Certaines données satellitaires ne sont pas utilisées à cause des acquisitions bruitées qui ne reflètent pas les distributions des grandeurs géophysiques du sol, telle que l’humidité du sol. La cause primordiale dans les micro-ondes passives vient des interférences radio fréquence (RFI). Ainsi, les températures apparentes mesurées par un satellite comme SMOS par exemple atteignent souvent des valeurs qui conduisent à des échecs d’inversion de l’humidité du sol. L’objectif de notre projet est d’étudier le phénomène des RFI à petite échelle, son impact sur les micro-ondes passives en bande L à partir des mesures au sol réalisées à l’aide de radiomètres. Une fois l’impact caractérisé de manière rigoureuse, une méthode de filtrage adaptatif a été développée pour corriger les effets. Le projet est composé de trois parties principales. La mise en place d’une expérimentation est réalisée afin de faire des mesures au sol à l’aide de deux radiomètres en bande L. Les mesures sont faites dans des conditions variables et plusieurs scénarios ont été considérés. Ensuite, les données sont collectées et analysées. Cette phase a abouti au développement d’un filtre qui permet d’atténuer l’effet des RFI sur les températures de brillance bruitées. Enfin, le filtre proposé dans le projet a été appliqué sur des données aéroportées en bande L prises sur le site Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) en Saskatchewan. L’expérimentation s’est déroulée à la station SIRENE de l’Université de Sherbrooke. Les instruments ont été mis en place et les radiomètres ont été calibrés en premier lieu pour s’assurer de la fiabilité des mesures. L’émetteur a servi comme une source d’interférence pour les radiomètres. Il était placé à des positions différentes vis-à-vis de ces derniers, et émettait à des puissances variables. Les différents scénarios considérés étaient utiles pour étudier l’effet de la position de la source RFI, ainsi que l’effet de la puissance émise par celle-là sur les températures mesurées par les radiomètres. Pour les mesures, nous avons utilisé un radiomètre multi-bandes qui nous a permis d’étudier l’impact de la bande passante sur les RFI. L’analyse et le traitement des données prises ont conduit au développement d’un filtre coupe-bande permettant de corriger les températures bruitées lorsque les caractéristiques du bruit sont connues. Ce filtre a été appliqué sur des données aéroportées bruitées. Le bruit a pu être atténué pour les températures en polarisation V. Les résultats de l’application du filtre sont satisfaisants dans l’ensemble malgré le volume important de données bruitées sur la zone d’étude. En ce qui concerne les données de la polarisation H, elles n’ont pu être corrigées, car elles étaient presque entièrement bruitées. Le mémoire porte sur une expérimentation originale, car les expériences du genre sont très rares dans la littérature. L’étude s’appuie sur deux radiomètres en bande L, ce qui est très particulier, compte tenu de la rareté de ces instruments.

Résumé: Les lacs occupent environ 30% du territoire dans le nord du Canada. Ils peuvent avoir d’importants impacts sur le climat qui ont un effet par la suite sur les propriétés thermiques des lacs. L’étude d’un lac doit généralement débuter avec un bilan calorifique de la surface. La différentiation précise que l’énergie disponible en flux de chaleur sensible ou latent est un élément crucial pour la compréhension des interactions entre les processus climatiques à une échelle régionale. Dans cette étude, le flux de chaleur sensible et le ratio de Bowen sont obtenus à partir des données de la télédétection. La méthodologie se base sur l’utilisation de données microondes (SMM/I) afin de calculer la température de la surface du sol avec la méthode de Fily et al. (2003) et Mialon et al. (2007). La caractérisation de la surface du sol est effectuée à partir de données satellitaires optiques (capteurs SPOT & VGT). Les paramètres météorologiques utilisés pour estimer les flux proviennent de la base de données du North American Regional Reanalysis (NARR). Les résultats présentent un portrait quotidien, mensuel et saisonnier de l’énergie sensible à l’interface sol-air par rapport à la fraction de la surface de plan d’eau (FWS). Nous comparons ensuite nos résultats avec les flux du modèle NARR et quelques mesures in situ. Quatre sites couvrants différents types de surfaces à travers le Canada ont été étudiés pendant les étés 1998 et 2000 (de juin à septembre) : le nord du Québec (toundra), les Territoires du Nord-Ouest (le Grand lac des Esclaves [ou, en anglais, Great Slave Lake. GSLJ et le bassin de la rivière Mackenzie), le Manitoba (zone humide) et le