ÉTUDE DE L HUMIDITÉ DU SOL ET VALIDATION DES IMAGES DU CAPTEUR AMSR-E DANS LE CADRE DE LA PRÉPARATION À LA MISSION SMOS

Transcription

1 ÉTUDE DE L HUMIDITÉ DU SOL ET VALIDATION DES IMAGES DU CAPTEUR AMSR-E DANS LE CADRE DE LA PRÉPARATION À LA MISSION SMOS Claire Gruhier Stage de fin d étude en vue de la validation du diplôme de Master Télédétection et Géomatique Appliquées à l Environnement à l Université Paris 7 Denis Diderot

2 Je tiens à remercier vivement Patricia de Rosnay et Philippe Richaume pour leur encadrement. Je leur suis reconnaissante des connaissances qu ils m ont transmises, aussi bien scientifiques que techniques. J ai particulièrement apprécié le suivi régulier de mon stage, toujours accompagné de conseils avisés, ainsi que l intérêt sincère qu ils ont exprimé en vers mon travail. Je voudrais également remercier l ensemble de l équipe du CESBIO, qui m a offert une vision de la recherche très stimulante.

3 Table des matières 1 Introduction générale Sujet et objectifs du stage Structures d accueil le CNES Le CESBIO Les missions/capteurs SMOS AMSR-E Déroulement et conditions du stage Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives 6 Introduction Contenu en eau des surfaces continentales Le contenu en eau la végétation L humidité du sol Les températures de brillance Définition Les TB en fonction de l humidité et de la végétation Les rapports de polarisation Conclusion L humidité du sol à l échelle globale 11 Introduction Images moyennes mensuelles AMSR-E Les variations spatiales Les variations temporelles Conclusion Confrontation des données AMSR-E aux données terrain 19 4 Entête méthodologique 19 5 SMOSREX - Toulouse 20 Introduction SMOSREX Les mesures terrain d humidité du sol et du capteur LEWIS Confrontation aux mesures du capteur LEWIS aux mesures terrain d humidités du sol Conclusion I

4 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES 6 NAFE - Australie 27 Introduction NAFE Les mesures terrain d humidité du sol Confrontation Conclusion AMMA - Afrique 35 Introduction AMMA Les mesures terrain d humidité du sol Confrontation Approche multispectrale de l humidité du sol : étude préliminaire Conclusion Conclusion générale Bilan Perspectives Annexes 47 A Liste des acronymes 47 B Sujet de thèse 48 II

5 Table des figures 2.1 Humidités du sol enregistrées par les sondes du site SMOSREX en 2005 aux profondeurs allant de la surface à -90cm avec un pas de -10cm Sensibilité des longueurs d ondes aux différents paramètres : humidité, biomasse, rugosité, vapeur d eau et eau liquide d après (Kerr and Others 1998) Humidités du sol mensuelles moyennes extraites des images AMSR-E en Contenus en eau de la végétation mensuels moyens extraits des images AMSR-E en Valeurs moyennes des humidités du sol (à gauche) et du contenu en eau de la végétation (à droite) du mois de juillet extraites des images AMSR-E pour 2002 à Localisation des agrandissements effectués sur l Inde et l Afrique pour l étude des variations interannuelles Valeurs moyennes d humidités du sol (en haut) et du contenu en eau de la végétation (en bas) pour les mois de juillet 2002 à 2005, agrandissements sur l Inde (de 65 à 95 o E et de 5 30 o N) Valeurs moyennes d humidités du sol (en haut) et du contenu en eau de la végétation (en bas) pour les mois de juillet de 2002 à 2005, agrandissements sur l Afrique (de 5 o W à 25 o E et de 5 20 o N) Le capteur LEWIS de l expérience SMOSREX Mesure de rugosité du sol nu sur le site du Fauga Organisation du site SMOSREX et champs d observation du capteur LEWIS d après (de Rosnay et al. 2006a) Rapports de polarisation (en %) enregistrés en 2005 par les capteurs LEWIS, sur sol nu et jachère, et AMSR-E à 6.9 et 10.7 GHz Humidités de surface du sol enregistrées par les sondes du site SMOSREX, de Lamasquère et de Auradé en Humidités du sol enregistrées par SMOSREX et AMSR-E en 2005 en valeur absolue et standardisée Localisation du site de Goulburn River au sud-est de l Australie Position des stations ainsi que des pixels AMSR-E (25x25km) choisis au sein du site de Goulburn River. Les stations utilisées sont en rouge. On distingue les pixels AMSR-E, ci-après référencés par NW (Nord-Ouest), NE (Nord-Est), SW (Sud-Ouest) et SE (Sud-Est) Humidités du sol enregistrées par les pixels AMSR-E, couvrant la région de l expérience NAFE, et humidité du sol enregistrées par les correspondantes stations sol en 2005 en valeur absolue Humidités du sol enregistrées par la station K2 et AMSR-E SW en 2005 en valeur absolue et standardisées Humidités du sol enregistrées par la station K4 et AMSR-E NW en 2005 en valeur absolue et standardisées III

6 TABLE DES FIGURES TABLE DES FIGURES 7.1 Localisation des sites terrain au Mali, Niger et Benin, du programme AMMA Localisation des équipements du site au Mali, du programme AMMA Environnement de la station d Agoufou en avril (à gauche) et en juillet (à droite) (15, 34 o N1, 48 o W) Humidités de surface du sol enregistrées par les stations situées en haut et en bas de le dune d Agoufou en Humidités du sol enregistrées par la station d Agoufou située en haut de dune et AMSR-E en 2005 en valeur absolue et standardisées Humidités du sol enregistrées par la station d Agoufou située en bas de dune et AMSR-E en 2005 en valeur absolue et standardisées Humidités du sol enregistrées par les les capteurs ASAR et AMSR-E et la station en haut de dune, sur le site d Agoufou en Attention ERS donne les humidités du sol en SWI (entre 0 et 1), ce qui ne permet pas une comparaiosn des valeurs absolues pour cette étape préliminaire IV

7 Liste des tableaux 2.1 Descriptif des différentes bandes de fréquences micro-ondes Corrélations entre les humidités de chaque station aux valeurs de chaque pixel pour l humidité du sol (SM), le contenu en eau de la végétation (VWC), le rapport de polarisation à 6,9 GHz (RP6,9) et à 10,7 GHz (RP10,7). La colonne de gauche correspond est calculée à partir des valeurs brutes, alors que dans la colonne de droite un lissage est appliqué sur la série AMSR-E. Les chiffres en gras correspondent aux valeurs des stations comprises dans le pixel Corrélations entre les humidités des deux stations aux valeurs du pixel pour l humidité du sol (SM), le contenu en eau de la végétation (VWC), le rapport de polarisation à 6,9 GHz (RP6,9) et à 10,7 GHz (RP10,7). Cela a été réalisé pour : les séries brutes, AMSR-E seulement lissées sur cinq valeurs et pour les deux séries lissées sur cinq valeurs V

8 Chapitre 1 Introduction générale 1.1 Sujet et objectifs du stage Ce stage CNES (Centre national d Études Spatiales) d une durée de cinq mois s inscrit dans le cadre de la préparation de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) au sein du CESBIO (Centre d Études Spatiales de la BIOsphère). Le satellite SMOS, dont le lancement est prévu en février 2008, a pour objectif l estimation de l humidité superficielle des sols et la salinité des océans à partir de mesures de température de brillance multiangulaires en bande L (1.4Ghz). L humidité des sols est une information encore mal connue. Elle est pourtant indispensable pour mieux comprendre les échanges sol-végétation-atmosphère aux échelles régionale, continentale et globale, et en améliorer la modélisation. Plusieurs capteurs offrent déjà des informations utiles à l évaluation de l humidité du sol, ces derniers étant ou non prévus pour cette application. C est le cas d AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer on EOS), embarqué sur le satellite AQUA, qui enregistre en micro-ondes passives plusieurs bandes de fréquences à partir desquelles des produits d humidité du sol et de teneur en eau de la végétation ont été produits. L objectif de ce stage est de contribuer à l évaluation des apports du capteur SMOS. En évaluant les performances et les limites des données du capteur AMSR-E, il sera possible d en déduire quels pourront être les nouvelles contributions de SMOS pour la mesure de l humidité du sol. SMOS et AMSR-E utilisent des algorithmes et modèles voisins. Mais là où AMSR-E donne de bons résultats SMOS devrait faire encore mieux et permettre d aller plus loin de par la nature multiangulaire de sa mesure et son domaine spectral plus adapté. Ainsi à partir des bandes micro-ondes passives C et X (6,9 et 10,7 Ghz) d AMSR-E, ainsi que des produits d humidité fournis, il s agira d étudier l humidité à l échelle globale ainsi que la fiabilité des produits en les confrontant à des données terrain. Plusieurs étapes ont marqué le déroulement de ce stage. Il a tout d abord fallu mettre en place la base de données image; ensuite, exploiter les images du capteur AMSR-E afin d analyser les variations spatio-temporelles de l humidité du sol et du contenu en eau de la végétation à l échelle globale sur un cycle annuel; puis évaluer la qualité des produits d humidité extraits des enregistrements de température de brillance et indirectement la qualité des algorithmes d inversion utilisés. Le présent rapport s organise en deux parties. Dans la première sont définis l humidité du sol et les températures de brillance ainsi que l état de l art de l utilisation de la télédétection pour ce type d observation, suivi d une présentation des variations spatio-temporelles de l humidité des sols et du contenu en eau à l échelle globale. La seconde partie est consacrée à la confrontation des enregistrements et produits AMSR-E aux données disponibles sur trois sites de régions climatiques différentes : Toulouse avec le programme SMOSREX (Surface Monitoring Of Soil Reservoir EXperiment), l Australie dans le cadre de NAFE (National Airborne Field Experiment) et l Afrique avec AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis). 1

