The Greenland ice sheet is the largest Northern Hemisphere store of fresh water, and it is responding rapidly to the warming climate. In situ observations document the changing ice sheet properties in the lower accumulation area, Southwest Greenland. Firn densities from 1840 meters above sea level retrieved in May 2012 revealed the existence of a 5.5-meter-thick, near-surface ice layer in response to the recent increased melt and refreezing in firn. As a consequence, vertical meltwater percolation in the extreme summer 2012 was inefficient, resulting in surface runoff. Meltwater percolated and refroze at six meters depth only after the end of the melt season. This prolonged autumn refreezing under the newly accumulated snowpack resulted in unprecedented firn warming with temperature at ten meters depth increased by more than four degrees Celsius. Simulations confirm that meltwater reached nine meters depth at most. The refrozen meltwater was estimated at 0.23 meters water equivalent, amounting to 25 % of the total 2012 ablation. A surface energy balance model was used to evaluate the seasonal and interannual variability of all surface energy fluxes at that elevation in the years 2009 to 2013. Due to the meltwater presence at the surface in 2012, the summer-averaged albedo was significantly reduced (0.71 in 2012; typically 0.78). A sensitivity analysis revealed that 71 % of the subsequent additional solar radiation in 2012 was used for melt, corresponding to 36 % of the total 2012 surface lowering. This interplay between melt and firn properties highlights that the lower accumulation area of the Greenland ice sheet will be responding rapidly in a warming climate. / Stability and Variations of Arctic Land Ice (SVALI) / Programme for Monitoring of the Greenland Ice Sheet (PROMICE) / Greenland Analogue Project (GAP)

The reliance on freshwater released by mountain glaciers and ice caps demands that the effects of climate change on these thermally-sensitive systems are evaluated thoroughly. Coupling climate variability to processes of mass and energy exchange at the glacier scale is challenged, however, by a lack of climate data at an appropriately fine spatial resolution. The thesis addresses this challenge through attempting to reconcile this scale mismatch: glacier boundary-layer observations of meteorology and ablation at Vestari Hagafellsjökull, Iceland, and Storglaciären, Sweden, are related to synoptic-scale meteorological variability recorded in gridded, reanalysis data. Specific attention is directed toward synoptic controls on: i) near-surface air temperature lapse rates; ii) stationarity of temperature-index melt model parameters; and iii) glacier-surface ablation. A synoptic weather-typing procedure, which groups days of similar reanalysis meteorology into weather categories , forms the basis of the analytical approach adopted to achieve these aims. Lapse rates at Vestari Hagafellsjökull were found to be shallowest during weather categories characterised by warm, cloud-free weather that encouraged katabatic drainage; steep lapse rates were encountered in weather categories associated with strong synoptic winds. Quantitatively, 26% to 38% of the daily lapse-rate variability could be explained by weather-category and regression-based models utilizing the reanalysis data: a level of skill sufficient to effect appreciable improvements in the accuracy of air temperatures extrapolated vertically over Vestari Hagafellsjökull. Weather categories also highlighted the dynamic nature of the temperature-ablation relationship. Notably, the sensitivity of ablation to changes in air temperature was observed to be non-stationary between weather categories, highlighting vulnerabilities of temperature-index models. An innovative solution to this limitation is suggested: the relationship between temperature and ablation can be varied as a function of weather-category membership. This flexibility leads to an overall improvement in the simulation of daily ablation compared to traditional temperature-index formulations (up to a 14% improvement in the amount of variance explained), without the need for additional meteorological data recorded in-situ. It is concluded that weather categories are highly appropriate for evaluating synoptic controls on glacier meteorology and surface energetics; significant improvements in the parameterization of boundary-layer meteorology and ablation rates are realised through their application.

