Au niveau global, il a été estimé qu’une augmentation de 4% de l’albédo (ou réflectivité) de la surface provoquerait une diminution de 0,7° de la température d’équilibre de la Terre. Or les propriétés des surfaces (dont l’albédo) changent sous la pression climatique et l’action de l’homme. Parallèlement à ce changement des propriétés de surface un débat divise la communauté scientifique sur une éventuelle diminution ou augmentation du rayonnement incident à la surface depuis le milieu des années 1980 (conséquence d’une augmentation ou diminution de la concentration d’aérosols dans l’atmosphère). La Terre est un système complexe piloté en sa surface par 3 cycles (énergie, eau et carbone). Ces cycles ne sont pas insensibles à ces changements de propriété de réflectivité de surface, de rayonnement solaire incident ou de concentration en aérosols. Certains avancent ainsi qu’une augmentation du rayonnement diffus durant les dernières décennies aurait déjà entraîné un excédent de captation de carbone par la végétation de 9.3%. La problématique ici soulevée est d’évaluer l’apport de la connaissance du flux solaire absorbé par la surface (combinaison du rayonnement solaire et de l’albédo de surface) et plus particulièrement par sa partie végétative pour le suivi des flux d’énergie, d’eau et de carbone. Dans ce travail, j’ai fait appel à l’observation satellitaire et à la modélisation du transfert radiatif pour cartographier la dynamique du rayonnement solaire absorbé par la surface et sur la verticale de la végétation. Dans un premier temps, chacune des sources d’incertitudes sur le rayonnement incident, sur l’albédo de surface mais aussi sur la répartition du rayonnement entre les hétérogénéités horizontales et verticales à la surface furent quantifiées. Puis tout en discutant l’effet de ces incertitudes, j’ai mesuré l’apport de l’utilisation de cette cartographie par satellite du rayonnement solaire absorbé pour estimer les flux d’énergie et d’eau en surface ; ce qui améliora les scores de prévision du temps à court terme et permis également de suggérer des rétroactions à l’échelle climatique sur des zones sensibles tel le Sahel. Aussi une correction de biais de 15% sur l’estimation de la production primaire brute de carbone à l’échelle planétaire démontra l’importance des développements réalisés afin de caractériser les hétérogénéités verticales dans le couvert. Finalement, ce travail m’a conduit à chiffrer l’impact de la méconnaissance des variabilités spatiales et temporelles des propriétés des aérosols (concentration et type). J’ai montré que le suivi au cours du temps des propriétés de directionalité de la réflectivité de surface (tel abordé dans la première partie de mon étude) pouvait aussi permettre de remonter à la quantité d’aérosol dans l’atmosphère. L’utilisation d’observations issues de satellite géostationnaire permet d’estimer la concentration en aérosol avec la même qualité mais avec une fréquence de détection plus élevée (x5 environ) que les méthodes classiques. Enfin, ce travail dresse des pistes pour améliorer la détection des changements des propriétés de réflectivité de surface et d’aérosols de l’atmosphère, et atteindre un suivi encore meilleur des cycles biogéochimiques de la biosphère terrestre. / It is known that a global 4% increase of land surface albedo (also called reflectivity) may result approximately in a decrease of 0.7°C in the Earth’s equilibrium temperature. Nowadays the surface properties (including albedo) are changing under climatic and human pressure. At the same time, there is a debate that divides the scientific community about the potential trends (increase or decrease) affecting the surface incoming solar radiation since mid-1980 (resulting of a decrease or increase of aerosol concentration in the atmosphere, respectively). The Earth is a complex system driven at the surface level by three cycles (energy, water, and carbon). These cycles are not insensitive to changes of surface reflectivity, incoming radiation, or aerosol properties. For example, some argue that the increase of diffuse radiation during the last decades would have led to an exceed of carbon uptake by the Earth’s vegetation of 9.3%. The main issue raised here is to assess the added value of the knowledge in absorbed solar radiation by the surface (combination of incoming solar radiation with surface albedo) and, especially, by the vegetation for the monitoring of energy, water and carbon fluxes.In this work, I have used satellite observations and modeled the radiative transfer theory in order to make dynamic mapping of solar radiation absorbed by the surface and through the vertical dimension of the vegetation. First, I quantified each uncertainty source affecting incoming solar radiation, surface albedo and the way radiation is split between horizontal and vertical heterogeneity. In a second step, I measured the added value of using this absorbed radiation mapping of the surface by satellite to estimate the energy and water fluxes at the surface. The resulting improved scores of weather forecast models in the short-range time scale suggested potential feedbacks at the climatic time scale over sensible areas such as the Sahel region. Another significant outcome is that the developments proposed to better characterize the vertical heterogeneity within the canopy led to an improvement of 15% of annual global terrestrial gross primary production (GPP). Moreover, this study has led to measure the impact of the lack of knowledge of spatial and temporal variability of aerosol properties (concentration and type). I have shown that the tracking of temporal changes of directional properties of reflectance allows me to retrieve to the amount of aerosols in the atmosphere as precisely as other widely used methods but with a higher frequency (5 times more) by using data from geostationary satellite. Finally, this study addresses some possibilities to better track temporal changes of properties of reflectivity of surface and aerosol of atmosphere, and to access to a better monitoring of biogeochemical cycles of the terrestrial biosphere.