9 Introduction générale Structures d accueil 1.2 Structures d accueil Ce stage est financé par le CNES et se déroule dans les locaux du CESBIO sous la direction de deux personnes appartenant à ce laboratoire, Patricia de Rosnay qui est chargée de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), et Philippe Richaume ingénieur de recherche CNRS le CNES Le Centre national d Études Spatiales, créé en 1961, est un établissement public à caractère industriel et commercial. Quatre centres le composent, Paris, Evry, Kourou ainsi que Toulouse auquel je suis rattachée. Il a pour mission de proposer et de mettre en oeuvre une politique spatiale et contribuer à placer la France en tant qu acteur majeur de la politique spatiale européenne et internationale. Les applications du CNES peuvent être regroupées en cinq thèmes : L accès à l espace : Le développement des lanceurs Ariane est le résultat d un investissement pour l accès à l espace, faisant de la France la troisième puissance à avoir disposé de ces technologies. le CNES s assure du développement perpétuel d amélioration afin de rester compétitif dans le secteur du déploiement des satellites en orbite. Le développement durable : Le CNES a participé au développement et financement d importants satellites d observation terrestre, tels que SPOT, Envisat, Topex/Poseidon et Jason. L utilité de ces derniers a été largement mesuré et constitue une priorité pour mieux comprendre notre planète ainsi que des catastrophes naturelles. Cela doit permettre une gestion plus saine et durable des ressources de notre Terre. Les applications grand public : Une autre partie des applications suivies par le CNES concerne la communication et la navigation avec par exemple le projet Galiléo. La sécurité et la défense : Le CNES assure une indépendance et une prise de position rapide et sérieuse. Il participe au regroupement des moyens spatiaux européens afin d assurer des missions de protection aussi bien environnementales que des populations. Ces moyens sont à la dispositions des gouvernements dans le cadre d actions humanitaires ou de maintient de la paix. La recherche et l innovation : Sa participation aux missions de stations spatiales internationales permet aux scientifiques de mener à bien des expériences en milieu de micropesanteur. Le CNES développe en permanence de nouveaux systèmes de mise en orbite Le CESBIO Le Centre d Étude Spatial de la BIOsphère est une unité mixte de recherche UPS (Université Paul-Sabatier), CNRS, CNES, et IRD (Institut de recherche pour le développement). Les différentes missions de recherche qui y sont menées ont pour objectif d approfondir les connaissances concernant le fonctionnement et la dynamique de la biosphère continentale à différentes échelles spatiales et temporelles. Le CESBIO, à l interface des sciences physiques et des sciences de la vie et en relation étroite avec le monde socio-économique, participe à la recherche dans le domaine de l observation et de la modélisation. Il propose et conduit des missions spatiales dont il devient le principal investigateur comme c est le cas pour la mission SMOS. Le CESBIO s organise autour de plusieurs projets, missions et modélisations : Le projet SUD-OUEST : Ce projet a pour objectif la compréhension et la prévision de l influence de l homme sur le bilan de carbone et les ressources en eau ainsi que sur les écosystèmes en région Midi- 2

10 Introduction générale Les missions/capteurs Pyrénées. Abordant plusieurs échelles allant de la parcelle à la région, l équipe s applique, au delà de l observation, à diagnostiquer les évolutions, modéliser les processus et à soumettre des scénarios potentiels d évolution. Le projet SUD-MED : Constitué d équipes françaises et marocaines,, il vise à comprendre le fonctionnement d un écosystème en région semi-aride et à étudier ses ressources hydro-écologiques. Le bassin méditerranéen présente des enjeux importants par une forte augmentation démographique et de faibles ressources en eau ; ainsi la région de Marrakech au Maroc a été choisie pour l étude. Le projet GLOBAL : Il s agit ici de s intéresser aux variations interannuelles de l activité végétale terrestre à l échelle globale et semi-continentale. Les efforts sont concentrés sur trois régions : les zones boréale, sahélienne et le sud-ouest de la France. Le projet constitue un regroupement, un croisement de plusieurs projets apportant une combinaison des connaissances à une échelle planétaire. La mission SMOS : Cette mission est une réponse aux besoins marqués de la modélisation météorologique et climatique pour laquelle l humidité du sol est une variable encore trop mal connue face à son implication dans le cycle de l eau et les échanges terre/océan-atmosphère. SMOS ne se limite pas aux surfaces continentales puisque la salinité des océans doit elle aussi être mesurée. SMOS étant la mission au sein de laquelle ce travail s inscrit, elle sera plus largement développée ci-dessous. La mission BIOMASSE : Il s agit d une mission spatiale proposée par le CESBIO en réponse au 2ème appel d offres ESA Earth Explorer Core Missions du 15 Mars Le 23 mai dernier, l ESA a placé cette proposition en première place, ce qui donne d excellente perspective quant à sa réalisation. L objectif sera de mesurer, grâce à un Radar à Synthèse d Ouverture en bande P, la dynamique et l évolution de la biosphère terrestre, à toutes les échelles d espace et de temps. La mission VENµS : Vegetation and Environnement monitoring on a New Micro-Satellite a pour objectif de démontrer la faisabilité d une solution alternative au rapport : haute résolution spatiale / haute résolution temporelle, en combinant pour la première fois ces hautes résolutions. Avec un lancement programmé pour 2009, VENµS s inscrit dans le cadre du programme de surveillance globale pour l environnement et la sécurité. La modélisation DART : Discrete Anisotropic Radiative Transfer est un modèle permettant de simuler le transfert radiatif de surfaces continentales tels que forestières ou bâties et ce dans différentes longueurs d onde du visible à l infrarouge thermique. Différents produits sont générés : des images de télédétection et des bilans d énergie 3D. La modélisation SEVE : Sol Eau Végétation Energie, regroupe 14 équipes autour de la modélisation du fonctionnement des surfaces continentales aux échelles locales et régionales. Son objectif est de concevoir et de développer une modélisation intégrée des surfaces continentales, représentant explicitement la structuration et les hétérogénéités de la surface. Elle permettra de simuler les processus couplés impliqués dans le cycle de l eau, du carbone, de l azote et de substances polluantes aux échelles de la parcelle, du paysage et de la région. 1.3 Les missions/capteurs SMOS SMOS est une mission à l initiative du CESBIO, acceptée par l ESA en novembre 1998 (Kerr and Others 1998; Kerr et al. 2000; Kerr et al. 2001). Le lancement du satellite est prévu pour février 3

11 Introduction générale Les missions/capteurs 2008 sur une plate-forme de type Proteus. La mise en place de cette mission répond à une demande forte de la communauté scientifique. Le capteur SMOS enregistrera les émissions de la Terre en bande L à 1.4Ghz. Aucun capteur passif enregistrant dans ces longueurs d onde n est actuellement en service alors que son intérêt est considérable. Le point fort de SMOS est l utilisation d une gamme de fréquence plus basse que les satellites actuellement en orbite, offrant l espoir d observer le substrat dans des régions où la densité de végétation était jusqu alors un obstacle. Son objectif est d estimer avec plus de précision et de fiabilité l humidité du sol ainsi que la salinité des océans. La multiangularité est un élément fondamental de SMOS, pour contraindre les modèles et éliminer des incertitudes. L humidité joue un rôle essentiel dans les échanges sol-plantesatmosphère et dans le cycle de l eau. C est pourquoi les développements actuels de la recherche visent à améliorer la représentation de cette variable dans les modèles de circulation général atmosphérique ainsi que dans les modèles hydrologiques. A cela s ajoute la possibilité d obtenir le contenu en eau de la zone racinaire via des méthodes d assimilation, ainsi que le contenu en eau de la végétation aérienne grâce à la multiangularité. Le capteur proposé est basé sur un radiomètre interférométrique à trois bras permettant d obtenir une résolution spatiale moyenne de 43 km (30 à 50 selon l angle de visée) pour une fauchée de 1000km. Les températures de brillances, issues d un même pixel à la surface terrestre, seront mesurées pour plusieurs angles d incidences (jusqu à 50) dans une gamme de 0 à 55 o, en bipolarisation. Sa répétitivité sera de 3 jours à l équateur (passage à l équateur à 6h00 et 18h00). Des informations complémentaires sont disponibles sur les sites internet du CESBIO, du CNES et de l ESA : http :// http ://smsc.cnes.fr/smos/fr/index.htm http :// LPsmos 0.html AMSR-E Le 4 mai 2002, le satellite AQUA a embarqué à son bord six capteurs 1 dont le projet conduit par la NASA : Advanced Microwave Scanning Radiometer on EOS (AMSR-E). Il s agit d une version modifiée du capteur AMSR mis en orbite le 14 décembre 2002 sur le satellite japonais ADEOS- II (Advanced Earth Observing Satellite-II) qui a malheureusement été perdu le 25 octobre AQUA a une orbite héliosynchrone à 705km d altitude. Avec un passage ascendant à 13h30 heure locale à l équateur (1h30 descendant), il permet quasiment deux données par jour sur une même zone à un angle constant de 55 o, sa période de répétitivité étant de 16 jours. AMSR-E fait partie des instruments micro-ondes passives créés pour observer une multitude de paramètres tels que la vapeur d eau, les précipitations, la vitesse des vents, la surface terrestre et océanique... Il enregistre des températures de brillance de la Terre dans les longueurs d ondes de 6.9, 10.7, 18.7, 36.5 et 89 Ghz en bipolarisation. La résolution moyenne des pixels va de 56 à 5.4km; les images ont cependant été rééchantillonnées à 25km dans les produits distribués par la NASA. Des algorithmes ont été mis en place afin d obtenir directement à partir des mesures basses fréquences des images de température de surface, l eau contenue par la végétation ainsi que l humidité des sols (Njoku 1999; Njoku et al. 2003; Njoku and Chan 2006). Cette mission est plus amplement détaillée sur le site internet de la NASA : http ://wwwghcc.msfc.nasa.gov/amsr/index.html 1 les cinq autres capteurs sont Atmospheric Infrared Sounder (AIRS), the Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU-A), the Humidity Sounder for Brazil (HSB), the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), and Clouds and the Earth s Radiant Energy System (CERES). 4

