Cartographie de l'humidité du sol en Afrique de l'ouest par télédétection spatiale

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Mathieu Marc-Antoine Charpentier
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1 UMR 5564-INPG-UJF/CNRS/IRD Cartographie de l'humidité du sol en Afrique de l'ouest par télédétection spatiale Présenté par TRAN Xuan Truong Sous la direction de Thierry PELLARIN et Jean-Paul LAURENT 1

2 Plan I. Contexte - Pourquoi mesurer l humidité du sol? - Quels capteurs et à quelle résolution? II. Objectif III. Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol - Mesures de terrain - Mesures du satellite géostationnaire Meteosat (MSG) IV. Assimilation dans un schéma de surface - Schéma de surface ISBA - Assimilation MSG - Assimilation AMSR-E V. Conclusion et perspectives 2

3 Contexte Pourquoi mesurer l humidité du sol? Pour mieux comprendre le couplage entre la surface et l atmosphère Koster et al., Science, 2004 avec des observations 3

4 Contexte Quels capteurs et à quelle résolution? Mesures satellites micro-onde (1-10 GHz) Avantages: Inconvénients: émission du sol fortement reliée à l humidité du sol sa sensibilité aux phénomènes atmosphériques est minimale faible résolution spatiale (30-55 km) résolution temporelle (1 à 2 jours) effet important de la végétation Ecart-type des mesures de AMSR-E durant 15 jours Vegetation attenuation Aqua 16 july to 31 july

5 Contexte Quels capteurs et à quelle résolution? Mesures satellites infra-rouge thermique (4-14 µm) Avantages : bonne résolution spatiale (3-5 km) très bonne résolution temporelle (15 minutes) Inconvénients : émission du sol faiblement reliée à l humidité du sol pas de données en situation nuageuse effet important de la végétation Meteosat 5

6 Objectif Mesures Mesures Terrain Terrain Mesures Mesures satellites satellites MSG MSG Mesures Mesures satellites satellites AMSR-E AMSR-E Paramètres Paramètres de de la la surface surface et forçage atmosphérique et forçage atmosphérique 1 3 algorithmes 3 algorithmes de désagération de la résolution 2 Assimilation modèle ISBA Humidité du sol en Afrique de l Ouest 6

7 Plan I. Contexte - Pourquoi mesurer l humidité du sol? - Quels capteurs et à quelle résolution? II. Objectifs III. Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol - Mesures de terrain - Mesures du satellite géostationnaire Meteosat (MSG) IV. Assimilation dans un schéma de surface - Schéma de surface ISBA - Assimilation MSG - Assimilation AMSR-E V. Conclusion et perspectives 7

8 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure de terrain A l échelle locale Niger Zone d'étude à l'échelle locale Stations in-situ au Niger 8

9 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol A l échelle locale Mesure de terrain Septembre 2006 Evolution de la température du sol à Banizoumbou au Niger Evolution de l'humidité du sol à Banizoumbou au Niger 9

10 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure de terrain A l échelle locale 1. Methode statistique: mst*= ao + a1.tst Septembre 2006 ms* = Ts Evolution de température du sol et humidité du sol à Banizoumbou au Niger 10

11 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol A l échelle locale Mesure de terrain 2. Methode de gradient de la température: Tst = a.t + b 8h00 8h30 9h00 9h30 10h00 8h00 8h30 9h00 9h30 10h00 Gradient de température de surface du sol de 8h à 10h pour chaque jour Méthode de Geoff Pegram à l'université de Durban en Afrique du Sud 11

12 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure de terrain A l échelle locale i 3. Methode des anomalies de la température + 1 lstai = lsti+ 10 Septembre 2006 Anomalie de T i lst i Anomalies de température de surface du sol Méthode de Chris Taylor et Phil Harris (CEH) à l'université de Wallingford en Angleterre 12

13 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure de terrain A l échelle locale 4. Résultats des 3 méthodes Methode statistique Methode de gradient de la température Methode des anomalies de la température 13

14 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure du satellite géostationnaire g Météosat M (MSG) A l échelle locale A l échelle régionale 13,575 N 13,541 N Niger 0, N 13,541N 10 N Niger 18 W 2,665E 20 E 13,525 N 2,625 E 2,665E 2,675E Zone d'étude de l'échelle locale Pixel choisi (MSG) Zone d'étude à l'échelle régionale 14