"Thèse en cotutelle : Doctorat interuniversitaire en océanographie, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Joseph Fourier - Grenoble I, Grenoble, France" / L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 × 106 km2. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale. Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise et de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collectés lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques, comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance `a travers la banquise. Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2 kg−1 à moins de 3 m2 kg−1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu’une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d’éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 650 ng g−1 de poussières minérales et 10 ng g−1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’`a des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 μE m−2 s−1. Ces variations d’´éclairement sont dues au métamorphisme et `a la fonte de la neige en surface. Mots clés : Transfert radiatif, neige marine, albédo, transmittance, impuretés, algues de glace / The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 × 106 km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale. This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow. During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2 kg−1 to less than 3 m2 kg−1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 650 ng g−1 of mineral dust and 10 ng g−1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 μE m−2 s−1. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface. Keywords : Radiative transfer, marine snow, snow albedo, sea ice transmittance, snow impurities, ice algae.

Les revêtements routiers à albédo élevé peuvent être utilisés afin de réduire la quantité de chaleur absorbée par les surfaces revêtues ce qui permet de limiter la dégradation du pergélisol sous les remblais routiers. Ce projet a pour but de proposer une méthode d’évaluation efficace des revêtements à albédo élevé en contexte nordique. Le premier objectif est de développer des outils permettant de rapidement évaluer les bénéfices thermiques liés à l’utilisation des revêtements à albédo élevé. Un modèle de calcul a été développé afin de calculer les températures superficielles des revêtements routiers en fonction de leur albédo. Ce modèle a été validé en utilisant les données provenant d’une planche expérimentale réalisée à Beaver Creek au Yukon. Enfin, des outils simples de calcul basé sur ce modèle ont été proposés. Le deuxième objectif est d’offrir un cadre d’évaluation de propriétés techniques des revêtements à albédo élevés. Pour ce faire, les propriétés les plus importantes des revêtements à albédo élevé ont été ciblées : la réflectivité solaire, l’adhérence et la durabilité. Des méthodes d’essais ont ensuite été choisies afin de permettre d’évaluer ces propriétés. / High albedo surfaces can be used to reduce heat absorption by road pavement for limiting the degradation of the permafrost underlying road embankments. This project aims at proposing an efficient method to evaluate the use of high albedo surfaces in northern environments. The first objective is to provide tools to evaluate quickly the thermal benefits of high albedo surfaces. A model has been developed to calculate surface temperature of pavements as a function of the albedo of the surface. The model has been validated using data from a test section built in Beaver Cree, Yukon. Simple calculation tools based on the model have been proposed. The second objective is to provide a way to evaluate the technical properties of high albedo surfaces. The most important properties targeted are reflectivity, skid resistance and durability. Testing methods have been chosen in order to test these properties. Observations made on the field and in the laboratory allowed to draw recommendations in order to assure a durable, efficient and safe usage of high albedo surfaces.