12 Introduction générale Déroulement et conditions du stage 1.4 Déroulement et conditions du stage Durant le premier mois, en avril, des problèmes matériels ont été rencontrés. Le disque externe sur lequel la base de données était stockée a connu des défaillances. A la suite de quoi mon poste de travail a dû être entièrement réinstallé. Ces désagréments ont entraîné un retard sur le planning qui n a pu être que partiellement rattrapé. Ce mois fut également celui de la découverte des missions, des conditions de travail et de bibliographie. Le mois de mai fut consacré au calcul d images moyennes mensuelles, ainsi qu à l extraction de séries temporelles en une dizaine de points du globe ainsi que de mieux comprendre les différences de cycle et d amplitude qui peuvent exister. Ce fut conjointement une période de réalisation de chaînes de script, de programmes permettant le traitement des données AMSR-E. La prise en main des données de terrain SMOSREX est intervenue au mois de juin et ont commencé a être exploitées directement. Les données d Australie ont suivi courant juin, mais leur exploitation n a pu être aussi rapide et a nécessité de prendre contact avec la personne ayant établi le jeu de données. La confrontation aux images AMSR-E a occupé la première partie de juillet, mois terminé sur les données d Afrique et une première réflexion sur le rapport de stage. De mi-août à début septembre, la majorité du temps a été consacrée à la rédaction du rapport et à la sortie de graphiques explicites. Il est important de signaler qu un important travail de programmation a été effectué et qu il est impossible de le retranscrire ici. Les données étant disponibles sur CD-Rom dans un format propriétaire, il a tout d abord été nécessaire de prévoir un espace de stockage et de convertir la base de données en format binaire. Des scripts shell on été créés ainsi que des programmes IDL. Des images annuelles par type d information ont été générées ainsi que des programmes permettant leur exploitation et la cartographie de n importe quelle date à des coordonnées et projections spécifiées. Toutes les données des différents capteurs et sondes ont été exploitées par programmation en langage IDL. Il a aussi été nécessaire de consacrer du temps à la compréhension de l organisation et à la signification des données disponibles. Lors de ce stage j ai également participé par deux fois à des mesures de terrain sur le site SMOS- REX. J ai ainsi pu, entre autre, effectuer des mesures de LAI (Leaf Area Index) et de rugosité du sol. 5

13 Chapitre 2 Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives Introduction La télédétection passive micro-ondes est utilisée depuis quelques années pour mesurer l humidité du sol (Wigneron et al. 1998). J explique dans cette partie à quoi correspond l eau du sol et l eau contenue dans la végétation. Vient ensuite la présentation ce qui est physiquement mesuré par les capteurs dans les longueurs d onde utilisées. Ce chapitre se termine par un point sur les connaissances que la communauté scientifique possède déjà sur la quantification de l humidité du sol par télédétection en micro-ondes passives. 2.1 Contenu en eau des surfaces continentales L eau des surfaces continentales est principalement contenue dans la végétation et le sol. Il existe également les surfaces d eau libre, faisant l objet d études spécifiques, qui ne sont pas considérées dans ce stage Le contenu en eau la végétation Couvrant la majeure partie des terres émergées, la végétation constitue une zone transitoire entre l atmosphère et le sol. Elle a un impact direct entre leurs échanges et cela principalement dans le cycle de l eau. Les plantes sont essentiellement constituées d eau qui constitue de 80 à 95% de leur poids total. La disponibilité de cette ressource est primordiale à leur développement. L eau absorbée pour l élaboration des hydrates de carbone et des protéines est également une compensation des déperditions résultant de l évapotranspiration de la plante. Un arbre isolé peut consommer 500 litres par jour, un hectare de hêtre va absorber entre 3000 et 4000 t. par an et en rejeter 2000 dans l atmosphère. La prise en compte de ce paramètre n est donc pas anodine tant en ce qui concerne les études des variations surface/atmosphère que pour la télédetection des surfaces continentales (Jacquemoud et al. 1995). Le contenu en eau de la plante peut être mesuré de manière manuelle et locale en effectuant un prélèvement de la végétation verte. Celui-ci est pesé puis placé dans un four afin de provoquer une déshydratation totale. Une nouvelle pesée permet d exprimer la teneur en eau volumique. La matière sèche est elle aussi prélevée car la litière a un rôle non négligeable. Une partie de l eau en provenance de pluie, neige, brouillard ou rosée, est interceptée par la couverture végétale ce qui entraîne une évaporation directe ou un ruissellement. Après une dernière 6

14 Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives Contenu en eau des surfaces continentales Fig. 2.1 Humidités du sol enregistrées par les sondes du site SMOSREX en 2005 aux profondeurs allant de la surface à -90cm avec un pas de -10cm. interception par la litière, la quantité ayant pénétrée le sol vient alimenter la réserve utile de la plante. Il est donc essentiel de développer des méthodes permettant d évaluer l humidité présente dans les couches supérieures du sol L humidité du sol Il faut dans un premier temps revenir sur la description du sol lui même. Il est constitué de trois éléments, dont les matériaux solides organisés de façon disjointe où les espaces laissés libre, appelés pores, sont comblés par le l air et de l eau. La quantité de chacun des éléments est propre à chaque sol et fonction des conditions extérieures. Cela implique donc que les proportions sont sujettes à des variations plus ou moins rapides, après un événement pluvieux par exemple. Il existe trois façons d obtenir des valeurs d humidité du sol : 1 - l implantation de sonde (approche locale), associée à la gravimétrie, qui permet d obtenir des données en continu mais qui ne sont pas forcement représentative du milieu et non cartographiable. 2 - L utilisation d image satellite qui permet une large couverture continue mais qui n informe que sur les premiers centimètres et nécessite des modèles d inversion (Schmugge et al. 2002). 3 - La modélisation qui peut être utilisée pour prédire dans l espace et le temps les variations de l humidité du sol mais qui nécessite d autres paramètres estimés en entrée. Dans la plupart des études, l eau du sol est exprimée en unité volumique et correspond au volume d eau par le volume de sol total. Un sol à saturation, c est à dire lorsque la totalité des pores est remplie d eau, possède une humidité volumique allant d environ 30% à 60% pour des sols sableux à argileux. L humidité volumique peut être mesurée à différentes profondeurs, ce qui s avère essentiel compte tenu de la variabilité verticale qui existe comme le montre la figure 2.1. Contrairement à l humidité de surface qui connaît de fortes variations (précipitation, évaporation rapide...), l humidité de l ensemble de la zone racinaire, soit jusqu à quelques mètres (variable selon les écosystèmes), est celle réellement utilisée par la végétation. Nous ne pouvons cependant pas y avoir accès par télédétection, c est donc à l humidité de surface (premiers centimètres) que le travail est limité, bien que ce soit l humidité présente sur l ensemble de la zone racinaire qui ait un réel impact sur les échanges sol-plantes-atmosphère (Milly 1992) (de Rosnay 1999). Les informations acquises sur l humidité de surface permettront néanmoins de s en approcher grâce à des méthodes combinées de modélisation et de télédétection (assimilation). 7