15 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol Mesure du satellite géostationnaire g Météosat M (MSG) A l échelle locale Relation LST_MSG / LST_In-situ Séries temporelles de LST dérivée des mesures MSG et des mesures In-situ 15

16 Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol A l'échelle régionale 1. Méthode statistique Mesure du satellite géostationnaire g Météosat M (MSG) Résultats des 3 méthodes A l'échelle locale Humidité du sol AMSR-E 2. Méthode gradient 3. Méthode Anomalie 16

17 Plan I. Contexte - Pourquoi mesurer l humidité du sol? - Quels capteurs et à quelle résolution? II. Objectifs III. Estimation de l'humidité du sol à partir de la température du sol - Mesures de terrain - Mesures du satellite géostationnaire Meteosat (MSG) IV. Assimilation dans un schéma de surface - Schéma de surface ISBA - Assimilation MSG - Assimilation AMSR-E V. Conclusion et perspectives 17

18 Modèle ISBA (Interaction entre la Surface, la Biosphère et l'atmosphère) Schéma de surface ISBA Sol nu Forêts Rn = H + E + G Pg = E + Qr + D Noilhan et Planton (1989) ISBA (SVAT de Météo-France) 3 couches de sol : 1 cm couche racinaire couche profonde 3 patchs : sol nu forêts végétation basse Végétation basse 18

19 Modèle ISBA Simulations de l humidité de surface Pluies sol Simulation Simulation ISBA de l'humidité du sol avec pluie sol Pluies EPSAT-SG Simulation Simulation ISBA de l'humidité du sol avec pluie satellite (EPSAT-SG) 19

20 Modèle ISBA Technique d assimilation MSG A l échelle locale Pluie x 0 Pluie x 0.5 Simulation Simulation Evolution de Ts _MSG du 01/7 au 04/7/2006 au Niger Pluie x 1 Pluie x 1.5 Simulation Simulation 20

21 Modèle ISBA Assimilation MSG Résultat à l échelle locale Avant assimilation Avant assimilation Humidité du sol sans assimilation des T du sol MSG Après assimilation Apres assimilation Humidité du sol avec assimilation des T du sol MSG 21

22 Modèle ISBA _C-MEB Assimilation AMSR-E A l échelle locale Pluie x 0 Amsr-e TB Simulation C-MEB (modèle d émission microonde) Inputs : - humidité superficielle - contenu en eau de végétation - température du sol - rugosité, paramètres atmosph. Outputs : - TB pour chaque patch Sol nu Comparaison TB TB TB TB TB Forêts C-MEB ISBA Végétation basse 22

23 Modèle ISBA _C-MEB Technique d assimilation AMSR-E A l échelle locale Pluie x 0 Pluie x 0.5 Simulation Simulation Evolution de Tb-AMSR-E et TB simulée par C-MEB et technique de la modification de pluie (pluie x0, x0.5) du 24/8 au 27/8/2006 au Niger Pluie x 1 Pluie x1.5 ²Simulation Simulation Evolution de Tb-AMSR-E et TB simulée par C-MEB et technique de la modification de pluie (pluie x1, x1.5) du 24/8 au 27/8/2006 au Niger 23

24 Modèle ISBA _C-MEB Assimilation AMSR-E Résultat à l échelle locale Avant assimilation Avant assimilation Humidité du sol sans assimilation des Tb AMSR-E Après assimilation Apres assimilation Humidité du sol avec assimilation des Tb AMSR-E 24

25 Modèle ISBA _C-MEB Assimilation AMSR-E A l échelle régionale TBh AVANT assimilation TBh AMSR-E TBh APRES assimilation 25

26 Conclusions Nous avons testés 3 algorithmes d'estimation de l humidité du sol à partir des mesures infrarouge du satellite MSG en Afrique de l'ouest. Différences importantes entre les algorithmes Aucun n'est satisfaisant Une technique d'assimilation des mesures des satellites MSG et AMSR a été testée. L'information de AMSR semble pertinente pour améliorer à la fois les champs d'humidité et le forçage pluviométrique. 26

27 Perspectives Un travail d analyse systématique des erreurs des 3 méthodes reste à faire pour finir la première partie de la thèse Nous allons étudier la synergie des mesures des satellites MSG et AMSR-E pour améliorer les produits d humidité du sol avec une méthode de désagrégation spatiale et temporelle en zone Sahélienne. 27

28 28

29 Annexe Pluie x 0 Pluie x 0.5 Simulation Simulation Pluie x 1 Pluie x 1.5 Simulation Simulation 29

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