Au cours des dernières décennies, le réchauffement climatique a entrainé une arbustation accélérée des écosystèmes arctiques. En modifiant l'albédo, les arbustes influencent la température de l'atmosphère, du manteau neigeux et du pergélisol, ce qui pourrait accélérer la fonte ou le dégel de ces deux derniers et initier de fortes boucles de rétroaction positive qui accentueraient les effets des changements climatiques. L'une des conséquences principales de cette arbustation est la réduction de l'albédo de la neige par les branches qui dépassent du manteau neigeux et en assombrissent la surface. De plus, des interactions complexes entre neige et arbustes d'une part modulent la remobilisation et le transport de la neige par le vent et d'autre part accélèrent la fonte durant les redoux. Ainsi, la présence d'arbustes au sein du manteau neigeux peut affecter les propriétés physiques et optiques de la neige, altérant encore davantage l'albédo de la surface affectée. Enfin, les branches ensevelies dans la neige peuvent également influencer le budget radiatif en absorbant les rayons lumineux car ceux-ci pénètrent généralement à plus de 10 cm de profondeur dans le manteau neigeux. Pour étudier et quantifier les interactions entre la neige, les arbustes et la lumière, nous avons récolté un jeu de données unique qui compare des manteaux neigeux avec et sans arbustes. Pour tous les sites échantillonnés, nous avons mesuré l'albédo spectral in situ et les profils de propriétés physiques de la neige ainsi que d'irradiance. Nous avons récolté ces données dans le bas Arctique, à Umiujaq, Nord du Québec, Canada (56° N, 76° W), au cours de plusieurs campagnes de terrain d'automne et d'hiver. En nous basant sur les données obtenues ainsi que des données de taille et de distribution verticale de branches d'arbustes, nous avons développé et validé une paramétrisation simple mais efficace permettant de modéliser l'albédo de surfaces hétérogènes composées de neige et d'arbustes. Cette nouvelle paramétrisation nous a permis de modéliser l'albédo avec une erreur inférieure à 3 %. Elle peut être utilisée de manière prédictive et est facile à intégrer aux modèles de système terre. L'albédo ainsi modélisé nous a permis d'élucider des processus importants des interactions entre la neige, les arbustes et la lumière. Nous avons trouvé que la réduction de l'albédo par les branches qui dépassent du manteau neigeux dépend de la longueur d'ondes considérée. Tôt durant la saison nivale, les branches diminuent l'albedo de 55 % à 500 nm et 18 % à 1000 nm. En revanche, l'effet des branches sur les propriétés physiques de la neige n'étaient pas suffisamment importants pour affecter l'albédo, sauf lors d'évènements climatiques extrêmes comme les blizzards ou les épisodes de chaleur. Nos résultats suggèrent que l'impact direct de l'assombrissement par les branches est largement supérieur aux effets indirects causés par les changements des propriétés physiques de la neige. Cependant, ces derniers pourraient gagner en importance si les évènements climatiques extrêmes devenaient plus fréquents au fur et à mesure que le réchauffement de l'Arctique s'intensifie. Finalement, nous montrons que l'impact des branches ensevelies sous la neige se traduit surtout par une augmentation de la fonte durant les épisodes de chaleur ainsi que par une intensification des processus métamorphiques tôt dans la saison. Cependant ces impacts étaient extrêmement localisés et restreints à l'environnement très proche des branches. Pour cette raison, il a été difficile de quantifier l'impact des branches ensevelies sur le budget radiatif terrestre, d'autant plus que les concentrations de carbone suie élevées (185 ng g⁻¹) dans le manteau neigeux d'Umiujaq ont accentué l'incertitude quant à l'effet relatif de ces deux processus sur l'albédo. Finalement, comme notre paramétrisation pour modéliser l'albédo a été développée sur la base de données provenant d'un seul site, nous croyons qu'il serait nécessaire de la tester de manière plus générale, avec des données provenant d'autres endroits. De cette manière, elle pourrait ensuite être intégrée aux modèles de surface continentale, ce qui permettrait d'inclure un effet réaliste de l'arbustation actuelle et future de l'Arctique sur les scénarios climatiques locaux et globaux. / Arctic warming is causing an expansion of deciduous shrubs in the Arctic tundra biome. By modifying albedo, shrubs affect the temperature of the atmosphere, snowpack and permafrost, potentially increasing permafrost thawing and snow melting, and forming a powerful feedback to global warming. The most prominent impact of shrubs is a reduction of surface albedo when dark branches protrude above the bright snow surface. Additionally, complex snow-shrub interactions modify snow redistribution during windy conditions and increase snowmelt rates during warm spells. Thus, snow over shrub-covered tundra may have different physical and optical properties, leading