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.

Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique. / To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region.

Du fait de son impact sur le climat urbain, le suivi temporel du bilan radiatif urbain Q*, avec prise en compte de sa variabilité spatiale, est un axe de recherche en développement. Q* est la différence entre l'éclairement (i.e., rayonnement incident) et l'exitance (rayonnement sortant) sur le domaine spectral qui englobe l'essentiel du rayonnement solaire (i.e., courtes longueurs d'ondes ) et de l'émission thermique terrestre (i.e., grandes longueurs d'ondes). Les images satellites optiques fournissent une information unique et indispensable mais très partielle, car uniquement pour la configuration d'observation (direction de visée et bandes spectrales du capteur satellite), alors que Q* est une quantité intégrée sur toutes les directions de l'espace et sur l'ensemble des courtes (Qsw*) et grandes (Qlw*) longueurs d'onde. Ces intégrations appliquées aux images satellites sont très compliquées du fait de la complexité de l'architecture tridimensionnelle (3D) urbaine, et de l'hétérogénéité spatiale des propriétés optiques et températures des matériaux urbains. Durant cette thèse, une approche originale a été conçue pour effectuer ces intégrations et ainsi obtenir des séries temporelles de cartes de Q* à la résolution spatiale des images satellites utilisées (i.e., Sentinel-2, Landsat-8, etc.). Elle s'appuie uniquement sur un modèle de transfert radiatif 3D, des images satellites et une base de données géométriques urbaine incluant le relief, le bâti (i.e., immeubles, maisons, routes, etc.) et la végétation (i.e., arbres, pelouses, etc.). De manière schématique, le modèle de transfert radiatif DART (www.cesbio.ups-tlse.fr/dart), développé au CESBIO, est utilisé en mode inverse pour transformer des images satellites en cartes de propriétés optiques et de température de matériaux urbains, puis en mode direct pour calculer des cartes de bilan radiatif par bande spectrale satellite Q*Δλ. L'intégration spectrale des cartes Q*Δλ donne alors les cartes Q* recherchées. Toute série temporelle de carte Qsw* est alors générée efficacement à partir de cartes d'albédo direct (i.e., black sky albedo) et diffus (i.e., white sky albedo) pré- calculées par DART avec la base de données géométrique urbaine et des cartes de propriétés des matériaux dérivées de l'image satellite la plus proche. Ces cartes sont complétées par des données externes thermiques pour la construction des séries temporelles. Cette approche a été conçue et mise au point avec 3 villes de géométries et propriétés optiques très diverses : Londres (Royaume-Uni), Bâle (Suisse), et Héraklion (Grèce). Le projet H2020 URBANFLUXES de la Communauté Européenne a utilisé les cartes de Q* simulées pour estimer les flux urbains de chaleur anthropogénique via le calcul du bilan énergétique urbain à partir d'images satellites. La précision de l'approche développée a été évaluée via l'écart relatif EL des luminances des images DART et satellites (EL < 2% pour toute bande spectrale) et via l'écart relatif EQ* des bilans Q* simulés et mesurés par les tours de flux. En 2016, |EQ*|< 4.5% pour la série temporelle de 321 cartes de Q* de Bâle, et |EQ*|< 4.4% pour les 278 cartes de Q* de Londres. Cette possibilité de dériver d'images satellites des cartes précises de Q* est très prometteuse au vu de la disponibilité croissante des bases de données urbaines et des séries temporelles d'images satellites à haute résolution spatiale, et de l'amélioration des modèles de transfert radiatif 3D. / Optical remote-sensing imagery provide a unique and very needed information, but still a partial one, because only in the observation configuration of the satellite sensor (i.e. viewing direction and spectral bands), whereas Q* is an integrated quantity over all the directions and over the whole shortwave (Qsw*) and longwave (Qlw*) spectral domain. These integrations applied to satellite images are very complicated because of the complexity of the urban tri-dimensional (3D) architecture, and because of the urban materials temperature and optical properties spatial heterogeneity. Over the course of this PhD, an innovative approach has been conceived in order to achieve those integrations and thus obtain temporal series of Q* maps at the spatial resolution of the used satellite sensors (i.e. Sentinel-2, Landsat-8, etc.). This