The understanding of the dynamics of the climatic variables is critical to model and predict climatic and environmental changes. Traditional measures collected by the meteorological stations network are dispersedly located throughout the territory in the northern high latitudes and errors associated to these variations can be considerable. Our goal is to evaluate the contribution of the remote sensing by passive microwaves compared to the ground measurements for better characterizing the variations in the surface temperature during the winter. In the presence of snow, extraction of the surface parameters by microwave measurements is a complex and ill-conditioned problem. We evaluated a semi-empirical relation based on a theoretical analysis to estimate the surface temperatures with the measured brightness temperatures at 19 and 37 GHz (vertical polarization). Simulations of emissivity made with the Helsinki Technology University (HUT) model, the knowledge of the land cover, and the forest biomass enable us to define this relationship.The results of the comparison between the calculated surface temperatures and the air temperatures for the entire Canada (137 stations) and for two winters, 1992-93 and 2002-03 (16359 measurements) show a significant correlation with an estimation error ranging between 4 and 7[degrees Celsius] according to the regions considered. These results are discussed according to region and type of land cover (grassland, forest, tundra).

The Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) radiometer is a useful tool for monitoring snow conditions and estimating snow water equivalent and wetness because it is sensitive to the changes in the physical and dielectric properties of snow. Development and improvement of SSM/I snow-related algorithms is hampered generally by the lack of quantitative snow wetness data and the restriction of a fixed uniform footprint. Currently, there is a need for snow classification algorithms for terrain where forests overlie snow cover. A field experiment was conducted to examine the relationship between snow wetness and meteorological variables. Based on the relationship, snow wetness was estimated concurrently with SSM/I local crossing time at selected footprints to develop an SSM/I snow wetness algorithm. For the improvement of existing algorithms, SSM/I observations were linked with concurrent ground-based snow data over a study area containing both sparse- and medium-vegetated regions. Unsupervised cluster analysis was applied to separate SSM/I brightness temperature (Tb) data into groups. Six typical SSM/I Tb signatures, based on cluster means of desired snow classes, were identified. An artificial neural network (ANN) classifier was designed to learn the typical Tb patterns Ill for land-surface snow cover classification. An ANN approximator was trained with the relations between inputs of SSM/I Tb observations and outputs of ground-based snow water equivalent and wetness. Results indicated that snow wetness estimated from concurrent air temperature could provide the ground-based data needed for the development of SSM/I algorithms. The use of cluster means might be sufficient in ANN supervised learning for snow classification, and the ANN has the potential to be trained for retrieving different snow parameters simultaneously from SSM/I data. It is concluded that the ANN approach may overcome the drawbacks and limitations of the existing SSM/I algorithms for land-surface snow classification and parameter estimation over varied terrain. This study demonstrated a nonlinear retrieval method towards making the inferences of snow conditions and parameters from SSM/I data over varied terrain operational.

L'objectif des études en télédétection au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement est de pouvoir mesurer de l'espace les paramètres géophysiques importants caractérisant la surface des calottes polaires, tels que les zones de fonte, la température et l'accumulation de neige. De plus, les mesures satellitaires dans le domaine des micro-ondes offrent l'avantage d'être peu sensibles aux effets atmosphériques et de fournir des informations sur une épaisseur du manteau neigeux de quelques centimètres à plusieurs mètres. Un modèle semi-empirique basé sur le transfert radiatif et un modèle thermodynamique simple ont permis, moyennant l'hypothèse d'une émissivité constante et l'ajustement du coefficient d'extinction dans le milieu, de reconstruire les températures de brillance mesurées par le satellite (données SSM/I), à partir des seules températures de l'air dont nous disposions. Cette méthode a été testée sur deux sites d'Antarctique présentant des caractéristiques de neige différentes. Ce modèle a ensuite été inversé de façon à déterminer la température de surface de la neige à partir des mesures satellitaires. Le problème est actuellement sous déterminé, cependant les résultats sont prometteurs. De manière à valider les modèles, nous avons acquis simultanément, en un site glaciaire du massif du Mont-Blanc, des mesures radiométriques à plusieurs fréquences et angles d'incidence, avec le radiomètre PORTOS du CNES, fixé à une télécabine, et des mesures des caractéristiques du manteau neigeux. Ces mesures ont été étalonnées, corrigées de l'angle local d'incidence, l'effet du diagramme d'antenne sur la mesure angulaire a été évalué. Elles ont alors été comparées aux valeurs simulées par un modèle d'émissivité de la neige pour un milieu uniforme et stratifié et à un modèle de transfert radiatif. Les problèmes de caractérisation de la structure de la neige pour les micro-ondes et de modélisation de la diffusion par les cristaux ont été soulevés.

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.

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.

La neige étant une composante importante du climat terrestre, il convient de l'étudier à l'échelle du globe pour en comprendre son rôle.<br /><br />Ces travaux visent ainsi à étudier le contenu en information sur le manteau neigeux à l'échelle globale des observations satellites réalisées à partir de différents instruments couvrant différents domaines du spectre électromagnétique (visible, infrarouge et micro-ondes). Des paramètres autres que la neige interférant dans la problématique, il est nécessaire de les déterminer afin d'encadrer leurs influences. Ensuite, on cherchera comment limiter la pollution qu'engendre ces paramètres sur l'information accessible du manteau neigeux, on aura alors recours à ce que l'on appelera des statistiques locales.<br />Hélas ces statistiques locales ne sont pas disponibles sur l'ensemble du globe. Il est donc inévitable d'utiliser la modélisation pour permettre l'interpolation. Toutefois, une méthode originale d'ajustement de modèle par analyse en composantes principales sera présentée. Au final, la synergie entre les observations satellites, la modélisation et les mesures in situ devra être utilisée pour extraire de façon optimale l'information contenu dans les données et permettre l'inversion de l'épaisseur de neige à grande échelle.<br />D'autre part, il sera intéressant de caractériser les différents types de neiges existants selon une classification non-supervisée des observations satellites afin d'extraire les similitudes et les spécificités de chacun de ces types.