Labrador (taïga). Les résultats montrent que les flux d’énergie sensible satellitaires sont semblables aux flux estimés par le NARR lorsque la FWS est petit (sans lac) ou pour des zones avec de larges surfaces d’eau (Mackenzie Great Slave Lake), mais diffèrent lorsque la FWS augmente à l’intérieur d’un pixel. Ceci signifie que les modèles climatiques régionaux devraient considérer la proposition du territoire occupée par des étendues d’eau. Nous déduisons que les effets de la taille des lacs sont reliés aux conditions environnementales du milieu. Les résultats de la comparaison avec des mesures in situ pour le GSL et la zone humide sont encourageants. Le ratio de Bowen sur le site du bassin de la rivière Mackenzie montre qu’il y a une augmentation de la chaleur sensible durant la deuxième moitié de l’été en comparaison à la première moitié. Il y a ainsi un plus grand stress hydrique pendant la deuxième moitié de l’été. Cependant, il n’y a pas de patrons clairs en comparaison avec le site GSL. La comparaison entre les différents sites indique une variation énergétique annuelle minimale pour la zone humide. || Abstract: Lakes occupy roughly 30% of Canada's northern landscape. They can have important impacts on the climate, and climate modification will affect lake thermal properties. Study of a lake most generally begins with heat budget at its surface. Accurate partitioning of the available energy at the surface into sensible and latent heat flux is crucial to the understanding of interactions between climate processes on a regional scale. In this study, sensible heat flux and the Bowen ratio for the summer period are retrieved using reanalysis and remote sensing data. The methodology is based on the use of microwave data for retrieving land surface temperature (SSM/I) with the method of Fily et al. (2003) and Mialon et al. (2007). The land cover characterization is derived from remotely sensed optical data (SPOT VGT sensor). Some meteorological parameters used for retrieving flux are derived from the North American Regional Reanalysis (NARR) database. The results from this study present a picture of the daily, monthly and seasonally sensible energy over summer period at the land-air interface versus the Fraction of Water Surface (FWS). We compare our results with the NARR model's flux in addition to few in situ measurements. Four sites covering different land cover types across Canada were investigated during the 1998 and 2000 summers (June to September): Northern Quebec (tundra), Northwest Territories (Great Slave Lake, or GSL, and Mackenzie River Basin), Manitoba (wetlands) and Labrador (taiga). The results show that the satellite-derived sensible flux is close to the NARR flux estimate when the fraction of water surface is small (no lakes) and over large open water areas (Mackenzie Great Slave Lake), but differs when the FWS increases within the pixel. This means that regional climate models should take into account lake cover fraction. We infer that effects of the lake-size are closely related to surrounding environmental conditions. The results of the comparison with in situ measurements for Great Slave Lake (1998) and the Wetland site are encouraging. For the Mackenzie River Basin site, the results of the Bowen ratio show that there is an increase of sensible heat partition during the second half of the summer in comparison with the first half, meaning that there is more water stress over the second half of the summer than the first. But for the Wetland site, there is no clear pattern, and in comparison with GSL, temporal variation is less significant. Comparisons between different sites indicate minimum year to year energy variation for the Wetland area.

Les cyclones tropicaux, gigantesques machines thermiques redistribuent l'énergie entre les régions chaude et froide du globe. Cette énergie (chaleur latente) provient surtout des processus de condensation. La connaissance de la chaleur latente devrait améliorer la prévision de l'évolution de ses systèmes dévastateurs détectables par satellite. TRMM lancé en 1997, permet la restitution des contenus en hydrométéores grâce à des mesures couplées radar/radiomètre (PR/TMI). Cette thèse porte sur la restitution de la chaleur latente. On a donc développé un algorithme original de type bayésien utilisant des bases de données, construites à partir des mesures du PR. Cette méthode, appliquée au cyclone Bret (1999) a été validée par comparaison avec des résultats de mesures aéroportées et sol. On reproduit assez bien sur ce cas une structure énergétique propre à différents stade de son évolution. Une étude statistique pourrait ainsi permettre un diagnostic de l'évolution.