to further modification of surface albedo. Finally, shrub branches buried in snow may still have an impact on the radiation budget because they can absorb light rays which generally penetrate deeper than 10 cm into the snowpack. To study and quantify the snow-shrub-light interactions, we collected a unique dataset comparing snowpacks with and without shrubs. For every site sampled, we measured in situ spectral albedo (400–1080 nm) and recorded snow physical properties and irradiance profiles. These data were acquired in a low Arctic site near Umiujaq, Northern Quebec, Canada (56° N, 76° W), during several field campaigns in autumn and winter. Based on these field data and a dataset of branch sizes and vertical distribution, a simple yet accurate parameterization for modeling albedo of mixed snow-shrub surfaces was developed and validated. This new parameterization had an accuracy of 3 %, can be used in a predictive way, and is easy to implement in earth system models. We uncovered important insights on snow-shrub-light interactions. Surface darkening by protruding branches was wavelength-dependent, and decreased albedo early in the snow season by 55 % at 500 nm and 18 % at 1000 nm. Changes in snow physical properties that were significant enough to impact albedo only occurred in conjunction with extreme weather events like after blizzards or during warm spells. Thus, the direct impact of darkening from shrubs likely dominates over the indirect impact from changes in snow physical properties, however the latter may gain in importance if extreme weather events become more frequent as Arctic warming progresses. The impact of buried branches was very localized, increasing snow melting during warm spells and enhancing snow metamorphic processes early in the season in the direct vicinity of branches. However, quantifying the impact of buried branches on the radiation budget was challenging due to their highly localized effect and because of high black carbon concentrations in the snowpack at our study site, which reached 185 ng g-1. We suggest that future research test the parameterization developed here more broadly, as this study was based on data from just one study site. The parametrization can then be implemented into land surface models, allowing for reliable estimates of the effect of current and projected Arctic shrubification on global and regional warming.

Dans le contexte des changements climatiques, l'objectif du travail effectué est de caractériser l'hétérogénéité du continent africain afin de mieux comprendre et quantifier les processus de surface agissant sur les flux hydriques. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la mise à jour de la base de données ECOCLIMAP-I constituée d'une carte d'occupation des sols et des cartes de paramètres biophysiques. Pour cela, on s'appuie sur des données de télédétection acquises par les capteurs de dernière génération MODIS et SPOT/VEGETATION entre 2000 et 2007. Dans un premier temps, deux techniques de classification ont été développées afin de cartographier les différents écosystèmes. L'une, supervisée, a été conduite dans le contexte du programme AMMA afin de discriminer les écosystèmes sur la région ouest-africaine en combinant l'information complémentaire contenue dans les cartes d'occupation du sol GLC2000 et ECOCLIMAP-I par analyse supervisée de l'indice foliaire (LAI) MODIS. L'autre, non supervisée et hybride, utilise les principes de regroupement hiérarchique et dynamique de manière automatique en combinant l'usage du classificateur k-NN et celui de la transformée de Fourier Discrète sur la base des données d'indice de végétation normalisé (NDVI) SPOT/VEGETATION pour identifier les écosystèmes africains. Dans un deuxième temps, des méthodes d'estimation des paramètres biophysiques tels que l'albédo, la fraction de végétation, l'indice foliaire ont été développées et/ou appliquées sur le continent. Une approche statistique permet de déterminer la contribution du sol nu et de la végétation à la constitution de l'albédo de surface comme tel que cela est requis dans les modèles de surface. La méthode a d'abord été appliquée sur la région ouest-africaine et sa robustesse a été prouvée lors de son application à l'intégralité du continent africain. Ces conditions de surface ont ensuite été implémentées dans le modèle de surface ISBA pour reproduire les processus de surface. La sensibilité d'ISBA au forçage physiographique a été étudiée en analysant deux simulations avec le même forçage atmosphérique sur la région ouest-africaine : l'une en utilisant la classification ECOCLIMAP-I et l'autre en utilisant la nouvelle paramétrisation de la surface développée sur la région ouest-africaine. Les flux de chaleur latente et sensible sont principalement pilotés par la fraction de végétation. Le modèle ISBA peut être utilisé pour prédire l'impact d'un changement d'occupation du sol et par conséquent des actions anthropiques sur le bilan hydrique.