15 Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives Les températures de brillance Désignation Gamme de fréquences Gamme de longueur d onde Bande L de 1 à 2 GHz 15 à 30cm Bande S de 2 à 4 GHz 7.5 à 15 cm Bande C de 4 à 8 GHz 3.75 à 7.5 cm Bande X de 8 à 12 GHz 2.5 à 3.75 cm Tab. 2.1 Descriptif des différentes bandes de fréquences micro-ondes. 2.2 Les températures de brillance Définition Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu rayonne par émission d ondes électromagnétiques. C est ce rayonnement qui est mesuré en télédétection passive. La quantité d énergie qui détermine l émission est appelée intensité spécifique et correspond à la puissance rayonnée par la surface terrestre. En micro-ondes le terme employé est brillance spectrale. Les longueurs d onde dans lesquelles se situe le maximum d émission du corps noir sont inversement proportionnelles à sa température, comme décrit par la loi de Planck. Le fait que la Terre ait une température moyenne de 300K, implique un pic d émission dans l infrarouge et les micro-ondes. La télédétection micro-ondes passives repose ainsi sur l enregistrement d intensités spécifiques émises par la surface dans des longueurs d ondes centimétriques. C est cependant en Température de Brillance (TB) ou en émissivité que les mesures sont exprimées. Le rapport d émission entre un corps non noir et un corps noir (qui rayonne plus) est appelée émissivité e f. Elle correspond au rapport des intensités spécifiques I, à la fréquence donnée f., des deux corps à une même température T (l émissivité d un corps noir est ainsi égale à 1) dans la direction angulaire θ. La loi de Rayleigh- Jeans permet d exprimer dans le domaine micro-onde la TB f d un corps à une fréquence donnée. Elle peut s exprimer comme le produit de la température par l émissivité : e f (θ) = TB f (θ)/t soit TB = et (2.1) La TB d un corps noir est égale à sa température physique (De Jeu 2003). Bien que l humidité soit délicate à mesurer, la télédétection en micro-ondes passives basse fréquence semble être des plus prometteuses. Elle présente principalement l avantage d être insensible (perturbations considérées comme négligeables) à l atmosphère terrestre traversée. Les TB auxquelles nous nous intéressons sont celles de la bande C à 6.9GHz et X à 10.7GHz du capteur AMSR-E, et à la bande L à 1.4GHz du futur capteur SMOS, soit dans des longueurs d onde de l ordre du centimètre (cf. tableau 2.1) Les TB en fonction de l humidité et de la végétation Les variations de TB dans le temps et dans l espace peuvent être très importantes, elles dépendent principalement de la température, de la végétation, des propriétés du sol ainsi que de la topographie. Mais chacune des bandes ne présente pas une sensibilité identique à ces paramètres. La figure 2.2 présente la sensibilité de longueurs d onde allant de 0 à 40 GHz à l humidité, la biomasse, la rugosité, la vapeur d eau et à eau liquide. Les trois fréquences énoncées ont été tracées sur le graphique; ce qui permet de constater que la bande L a une sensibilité optimale de l humidité du sol et ne subit qu une influence très faible de la biomasse et quasi nulle des autres paramètres. La bande C à une sensibilité à l humidité proche de celle de la biomasse, qui devient le facteur premier en bande X. Il est donc dès maintenant prévisible que la mesure de l humidité du capteur AMSR-E puisse être affectée par le signal de la végétation. La contribution de la végétation au signal (cf. équation 2.2) est multiple et varie selon la densité et la hauteur de cette dernière (De Jeu 2003). La TB de la surface induit différents termes : 8

16 Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives Les températures de brillance Fig. 2.2 Sensibilité des longueurs d ondes aux différents paramètres : humidité, biomasse, rugosité, vapeur d eau et eau liquide d après (Kerr and Others 1998). T b = Γ(e r T s ) + (1 ω)t c (1 Γ) + (1 e r )(1 ω)t c (1 Γ)Γ (2.2) Γ = Transmissivité de la végétation, e r = Émissivité de la surface du sol, Ts = Température de surface, ω = Albédo et T c = Température de la canopée. la rugosité du sol intervient dans le terme er Les rapports de polarisation Comme nous l avons vu, l émissisivité et les TB sont sous l influence de la température thermique des états de surface. Les rapports de polarisation (RP) permettent de s affranchir de ces effets et de n être directement lié qu à l émissivité. RP = ev e h e v + e h pourunsolnu (2.3) Sur un sol nu, le RP sera très significatif de l humidité de surface. Les RP subissent également l influence de la végétation de par sont contenu en eau, ce qui rend les résultats beaucoup plus complexes. Lorsque le contenu eau de la végétation augmente et que l humidité du sol diminue comme c est le cas au début de la période floristique en Europe par exemple, l évolution antagoniste à cependant pour effet commun une diminution du rapport de polarisation. Mais ces derniers ont des contributions opposées lorsque l apport en eau augmente pour la végétation et le sol. La résultante peut provoquer soit une diminution du RP due à une contribution plus importante de la végétation. Conclusion L humidité du sol est un paramètre essentiel pour le cycle de l eau ainsi que pour les échanges solvégétation-atmosphère. Elle reste pourtant encore difficile à mesurer avec précision à des échelles plus larges que celle d une station locale. La télédétection micro-ondes passive permet d avoir accès à cette information et semble être une des voies les plus prometteuses. La bande L est la plus adaptée, mais nous n en disposerons qu avec l arrivée de SMOS. 9

17 Humidité du sol et télédétection micro-ondes passives Les températures de brillance Aujourd hui d autres capteurs sont utilisés. C est le cas d AMSR-E qui propose des produits d humidité du sol et de contenu en eau de la végétation calculés à partir de mesures en bande C et X. Ces bandes ont cependant une sensibilité connue à d autres paramètres (biomasse, rugosité...). En prenant en compte le fonctionnement du signal ainsi que les caractéristiques et l humidité du sol, il est possible de procéder à une évaluation des performances du capteur AMSR-E. 10

18 Chapitre 3 L humidité du sol à l échelle globale Introduction La base de données AMSR-E dont nous disposons est composée de deux images par jour (une orbite ascendante et une descendante) du 18 juin 2002 au 31 décembre 2005, soit 1260 images. Nous l avons privilégié pour une première analyse des moyennes mensuelles qui offrent une lecture aisée des variations saisonnières au court d une année, échelle temporelle pertinente pour les applications climatologiques. Quelques précisions d ensemble sur ces images moyennes sont apportées dans un premier temps, suivies d une description des variations spatiales observées entre les ensembles bioclimatiques et intra-régionaux, puis temporelles au niveau saisonnièr et inter-annuel. 3.1 Images moyennes mensuelles AMSR-E Les images d humidité moyenne sont construites à partir des images journalières ascendantes et descendantes. Pour chaque pixel, une moyenne de la totalité des valeurs disponibles est réalisée. Cependant certains pixels ne disposent d aucune température de brillance (et donc d humidité du sol ou de contenu en eau de la végétation) valide durant le mois, entraînant dans les images moyennes des absences de valeur. Selon les cas, l explication de ce fait diffère : Aucune information sur l humidité du sol n est disponible sur la Sibérie entre les mois de novembre et avril, avec un maximum de surface en février. Cette absence de données s explique par la présence du pergélisol (permafrost en anglais) dont la fonte peut être suivie sur les cartes établies. Le gel et la neige empêchent d obtenir un taux d humidité du sol. Une couverture neigeuse recouvre le sol et le gel rend l eau indisponible pour le développement de végétation. Le même système est observable au nord du Canada et en Alaska. En région équatoriale, plus précisément au Brésil et en Afrique, de petites régions sans mesure sont présentes en raison d une végétation trop dense. Les longueurs d ondes employées n ont pas la capacité de la pénétrer la végétation et atteindre le sol. La superficie obstruée est maximale durant les mois de juin à août. Un second élément a pu être constaté lors de la constitution de ces images. Le regroupement des informations s est tout d abord fait par orbite, occasionnant deux images pour chaque mois, l une composée uniquement d enregistrement effectués en orbite ascendante et descendante pour la seconde. Il s est avéré qu une différence moyenne de 1% en unité volumique (pouvant localement atteindre 4%) exitait entre elles. Cette différence provient des heures de passage du satellite. Les images moyennes ascendantes ont des valeurs légèrement inférieures ce qui est en adéquation avec leur enregistrement à 13h (contre 1h30 en descendant) quand la surface est plus sèche que la nuit. 11

