Résumé : Le contexte récent d’accélération de la fonte des glaciers et calottes glaciaires (GCG) de l’archipel arctique canadien, jumelé aux difficultés de suivi des GCG de cette région, rendent essentiels le développement et l’utilisation de nouvelles approches innovatrices de suivi. Le potentiel de la stéréo radargrammétrie (SRG) RADARSAT-2 est ici caractérisé pour l’extraction d’élévations et le calcul de changements d’élévation et de bilans de masse (historiques et récents) sur les calottes glaciaires Barnes et Penny (Nunavut, Canada). Par la méthode semi-automatisée de recherche de corrélation à partir de couples stéréoscopiques RADARSAT-2 de 2013 (mode wide ultra-fin; résolution spatiale de 3 m; taille d’image de 50 km x 50 km), une précision verticale de ~7 m (LE68) est mesurée sur la terre ferme, et cette valeur de précision est possiblement légèrement supérieure sur la calotte Barnes, étant donné la variabilité de profondeur de pénétration. Par captage 3D, une précision altimétrique de ~3-4 m (LE68) est mesurée par différents photo-interprètes à partir de couples RADARSAT de 2012 en zone d’ablation de la calotte Penny. Sur la calotte Barnes, les changements d’élévation mesurés par rapport aux premiers modèles numériques de terrain disponibles permettent de mesurer un bilan de masse spécifique historique (1960-2013) de -0,49 ± 0,20 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -2,9 Gt/année. Entre 2005 et 2013, le bilan de masse spécifique de cette calotte augmente significativement à -1,20 ± 0,86 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -7 Gt/année. En zone d’ablation de la calotte Penny, un changement d’élévation annuel moyen de -0,59 m/année est mesuré entre 1958 et 2012. Parallèlement, plusieurs aspects méthodologiques et techniques sont discutés et analysés. Des profondeurs de pénétration nulles (bande C) sont mesurées à partir des images acquises sur la calotte Barnes à la toute fin de la saison d’ablation (fin septembre/début octobre), alors que cette profondeur augmente à ~2,5-3 m pour des images acquises à la fin octobre/début novembre (période de gel). Nos résultats suggèrent aussi que le modèle de fonction rationnelle, lorsqu’utilisé avec des images RADARSAT-2 en mode wide ultra-fin, permet d’obtenir des précisions plus constantes que le modèle hybride de Toutin. De par son indépendance des conditions météorologiques, son utilisation possible sans point de contrôle et sa simplicité de traitement, la SRG RADARSAT-2 s’avère donc être une excellente alternative aux technologies actuelles pour le suivi de GCG situés dans des régions affectées par des contraintes opérationnelles importantes. / Abstract : Given the recent melt acceleration of the Canadian arctic archipelago’s ice caps and the monitoring difficulties of this remote region, the development of new innovative monitoring tools has become essential. Here, the potential of the RADARSAT-2 stereo radargrammetry (SRG) is characterized for elevations extraction, as well as for elevation changes/mass balances calculations (historical and recent) on Barnes and Penny ice caps (Nunavut, Canada). Using the semi-automatic approach of correlation search from RADARSAT-2 stereoscopic couples of 2013 (wide ultra-fine mode; spatial resolution of 3 m; coverage of 50 km x 50 km), a vertical precision of ~7 m (LE68) is measured on ice-free terrain and this precision is possibly slighty worse on the ice cap because of the penetration depth’s variability. On the other hand, the 3D vision extraction approach reveals an altimetric precision of ~3-4 m (LE68) on the ablation area of the Penny Ice Cap. On the Barnes Ice Cap, elevation changes calculated relative to the oldest digital elevation models available allows to calculate an historical specific mass balance (1960-2013) of -0,49 ± 0,20 m w.e./year, resulting in a total annual mass balance of -2,9 Gt/year. Between 2005 and 2013, the specific mass balance of this ice cap increases to -1,20 ± 0,86 m w.e./year, which equals to a total annual mass balance f -7 Gt/year. On Penny Ice Cap’s ablation area, an average elevation change of -0,59 m/year is measured between 1958 and 2012. As also suggested in the literature, the recent melt acceleration is highly linked to warmer summer temperatures. Methodological and technical aspects are also presented and analyzed. No penetration depth (C band) is perceived on elevations derived from late ablation season images (late September/beginning of October), while a penetration of ~2,5-3 m is measured from images acquired in late October/beginning of November (freeze period). Our results also suggest the superiority and better consistency of the rational function model for geometrical correction of wide ultra-fine mode RADARSAT-2 images, compared to the hybrid Toutin’s model. Because of its all-weather functionality, its possible use without any ground control point and the simplicity and facility of its treatment, the RADARSAT-2 SRG represents a really good technology for glacier monitoring in regions affected by serious operational constraints.