La caractérisation du couvert nival en forêt boréale est un élément important pour la compréhension des régimes climatiques et hydrologiques. Depuis plusieurs années, l’utilisation des micro-ondes passives est étudiée pour l’estimation de l’équivalent en eau de la neige (SWE : Snow Water Equivalent) à partir de capteurs satellitaires. Les algorithmes empiriques traditionnels étant limités en forêt boréale, le couplage d’un modèle de transfert radiatif (MTR) micro-onde passive (qui prend en compte les contributions du sol, de la neige, de la végétation et de l’atmosphère) avec un modèle de neige pour l’inversion du SWE semble une avenue prometteuse. La thèse vise donc à coupler un MTR avec le schéma de surface du modèle climatique canadien (CLASS) dans une perspective d’application opérationnelle pour les estimations de SWE à partir de données satellitaires micro-onde à 10.7, 19 et 37 GHz. Dans ce contexte, certains aspects centraux du MTR, dont l’effet de la taille des grains ainsi que la contribution de la végétation sont développés et quantifiés. Le premier aspect étudié dans la thèse concerne l’adaptation du modèle d’émission micro-onde passive DMRT-ML (Dense media radiative transfer theory – multi layer) pour l’intégration d’une nouvelle métrique représentant la taille des grains (surface spécifique des grains de neige: SSA). L’étude basée sur des mesures radiométriques et de neige in situ, montre la pertinence de l’utilisation de la SSA dans DMRT-ML et permet d’analyser le sens physique de l’adaptation nécessaire pour amener le modèle à simuler les températures de brillance (T[indice inférieur B) de la neige avec une erreur quadratique moyenne minimale de l’ordre de 13 K. Dans un contexte du couplage entre le modèle de neige de CLASS et DMRT-ML, un modèle d’évolution de la SSA est ensuite implémenté dans CLASS. Les SSA simulées par le module développé sont validées avec des données in situ basées sur la réflectance de la neige dans l’infrarouge à courte longueur d’onde pour différents types d’environnement. Au niveau de la contribution de la végétation, le modèle γ-ω a été étudié à partir de différentes bases de données (satellite, avion et au sol) en forêt boréale dense. L’étude montre l’importance de la considération de la diffusion (ω) pour l’estimation de l’émission de la végétation, paramètre auparavant généralement négligé aux hautes fréquences. Ensuite, des relations entre les transmissivités et certains paramètres structuraux de la forêt, dont l’indice de surface foliaire (LAI), ont été établies pour des forêts boréales en été. Des valeurs d’albédo de diffusion (ω) ainsi que les paramètres définissant la réflectivité du sol (QH) en forêt boréale ont aussi été inversées. Finalement, les simulations de T [indice inférieur] B issues du couplage du MTR (DMRT-ML, modèle γ-ω, et modèle atmosphérique) avec CLASS (dont les SSA simulées) ont été comparées avec les données AMSR-E sur une série temporelle continue de sept ans. Les premières comparaisons montrent une différence entre les paramètres de végétation (γ-ω) d’été et d’hiver, ainsi qu’une importante contribution des croûtes de glace dans la neige au signal. Les simulations du modèle ajusté montrent une bonne correspondance avec les observations d’AMSR-E (de l’ordre de 3 à 7 K selon la fréquence et la polarisation). Des tests de sensibilité montrent par contre une faible sensibilité du MTR/CLASS au SWE pour des forêts denses et des couverts nivaux épais. Le MTR-CLASS développé pourrait permettre l’assimilation de températures de brillance satellitaires en forêt boréale dans des systèmes opérationnels pour l’amélioration de paramètres de surface, dont la neige, dans les modèles météorologiques et climatiques.

Le suivi des milieux sub-polaires est important, tant ils devraient évoluer face à l'augmentation des températures attendue dans ces régions au cours des prochaines décennies. Pour pallier au manque de stations météorologiques affectant les hautes latitudes, la télédétection spatiale est une<br />alternative intéressante, offrant une couverture spatiale quasi-globale. Ce projet s'inscrit dans le développement de méthodes pour extraire de<br />ces données des informations relatives à la surface des latitudes nord (>50°N). Pour cela, les données du capteur SSM/I (special sensor microwave imager), situées dans la gamme spectrale des micro-ondes, présentent certains avantages : indépendantes des radiations solaires ; faible influence atmosphérique. L''approche basée sur les températures de brillance à 19 et 37 GHz, aboutit à trois paramètres géophysiques de surface : une cartographie quotidienne de l'étendue du couvert nival de 1988 à 2002 ; une étendue de l'eau de surface (étendues d'eau libre, petits lacs, réservoirs, milieux humides associés à une végétation peu dense) ; une température caractérisant la surface et l'air proche du sol. <br />Pour pallier à la variation quotidienne de l'heure d'acquisition des données satellites, une méthode de normalisation des températures aboutit à une serie horaire. Ceci permet l' étude d'indicateurs climatiques, comme la somme des degrés jours positifs. Les tendances confirment les tendances climatiques observées : augmentation de la température (+0.8 +/- 0.4 °c pour l'ensemble du territoire canada/alaska entre 1992 et 2002)<br />et diminution de la superficie du couvert nival. Ces bases de données originales présentent également un intérêt pour la validation des<br />modèles de climat à l'échelle régionale.