Doctor of Philosophy / Department of Agronomy / P.V. Vara Prasad / Agriculture is the largest (90%) consumer of all fresh water in the world. The consumptive use of water by vegetation represented by the process evapotranspiration (ET) has a vital role in the dynamics of water, carbon and energy fluxes of the biosphere. Consequently, mapping ET is essential for making water a sustainable resource and also for monitoring ecosystem response to water stress and changing climate. Over the past three decades, numerous thermal remote sensing based ET mapping algorithms were developed and these have brought a significant theoretical and technical advancement in the spatial modeling of ET. Though these algorithms provided a robust, economical, and efficient tool for ET estimations at field and regional scales, yet the uncertainties in flux estimations were large, making evaluation a difficult task. The main objective of this study was to evaluate and improve the performance of widely used remote sensing based energy balance models, namely: the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), Mapping Evapotranspiration at high Resolution and with Internalized Calibration (METRIC), and Surface Energy Balance System (SEBS). Data used in this study was collected as part of a multi-disciplinary and multi-institutional field campaign BEAREX (Bushland Evapotranspiration and Agricultural Remote Sensing Experiment) that was conducted during 2007 and 2008 summer cropping seasons at the USDA-ARS Conservation and Production Research Laboratory (CPRL) in Bushland, Texas. Seventeen high resolution remote sensing images taken from multispectral sensors onboard aircraft and field measurements of the agro-meteorological variables from the campaign were used for model evaluation and improvement. Overall relative error measured in terms of mean absolute percent difference (MAPD) for instantaneous ET (mm h[superscript]-[superscript]1) were 22.7%, 23.2%, and 12.6% for SEBAL, METRIC, and SEBS, respectively. SEBAL and METRIC performances for irrigated fields representing higher ET with limited or no water stress and complete ground cover surfaces were markedly better than that for dryland fields representing lesser ET and greater soil water deficits with sparser vegetation cover. SEBS algorithm performed equally well for both irrigated and dryland conditions but required accurate air temperature data. Overall, this study provides new insights into the performance of three widely used thermal remote sensing based algorithms for estimating ET and proposed modifications to improve the accuracy of estimated ET for efficient management of water resources.

Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers. / The Antarctic Surface Mass Balance (SMB, i.e. the snow accumulation from which we subtract ablation by sublimation, run-off or erosion) is a major yet badly known contribution to changes in the present-day sea level. Water storage by snow accumulation on the Antarctic continent is expected to increase in the 21st century, which would moderate the rise in sea level and impact the ice dynamic response of the ice sheet. Three-quarters of the Antarctic SMB are concentrated below 2000 m above sea level whereas this area represents only 40% of the grounded ice sheet area. Orographic precipitation is a major contributor to snow accumulation in this region, which is why a better estimation of this term is important. The representation of this process by models depends to a great extent on the resolution of the model, since precipitation amounts depend on the ice sheet slopes. Sublimation and snowmelt also depend on elevation, and although they are presently minor contributors to the Antarctic SMB, their role is expected to become more important in the coming centuries. Global and regional atmospheric climate models are unable to achieve a 40-km resolution over Antarctica at a century time scale, due to their computing cost. At this resolution, the Antarctic coastal area is still badly represented. This is why we developed the downscaling model SMHiL (Surface mass balance high-resolution downscaling) to estimate the Antarctic SMB components at a high resolution (~15 km) from large-scale atmospheric forcings. We computed the impact of the high-resolution topography on orographic precipitation amounts and the boundary layer processes that lead to sublimation, melting and refreezing. SMHiL has been validated for the present period with a dataset composed of more than 2700 quality-controlled observations. However, very few of these observations are representative of the Antarctic coastal area. In this context, we show that the GLACIOCLIM-SAMBA stake lines located on the ice sheet coast-to-plateau area is an appropriate reference to evaluate model performance. Finally, we used SMHiL to estimate the SMB changes during the 21st and 22nd centuries, by downscaling the atmospheric global climate model LMDZ4. The high-resolution SMB is significantly different from the SMB given by LMDZ4 and is closer to the observed one for the present period. Our results suggest that previous studies using the LMDZ4 models underestimated the future increase in SMB in Antarctica by about 30%. Future changes in the Antarctic SMB at low elevations will result from the conflict between higher snow accumulation and runoff. The downscaling model is a powerful tool that can be applied to climate models for a better assessment of a future rise in sea level.