approach is using solely a 3D radiative transfer model, satellite images, and a geometrical urban database including the topology, the urban constructions (i.e. buildings, roads, etc.) and the vegetation (i.e. trees, gardens, etc.). Schematically speaking, the radiative transfer model DART (www.cesbio.ups-tlse/dart), developed at CESBIO, is used in inverse mode in order to transform satellite images into urban materials optical properties and temperature maps, and then in direct mode in order to compute radiative budget Q*Δλ maps for each spectral band of the used satellite sensor. Then, the spectral integral of those Q*Δλ maps leads to the desired Q* maps. Each temporal series of Qsw* maps is then generated efficiently from direct albedo maps (i.e. black sky albedo) and diffuse (i.e. white sky albedo) pre-computed using DART from the geometrical urban database of the considered city and optical properties derived from the closest satellite image. These maps are complemented by external thermal data for the computation of the temporal series. This method has been conceived and refined using 3 cities with very varying geometries and optical properties: London (United- Kingdom), Basel (Switzerland), and Heraklion (Greece). The H2020 project URBANFLUXES of the European Community used the simulated Q* maps in order to estimate the urban anthropogenic heat fluxes using the derivation of urban energy budget computed from satellite imagery. The precision of the developed method has been estimated using the relative error ER between the radiance images simulated by DART and measured by satellite sensors (ER<2% for any spectral band) and the relative error EQ* between Q* simulated and measured by flux towers. For the year 2016, |EQ*|< 4.5% for 321 Q* maps over Basel, and |EQ*|< 4.4% for 278 London Q* maps. This capacity of deriving from satellite imagery precis Q* maps is really promising in light of the always increasing availability of urban geometrical databases, of high resolution temporal series of satellite images, and of the improvement of 3D radiative transfer modeling.

L'émission et la propagation de la lumière dans les paysages terrestres (i.e. le Transfert Radiatif (TR)) conditionne leur fonctionnement et leur observation par télédétection satellite (radiomètres, Lidar). Les signaux mesurés dépendent de multiples facteurs, à la fois et. La modélisation du TR est potentiellement l'outil idéal pour relier les mesures de télédétection à certaines caractéristiques biophysiques (occupation du sol, biomasse, etc.) des paysages observés, afin d'étudier les surfaces terrestres à partir de mesures satellites, mais aussi pour la préparation des futures missions spatiales dédiées à l'observation de la Terre. Cette thèse présente le modèle Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) et les améliorations récentes apportées. Ce modèle simule la propagation du rayonnement dans le système "Terre - Atmosphère" à partir de la méthode de suivi de flux ou de la méthode de suivi de photons selon un nombre fini de directions discrètes dans un paysage 3D. Les améliorations que j'ai apportées au modèle DART sont de différents types : j'ai fortement amélioré la modélisation du TR dans l'atmosphère, j'ai introduit la modélisation Lidar à partir d'une modélisation Monte-Carlo pré-existante et j'ai introduit une approche pour modéliser les couverts végétaux avec différents degrés de réalisme. En plus de ces travaux théoriques, j'ai aussi fortement contribué à l'amélioration du code, avec en particulier le passage de code en C++. Finalement, DART est devenu un modèle plus performant et donc plus efficace pour l'étude des surfaces terrestres par télédétection.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la région d'Afrique de l'Ouest, où les sécherresses sont dévastatrices pour les populations, montre les plus fortes incertitudes sur l'évolution des précipitations. C'est aussi la première source de poussières désertiques au monde dont la production est en augmentation par la sur-exploitation des sols. Or ces poussières désertiques, associées à des épidémies de méningite, absorbent et diffusent le flux solaire entraînant alors une modification du taux d'échauffement atmosphérique. En modifiant le bilan radiatif atmosphérique elles sont alors succeptible d'influencer de la turbulence de fine échelle aux circulations atmosphériques de grande échelle. Seulement les processus en jeu dans les interactions