Lancée en novembre 2009, l'objectif principal de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) est de fournir une cartographie globale de l'humidité du sol avec une précision supérieure à 0.04 m3/m3 et avec une résolution spatiale comprise entre 35 km au nadir et 55 km (43 km en moyenne) en utilisant la radiométrie en bande L (1.4 GHz). La résolution spatiale des satellites tels que SMOS induit de nombreuses questions scientifiques qui nécessite un minimum de mesures de terrain représentatives de la zone vue par le capteur. C'est dans cette optique que la validation des données SMOS nécessite l'acquisition de nombreuses mesures sur une vaste zone. Dans ce sens, le site VAS (Valencia Anchor Station), défini par l'université de Valence (Espagne) en décembre 2001, a pour objectif principal de caractériser une surface dédiée à l'étalonnage et la validation des missions satellites d'observation de la terre. Dans le contexte de la validation des produits SMOS au-dessus des terres émergées, l'objectif principal de cette thèse est la génération de "Match-ups" sur la zone VAS (équivalente à un pixel SMOS), qui sont à comparer avec les données réelles SMOS. Les Match-ups sont des températures de brillance micro-ondes passives simulées en utilisant les variables et les caractéristiques de surface de la zone VAS. Ainsi, pour modéliser l'humidité du sol et la température de brillance associée, nous avons couplé un modèle SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer) avec un modèle de transfert radiatif. Les processus hydrologiques sont simulés avec le modèle ISBA (Interactions between Soil Biosphere Atmosphere), alors que l'émission micro-ondes est simulée avec le modèle L-MEB (L-band Microwave Emission of the Biosphere) qui est utilisé dans l'algorithme d'inversion des humidités de surface à partir des données SMOS.

Résumé : L'étude du couvert nival est essentielle afin de mieux comprendre les processus climatiques et hydrologiques. De plus, avec les changements climatiques observés dans l'hémisphère nord, des événements de dégel-regel ou de pluie hivernale sont de plus en plus courants et produisent des croutes de glace dans le couvert nival affectant les moeurs des communautés arctiques en plus de menacer la survie de la faune arctique. La télédétection micro-ondes passives (MOP) démontre un grand potentiel de caractérisation du couvert nival. Toutefois, a fin de bien comprendre les mesures satellitaires, une modélisation adéquate du signal est nécessaire. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser le transfert radiatif (TR) MOP des sols, de la neige et de la glace a fin de mieux caractériser les propriétés géophysiques du couvert nival par télédétection. De plus, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Pour ce faire, le modèle Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) a été étudié et calibré afin de minimiser les erreurs des températures de brillance simulées en présences de croutes de glace. La première amélioration faite à la modélisation du TR MOP de la neige a été la caractérisation de la taille des grains de neige. Deux nouveaux instruments, utilisant la réflectance dans le proche infrarouge, ont été développés afin de mesurer la surface spécifique de la neige (SSA). Il a été démontré que la SSA est un paramètre plus précis et plus objectif pour caractériser la taille des grains de neige. Les deux instruments ont démontré une incertitude de 10% sur la mesure de la SSA. De plus, la SSA a été calibré pour la modélisation MOP a n de minimiser l'erreur sur la modélisation de la température de brillance. Il a été démontré qu'un facteur multiplicatif [phi] = 1.3 appliqué au paramètre de taille des grains de neige dans MEMLS, paramètre dérivé de la SSA, est nécessaire afin de minimiser l'erreur des simulations. La deuxième amélioration apportée à la modélisation du TR MOP a été l'estimation de l'émission du sol. Des mesures radiométriques MOP in-situ ainsi que des profils de températures de sols organiques arctiques gelés ont été acquis et caractérisés a fin de simuler l'émission MOP de ces sols. Des constantes diélectriques effectives à 10.7, 19 et 37 GHz ainsi qu'une rugosité de surface effective des sols ont été déterminés pour simuler l'émission des sols. Une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 4.65 K entre les simulations et les mesures MOP a été obtenue. Suite à la calibration du TR MOP du sol et de la neige, un module de TR de la glace a été implémenté dans MEMLS. Avec ce nouveau module, il a été possible de démontré que l'approximation de Born améliorée, déjà implémenté dans MEMLS, pouvait être utilisé pour simuler des croutes de glace pure à condition que la couche de glace soit caractérisée par une densité de 917 kg m[indice supérieur _􀀀3] et une taille des grains de neige de 0 mm. Il a aussi été démontré que, pour des sites caractérisés par des croutes de glace, les températures de brillances simulées des couverts de neige avec des croutes de glace ayant les propriétés mesurées in-situ (RMSE=11.3 K), avaient une erreur similaire aux températures de brillances simulées des couverts de neige pour des sites n'ayant pas de croutes de glace (RMSE=11.5 K). Avec le modèle MEMLS validé pour la simulation du TR MOP du sol, de la neige et de la glace, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Il a été démontré que le ratio de polarisation (PR) était très affecté par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Avec des simulations des PR à 10.7, 19 et 37 GHz sur des sites mesurés à Churchill (Manitoba, Canada), il a été possible de déterminer des seuils entre la moyenne hivernale des PR et les valeurs des PR mesurés indiquant la présence de croutes de glace. Ces