Résumé : Le bilan d’énergie de la Terre est largement influencé par la variation de l’albédo de surface (fraction de l'énergie solaire réfléchie par une surface). Ces variations sont modifiées par la présence, l’épaisseur et les propriétés physiques de la neige. Le réchauffement climatique observé a un impact significatif sur l'évolution du couvert nival, ce qui influence grandement l'albédo de surface, et en retour modifie le climat. Malgré l’importance de l’albédo de surface, plusieurs modèles calculent l’albédo de manière empirique, ce qui peut entraîner des biais significatifs entre les simulations et les observations selon les surfaces étudiées. Le schéma de surface canadien, Canadian Land Surface Scheme, CLASS (utilisé au Canada dans les modèles climatiques Global Climate Model et Modèle Régional Canadien du Climat), modélise l’évolution spatiale et temporelle des propriétés de la neige, dont l'albédo. L’albédo de CLASS est calculé selon la hauteur et l’âge (métamorphisme) de la neige au sol, et selon l’accumulation de la neige sur la canopée. Les objectifs de ce travail sont d’analyser le comportement de l’albédo (simulé et mesuré) et d’améliorer le paramétrage de l’albédo de surface pendant l’hiver sur des régions à l’est du Canada. Plus précisément, le comportement de l’albédo a été étudié par l’analyse de la sensibilité de CLASS 3.6 aux paramètres prescrits (paramètres qui sont utilisés dans les calculs du modèle dont les valeurs sont fixes et définies empiriquement). En plus de l’analyse des variations temporelles de l’albédo en fonction des conditions météorologiques pour les terrains de végétation basse (noté "gazon") et de conifères. Aussi, l’amélioration du paramétrage a été tentée en optimisant (pour le gazon et les conifères) ou en modifiant (pour le gazon) les calculs considérant les paramètres prescrits dont l’albédo de CLASS est sensible. En premier lieu, nous avons montré que la sensibilité de l’albédo de CLASS en terrain de gazon dépend grandement du seuil du taux de précipitation nécessaire pour que l’albédo soit actualisé (à sa valeur maximale) dans le modèle. Faire varier ce seuil entraîne que les simulations quotidiennes d’albédo de surface enneigées vont s’étaler en majorité entre 0.62 à 0.8 (supérieur à l’étalement normalement simulé). Le modèle est aussi sensible à la valeur d’actualisation de l’albédo dont la variation entraîne que l’albédo enneigé quotidien peut s’étaler de jusqu’à 0.48 à 0.9. En milieu forestier (conifères), le modèle est peu sensible aux paramètres prescrits étudiés. La comparaison entre les albédos simulés et les mesures au sol montrent une sous-estimation du modèle de -0.032 (4.3 %) à SIRENE (gazon au sud du Québec), de -0.027 (3.4 %) à Goose-Bay (gazon en site arctique) et de -0.075 (27.1 %) à la Baie-James (forêt boréale). Lorsque comparée avec les données MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) la sous-estimation du modèle à la Baie-James est de -0.011 (5.2 %). On montre que la valeur de l'albédo mesurée lors des précipitations de neige à Goose Bay est en moyenne supérieure à la valeur d'actualisation de l'albédo dans le modèle (0.896 par rapport 0.84), ce qui peut expliquer la sous-estimation. En forêt, un des problèmes provient de la faible valeur de l'albédo de la végétation enneigée (ajout de 0.17 dans le visible), tandis que l’albédo de surface mesuré peut être augmenté de 0.37 (par rapport à la végétation sans neige). Aussi, l’albédo de la neige sur la canopée ne diminue pas avec le temps contrairement à ce qui est observé. En second lieu, nous avons tenté d’améliorer le paramétrage, en optimisant des paramètres prescrits (aucune amélioration significative n’est obtenue) et en modifiant la valeur d'actualisation de l’albédo de la neige en zone de gazon. Cette valeur, normalement fixe, a été rendue variable selon la température et le taux de précipitations. Les résultats démontrent que les modifications n’apportent pas d'améliorations significatives de la RMSE (Root Mean Square Error) entre les simulations et les mesures d’albédo. Les modifications sont toutefois pertinentes pour ajouter de la variabilité aux fortes valeurs d’albédo simulées ainsi que pour améliorer la compréhension du comportement des simulations d’albédo. Aussi, la méthodologie peut être reproduite pour d’autres études qui veulent étudier la représentativité et améliorer les simulations d’un modèle. / Abstract : The surface energy balance of northern regions is closely linked to surface albedo (fraction of solar radiation reflected by a surface) variations. These variations are strongly influenced by the presence, depth and physical properties of the