entre les poussières désertiques et l'atmosphère sont très variés, complexes, et constituent une grande source d'incertitude dans la prévision numérique. Afin d'appréhender ces processus, un cadre de modélisation à été développé permettant à la fois la résolution explicite de la convection, la résolution du cycle de vie des poussières et de leur impact radiatif, et la prise en compte de leurs interactions sur toute l'Afrique de l'Ouest à échelle mensuelle. Sur un cas extrême de tempête de poussières en saison sèche, la forte quantité de poussières soulevée par le front entraîne une amplification par eux de la signature de la tempête. La modélisation explicite des poussières améliore la prévisibilité de la tempête. De manière plus statistique, pendant la mise en place de la mousson, en juin, la fréquente présence de poussières participe activement à l'initiation du saut de mousson. D'une part, en affaiblissant la dépression thermique Saharienne, un des principaux moteurs de la mousson, mais aussi, d'autre part, en renforçant le déplacement vers le nord du coeur de la zone de convergence inter-tropicale et des jets. A plus fine échelle, la présence de poussières impacte la localisation et le cycle diurne des systèmes convectifs. Les poussières modifient alors la couverture nuageuse dont les impacts radiatifs sont plus forts que l'effet direct des poussières. La prise en compte des effets semi-directs des poussières sont donc essentiels pour la prévision en Afrique de l'Ouest.

Dans les systèmes agroforestiers simples à deux strates, la distribution de la lumière sous les couronnes des arbres est un facteur clé pour le développement de la culture associée. Cette distribution évolue en fonction des saisons et de la dynamique de croissance de la strate arborée. La lumière disponible pour la culture dépend de la quantité de lumière interceptée par les couronnes des arbres et par conséquent de l'architecture des espèces utilisées. L'objectif de cette thèse est de déterminer le rôle de l'architecture de deux espèces, Acacia mangium Willd. et Tectona grandis L., dans (i) les modalités de l'interception de la lumière par les couronnes et par les feuilles et (ii) les variations intra- et interspécifiques de la distribution du rayonnement sous les couronnes de ces arbres selon leur âge. A partir de l'analyse dynamique des processus de croissance et de ramification de ces deux espèces, un échantillonnage des organes foliaires a permis de déterminer leur répartition, leur géométrie et leurs caractéristiques morphologique, anatomique, optique et biochimique dans les couronnes. Par la simulation de la croissance, de ces deux espèces, paramétrée via des lois mathématiques de croissance et de ramification, des reconstructions 3D d'arbres ont été réalisées en vue de simuler le bilan radiatif de sous-parcelles agroforestières. Les résultats montrent de fortes variations inter- et intraspécifiques de la distribution des organes foliaires et leurs caractéristiques au sein de la couronne et de la distribution du rayonnement sous les couronnes. Les stratégies adoptées par ces deux espèces pour optimiser l'interception lumineuse sont discutées

Cette étude propose d’analyser l’influence de l’architecture du palmier à huile sur sa capacité à intercepter la lumière, en se basant sur des reconstructions 3D de palmiers et en établissant un bilan radiatif sur ses structures végétales reconstruites in silico. Le premier objectif de l’étude était de caractériser et modéliser la variabilité génétique de l’architecture du palmier à huile et de son interception lumineuse. Dans un deuxième objectif l’amélioration potentielle de l’interception de la lumière et de l’assimilation carbonée a été évaluée en modifiant les traits morphologiques et géométriques des feuilles et des idéotypes architecturaux de palmiers à huile ont été proposés.Des relations allométriques ont été utilisées pour modéliser les traits architecturaux en fonction de gradients ontogénétique et de topologie des feuilles dans la couronne. La méthode permet de reconstruire des palmiers à huile virtuels à différents âges au cours du développement. De plus, l’approche allométrique a été couplée à des modèles à effets mixtes pour intégrer au travers de paramètres la variabilité entre et au sein des cinq progénies. Le modèle permet ainsi de simuler les spécificités architecturales des cinq progenies en incluant les variabilités entre individus observés. Le modèle architectural, paramétré