seuils ont été appliqués sur une série temporelle de PR de 33 hivers d'un pixel du Nunavik (Québec, Canada) où les conditions de sols étaient similaires à ceux observés à Churchill. Plusieurs croutes de glace ont été détectées depuis 1995 et les mêmes événements entre 2002 et 2009 que (Roy, 2014) ont été détectés. Avec une validation in-situ, il serait possible de confirmer ces événements de croutes de glace mais (Roy, 2014) a démontré que ces événements ne pouvaient être expliqués que par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Ces mêmes seuils sur les PR ont été appliqués sur un pixel de l'Île Banks (Territoires du Nord-Ouest, Canada). L'événement répertorié par (Grenfell et Putkonen, 2008) a été détecté. Plusieurs autres événements de croutes de glace ont été détectés dans les années 1990 et 2000 avec ces seuils. Tous ces événements ont suivi une période où les températures de l'air étaient près ou supérieures au point de congélation et sont rapidement retombées sous le point de congélation. Les températures de l'air peuvent être utilisées pour confirmer la possibilité de présence de croutes de glace mais seul la validation in-situ peut définitivement confirmer la présence de ces croutes. / Abstract : Snow cover studies are essential to better understand climatic and hydrologic processes. With recent climate change observed in the northern hemisphere, more frequent rain-on-snow and meltrefreeze events have been reported, which affect the habits of the northern comunities and the survival of arctique wildlife. Passive microwave remote sensing has proven to be a great tool to characterize the state of snow cover. Nonetheless, proper modeling of the microwave signal is needed in order to understand how the parameters of the snowpack affect the measured signal. The main objective of this study is to analyze the soil, snow and ice radiative transfer in order to better characterize snow cover properties and develop an ice lens detection index with satellite passive microwave brightness temperatures. To do so, the passive microwave radiative transfer modeling of the Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) was improved in order to minimize the errors on the brightness temperature simulations in the presence of ice lenses. The first improvement to passive microwave radiative transfer modeling of snow made was the snow grain size parameterization. Two new instruments, based on short wave infrared reflectance to measure the snow specific surface area (SSA) were developed. This parameter was shown to be a more accurate and objective to characterize snow grain size. The instruments showed an uncertainty of 10% to measure the SSA of snow. Also, the SSA of snow was calibrated for passive microwave modeling in order to reduce the errors on the simulated brightness temperatures. It was showed that a correction factor of φ = 1.3 needed to be applied to the grain size parameter of MEMLS, obtain through the SSA measurements, to minimize the simulation error. The second improvement to passive microwave radiative transfer modeling was the estimation of passive microwave soil emission. In-situ microwave measurements and physical temperature profiles of frozen organic arctic soils were acquired and characterized to improve the modeling of the soil emission. Effective permittivities at 10.7, 19 and 37 GHz and effective surface roughness were determined for this type of soil and the soil brightness temperature simulations were obtain with a minimal root mean square error (RMSE) of 4.65K. With the snow grain size and soil contributions to the emitted brightness temperature optimized, it was then possible to implement a passive microwave radiative transfer module of ice into MEMLS. With this module, it was possible to demonstrate that the improved Born approximation already implemented in MEMLS was equivalent to simulating a pure ice lens when the density of the layer was set to 917 kg m−3 and the grain size to 0 mm. This study also showed that by simulating ice lenses within the snow with there measured properties, the RMSE of the simulations (RMSE= 11.3 K) was similar to the RMSE for simulations of snowpacks where no ice lenses were measured (only snow, RMSE= 11.5 K). With the validated MEMLS model for snowpacks with ice lenses, an ice index was created. It is shown here that the polarization ratio (PR) was strongly affected by the presence of ice lenses within the snowpack. With simulations of the PR at 10.7, 19 and 37 GHz from measured snowpack properties in Chucrhill (Manitoba, Canada), thresholds between the measured PR and the mean winter PR were determined to detect the presence of ice within the snowpack. These thresholds were applied to a timeseries of nearly 34 years for a pixel in Nunavik (Quebec, Canada) where the soil surface is similar to that of the Churchill site. Many ice lenses are detected since 1995 with these thresholds and the same events as Roy (2014) were detected. With in-situ validation, it would be possible to confirm the precision of these thresholds but Roy (2014) showed that these events can not be explained by anything else than the presence of an ice layer within the snowpack. The same thresholds were applied to a pixel on Banks island (North-West Territories, Canada). The 2003 event that was reported by Grenfell et Putkonen (2008) was detected by the thresholds. Other events in the years 1990 and 2000’s were detected with these thresholds. These events all follow periods where the air temperature were warm and were followed by a quick drop in air temperature which could be used to validate the presence of ice layer within the snowpack. Nonetheless, without in-situ validation, these events can not be confirmed.