snowpack. Climate change affects significantly snow cover evolution, and decreases surface albedo and snow albedo with positive feedback to climate. Despite the importance of the albedo, many models empirically compute it, which can induce significant biases with albedo observations depending on studied surfaces. The Canadian Land Surface Scheme, CLASS (used in Canada into the Canadian Regional Climate Model, and the Global Climate Model), simulates the spatial and temporal evolution of snow state variables including the albedo. The albedo is computed according to the depth of snow on the ground as well as the accumulation of snow in trees. The albedo seasonal evolution for snow on ground is estimated in CLASS from an empirical aging expression with time and temperature and a “refresh” based on a threshold of snowfall depth. The seasonal evolution of snow on canopy is estimated from an interception expression with trees type and snowfall density and an empirical expression for unloading rate with time. The objectives of this project are to analyse albedo behavior (simulated and measured) and to improve CLASS simulations in winter for Eastern Canada. To do so, sensitivity test were performed on prescribed parameters (parameters that are used in CLASS computation, their values are fixed, and determined empirically). Also, albedo evolution with time and meteorological conditions were analysed for grass and coniferous terrain. Finally, we tried to improve simulations by optimizing sensitive prescribed parameters for grass and coniferous terrain, and by modifying the refresh albedo value for grass terrain. First, we analysed albedo evolution and modelling biases. Grass terrain showed strong sensitivity to the precipitation rate threshold (for the albedo to refresh to its maximum value), and to the value of the albedo refresh. Both are affected by input data of precipitation rate and phase. The modification of precipitation threshold rate generates daily surface albedo to vary mainly (75 % of data in winter) between 0.62 and 0.8, which is a greater fluctuation than for a normal simulation over winter. The modification of the albedo refresh value generates surface albedo to vary mainly (75 %) between 0.66 and 0.79, but with extreme values, 25 % of data, from 0.48 to 0.9. Coniferous areas showed small sensitivity to studied prescribed parameters. Also, comparisons were made between simulated and measured mean albedo during winter. CLASS underestimates the albedo by -0.032 (4.3 %) at SIRENE (grass in Southern Quebec), by -0.027 (3.4 %) at Goose Bay (grass in arctic site) and by -0.075 (27.1 %) at James Bay (boreal forest) (or -0.011 (5.2 %) compared to MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) data). A modelling issue in grass terrain is the small and steady maximum albedo value (0.84) compared to measured data in arctic condition (0.896 with variation of an order of 0.09 at Goose Bay, or 0.826 at SIRENE with warmer temperatures). In forested areas, a modelling issue is the small albedo increase (+0.17 in the visible range, +0.04 in NIR) for the part of the vegetation that is covered by snow (total surface albedo gets to a maximum of 0.22) compared to events of high surface albedo (0.4). Another bias comes from the albedo value of the snow trapped on canopy which does not decrease with time in opposition to observed surface albedo which is lower at the end of winter and which suggests snow metamorphism occurred. Secondly, we tried to improve simulations by optimizing prescribed parameters and by modifying the albedo’s maximum value computation. Optimisations were made on sensitive prescribed parameters or on those that seemed unsuited. No significant RMSE (Root Mean Square Error) improvements were obtained from optimisations in both grass and coniferous area. Improvements of albedo simulations were tried by adjusting the maximum value (normally fixed) with temperature and precipitation rate, in grass terrain. Results show that these modifications did not significantly improved simulations’ RMSE. Nevertheless, the latter modification improved the correlation between simulated and measured albedo. These statistics were made with the whole dataset which can reduce the impact of modifications (they were mainly affecting albedo during a precipitation event), but it allows to overview the new model performance. Modifications also added variability to maximum values (closer to observed albedo) and they increased our knowledge on surface albedo behavior (simulated and measured). The methodology is also replicable for other studies that would aim to analyse and improve simulations of a surface model.