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Résumé : La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression de ses marges, sur les dernières décennies. Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant, afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le niveau des mers, il est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes. Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface. Pour pallier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives sont d'un grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique. Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période 1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période). Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation. Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte. // Abstract : Significant climate change is curently monitored in the Arctic, and especially in the region of the canadian arctic archipellago. This climate warming leads to recession of seaice extent and seasonnal snow cover, and also to large mass loss of the archipellago’s ice caps. One of the most southern ice cap, the Barnes Ice Cap, located on the Baffin Island, is no exception to significant mass loss and margins recession as satellite observations exhibited over the last decades. Despite the relative low sea level potential of the small ice caps located in the canadian arctic achipellago in regards to major ice sheets, Antarctica and Greenland, their contribution to the current sea level rise is significant. Climate projections show that this contribution could accelerate significant over the next decades. However, to estimate the future evolution of these ice caps and their impact on climate or sea level rise, a better characterisation of the surface processes such as the evolution of the surface mass balance is needed. This knowledge is currently very limited, mainly due to the sparse covering of automatic weather stations or in-situ measurements over the Arctic. Furthermore, several ice caps, among with the Barnes Ice Cap, present a superimposed ice accumulation area which particularities have to be taken into account in the surface processes studies. Given the lack of in-situ data, the approach choosen in this work is to use remote sensing data, that have the advantage to offer a good spatial and temporal coverage. In particular, passive microwave data are very suitable for snowy surfaces studies. To complement these data, physical and electromagnetic snowpack modeling provide a fine characterisation of surface processes such as snow accumulation. The whole work presented in this manuscript thus consisted in developping specific tools to improve the understanding of surface processes of small arctic ice caps. This methodological development was performed and applied on the Barnes Ice Cap using the surface scheme SURFEX-CROCUS and the electromagnetic model DMRT-ML. First results highlight a significant increase in surface melt duration over the past 3 decades on the Barnes Ice Cap (increase of more than 30% over 1979-2010 period). A similar trend is also monitored over the Penny Ice Cap, located in the south part of the Baffin Island (increase of more than 50% over the same period). Then, the surface mass balance over the last decade was modeled by using a physical based modeling chain constrained by remote sensing data. The results give a mean net accumulation of +6,8 cm y−1 on the summit area of the ice cap. Finaly, sensitivity tests, performed to investigate the climatic sensitivity of the surface mass balance, highlight a threshold effect that may lead to a complete disapearence of the accumulation area of the Barnes Ice Cap. With a temperature increase less than 1°C, modeling results suggest it is likely that the threshold will be reached rapidly leading to an increase in mass loss from the ice cap.

In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. / In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

La calotte polaire Antarctique conditionne un flux d’eau douce dans l’océan Austral par deux voies d’égale importance : une injection immédiate et localisée par fonte des plateformes glaciaires, et une injection « offshore » et différée par production (« vêlage ») puis fonte d’icebergs. On estime ainsi que les icebergs, en fondant, pourraient modifier les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques de la colonne d’eau. Les modèles numériques visant à estimer cet impact présentent des résultats contrastés. Ils sont limités dans leurs stratégies de représentations des icebergs, notamment parce que les connaissances sur la distribution spatiale et de taille des icebergs ou encore leurs mécanismes de perte de masse sont réduites. Une méthode récente exploitant des mesures par altimétrie satellitaire a permis la création d’une base de données cartographiant la distribution des icebergs Antarctiques avec une couverture spatiale et temporelle inédite. Notre analyse conjointe entre ces données et des champs de concentration en glace de mer met en lumière le transport d’eau douce injecté par les icebergs et son impact sur la banquise. On analyse également les liens entre icebergs de différentes tailles : les gros peuvent être vus comme des réservoirs de volume de glace, qu’ils diffusent dans tout l’océan en se fragmentant en petits icebergs de différentes tailles. On étudie alors l’évolution de deux icebergs géants, on propose une première paramétrisation du phénomène de fracturation et analyse la distribution de taille résultante. Ces résultats peuvent permettre une représentation plus réaliste du flux d'eau douce conditionné par les icebergs dans les modèles. / The Antarctic polar ice cap constrains a freshwater flaux into the Austral Ocean through two equally important pathways : a localized and immediate injection through the melting of ice-shelves bases, and a delayed offshore injection through the calving and subsequent melt of icebergs. Some studies reckon that melting icebergs have the capacity to alter the hydrological and biogeo-chemical characteristics of the water column. The numerical models trying to evaluate this impact have shown contrasting results. Yet, they might suffer from a poor representation of the icebergs, namely due to our limited knowledge on both the spatial and size distributions of the icebergs, or even the processes involved in their mass loss. A new method using satellite altimetry measurements has lead to the creation of a database mapping Antarctic icebergs distribution with an unprecedented spatial and temporal coverage. Our joint analysis between these data and sea ice concentration fields highlights a possible transport of the freshwater injected by an iceberg and its impacts on sea ice.We also analyze the links between icebergs of different sizes : the large ones can be seen as ice buffers that diffuse across the whole ocean when breaking into small fragments of various sizes. We finally study the evolution of two giant icebergs, suggest the first parametrization of the fragmentation process and analyze the subsequent size distribution of the fragments. These results can be valuable to account in a more realistic way the fresh water flux constrained by icebergs in models.