La caract??risation du couvert nival en for??t bor??ale est un ??l??ment important pour la compr??hension des r??gimes climatiques et hydrologiques. Depuis plusieurs ann??es, l???utilisation des micro-ondes passives est ??tudi??e pour l???estimation de l?????quivalent en eau de la neige (SWE : Snow Water Equivalent) ?? partir de capteurs satellitaires. Les algorithmes empiriques traditionnels ??tant limit??s en for??t bor??ale, le couplage d???un mod??le de transfert radiatif (MTR) micro-onde passive (qui prend en compte les contributions du sol, de la neige, de la v??g??tation et de l???atmosph??re) avec un mod??le de neige pour l???inversion du SWE semble une avenue prometteuse. La th??se vise donc ?? coupler un MTR avec le sch??ma de surface du mod??le climatique canadien (CLASS) dans une perspective d???application op??rationnelle pour les estimations de SWE ?? partir de donn??es satellitaires micro-onde ?? 10.7, 19 et 37 GHz. Dans ce contexte, certains aspects centraux du MTR, dont l???effet de la taille des grains ainsi que la contribution de la v??g??tation sont d??velopp??s et quantifi??s. Le premier aspect ??tudi?? dans la th??se concerne l???adaptation du mod??le d?????mission micro-onde passive DMRT-ML (Dense media radiative transfer theory ??? multi layer) pour l???int??gration d???une nouvelle m??trique repr??sentant la taille des grains (surface sp??cifique des grains de neige: SSA). L?????tude bas??e sur des mesures radiom??triques et de neige in situ, montre la pertinence de l???utilisation de la SSA dans DMRT-ML et permet d???analyser le sens physique de l???adaptation n??cessaire pour amener le mod??le ?? simuler les temp??ratures de brillance (T[indice inf??rieur B) de la neige avec une erreur quadratique moyenne minimale de l???ordre de 13 K. Dans un contexte du couplage entre le mod??le de neige de CLASS et DMRT-ML, un mod??le d?????volution de la SSA est ensuite impl??ment?? dans CLASS. Les SSA simul??es par le module d??velopp?? sont valid??es avec des donn??es in situ bas??es sur la r??flectance de la neige dans l???infrarouge ?? courte longueur d???onde pour diff??rents types d???environnement. Au niveau de la contribution de la v??g??tation, le mod??le ??-?? a ??t?? ??tudi?? ?? partir de diff??rentes bases de donn??es (satellite, avion et au sol) en for??t bor??ale dense. L?????tude montre l???importance de la consid??ration de la diffusion (??) pour l???estimation de l?????mission de la v??g??tation, param??tre auparavant g??n??ralement n??glig?? aux hautes fr??quences. Ensuite, des relations entre les transmissivit??s et certains param??tres structuraux de la for??t, dont l???indice de surface foliaire (LAI), ont ??t?? ??tablies pour des for??ts bor??ales en ??t??. Des valeurs d???alb??do de diffusion (??) ainsi que les param??tres d??finissant la r??flectivit?? du sol (QH) en for??t bor??ale ont aussi ??t?? invers??es. Finalement, les simulations de T [indice inf??rieur] B issues du couplage du MTR (DMRT-ML, mod??le ??-??, et mod??le atmosph??rique) avec CLASS (dont les SSA simul??es) ont ??t?? compar??es avec les donn??es AMSR-E sur une s??rie temporelle continue de sept ans. Les premi??res comparaisons montrent une diff??rence entre les param??tres de v??g??tation (??-??) d?????t?? et d???hiver, ainsi qu???une importante contribution des cro??tes de glace dans la neige au signal. Les simulations du mod??le ajust?? montrent une bonne correspondance avec les observations d???AMSR-E (de l???ordre de 3 ?? 7 K selon la fr??quence et la polarisation). Des tests de sensibilit?? montrent par contre une faible sensibilit?? du MTR/CLASS au SWE pour des for??ts denses et des couverts nivaux ??pais. Le MTR-CLASS d??velopp?? pourrait permettre l???assimilation de temp??ratures de brillance satellitaires en for??t bor??ale dans des syst??mes op??rationnels pour l???am??lioration de param??tres de surface, dont la neige, dans les mod??les m??t??orologiques et climatiques.