Le suivi journalier du bilan radiatif solaire est indispensable à l’étude des processus à l'interface sol-atmosphère, en particulier en climatologie et en hydrologie. Dans le cadre du projet CEOP-Aegis visant à étudier l'hydrologie du plateau du Tibet, cette thèse se concentre sur le développement d'une méthode permettant d’en estimer le bilan radiatif solaire de surface de façon quotidienne. Une série temporelle de flux radiatifs produite à partir de produits satellitaires existants met en évidence la nécessité d’intégrer la variabilité sous-pixel du terrain et des nuages pour les zones aussi hétérogènes que le Tibet. L’analyse de l’impact de la variabilité spatiale et temporelle des nuages sur le rayonnement solaire illustre le bénéfice lié à l’utilisation de la répartition des nuages plutôt que la fraction de nébulosité et l’importance d’une résolution temporelle élevée. Une méthode novatrice proposée pour la correction topographique sous-pixel montre que l’utilisation d’un modèle numérique de terrain à haute résolution spatiale améliore significativement l'estimation de l’éclairement ainsi que de l'albédo. Deux approches sont proposées pour améliorer l’estimation du bilan radiatif intégrant de manière adéquate l’hétérogénéité sous-pixel. / Monitoring the solar radiation budget on a daily basis is a prerequisite to study land surface processes, especially in climatology and hydrology. As part of the CEOP-Aegis project studying the hydrology of the Tibetan Plateau, this thesis focuses on developing a method to adequately estimate at-surface daily solar radiation budget over this particular area. A radiation budget time series produced based on existing satellite data products highlights the necessity to consider terrain and clouds sub-pixel variability when working over heterogeneous areas such as the Tibetan Plateau. The analysis of the impact of spatial and temporal variability of clouds on solar radiation demonstrates that the surface irradiance estimation would benefit from using cloud distribution instead of cloud fraction and the significance of high temporal resolution. A new sub-pixel topographic correction method is proposed and shows that using high resolution digital elevation model improves the irradiance as well as the albedo retrieval. Two approaches are proposed to improve solar radiation budget estimates taking into account adequately the sub-pixel heterogeneity.

Les modèles de surface continentale (Land Surface Models, LSM) ont été développés pour calculer les bilans d'eau et d'énergie à la surface des continents dans les modèles de climat, ou modèles de circulation générale. Depuis le simple « bucket » de Manabe (1969), la représentation des processus hydrologiques dans les LSM n'a cessé d'évoluer, si bien que les LSM de dernière génération sont employés comme des modèles hydrologiques à part entière. Le travail effectué au cours de cette thèse vise à évaluer les paramétrisations hydrologiques d'un LSM de ce type, le Catchment LSM (CLSM), qui utilise l'information topographique pour calculer le ruissellement de surface et le flux souterrain, ainsi que la variabilité sous-maille de l'humidité du sol. Pour cela, nous présentons trois applications de CLSM :<br><br>– une application au bassin de la Somme (France) qui a permis d'améliorer la prise en compte des écoulements souterrains,<br>– une application à la moraine du Glacier Zongo (Bolivie) pour analyser la relation entre l'albedo et l'humidité du sol nu,<br>– une application dans le cadre du projet ALMIP (Afrique de l'Ouest) pour l'intercomparaison régionale de LSM.<br><br>La diversité de ces contextes jette un éclairage varié sur les forces et les faiblesses de CLSM, et offre la possibilité de mieux appréhender les interactions complexes qui gouvernent les échanges d'eau et d'énergie à la surface des continents. On montre l'importance de considérer l'intégralité du domaine souterrain, depuis les premiers centimètres du sol jusqu'aux aquifères.

