Titre de la thèse : «Dynamique spatio-temporelle de l humidité du sol : application à l étude du cycle de l eau en Afrique de l ouest»

Transcription

1 Titre de la thèse : «Dynamique spatio-temporelle de l humidité du sol : application à l étude du cycle de l eau en Afrique de l ouest» Directeur de thèse : Thierry PELLARIN (thierry.pellarin@ujf-grenoble.fr) Les climatologues savent depuis longtemps que les interactions entre la surface terrestre et l atmosphère jouent un rôle crucial dans les systèmes climatiques. L une d elles concerne l humidité contenue dans le sol, déterminante pour le développement de la végétation, pour les prévisions météorologiques ou la modélisation climatique. Or cette variable hydrologique est souvent sousutilisée dans les modèles climatique, hydrologique et agricole en raison du fait de la difficile mesure de cette grandeur depuis l espace. En 2009, le premier satellite spécifiquement dédié à la mesure de l humidité du sol a été mis en orbite par l Agence Spatiale Européenne (ESA). Le satellite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est un interféromètre opérant à 1.4 GHz qui permet d obtenir une cartographie de l humidité du sol à l échelle globale tous les 2 jours à 25 km de résolution spatiale. A la fin de l année 2014, la mission satellite SMAP (Soil Moisture Active/Passive) va être lancée par la NASA et permettre d améliorer la résolution spatiale de l humidité du sol (10 km). Les 4 premières années de SMOS ont essentiellement permis d évaluer la qualité de ces nouvelles mesures notamment en Afrique de l ouest (Louvet et al. 2014) où l expérimentation AMMA (Analyse Multi-disciplinaire de la Mousson Africaine) a permis l installation d un réseau de mesure in-situ de l humidité du sol entre le Mali, le Niger et le Bénin. Ces périodes de comparaison avec des mesures au sol (Cal/Val) ont permis d améliorer l algorithme qui transcrit l émission micro-onde mesurée par le satellite en humidité du sol. En Afrique de l ouest, la qualité des mesures SMOS permet dorénavant d envisager différentes applications à l échelle régionale. Dans cette région du monde, le rôle de l humidité du sol est plus prépondérant encore que sur les zones tempérées du fait du fort rayonnement solaire qui augmente l intensité des rétroactions entre la surface et l atmosphère. Le lien avec la végétation est lui aussi beaucoup plus fort du fait de la faible teneur en eau des sols et de l occurrence de périodes intenses de stress hydrique de la végétation. Enfin, la recrudescence des inondations (Ouagadougou en 2009, Niamey en 2010, Dakar en 2012) pose la question du rôle de l humidité du sol sur la génération des crues. Le premier objectif du travail de thèse consistera à produire une cartographie de l'humidité du sol sur l'ensemble de l Afrique de l ouest avec une résolution temporelle de 1 heure, plus adaptée à l étude des processus hydrométéorologiques de la région. Cette étape consistera à développer une méthode d assimilation des estimations du satellite SMOS dans le schéma de surface SURFEX de Météo- France. Les résultats de cette étape seront confrontés à la fois à un produit d humidité du sol récemment développé au LTHE (Pellarin et al., 2013), et aux cartes d humidité du sol issues de SURFEX sans assimilation de SMOS. L un des résultats attendu est une nette amélioration dans la variabilité spatiale de l humidité du sol lorsque l information de SMOS est prise en compte. La variabilité spatiale de l humidité du sol influe en retour sur les flux d eau (évapotranspiration, infiltration, ruissellement) et d énergie (flux de chaleur sensible et latent) entre le sol, la végétation et l atmosphère.