L’estimation de l’équivalent en eau de la neige (ÉEN) en temps quasi-réel est un enjeu important pour Hydro-Québec. Le réseau de mesure au sol étant non homogène et de faible densité, ne permet pas un suivi adéquat de l’ÉEN. L’imagerie satellitaire pourrait être une alternative à ce problème. Le modèle HUT (Helsinki University of Technology) permet l’estimation de l’ÉEN à partir des données micro-ondes passives. Le premier objectif de ce projet était de comparer deux produits qui estiment l’ÉEN à partir du modèle HUT, mais avec deux procédures d’inversion différentes. Il s’agit du produit Grille Neige du Québec (GNQ) et le produit GlobSnow. Deuxièmement, l’étude a évalué le produit GNQ en fonction de la végétation, du climat et de la topographie. L’étude s’est portée sur la région des bassins versants de la Grande et du Manicouagan situés au nord du Québec, sur une période allant du 1er janvier au 31 mars des années 2006 à 2010. Les données in-situ utilisées sont les lignes de neige d’Hydro-Québec et les mesures d’ÉEN de l’Année Polaire Internationale (février 2008), qui concernaient les sites de Sept-Iles et Schefferville. Il s’agissait de calculer l’erreur quadratique moyenne, le biais et le R2 pour chaque produit par rapport aux données in-situ, puis d’analyser ces paramètres en fonction des valeurs de fraction forestière, de volume des tiges, des moyennes de température et des précipitations, ainsi que de l’ÉEN moyen mesuré et de la pente du terrain. L’analyse a été faite d’abord à l’échelle du bassin, puis à l’échelle de cinq bandes latitudinales de 1° de latitude du nord vers le sud. Pour toute la zone, cette étude a démontré la supériorité de GNQ (RMSE=31%) par rapport à GlobSnow (RMSE=43%) pour un ÉEN moyen de 215 mm. Cependant cette supériorité décroit du nord vers le sud, où les produits deviennent similaires avec une RMSE = 45% et un biais de -90 mm pour un ÉEN moyen de 253 mm. Ceci pourrait être expliqué par l’effet de la densité de végétation caractéristique de la forêt boréale (fraction forestière > 45%), qui agit comme un masque au signal, et par l’effet d’un ÉEN > 250mm qui le sature. Pour le GNQ, l’effet combiné de la température et des précipitations joue un impact sur l’estimation de l’ÉEN, alors que le relief, plat en général, n’a pas montré un impact significatif. Pour conclure, le produit GNQ montre de meilleurs résultats que le produit GlobSnow, mais cette efficacité est limitée pour les régions ayant une végétation dense et un ÉEN très élevé. / Abstract : The monitoring of snow water equivalent (SWE) in near real time is an important challenge for Hydro-Quebec. Measurement networks do not allow adequate monitoring of the SWE. Passive microwave remote sensing could be an alternative to overcome this problem. The HUT (Helsinki University of Technology) model allows the estimation of the SWE from passive microwave data. The first purpose of this project was to compare two products that estimate the SWE using the HUT model, but with different inversion approaches. The first product is Quebec Snow Grid (GNQ) produced by Hydro-Quebec, and the second product is GlobSnow. The second objective of this study was to evaluate the GNQ product with regards to environmental variables (vegetation cover fraction, stem volume, climate and topography). The study area is located at La Grande and Manicouagan watersheds in northern Quebec. The study period was from 1 st January to 31 March of the years 2006 to 2010. The SWE data estimated by the two products were compared to Hydro-Quebec's insitu snow line data and to 2008 International Polar Year field campaign’s SWE measurements in Sept-Iles and Schefferville. The methodology of this work consisted in calculating the RMSE (Root Mean Square Error), bias and R2 for each product, relative to the in-situ data; and then analyze these parameters according to forest fraction, stem volume, mean temperatures, precipitation, as well as the mean measured SWE and the slope of the terrain. This was done, first for the study area, and then at the scale of five latitudinal bands of one degree latitude from north to south, which divide the study area. This study demonstrated the superiority of GNQ (RMSE = 31%) compared to GlobSnow (RMSE = 43%) for an average SWE of 215 mm over the entire study area. However, the performance decreases from north to south, where both products become quite similar, with RMSE = 45% and a bias of -90 mm for an average SWE of 253 mm. This could be explained by the effect of the vegetation density characteristic of the boreal forest (forest fraction> 45%), which acts like a mask for the signal, and by the higher SWE values (> 250 mm) which saturates it, hence the underestimation of the SWE. A combined effect of temperature and precipitation that had an impact on the SWE estimate was found for GNQ product. The relatively flat relief did not have a significant impact on the estimation of the SWE. Globally, GNQ shows better results than GlobSnow, but its capacity is limited for dense vegetation and thick snowpack.