19 L humidité du sol à l échelle globale Les variations spatiales 3.2 Les variations spatiales Une analyse des variations saisonnières de l humidité du sol (cf. figure 3.1 et du contenu en eau de la végétation peut être réalisée (cf. figure 3.2. Une année de référence à été choisie, 2005, en raison des données disponibles sur des sites de terrain cette année là, bien qu il n y soit pas fait référence dans ce paragraphe. En observant à première vue une carte de l humidité du sol ou du contenu eau de la végétation, de n importe quel mois d une année quelconque, de grands ensembles se distinguent : La partie nord africaine se détache de par l homogénéité d une telle superficie. Ses taux d humidité du sol et de contenu en eau des plus bas sont également caractérisés par une importante stabilité. Les produits d AMSR-E présentent une humidité du sol moyenne pour le Sahara d environ 4.5% voir plus. Cette valeur est anormalement élevée, une surestimation marquée peut être mise en avant. La forêt amazonienne et la forêt équatoriale africaine tout aussi imposantes sont remarquable par l amplitude des des variations d humidité du sol. Des milliers de kilomètres carré prennent ou perdent plus de 10% en unité volumique en un mois ou deux. Concernant les changements radicaux à grande échelle, la région boréale connaît également une variabilité intra régionale importante. Bien que présentés comme homogènes au départ, ces grands ensembles sont toute fois pigmentés. Le désert du Sahara contient des amas de pixels contiguës ayant des taux d humidité du sol ou de contenu en eau de la végétation bien plus élevés, qui correspondent à des reliefs. Au sein des forêts se dessinent des filaments aux taux plus faibles, en adéquation avec les fleuves et cours d eau. 3.3 Les variations temporelles Nous disposons de trois années et demie d images, de juillet 2002 à décembre 2005, ce qui nous permet d observer d éventuelles variations inter-annuelles. La figure 3.3 regroupe les humidités du sol et contenu en eau de la végétation moyens pour le mois de juillet de 2002 à Les images sont à première vue globale très similaires, les régions bio-climatiques ont des limites proches et des taux d humidité semblables particulièrement pour le contenu en eau de la végétation. Une analyse plus fine permet de voir que régionalement quelques variations existent cependant : 2002 : La frontière de la zone intertropicale africaine nord est beaucoup plus nette et régulière que les autres années. La péninsule indienne apparaît beaucoup plus claire, les taux d humidité ont donc été inférieurs aux autres années. En 2002, l humidité du sol moyenne n a pas dépassée 14% alors que les 25% sont généralement atteints (cf. figure 3.5). La teneur en eau de la végétation en a subit les conséquences puisqu une majeure partie du territoire dépasse habituellement les 35% qui ont été difficilement atteints par quelques secteurs à l est. L Inde a effectivement été touchée par une secherresse désastreuse en 2002 (la plus importante depuis celle de 1987), les pluies des moussons ayant été inférieures de 19% à la moyenne, en lien avec la présence d un évènement El Niño d ampleur pourtant modérée : Les terres de la Mongolie et aux environs font état de taux d humidité du sol plus faibles qu à la normale en passant sous la barre des 3%. Cette région est de plus en affectée par des épisodes de sécheresse et de désertification croissante : L Australie présente à son tour une diminution du taux d humidité de ses sols. Lors de l année précédente et suivante ont également eu lieu d importante sécheresse, en particulier : L inde a cette année là bénéficié de mousson plus abondante se traduisant par des taux élevés d humuidité du sol Il est étonnant de constater que les observations réalisées sur les cartes d humidité du sol ne sont pas forcément transposables à celles du contenu en eau de la végétation. Le contenu en eau de la végétation a bien été plus faible en Inde en 2002, mais ce n ai pas le cas en Australie pour

20 L humidité du sol à l échelle globale Les variations temporelles Conclusion Les images moyennes mensuelles sur lesquelles repose ce chapitre, on permis d effectuer une première exploitation et lecture des mesures d AMSR-E. Il est ainsi possible d émettre dès à présent quelques points positifs et faiblesses concernant la qualité des produits humidité du sol et contenu en eau de la végétation d AMSR-E. Qualitativement AMSR-E semble rendre compte des grandes caractéristiques climatiques, tels que les zones de convergences intertropicales (indienne et africaine) ou les ceintures désertiques. Les épisodes climatiques marquants apparaissent également, comme c est le cas pour les téléconnections entre mousson indienne et El Nino (2002). Par contre certaines mesures ne correspondent pas en terme de valeur absolue à la connaissance terrain des humidités du sol. C est le cas dans les régions désertiques, telle que le Sahel, où les humidités du sol sont clairement surestimées par AMSR-E. La confrontation aux trois sites terrain devrait permettre de confirmer ou contredire cette remarque, en précisant s il s agit d un cas spécifique ou d une caractéristique des produits AMSR-E. 13

21 L humidite du sol a l e chelle globale Les variations temporelles janvier juillet fe vrier aou t mars septembre avril octobre mai novembre juin de cembre Pourcentage d humidite du sol Fig. 3.1 Humidite s du sol mensuelles moyennes extraites des images AMSR-E en

22 L humidite du sol a l e chelle globale Les variations temporelles janvier juillet fe vrier aou t mars avril septembre octobre mai novembre juin de cembre Pourcentage d eau contenue dans la ve ge tation Fig. 3.2 Contenus en eau de la ve ge tation mensuels moyens extraits des images AMSR-E en

23 L humidité du sol à l échelle globale Les variations temporelles humidité du sol juillet 2002 contenu en eau de la végétation juillet 2003 juillet 2004 juillet 2005 Pourcentage d humidité du sol Pourcentage d eau contenue dans la végétation Fig. 3.3 Valeurs moyennes des humidités du sol (à gauche) et du contenu en eau de la végétation (à droite) du mois de juillet extraites des images AMSR-E pour 2002 à

24 L humidité du sol à l échelle globale Les variations temporelles Fig. 3.4 Localisation des agrandissements effectués sur l Inde et l Afrique pour l étude des variations interannuelles humidité du sol contenu en eau de la végétation Fig. 3.5 Valeurs moyennes d humidités du sol (en haut) et du contenu en eau de la végétation (en bas) pour les mois de juillet 2002 à 2005, agrandissements sur l Inde (de 65 à 95 o E et de 5 30 o N) humidité du sol contenu en eau de la végétation Fig. 3.6 Valeurs moyennes d humidités du sol (en haut) et du contenu en eau de la végétation (en bas) pour les mois de juillet de 2002 à 2005, agrandissements sur l Afrique (de 5 o W à 25 o E et de 5 20 o N). Pourcentage d humidité du sol Pourcentage d eau contenue dans la végétation 17

25 Confrontation des données AMSR-E aux données terrain 18

26 Chapitre 4 Entête méthodologique Les trois chapitres suivants sont organisés par site d étude. Cela permet au lecteur intéressé par un site particulier une consultation directe et n empêche en rien une lecture globale. Afin d éviter une répétition des méthodes de traitement, d exploitation des données et de confrontation aux données du capteur AMSR- E, j ai fait le choix de joindre un entête méthodologique en préambule de cette partie consacrée à la confrontation des données AMSR-E aux données terrain des programmes SMOSREX, NAFE et AMMA. Co-localisation spatio-temporelle : correspondance géographique : Les pixels AMSR-E au sein desquels se situent les données terrain sont repérés. Les valeurs à ces coordonnées de toutes les images sont extraites, formant une série temporelle. Elles sont ensuite épurées de toutes les valeurs invalides (pixel non couvert par l orbite sur cette image, température de brillance invalide). correspondance temporelle : Étant donnée la forte variabilité temporelle de l humidité du sol, les données AMSR-E et terrain ne sont mises en correspondance que dans le cas où leurs moments d enregistrement coïncident au quart d heure près. Les tableaux pour chacune des stations regroupent le DOY (Day Of Year) AMSR-E (précision de deux décimales), l humidité du sol, l eau contenue par la végétation, le rapport de polarisation à 6.9 Ghz et à 10.7 Ghz ainsi que l humidité donnée par la station. Les outils statistiques : Standardisation : La standardisation est une transformation des données qui consiste à exprimer toutes les valeurs d une variable indépendamment de l unité de mesure originelle. Il s agit de la succession de deux opérations : le centrage où chaque valeur est exprimée en écart à la moyenne, la moyenne est ainsi ramenée à 0 ; et la réduction qui revient à exprimer cette différence en écart-type, nouvelle unité de mesure. Ces normalisations permettent une comparaison de plusieurs variables quantitatives avec une même unité de mesure. Dans notre cas cela permet d éliminer la valeur absolue pour se focaliser sur les variations. L intérêt dans notre étude est strictement visuelle et ne modifie en rien les corrélations qui peuvent exister. Moyenne mobile : La moyenne mobile est employée pour lisser les variabilités d une série. Chaque valeur est remplacée par la moyenne de celle ci associée à celles qui l encadrent (nombre défini par l utilisateur, dans notre cas les moyennes s opèrent sur cinq valeurs au total, soit sur environ deux jours). Coefficient de corrélation : Le coefficient de corrélation est une mesure statistique qui définit le degré de similitude de variation. Il varie entre -1 et 1, extrêmes qui impliquent une similitude parfaite (+1) ou une dissimilitude parfaite (-1). 19