2 Dans un deuxième temps, il s agira de prolonger cette étude sur la période en assimilant les mesures du capteur AMSR-E de la NASA qui mesure l émission du sol dans une fréquence (6 GHz) un peu plus élevée que SMOS (1 GHz). Les années de recouvrement des 2 satellites (2010 et 2011) permettront d évaluer la qualité des deux approches. Les mesures du capteur AMSR-E sont plus sensibles à la présence de végétation que les mesures de SMOS. Des résultats similaires sont donc attendus sur le Sahel mais des différences importantes sont probables sur la zone soudanoguinéenne. Les résultats de simulation de ces 2 premières étapes du travail serviront de base au reste du travail de thèse qui consistera à explorer plusieurs pistes de recherche. 1) Caractérisation et détection des périodes de sécheresses. La plupart des études portant sur la détection des sécheresses utilisent une information sur les précipitations. Cela à tout son sens sur les régions pourvues d un bon réseau de mesure au sol (pluviomètre, radars météorologiques) mais pose des problèmes notamment en Afrique de l ouest où la densité du réseau est de 1 poste pour km² en moyenne. Le recours aux mesures satellites de précipitation montre aussi des différences qui peuvent être de l ordre de 100 % sur les cumuls annuels entre les différents produits. L objectif est donc de tirer parti des simulations SURFEX avec assimilation SMOS et AMSR-E pour mieux caractériser les périodes de sécheresses (dans le temps et dans l espace), et de mieux définir la date de démarrage, de fin et la durée de la saison des pluies. Enfin, il sera possible de repérer la présence de périodes sèches à l intérieur de la saison des pluies, très préjudiciable au développement des cultures. 2) Apport pour l agriculture. Le schéma de surface SURFEX permet d obtenir les profils d humidité et de température du sol entre la surface et environ 2 mètres de profondeur. Cette information permet d obtenir l évolution spatio-temporelle du front d infiltration de l eau dans les sols, variable capitale en agronomie. En collaboration avec le CIRAD de Montpellier, nous tenterons d établir des liens entre le front d infiltration de l eau dans le sol et le rendement des cultures. 3) Vers un produit opérationnel en temps réel. Une perspective intéressante de ce travail de thèse consistera à proposer le produit de front d infiltration de l humidité du sol (journalier et 25 km de résolution) de manière opérationnelle et en temps réel. Ce produit pourra être proposé comme un produit de niveau 4 de SMOS, et constitue un intérêt potentiellement important pour un centre comme AGRHYMET au Niger pour l évaluation du rendement des cultures sur la zone sahélienne. 4) Etude du rôle de l humidité du sol sur la génération des crues en Afrique de l ouest. L apparition du ruissellement de surface dépend de l intensité de la pluie et de la capacité d infiltration du sol. La capacité d infiltration du sol dépend à son tour des caractéristiques du sol (structure, texture) et de son état hydrique. En s appuyant sur les différents épisodes d inondation observés au cours de la dernière décennie, il s agira d analyser statistiquement les conditions hydriques des sols précédant un épisode pluvieux et de caractériser le lien potentiel entre humidité du sol et inondation. 5) Relation avec l atmosphère. Des études récentes ont montré un lien direct entre la distribution spatiale de l humidité du sol et le déclanchement des systèmes convectifs en Afrique de l ouest (Taylor et al., 2011, Gaertner et al., 2010). Une piste de recherche consiste à prolonger ces études en s intéressant au cycle de vie des systèmes (durée de vie, trajectoire, efficacité pluviométrique) suite à leurs déclanchements. Nous tenterons d établir des relations statistiques entre la distribution spatiale de l humidité du sol et le comportement des systèmes convectifs.

3 PhD Title: " Spatio-temporal dynamics of soil moisture: application to study the water cycle in West Africa" Interactions between the land surface and atmosphere play a crucial role in the climate system. Among these, soil moisture is known to influence the development of vegetation, weather forecasting and climate modeling. However, this hydrological variable is often underutilized in climate, hydrological and agricultural models due to the relative difficulty to measure this quantity from space. In 2009, the first satellite specifically dedicated to measuring soil moisture was launched by the European Space Agency (ESA). SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) is an interferometer operating at 1.4 GHz which provides soil moisture mapping on a global scale every 2 days at 25 km spatial resolution. By the end of 2014, the SMAP mission (Soil Moisture Active/Passive) will be launched by NASA and help improve the spatial resolution of soil moisture (10 km). The first 4 years of SMOS mission were essentially devoted to assess the quality of the SMOS measurements in West Africa (Louvet et al. 2014) thanks to the AMMA experiment (African Monsoon Multi-disciplinary Analysis) which allowed the installation of a ground-based soil moisture network located in Mali, Niger and Benin. This Cal/Val procedure helped improve the algorithm which relates the measured microwave emission with soil moisture estimates. In West Africa, the SMOS soil moisture accuracy now allows to consider various applications at the regional scale. In this region, the role of soil moisture is more prominent than in temperate regions due to the high solar radiation which increases the feedbacks intensity between the surface and the atmosphere. The link with the vegetation is also much stronger because of the low water content of soil and the occurrence of intense periods of water stress of the vegetation. Finally, increased flooding (2009 Ouagadougou, 2010 Niamey, 2012 Dakar) raises the question of the role of soil moisture on runoff generation. The first objective of this thesis will be to produce soil moisture maps in West Africa with a temporal resolution of 1 hour, more suited to the study of hydrometeorological processes in the region. This step will be devoted to develop a method for assimilating SMOS soil moisture estimates into the SURFEX surface scheme of Météo-France. A comparison of this procedure will be done with an existing soil moisture product recently developed at LTHE (Pellarin et al., 2013), as well as the SURFEX outputs without SMOS assimilation. An expected result will be an improvement in the spatial variability of soil moisture when SMOS information is accounted for. As a consequence, the soil moisture spatial variability influences the water fluxes (evapotranspiration, infiltration and runoff) and energy fluxes (sensible and latent) between soil, vegetation and atmosphere. In a second step, it is proposed to extend the study to the period using the NASA AMSR-E sensor. AMSR-E sensor measures the soil emission at higher frequency (6 GHz) than SMOS (1 GHz). Consequently, the AMSR-E measurements are expected to be more sensitive to the vegetation. Two recovery years (2010 and 2011) of the 2 satellites will be used to assess the quality of both approaches. Similar results are expected in the Sahel region but significant differences are expected in the Guinean zone. The obtained D simulation outputs will form the basis of the thesis work used to explore several research questions.