pour les différentes progénies, a ensuite été implémenté dans AMAPstudio pour générer des maquettes 3D de palmiers et ainsi estimer leur interception lumineuse, de l’individu à la parcelle entière.Les résultats de ces analyses ont révélé des différences significatives entre et au sein des progenies, dans la géométrie des feuilles (longueur du pétiole, densité de folioles sur le rachis, et courbure du rachis) et dans la morphologie des folioles (gradients de longueurs et largeurs le long du rachis). La comparaison virtuelle des différentes progénies ont aussi montré des efficacités distinctes de l’interception lumineuse.Des analyses de sensibilité ont ensuite été réalisées pour identifier les traits architecturaux influençant l’interception lumineuse et l’assimilation potentielle à différents âges de la plante. Les paramètres les plus sensibles au cours du développement furent ceux reliés à la surface totale foliaire (longueur des rachis, nombre de folioles, morphologie des folioles), mais les attributs géométriques plus fins de la feuille ont montré un effet croissant avec la fermeture de la canopée. Sur un couvert adulte, l’optimum en assimilation carbonée est atteint pour des indices de surfaces foliaires (LAI) entre 3,2 et 5,5 m2.m−2, avec des feuilles érigées, de courts pétioles et rachis et un nombre important de folioles sur le rachis. Quatre idéotypes architecturaux pour l’assimilation carbonée ont été proposés et présentent des combinaisons spécifiques de traits géométriques, limitant l’ombrage mutuel des plantes et optimisant la distribution de la lumière dans la couronne.En conclusion, le modèle 3D de palmiers à huile, dans sa conception et son application, a permis de détecter les traits architecturaux génétiquement déterminés et influençant l’interception lumineuse. Ainsi, le nombre limité de traits dégagés par l’analyse de sensibilité ainsi que les combinaisons de traits révélées au travers des idéotypes pourraient être pris en compte dans de futurs programmes de sélection. En perspective, des travaux dédiés à intégrer dans ce modèle d’autres processus physiologiques, tels que la régulation de la conductance stomatique et le partitionnement du carbone dans la plante, sont à envisager. Ce nouvel FSPM pourrait alors être utilisé pour tester différents scénarii, comme par exemple dans un contexte de changement climatique avec de faibles radiations et des périodes de sécheresse fréquentes. De même, ce modèle pourrait être utilisé pour étudier différentes configurations de plantation et des systèmes de cultures intercalaires, et ainsi proposer de nouveaux idéotypes multicritères / In this study we proposed to investigate the influence of oil palm architecture on the capacity of the plant to intercept light, by using 3D reconstructions and model-assisted evaluation of radiation-use efficiency. The first objective of this study was to analyse and model oil palm architecture and light interception taking into account genetic variability. A second objective was to explore the potential improvements in light capture and carbon assimilation by manipulating oil palm leaf traits and propose architectural ideotypes.Allometric relationships were applied to model these traits according to ontogenetic gradients and leaf position within the crown. The methodology allowed reconstructing virtual oil palms at different stages over plant development. Additionally, the allometric-based approach was coupled to mixed-effect models in order to integrate inter and intra progeny variability through progeny-specific parameters. The model thus allowed simulating the specificity of plant architecture for a given progeny while including observed inter-individual variability. The architectural model, parameterized for the different progenies, was then implemented in AMAPstudio to generate 3D mock-ups and estimate light interception efficiency, from individual to stand scales.Significant differences in leaf geometry (petiole length, density of leaflets and rachis curvature) and leaflets morphology (gradients of leaflets length and width) were detected between and within progenies, and were accurately simulated by the modelling approach. Besides, light interception estimated from the validated 3D mock-ups showed significant variations among the five progenies.Sensitivity analyses were then performed on a subset of architectural parameters to identify the architectural traits impacting on light interception efficiency