27 Chapitre 5 SMOSREX - Toulouse Introduction Ce programme expérimental, Surface Monitoring Of Soil Reservoir EXperiment, a débuté en 2001 et s inscrit dans le cadre de la préparation à la mission SMOS. Les enregistrements exploités ici sont doubles. Ils proviennent du capteur LEWIS (L-band radiometer for Estimating Water In Soil) radiomètre d une grande précision spécialement conçu pour ce programme, ainsi que de sondes d humidité du sol. Il s agira donc de comparaisons entre deux appareils de télédétection, dont l un est bande C et l autre en L, et entre une sonde et le capteur AMSR-E. Les données du capteur LEWIS et de la sonde seront considérées comme valeur vraie. Après avoir passé en revue le programme SMOSREX ainsi que les caractéristiques du capteur LEWIS, je présenterai la confrontation ainsi que les résultats obtenus. 5.1 SMOSREX SMOSREX regroupe quatre laboratoires : le CESBIO, le CNRM/Météo France (Centre National de Recherches Météorologiques), l ONERA (Office National d Etudes et de Recherches Aérospatiales) et l INRA Bordeaux (Institut national de la recherche agronomique). Le terrain d expérimentation se trouve sur un site de l ONERA à 30 km au sud de Toulouse (43 o 23 N, 1 o 17 E, 188m d altitude) dans la commune de Mauzac où les conditions climatiques sont très contrastées avec un hiver froid et humide et un été chaud et sec. Les mesures radiométriques ont débutées en janvier Prévu pour une durée de deux ans, son exploitation a été prolongée encore cette année. La longévité de la série temporelle de données du capteur LEWIS (cf. figure 5.1) est un élément qui le distingue particulièrement des autres missions passées et présentes qui étudient l humidité du sol en bande L et a déjà permis d obtenir des résultats (de Rosnay et al. 2006b; sal ). D autres capteurs y sont présents, deux luminancemètres et deux pyromètres KT15 qui mesurent les flux dans les longueurs d onde du visible, du proche infrarouge et de l infrarouge thermique. Les objectifs de cette expérimentation sont de développer et améliorer les algorithmes direct et inverse de la bande L et d évaluer l apport de la télédétection de l humidité du sol dans la compréhension des interactions sol-plantes-atmosphère. Il est par exemple plus précisément attendu de pouvoir mieux qualifier et quantifier la contribution de la végétation au signal micro-ondes basses fréquences à diverses échelles temporelles ainsi que la dynamique des processus d interaction (de Rosnay et al. 2006b). Le terrain observé par le capteur est composé de deux milieux homogènes d occupation différentes. Le premier type d occupation du sol est une prairie sauvage tondue une fois l an au sein de laquelle des relevés de hauteur, de biomasse et de LAI (Leaf Area Index; en français : indice de surface foliaire) sont faits une à deux fois par mois actuellement. Le second est du sol nu qui a été labouré cette année afin d évaluer l implication de la rugosité dans le signal. Des mesures de rugosité sont effectuées régulièrement (cf. figure 5.2) et plus particulièrement après chaque épisode pluvieux qui entraîne une modification sensible de cette rugosité. A la même occasion des prélèvements sont réalisés permettant d obtenir la porosité ainsi que l humidité du sol en surface. La présence d une station météo à proximité, composées de nombreux instruments, permet d obtenir les précipitations, les dépôts de rosée, l humidité de l air, la direction et la 20

28 SMOSREX - Toulouse Les mesures terrain d humidité du sol et du capteur LEWIS force du vent, la pression atmosphérique, les flux de surface, le rayonnement solaire et infrarouge et la température à 2m. A cela s ajoute des profils d humidité du sol grâce à des sondes (de type Delta T device probe) enfouies aux profondeurs 0 et 5 cm, et de 10 à 90 tous les 10 cm. La température du sol est relevée à 1, 5, 20, 50 et 90 cm de profondeur. 5.2 Les mesures terrain d humidité du sol et du capteur LEWIS Le capteur LEWIS est placé à 13.7m de hauteur (cf. figure 5.1), d où il enregistre l émission d une portion de sol, dont l étendue est de l ordre de 10m 2, en bande L (à 1.4Ghz) en polarisation H et V et ce à différents angles d incidence pouvant aller de 60 o à +60 o par pas de 10 o (cf. figure 5.3). Il effectue un balayage angulaire 8 fois par jour, soit toutes les trois heures, et reste positionné à 40 o la majeur partie du temps. La multiplicité des angles d enregistrement du capteur LEWIS nous permet d avoir des TB à 50 o, soit à un angle proche des observations d AMSR-E. Les observations en angles positifs coïncident à la jachère et négatifs au sol nu. Ce capteur permet d avoir accès aux variables d état que sont la biomasse et l humidité du sol. Les variables de surface, tel que l indice de végétation, sont obtenues à partir des autres appareils (luminancemètres et pyromètres). Ces dernières mesures sont indispensables au développement des algorithmes et à une validation. Parmis les sondes disponibles nous ne nous sommes intéressé qu à celles placées en surface. Une mesure d humidité du sol est enregistrée toutes les 30 minutes. Ces données sont calibrées grâce aux prélèvements gravimétriques effectués dans des conditions d humidité du sol variées. La série d humidité du sol de surface exploitée est une moyenne des humidités du sol enregistrées par quatre sondes. 5.3 Confrontation Une importante différence d échelle spatiale différencie les deux séries de données AMSR-E et terrain. Il était cependant intéressant d évaluer à quel point un enregistrement ponctuel pouvait être représentatif ou non d une région de 25km de côté sachant qu une hétérogénéité forte y règne. Cette caractéristique de la région laisse penser que les RP de la partie jachère seront plus représentatifs. Il s agit là plus d une étude par curiosité sans attente particulière aux mesures du capteur LEWIS La figure 5.4 est composée de deux graphiques. Le premier regroupe les RP d AMSR-E à 6,9 et 10,7 GHz qui seront tout d abord décrites, et le second les RP de LEWIS observés sur le sol nu et sur la jachère dans la même longueur d onde à 1,4 GHz. Les RP à 6,9 et 10,7 GHz sont relativement proches, ils suivent la même tendance à un ordre de grandeur identique (correlation de 0,499). La courbe des RP à 10,7 GHz apparaît cependant beaucoup plus régulière, sont écart-type est d ailleur de 0,33 alors qu il atteint 0,84 pour la série à 6,9 GHz. Pour des raisons de lisibilité le graphique à été centré sur l essentiel des courbes, mais les RP à 6,9 GHz ont une amplitude de 11,30 (contre 1,90 à 10,7 GHz) et peuvent varier de -3,81 (minimum) à 7,49. Cela s explique par une sensibilité plus élevée de la bande C à l humidité que la bande X (cf. figure 2.2). Ainsi chaque précipitation, ou autre apport d humidité, engendre une modification marquée du RP à 6,9 GHz. Le second graphique présente deux courbes qui apparaissent dès le premier coup d oeil très différentes. Les RP de la jachère sont particulièrement stables, de surcroît en comparaison à ceux du sol nu. Les deux RP semblent réagir simultanément mais toujours selon une tendance opposée, hormis entre les jours 210 et 220. Lorsque les RP du sol nu augmentent, ceux de la jachère diminuent et inversement. Les deux enregistrements font état d une augmentation de l humidité, mais qui s exprime différemment en raison des émissions antagonistes des deux états de surface. Bien que les ordres de grandeurs ne soit pas identiques, les RP enregistrés par le capteur LEWIS sur le sol nu sont plus en adéquation avec ceux d AMSR-E. Cela n était pas envisagé. Il est néanmoins important de remarquer que lors de la période estivale, lorsque la végétation à une converture dense, une partie des 21

29 SMOSREX - Toulouse Confrontation Fig. 5.1 Le capteur LEWIS de l expérience SMOSREX. Fig. 5.2 Mesure de rugosité du sol nu sur le site du Fauga. Fig. 5.3 Organisation du site SMOSREX et champs d observation du capteur LEWIS d après (de Rosnay et al. 2006a). 22

30 SMOSREX - Toulouse Confrontation diminutions brutales des RP sur la série temporelle de LEWIS sur la jachère se retrouve également sur les RP à 6.9 GHz. Le type de sol qui domine le signal à l échelle du pixel connaît une variabilité saisonnière qui devra être prise en compte pour une confrontation plus poussée aux mesures terrain d humidités du sol Des données d humidité du sol en provenance d autres stations ont pu être exploitées. Il s agit des sites de Auradé et de Lamasquère du projet SUD-OUEST, situés à 15 et 30km au nord-ouest de SMOSREX. On peut observer sur la figure 5.5, que les profils sont parfaitement corrélés, la tendance saisonnière est suivie, la quasi totalité des épisodes pluvieux sont communs aux trois et les ordres de grandeurs respectés. Les 20 points moyens de différences qui existent sont la conséquence des conditions du milieux dans lesquelles chaque sonde à été installée, les stations de Lamasquère et d Audaré sont situé dans des parcelles cultivées. La comparaison d AMSR-E à la station de SMOSREX garde donc un sens malgré les hétérogénéités intra pixel. Les deux graphiques de la figure 5.6 sont composés de deux courbes correspondant à l humidité du sol enregistrée par la station terrain et à celle des produits AMSR-E. Le premier graphique présente les valeurs brutes et le second les mêmes séries mais cette fois standardisées et lissées. La confrontation des humidités du sol a été tout d abord décevante car à première vue AMSR-E semble très éloigné de la réalité terrain. Il fait en effet preuve d une importante stabilité annuelle, les tendances saisonnières ne peuvent être directement lues. A l échelle de quelques jours les humidités du sol sont, elles, marquées par une forte variabilité, l humidité évolue très rapidement en dent de scie. Chacune de ces variations ne peut être la conséquence d un épisode pluvieux, il est délicat de différencier les véritables pics d humidité du sol du bruit. La courbe d humidité du sol de la sonde présente une tout autre vision. La tendance saisonnière est visible, sur laquelle viennent se succéder des pics d humidité du sol. Leur déroulement suit toujours le même schéma : le pic débute brutalement par une forte augmentation de l humidité du sol en raison d un épisode pluvieux, suivie une décroissance progressive concave. Cela dénote d une première évaporation conséquente et rapide de l humidité du sol, qui est prolongée par une disparition plus lente. Le dernier point est un retour à un taux d humidité (sur environ dix jours) semblable à celui de départ éventuellement légèrement modifié en raison des tendances saisonnières. En observant conjointement les deux évolutions temporelles d humidité du sol, il est possible de retrouver des pics d humidité communs. Ceux de la station sol, ne coïncident pas nécessairement avec un pic AMSR-E. Les évènements plus marqués parmi le bruit de la courbe AMSR-E se distinguent et peuvent la majorité du temps être reporté sur la courbe de la sonde. La corrélation statistique est néanmoins nulle, car elle est essentiellement sensible aux tendance qui ne coincident absolument pas ici : 0,025. Coefficient particulièrement faible en raison de l anticorrélation présente en hiver. Le second graphique permet une comparaison plus aisée de la variabilité temporelle des produits AMSR- E à la station sol grâce à la standardisation. Les différences d ordre de grandeur ont été supprimées grâce à un centrage et les variations mises en évidences en exprimant la série en distance à la moyenne en écart-type. Le bruit de la série AMSR-E supprimé via un lissage, appliqué aussi à la station sol par soucis d égalité visuelle. Les deux mesures semblent à présent faire référence aux mêmes évènements. Les courbes sont idéalement corrélées des jours 85 à 170 où la corrélation des valeurs (série AMSR lissée) est de 0,922 (0,839 pour les valeurs brutes), et de 250 à 300, corrélations calculées respectivement de 0,729 et 0,638. Les tendances et événements y sont identiques, les courbes se superposent même pour la seconde période. La plupart des pics en corrélation sur le graphique précédent peuvent être retrouvé, mais ce n est pas forcément le cas. Ce qui laisse entendre qu il devait s agir de bruit et non d un épisode d augmentation de l humidité. A l inverse certains pics marqués par la sonde indétectable sur les données brutes s avère avoir été en réalité mesuré par AMSR-E. 23