4 1) Characterization and detection drought events. Most studies related to drought detection are based on precipitation. This make sense on areas with dense ground-based precipitation network (raingauges, weather radars) but is problematic especially in West Africa where the network density is 1 station per km ² on average. The use of satellite precipitation measurements also show differences that can be of the order of 100 % on the annual accumulation between different products. The objective is to take advantage of SMOS and AMSR -E to better characterize periods of drought (in space and time), and to better define the start date, end and duration of the season rains. Finally, it will be possible to detect the presence of dry periods inside the rainy season, very detrimental to crop development. 2) Agricultural applications. The SURFEX surface scheme provides a vertical description of soil moisture and soil temperature (from the ground level to 2 m depth). Based on this information, it is possible to derive the spatial and temporal location of the wetting front in soils, crucial information for agricultural applications. In collaboration with CIRAD in Montpellier, we will try to find some links between the front of water infiltration and crop yield. 3) Towards an operational product in real time. An interesting perspective of this work will be to propose the soil water infiltration front as an operational and real time product (daily and 25 km resolution). This can be propose in the frame of SMOS level 4 product and constitute a potential high interest for operational center such as the AGRHYMET Center in Niamey for crop yield estimates. 4) Soil moisture influence on runoff generation in West Africa. The surface runoff depends on both the rainfall intensity and the infiltration capacity of the soil. The infiltration capacity of the soil, in turn, depends on soil characteristics (structure, texture) and soil water content. Based on the different flood events observed during the last decade, a statistical analysis of soil moisture conditions prior to a rainfall event will be characterize to define the potential link between soil moisture and flooding event. 5) Surface-atmosphere feedbacks. Recent studies have shown a direct link between soil moisture spatial distribution and convective systems initiation in West Africa (Taylor et al., 2011, Gaertner et al., 2010). It is proposed to further these studies focusing to the life cycle of convective systems (lifetime, trajectory, rainfall efficiency) following their triggering. We will establish statistical relationships between the spatial distribution of soil moisture and the behavior of convective systems in West Africa. Références : Gaertner, M. A., Dominguez, M. & Garvert, M. A modelling case-study of soil moisture_atmosphere coupling. Q. J. R. Meteorol. Soc. 136, 483_495, 2010 Louvet S., T. Pellarin, A. al Bitar, B. Cappelaere, S. Galle, M. Grippa, C. Gruhier, Y. Kerr, T. Lebel, A. Mialon, E. Mougin, G. Quantin, P. Richaume, P. de Rosnay. SMOS soil moisture product evaluation over West-Africa from local to regional scale, Remote Sensing of Environment, under revision Pellarin T., S. Louvet, C. Gruhier, G. Quantin, C. Legout, 2013: A simple and effective method for correcting soil moisture and precipitation estimates using AMSR-E measurements, Remote Sensing of Environment, 136, Taylor C.M., A. Gounou, F. Guichard, P. P. Harris, R. J. Ellis, F. Couvreux and M. De Kauwe. Frequency of Sahelian storm initiation enhanced over mesoscale soil-moisture patterns, Nature Geoscience, 2011

5 Description du profil recherché Le candidat devra disposer de compétences en physique, mathématiques, télédétection ou sciences de l environnement. Il devra aussi disposer de solides compétences en programmation scientifique (fortran/c et idl/matlab) sous un environnement linux. Plus généralement, une bonne culture générale en sciences de la terre et sur les enjeux des changements climatiques en Afrique serait souhaitable. Enfin, la maîtrise de l anglais sera un atout et bien évidemment, il devra disposer de bonnes capacités rédactionnelles. Mots clés : Hydrologie, Télédétection, SMOS, AMSR, Humidité du sol, Statistique Cadre scientifique dans lequel est présenté le sujet Des études récentes montrent que l humidité du sol joue un rôle important sur le climat et sur les prévisions météorologiques. Pour autant, l influence et le rôle exact de ce paramètre reste encore à préciser. Dans ce contexte, nous nous proposons d exploiter les nouvelles cartographies de l humidité du sol produites par le satellite SMOS sur la région de l Afrique de l ouest afin de tenter d établir des liens entre cette variable et le cycle continental de l eau. Ce sujet de thèse fait suite à 4 années d évaluation des inversions SMOS sur les sites de Cal/val du programme AMMA, dont nous avons la responsabilité au LTHE. La Cal/Val de la mission SMAP (Soil Moisture Active/Passive) de la NASA commencera en décembre 2014 et utilisera aussi les données de AMMA. L intérêt de ce type de mesures est d autant plus grand en Afrique de l ouest que les réseaux de mesure au sol sont faibles et où les rétroactions entre la surface et l atmosphère sont connues pour être parmi les plus intenses à l échelle globale. Accroche (300 caractères espaces compris) : Quelle est l influence de l humidité des sols sur le climat ou les prévisions météo? Comment mieux utiliser les nouvelles mesures spatiales d humidité du sol pour améliorer notre connaissance du cycle hydrologique? Vers quelles applications en Afrique?