L'objectif de la thèse est de développer un albédo de surface journalier pronostique dans les modèles météorologiques et d’évaluer son impact pour le bilan d'énergie et l'hydrologie dans la plate-forme de modélisation SURFEX sur le domaine France. En premier lieu, un albédo climatologique est à ce jour considéré dans SURFEX. Il est analysé dans cette étude par rapport aux albédos quotidiens de SEVIRI et MODIS dont ce dernier est obtenu à partir d'une méthode originale que l'on valide. Ensuite, une méthode est développée pour obtenir des albédos du sol et de la végétation de façon séparée à la fois statiquement, donc sur une base climatologique, puis dynamiquement en s'appuyant sur plusieurs années de données du satellite MODIS. Une fois réglé l'albédo du sol journalier, il est recherché une calibration avec l'humidité du sol nu à l'aide des données du réseau de stations sol SMOSMANIA du sud-ouest de la France. Il est montré que l'on peut prédire l'évolution de l'albédo de surface, par comparaison avec les observations spatiales avec l'humidité seule dans la limite d'une végétation faiblement couvrante. Cet albédo simulé est complété par celui de la végétation seule à partir d'une paramétrisation simplifiée du code de transfert radiatif PROSAIL. L'approche théorique est validée avec les données du site de Majadas pour lequel on montre que l'on sait simuler le cycle d'évolution de l'albédo total avec prise en compte de la chlorophylle au niveau de la feuille. En dernier lieu, il a été réalisé une étude d'impact du nouveau albédo évolutif sur le bilan d'énergie et l'hydrologie dans SURFEX sur la France. Il est aussi mis en place une assimilation de l'albédo conjointement avec l'indice foliaire et l'humidité superficielle, ce qui a des effets positifs pour le cas des végétations qui ne sont pas trop denses. / The main objective of the thesis is to develop a prognostic surface albedo of the visible spectrum and near infrared and assess its impact on the energy balance and hydrology in the modelling platform of SURFEX. First, a statistical approach has generated a global climate albedo product at 0.05 ° for bare soil and vegetation using multiple years 8 -day MODIS onboard TERRA and AQUA satellites heliosynchronous data. Then, an original method has been developed to reduce temporal resolution of MODIS 500m albedo to daily. The result is validated against in situ measurements as well as daily albedo from geostationary satellite MSG / SEVIRI Land SAF project after projection of MODIS. Then a method of separating albedo of bare soil and vegetation is applied to the datasets of the two satellite systems. Using a threshold of vegetation cover, a calibration of the albedo bare soil with measured soil moisture is derived from 2007 to 2010 for 12 SMOSMANIA stations over southwestern France. We derived a parameterization of the albedo of bare soil with moisture to make the climate changing albedo. The albedo and simulated happens to be very well correlated with observations from space, which helps to explain the albedo variations at very short notice. To change seasonally albedo, a simple parameterization of canopy albedo derived from detailed radiative transfer code PROSAIL is used. The variables are the albedo of the sheet, canopy geometry and chlorophyll content. In order to be sensitive to chlorophyll, the study is based on an albedo at 560 nm. The theoretical approach is validated with MODIS satellite data for the site Majadas (Spain). The next step is to conduct an impact study of this new predictive albedo on the energy balance and hydrology within SURFEX over France and highlighting effects on temperature. More preliminary restricted to a SMOSMANIA station, an assimilation scheme is developed for surface albedo together with the leaf area index LAI and surface moisture. This effects an improvement in the prescribed LAI at the beginning of crop growth.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.