and potential carbon assimilation over plant development. The most sensitive parameters over plant development were those related to leaf area (rachis length, number of leaflets, leaflets morphology), but fine attribute related to leaf geometry showed increasing influence when canopy got closed. In adult stand, optimized carbon assimilation was estimated on plants presenting a leaf area index (LAI) between 3.2 and 5.5 m2.m−2, with erected leaves, short rachis and petiole and high number of leaflet on rachis. Four architectural ideotypes for carbon assimilation were proposed based on specific combinations of organs geometry, limiting mutual shading and optimizing light distribution within plant crown.In conclusion, this study highlighted how a functional-structural plant model (FSPM) can be used to virtually explore plant biology. In our case of study, the 3D model of oil palm, in its conception and its application, permitted to detect the architectural traits genetically determined and influencing light interception. The limited number of traits revealed in the sensitivity analysis and the combination of traits proposed through ideotypes could guide further breeding programs. Forthcoming work will be dedicated to integrate in the modeling approach other physiological processes such as stomatal conductance and carbon partitioning. The improved FSPM could then be used to test different scenarios, for instance in climate change context with low radiations or frequent drought events. Similarly, the model could be used to investigate different planting patterns and intercropping systems, and proposed new multi-criteria ideotypes of oil palm.

Un des objectifs majeurs des programmes de recherches actuels est de comprendre quel est l'impact des nuages et des aérosols au sein du bilan radiatif global. En effet, les nuages et les aérosols ont une influence significative sur la balance radiative terrestre, et induisent des réponses climatiques diverses qui ne sont pas encore pleinement connues. L'hétérogénéité spatiale des structures nuageuses et de leurs propriétés microphysiques, contribue de manière significative à la modulation du budget énergétique terrestre. Les flux radiatifs pris à la surface sont très sensibles à la structure éométrique de ces nuages, ainsi qu'à leur altitude. Un des premiers objectifs afin d'améliorer les modèles climatiques existant, est donc d'acquérir une meilleur connaissance sur la distribution tri- dimensionnelle des structures nuageuses. Les systèmes spatiaux comportant des instrumentations lidar nous apportent aujourd'hui de nouvelles informations sur la distribution verticale des aérosols. Notre second objectif est donc d'améliorer l'obtention des propriétés des aérosols au dessus des surfaces continentales, lieu ou l'obtention de résultat via les systèmes de détection passif sont connus pour être difficiles du fait de la contribution radiative de la surface. Afin de remplir le premier objectif, nous avons appliqué et adapté un algorithme nous permettant d'estimer la fonction de densité de probabilité du sommet des structures nuageuses, à partir des profils lidar fournis par la mission satellite GLAS (Geoscience Laser Altimeter System, NASA) et la mission LITE (In-space Technology Experiment, NASA, 1994). La méthodologie utilisée est dans un premier temps expliquée. Les résultats obtenus grâce à l'utilisation des données GLAS et LITE sont présentés et discutés. La validation de cette méthode du point de vue de ses performances est ensuite effectuée grâce à une étude de sensibilité. La synergie entre les mesures des instruments passifs et actifs peut amener à des améliorations significatives de l'inversion lidar. Dans le but de remplir notre second objectif, nous présentons alors dans la suite de ce travail le potentiel apporté par l'utilisation du couplage entre un lidar spatial (LITE en l'occurrence) et un satellite géostationnaire (Meteosat-5) afin de retrouver les propriétés optiques de l'aérosol au dessus des océans et des continents, dans le cas particulier des poussières désertiques Africaines. Pour ce faire, un algorithme a été implémenté. Les résultats fournis par cette méthode sont présentés. Les erreurs faites sur l'estimation de l'impact radiatif de l'aérosol sont estimées pour cette synergie, mais aussi dans le cas des autres synergies possibles pouvant allier les instruments de télédétection actifs et passifs, embarqués à bord des satellites actuellement en orbite.