique sont menées, et de nouveaux satellites sont lancés. L’étalonnage est le processus dénissant de façon quantitative les réponses du système aux signaux de contrôle et connu à l’entrée. La validation est le processus d’évaluation, par des moyens indépendants de la qualité des produits. 

Objectifs de la thèse 

Pour la validation des produits SMOS d’humidité du sol, les activités de l’ESA mettent l’accent sur deux sites principaux, le Valencia Anchor Station (VAS) et le bassin hydrographique du Danube. Ces sites sont équipés, pilotés et surveillés avant et pendant la mission SMOS. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte de validation des produits SMOS. L’objectif majeur de ce travail est la génération de « Match-ups » entre des mesures terrain et des produits SMOS, pour les quels il est nécessaire de calculer des estimations de l’humidité du sol correspondant à la taille du footprint SMOS (la surface terrestre vue par le satellite) à partir des observations terrain ponctuelles. Les Match-ups sont des températures de brillance micro-ondes passives simulées en utilisant les variables et caractéristiques de surface de la zone étudiée. Ce but peut être atteint par l’utilisation d’un réseau dense de sondes d’humidité du sol et d’un forçage atmosphérique, couplé à une bonne connaissance de l’utilisation des terres et des types de sols. Tous ces paramètres, sont inclus dans un schéma de type SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer) qui produit des cartes d’humidité du sol spatialement distribuées couvrant le site de validation, et cela en permanence. Un tel système devrait nous permettre d’estimer l’humidité du sol et, avec un modèle de transfert radiatif, la température de brillance à chaque passage de SMOS au dessus de ces sites. Dans cette thèse c’est le rôle du site Valencia Anchor Station, établi par l’Université de Valence en Décembre 2001, qui a comme principal objectif de caractériser une zone de référence dédiée principalement à la validation et à l’étalonnage des missions d’observation de la Terre à faible résolution. La Fig. 1.2 présente le synoptique de la procédure utilisée an de générer les Match-ups sur le site expérimental Valencia Anchor Station. 5 Chapitre 1. Introduction generale Figure 1.2  Le processus de génération des Match-ups. 

 Organisation de la thèse

 Ce manuscrit est constitué de cinq chapitres auxquels s’ajoutent l’introduction et la conclusion. Les deux premiers chapitres présentent en détail les éléments clefs sur lesquels repose cette thèse. Le premier chapitre introduit les principales propriétés de l’humidité du sol ainsi que les méthodes d’estimation de ce paramètre. L’objectif est de comprendre ce qui conditionne et in- uence le sol ainsi que les mouvements de l’eau au sein de celui-ci. Les échanges d’eau entre le sol, la végétation et l’atmosphère sont ensuite introduits par l’intermédiaire du modèle de surface SURFEX – module ISBA. Ensuite, nous allons détailler les raisons du choix de la bande L ainsi que le concept de télédétection spatiale micro-onde. La contribution de chaque paramètre, qu’il s’agisse de ceux associés à l’atmosphère (par exemple la température, les précipitations), de la végétation (par exemple l’indice de la surface foliaire) ou de la surface (par exemple la rugosité, la texture), doit être connue et prise en compte dans l’analyse du signal an d’extraire l’information concernant l’humidité du sol. La grande sensibilité de la bande micro-onde passive L, est utilisée par la mission SMOS décrite dans ce chapitre, tout comme les caractéristiques du capteur. Le second chapitre présente la zone d’étude VAS. Les principales caractéristiques du site ainsi que les nombreuses mesures in-situ sont présentées. Ce chapitre contient également une étude montrant les caractéristiques de la variabilité, aussi bien spatiale que temporelle, de l’humidité du sol à l’échelle d’une surface de 10 × 10 km2 . Diérentes méthodes d’obtention des cartes d’humidité du sol sur la zone sont montrées ainsi que une brève intercomparaison. La validation des produits d’humidité du sol issus de télédétection est un réel dé. La plupart des études décrivent comment associer un point de mesure / une moyenne d’un réseau à des produits satellitaires mais aucune de ces études ne caractérise la totalité du pixel vu par un satellite. Dans le troisième chapitre, la connaissance détaillée de la région ainsi que l’utilisation d’une méthode d’interpolation pour la distribution du forçage atmosphérique a permis d’obtenir une distribution spatiale des champs d’humidité du sol sur la zone de 50 × 50 km2 . La procédure ainsi que les comparaisons de cette humidité du sol spatialisée avec trois types d’informations de télédétection sont montrées. Ce chapitre est composé d’un article rédigé en anglais, publié dans 6 1.6. Organisation de la thèse la revue Hydrology and Earth System Sciences. Un résumé étendu en français préface cet article. La variabilité de l’humidité du sol à l’échelle d’un pixel SMOS (50×50 km2 ) est principalement guidée par les eets du forçage atmosphérique, qui à leur tour sont inuencés par des conditions climatiques à grande échelle et par les précipitations. Cependant, les mesures in-situ de ces paramètres sont souvent peu disponibles et leurs répartitions peuvent être irrégulières dans l’espace, mettant en question leur représentativité sur une zone plus large. Dans le chapitre cinq, plusieurs produits satellitaires de précipitation ont été évalués et comparés an de montrer l’intérêt de leur utilisation pour la modélisation des champs d’humidité du sol à l’échelle du pixel SMOS. Ce chapitre est également constitué par un article rédigé en anglais, publié dans la revue Hydrology and Earth System Sciences. Un résumé étendu en français préface cette article. Enn, dans le dernier chapitre, des températures de brillance en bande L, C et X qui correspondent aux valeurs équivalentes à celles fournies respectivement par les satellites SMOS/AMSRE/ERS-SCAT sont montrées. Un premier aperçu des données SMOS observées sur la zone VAS (équivalent à un pixel SMOS) est donné. An de mieux comprendre la signication exacte du signal SMOS, la procédure de génération des Match-ups sur VAS est expliquée dans cette partie, puis les résultats obtenus sont présentés.