Les régions de haute latitude sont actuellement les plus sensibles aux effets du réchauffement climatique, et avec des élévations de température pouvant atteindre les 3 à 8 ◦C au niveau du pôle sur les 100 prochaines années. Les pergélisols (sols présentant des températures négatives deux années consécutives) sont présents sur 25 % des terres émergées de l’hémisphère nord et contiennent de grandes quantités de carbone « gelé », estimées à 1400 Gt (40 % de la quantité de carbone terrestre global). Des études récentes ont montré qu’une partie non négligeable (50 %) des premiers mètres des pergélisols pourraient fondre d’ici 2050, et 90 % d’ici 2100. Le but de l’étude est donc d’améliorer les moyens de suivi de l’évolution des températures du sol dans les zones arctiques, et plus particulièrement dans les régions couvertes de neige. L’objectif est de décrire la température du sol tout au long de l’année y compris sous un manteau neigeux, et d’analyser l’évolution de l’épaisseur de la couche active des pergélisols en relation avec la variabilité du climat. Nous utilisons des données satellites (fusion de données de température dans l’infra-rouge thermique “LST” et de température de brillance micro-onde AMSR-E « Tb ») assimilées dans le schéma de surface du modèle climatique canadien (CLASS, V 3.6) couplé à un modèle simple de transfert radiatif (HUT). Cette approche bénéficie des avantages de chaque type de donnée de manière à réaliser deux objectifs spécifiques : 1-construire une méthodologie solide permettant de retrouver les températures du sol, avec et sans neige, en zone de toundra, et 2-à partir de ces températures du sol, dériver la durée de fonte estivale et l’épaisseur de la couche active du pergélisol. Nous décrivons le couplage des modèles ainsi que la méthodologie permettant l’ajustement des paramètres météorologiques d’entrée du modèle CLASS (essentiellement les températures de l’air et les précipitations issues de la base de données des réanalyses météorologiques NARR) de manière à minimiser les LST et Tb simulées en comparaison aux mesures satellites. Par rapport aux données de mesures de sol de stations météorologiques prises comme référence pour validation dans les zones de toundra d’Amérique du Nord, les résultats montrent que la méthode proposée améliore significativement la simulation des températures du sol lorsqu’on utilise les données LST MODIS et Tb à 10 et 19 GHz pour contraindre le modèle, en comparaison avec les sorties du modèle sans les données satellites. Dans ce processus d’inversion, la correction de l’évolution des conditions de neige au cours de l’hiver contrainte avec le rapport de polarisation à 11 GHz constitue une approche originale. Une analyse de l’erreur pour 4 sites de toundra et sur plusieurs années (18 cas) est effectuée pour la période estivale (1,7 -3,6 K) ainsi que pour la période hivernale couverte de neige (1,8 -3,5 K). L’indice des degrés-jours de fontes annuel, dérivé des températures du sol simulés par notre approche, permet de cartographier les zones de pergélisols continu en accord avec les cartes actuelles. Un meilleur suivi des processus d’évolution des pergélisols, et tout particulièrement de l’impact de la couverture de neige, devrait permettre une meilleure compréhension des effets du réchauffement climatique sur la fonte des pergélisols et l’avenir de leurs stocks de carbone. / Abstract : High latitude areas currently are the most sensitive to global warming effects. In the next 100 years, temperature could rise up to 3 to 8 ◦C at the North Pole. Permafrost (ground with negative temperatures two years in a row) represents 25% of northern hemisphere lands, and contains huge quantities of "frozen" carbon estimated at 1400 Gt (40 % of the global terrestrial carbon). Recent studies showed that a part (50 %) of the permafrost first few meters could melt by 2050, and 90 % by 2100. The goal of our study is to improve our understanding of ground temperature evolution in arctic areas, especially in snow covered regions. The objective is to discribe the ground temperature all year long with and without a snow cover, and to analyze the evolution of the permafrost’s active layer in relation with the climate variability. We use remote sensing data (fuzzed of MODIS "LST" surface temperatures and AMSR-E "Tb" brightness temperatures) assimilated in the canadian landscape surface scheme (CLASS) coupled to a simple radiative transfer model (HUT). This approach takes into account the advantages of each kind of data in order to achieve two objectives : 1 - build a solid methodology allowing to retrieve ground temperatures, with and without a snow cover, in tundra areas ; 2 - from those retrieved ground temperatures, derive the summer melting duration which can be linked to the permafrost active layer thickness. We describe the models coupling as well as the methodology allowing the adjustement of CLASS input meteorological parameters (essentially the air temperatures and precipitations from the NARR meteorological data base) in order to minimize the simulated LST and Tb in comparison to remote sensing data. By using meteorological station’s ground temperature measurments as a reference for validation in North America tundra areas, results show that the proposed method improves the simulation of ground temperatures when using LST MODIS and Tb at 10 and 19 GHz data to constrain the model, in comparison with model outputs without satellite data. Using the Tb polarization ratio H/V at 10 GHz allows an improvement of the constrain on winter period simulations. An analyze of the error is conducted for summer (1,7 - 3,6 K) and winter (1,8 - 3,5 K). We present climatic applications for future work that meets the second objective of the Ph.D. A better understanding of evolution processes of permafrost, and particularly of the impact of the snow cover, should allow us a better understanding of global warming effects on the permafrost’s melting and the future of their carbon stocks.