31 SMOSREX - Toulouse Confrontation Fig. 5.4 Rapports de polarisation (en %) enregistrés en 2005 par les capteurs LEWIS, sur sol nu et jachère, et AMSR-E à 6.9 et 10.7 GHz. 24

32 SMOSREX - Toulouse Confrontation Fig. 5.5 Humidités de surface du sol enregistrées par les sondes du site SMOSREX, de Lamasquère et de Auradé en Conclusion Cette comparaison qui était sans grande attente s est finalement révélée fructueuse. Il en découle plusieurs constatations et interrogations. Tout d abord, il apparaît clairement que le capteur AMSR-E manque de sensibilité générale du signal, puisque cela a pu être observé aussi bien pour les RP que pour les produits d humidité du sol. Cela s exprime par une absence de saisonnalité et une détection limitée aux modifications de l humidité du sol très marquées. Il peut cependant produire d exellents résultats sur des périodes précises faisant référence à des conditions propice à la détection des variations. Le problème de la différence d échelle est également apparu. La mesure du signal sur une couverture de 25km par 25km environ justifie que les évènements locaux n apparaissent pas. L exploitation de données de deux autres stations montre une bonne cohérence entre les stations à l échelle régionale. Bien qu AMSR-E ne détecte pas toutes les variations sensibles de l humidité, la totalité des évènements (à une ou deux exceptions près) qu il a pu mettre en évidence sont enregistrées par la station. Ce qui suppose une non réciprocité des détections. 25

33 SMOSREX - Toulouse Confrontation Fig. 5.6 Humidités du sol enregistrées par SMOSREX et AMSR-E en 2005 en valeur absolue et standardisée. 26

34 Chapitre 6 NAFE - Australie Introduction NAFE (NAtional Airborne Field Experiment) est une expérience se déroulant sur un site Australien exploité par différentes équipes. Elle est constituée de deux plans de mesures : 1) Des campagnes intensives en novembre 2005 et 2006, où sont réalisées des mesures d humidité du sol spatialisées et aéroportées (bande L). 2) Des mesures à long terme ( ) avec un réseau de 26 stations d humidité du sol. Le CESBIO a activement participé aux mesures spatialisées d humidité du sol. C est aux données enregistrées par les stations d humidité du sol que seront confrontées les données AMSR- E. La répartition et la densité du réseau permettent de couvrir une surface de la taille de plusieurs pixels AMSR-E, offrant la possibilité d évaluer les problèmes d échelles rencontrés précédemment avec SMOSREX (cf. chapitre précédent). Dans ce chapitre est tout d abord présenté le programme NAFE, ainsi que le réseau de stations mis en place pour en venir à la comparaison et aux résultats. 6.1 NAFE La mission NAFE vient en réponse à la demande croissance de prédictions hydrologiques, mais doit également permettre une validation des produits de capteurs de futures missions telle que SMOS. La première campagne de mesures s est déroulée durant les quatre premières semaines de novembre 2005, sur le site expérimental de Goulburn River à l est de Newcastle (cf. figure 6.1) (Walker and Panciera 2005). D une superficie de 6540km 2, le terrain s étend de 31 o 46 S à 32 o 51 S et de 149 o 40 E à 150 o 36 E. La zone est occupée au nord de prairies et de cultures tandis qu au sud la forêt domine. Les précipitations moyennes annuelles y sont assez hétérogènes pouvant aller de 500 à 1300 mm par an. L objectif de cette mission est d étudier l humidité du sol à des échelles variables. Pour cela, des implantations de stations (humidité du sol, température, précipitations...) ont été réalisées et des mesures aéroportées effectuées à différentes résolutions et échelles spatiales. Les différents capteurs embarqués ont permis d acquérir des images en micro-ondes passive bande L, en bipolarisation, ainsi que des informations dans les longueurs d onde du visible et du proche infrarouge. Des informations complémentaires peuvent être trouvées sur le site suivant : http :// 6.2 Les mesures terrain d humidité du sol Sur l ensemble du site et plus densément à l intérieur de deux bassins versants, des sondes de type TDR (Time Domain Reflectometry) ont été installées. Leur répartition a été optimisée pour répondre aux besoins d une étude régionale et des modèles hydrologiques. Sur les 20 stations disponibles, seules 10 sont exploitées ici : K2 à K5 et M1 à M6, apparaissant en rouge sur la figure 6.2. La couverture de toutes les stations nécessite quatre pixels AMSR-E au sein desquels leur nombre varie de une à quatre. Les stations situées au sein d une végétation trop dense ont été écartées ainsi que celles dont la calibration n avait pas été effectuée ou restait douteuse. Une station est composée de plusieurs sondes placées à différentes 27

35 NAFE - Australie Les mesures terrain d humidité du sol Fig. 6.1 Localisation du site de Goulburn River au sud-est de l Australie. Fig. 6.2 Position des stations ainsi que des pixels AMSR-E (25x25km) choisis au sein du site de Goulburn River. Les stations utilisées sont en rouge. On distingue les pixels AMSR-E, ci-après référencés par NW (Nord-Ouest), NE (Nord-Est), SW (Sud-Ouest) et SE (Sud-Est). 28

36 NAFE - Australie Confrontation profondeurs et enregistrant des mesures d humidité du sol toutes les 20 minutes. Pour chaque station les données de la sonde placée en surface sont utilisées. 6.3 Confrontation La figure 6.3 présente les humidités du sol brutes de chaque pixel AMSR-E et des stations qui y sont présentes. On peut tout d abord constater que les quatre pixels AMSR-E ont des mesures similaires. La gamme d humidité du sol est identique ainsi que les variations saisonnières et la détection d événements. L ensemble des stations montrent une plus grande variabilité des conditions spatiales d humidité du sol. Le profil d humidité de l année 2005 de la sonde K3 est très différent de celui de la station M2. La première varie entre 25 et 50%, alors que la seconde a une amplitude moindre et ce à des taux d humidité du sol bien moins élevés puisqu elle ne dépasse que par deux fois les 10%. Elles font cependant état des mêmes variabilité temporelles d humidités du sol, seule l amplitude diffère. En observant les profils à l échelle du pixel AMSR-E on constate qu elles reflètent une certaine hétérogénéité du milieu intrapixelaire, en particulier avec les sonde M1 et K2. Les sites des stations situées dans la moitié nord enregistrent beaucoup plus d humidité dans le sol que ceux de la moitié sud, ce qui ne se retrouve pas sur les profils des données AMSR-E. Le tableau 6.1 regroupe tous les coefficients de corrélation calculés entre les évolutions temporelles d humidité du sol de chaque station à celles de chaque pixel AMSR-E, y compris ceux au sein desquels elles ne sont pas, et ce également pour les autres variables : contenu en eau de la végétation, RP à 6,9 et 10,7 GHz. Les mêmes résultats sont également calculés en ayant effectué un lissage sur cinq valeurs de la série AMSR-E afin d éliminer le bruit 1 déjà mis en évidence (ce qui engendre une augmentation moyenne de 0,10 points les coefficients). Il est important de préciser ici que les séries sont composées en moyenne de 450 valeurs. On remarque tout d abord que la station K2 est celle qui possède les plus fortes corrélation avec son pixel AMSR-E (pixel SW) en atteignant 0,50 pour l humidité du sol en valeurs AMSR-E lissées, 0,64 pour le RP à 6,9 GHz et 0,58 à 10,7 GHz (pour les valeurs brutes respectivement : 0,46-0,51-0,47). Mais elle présente des coefficients tout à fait similaire pour les autres pixels voisins. Cette station semble donc être la plus représentative de ce que perçoit AMSR-E. Ce qui amène à penser qu une seule station, en étant bien placée, pourrait être représentative d un milieu et que des comparaisons à des échelles très différentes peuvent être possible. La seconde remarque est que l humidité du sol AMSR-E n est pas le produit le plus corrélé à l humidité du sol des stations, ce sont les RP. Concernant les RP à 6.9 GHz, ceci est vrai quelque soit les stations contnsidérées. L ensemble des résultats permet de dire que les produits bruts tels que le RP conduisent, sur ce site, à une information pertinente sur l humidité du sol, alors que les produits plus élaborés nécessitant l utilisation d algorithmes, dégradent légèrement la qualité des estimation d humidité du sol. Ainsi le contenu en eau de la végétation possède les plus bas coefficients, mais cela est compréhensible puisque le contenu en eau de la végétation et l humidité du sol n ont pas forcement une évolution saisonnière identique. Les TB enregistrées par le capteur sont dégradées par les modèles alors qu ils devraient au contraire permettre d accéder aux valeurs du sol. Le bilan de ce tableau est aussi qu il permet de constater que chaque pixel possède une station en son sein avec laquelle ses RP à 6,9 ont des coefficients supérieur à 0,45. La confrontation à deux stations est présentée plus en détail ici. La première est K2, la plus représentative pour les quatre pixels AMSR-E (corrélation moyenne de 0,46 pour l humidité du sol) et K4 qui fait partie des stations pour lesquelles AMSR-E montre de mauvaises performances. Pour chaque figure, le graphique du haut présente les valeurs brutes et le second les mêmes séries mais cette fois standardisées et lissées (sur cinq valeurs). La station K2 est la plus corrélée au pixel AMSR-E lui correspondant géographiquement. Sur la figure 6.4 qui montre les évolutions temporelles, il apparaît dans un premier temps évident que la gamme 1 Seule la série temporelle d AMSR-E nécessite ce traitment, celle de la station n a pas de bruit a supprimer. Une vérification a été faite : les coefficients de corrélation ont été sortis à partir des deux séries temporelles lissées sur cinq valeurs, les résultats sont strictement identiques à ceux où seul AMSR-E est lissé 29

37 NAFE - Australie Confrontation Fig. 6.3 Humidite s du sol enregistre es par les pixels AMSR-E, couvrant la re gion de l expe rience NAFE, et humidite du sol enregistre es par les correspondantes stations sol en 2005 en valeur absolue. 30

38 NAFE - Australie Confrontation Brutes AMSR-E lissé sur 5 valeurs Nom station Pixels Moyenne Pixels Moyenne NW NE SW SE NW NE SW SE K2 %SM %VWC RP RP K3 %SM %VWC RP RP K4 %SM %VWC RP RP K5 %SM %VWC RP RP M1 %SM %VWC RP RP M2 %SM %VWC RP RP M3 %SM %VWC RP RP M4 %SM %VWC RP RP M5 %SM %VWC RP RP M6 %SM %VWC RP RP Tab. 6.1 Corrélations entre les humidités de chaque station aux valeurs de chaque pixel pour l humidité du sol (SM), le contenu en eau de la végétation (VWC), le rapport de polarisation à 6,9 GHz (RP6,9) et à 10,7 GHz (RP10,7). La colonne de gauche correspond est calculée à partir des valeurs brutes, alors que dans la colonne de droite un lissage est appliqué sur la série AMSR-E. Les chiffres en gras correspondent aux valeurs des stations comprises dans le pixel. 31

39 NAFE - Australie Confrontation d humidité du sol des produits AMSR-E est relativement réaliste. Les humidités du sol d AMSR-E varient approximativement entre 10 et 20% et celles de la station entre 5 et 18%. AMSR-E est toujours marqué par une faible sensibilité et une relative stabilité, ainsi que par un bruit systématique. Il est malgré tout possible de repérer des pics d humidité du sol commun. Le second graphique de la figure 6.4 permet une comparaison des valeurs standardisées. Ce qui permet de montrer que les deux enregistrements sont très similaires en terme de variabilité temporelle, et particulièrement à partir du jour 150 jusqu à la fin de l année 2005 où la corrélation atteind 0,792 alors qu elle n est que de 0,016 dans la première partie de l année (valeurs AMSR-E lissées). La figure 6.5 présente les humidités du sol de la station K4 et celles du pixel AMSR-E dans lequel elle est située. La première remarque est que les deux séries sont très éloignées l une de l autre, aussi bien en terme d ordre de grandeur que de sensibilité aux grands événements d humidité du sol. Mais à la différence de la station précédente (et de celle de SMOSREX, cf. chapitre précédent), la standardisation et le lissage n ont pas apporté d améliorations marquées. Conclusion La densité du réseau de stations disponibles sur ce site laisse penser qu il permet d éliminer les incertitudes liées aux problèmes d échelle. Une partie de la question à pu être résolue car l ensemble des stations permet de couvrir une importante variabilité spatiale, avec cependant une bonne cohérence de l occurrence d évènement pluvieux et de la dynamique de l humidité du sol. Mais très peu de stations sont pourtant en accord avec les séries d AMSR-E. Une station (K2) se distingue cependant par son accord remarquable avec AMSR-E (corrélation de 0,792 en lissées sur les deux tiers de l année). Cette station semble représentative de la région observée par AMSR-E. La confrontation des séries standardisées et lissées, d AMSR-E et de la station K2, à permis de constater qu AMSR-E pouvait transmettre des variations saisonnières justes, en plus d une adéquation des épisodes pluvieux majeurs. 32

40 NAFE - Australie Confrontation Fig. 6.4 Humidités du sol enregistrées par la station K2 et AMSR-E SW en 2005 en valeur absolue et standardisées. 33

41 NAFE - Australie Confrontation Fig. 6.5 Humidités du sol enregistrées par la station K4 et AMSR-E NW en 2005 en valeur absolue et standardisées. 34

42 Chapitre 7 AMMA - Afrique Introduction Ce site se distingue des deux autres. Aussi bien par le rôle majeur de l humidité du sol sur le climat et la mousson (Koster et al. 2004; Douville et al. 2001) que le fait qu il s agisse d un zone sahélienne de transition entre les tropiques et le désert. La couverture végétale limitée ouvre le potentiel de la télédétection, provoquant moins de problème de pénétration et de diffusion en bande C. La confrontation au capteur sera abordée après une brève présentation de la mission AMMA et des données utilisées. 7.1 AMMA African Monsoon Multidisciplinary Analysis est un programme qui vise à améliorer la compréhension de la mousson africaine de l échelle saisonnière à inter-annuelle et de ses interactions avec les surfaces continentales. Les objectifs consistent également à augmenter la qualité des prévisions. A cela s ajoute la contribution à la compréhension des relations et impacts entre mousson africaine et changement global, ainsi que l étude de l influence de l utilisation des sols et de l eau sur la dynamique de la mousson. Ce programme regroupe beaucoup de disciplines telles que la météorologie, la climatologie, la chimie atmosphérique, l océanographie, l hydrologie ou encore l écologie. En , AMMA sera un site de calibration et de validation de SMOS (de Rosnay et al. 2006a). Dans ce contexte, différents sites d AMMA sont instrumentés pour mesurer en continu l humidité du sol. Au total 22 stations sont réparties dans trois régions : le Mali, le Niger et le Benin (cf. figure 7.1). La disposition de ces sites selon un gradient nord-sud correspond à la méso-échelle, appropriée pour l étude des variations saisonnières, et notamment de la mousson africaine. L objectif est de mettre en évidence l implication de l humidité du sol dans la variabilité des moussons, aussi bien temporelle (date de début) qu au niveau de l intensité. En plus de cela chacun des sites est équipé et organisé pour répondre spécifiquement à une sous problématique. Les sites du Benin et du Niger sont optimisés pour l étude des précipitation et particulièrement des processus hydrologiques. Les sites du Mali, placés sous la responsabilité du CESBIO, se focalisent sur les processus de surface, la télédétection de la végétation et de l humidité dans le sol. Ainsi 8 stations d humidité du sol sont organisées selon un axe nord-sud comme le montre la figure Les mesures terrain d humidité du sol Étant donné le calendrier du projet et la mise en place récente des stations, les données de seulement deux d entre elles, recalibrées récemment, sont exploitées ici. Elles sont localisées à Agoufou qui est un système dunaire, la première en haut de dune, la seconde en bas. Séparées de seulement 300 mètres, elles ne permettront pas de mettre en avant une variabilité du site, mais uniquement un éventuel décalage du bilan hydrique. L intérêt de ces deux stations est qu elles se trouvent au sein d un environnement particulièrement homogène représentatif de la région. La végétation est une savane composée d herbacées annuelles à très forte dynamique, et d arbustes (acacia principalement). L intérêt en télédétection est la forte dynamique 35

43 AMMA - Afrique Les mesures terrain d humidité du sol Fig. 7.1 Localisation des sites terrain au Mali, Niger et Benin, du programme AMMA. Fig. 7.2 Localisation des équipements du site au Mali, du programme AMMA. Fig. 7.3 Environnement de la station d Agoufou en avril (à gauche) et en juillet (à droite) (15, 34 o N1, 48 o W). 36