Au cours des dernières décennies, l'Indonésie a connu des transformations spectaculaires des terres avec une expansion des plantations de palmiers à huile au détriment des forêts tropicales. L'Indonésie est actuellement l'une des régions ayant le plus haut taux de transformation de la surface terrestre dans le monde à cause de l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres agricultures qui remplacent les forêts à grande échelle. Comme la végétation est un modificateur du climat près du sol, ces transformations à grande échelle ont des impacts majeurs sur les variables biophysiques de surface telles que la température de surface, l'albédo, les indices de végétation (NDVI), sur le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique. Ce travail de thèse vise à quantifier les impacts des changements d’usage des terres en Indonésie sur les variables biophysiques de surface. Pour évaluer ces changements à l'échelle régionale, des données de télédétection sont nécessaires. Étant une variable clé de nombreuses fonctions écologiques, la température de surface (LST) est directement affectée par les changements de la couverture terrestre. Nous avons analysé la LST à partir de la bande thermique d'une image Landsat et produit une carte de température de surface avec une haute résolution (30m) pour les basses terres de la province de Jambi à Sumatra (Indonésie), une région qui a subi de grandes transformations au cours des dernières décennies. La comparaison des LST, albédo, NDVI et évapotranspiration (ET) entre sept différents types de couverture terrestre (forêts, zones urbaines, terres incultes, plantations de palmiers à huile jeunes et matures, plantations d'acacias et de caoutchouc) montre que les forêts ont des températures de surface inférieures à celles des autres types de couvert végétal, ce qui indique un effet de réchauffement local après la conversion des forêts vers des plantations. Les différences de LST atteignaient 10,1 ± 2,6 ºC (moyenne ± écart-type) entre les forêts et les terres déforestées. Les différences de températures de surface s'expliquent par un effet de refroidissement évaporatif des forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo. Basé sur des différences observées dans les variables biophysiques entre les plantations de palmiers à huile jeunes et matures, nous avons analysé trois images Landsat couvrant une chronoséquence de plantations de palmiers à huile pour étudier la dynamique des variables biophysiques de surface pendant le cycle de rotation de 20-25 ans des plantations de palmiers à huile. Nos résultats montrent que les différences entre les plantations de palmiers à huile à différents stades du cycle de rotation du palmier à huile se reflètent dans les différences du bilan énergétique de surface, du partitionnement énergétique et des variables biophysiques. Au cours du cycle de rotation des plantations de palmiers à huile, les différences de température à la surface diminuent graduellement et se rapprochent de zéro autour du stade mature de la plantation de palmiers à huile de 10 ans. Parallèlement, le NDVI augmente et l'albédo diminue à proximité des valeurs typiques des forêts. Le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique montrent des tendances de développement liés aux variables biophysiques et à l'âge des plantations de palmiers à huile. Les nouvelles plantations et les jeunes plantations (<5 ans) ont un rayonnement net plus faible que les plantations de palmiers à huile matures, mais ont des températures de surface plus élevées que les plantations de palmiers à huile matures. Les changements dans les variables biophysiques, le bilan énergétique et la répartition de l'énergie au cours du cycle d’une rotation du palmier à huile peuvent s'expliquer par l'effet de refroidissement évaporatif précédemment identifié dans les forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo. L'un des principaux déterminants de ce mécanisme est la couverture végétale au cours des différentes phases du cycle de rotation du palmier à huile. Le NDVI en tant qu'indicateur du couvert végétal a montré une relation inverse cohérente avec LST de différentes plantations de palmiers à huile âgés, une tendance qui est également observée pour différents types d'utilisation des terres dans cette étude. Une analyse régionale et à plus long terme de la tendance LST entre 2000 et 2015 basée sur les données MODIS montre que dans la journée la température moyenne de Jambi a augmenté de 1,05 ºC, suivant la tendance des changements observés et dépassant les effets du réchauffement climatique. Afin d'évaluer les effets de l'expansion du palmier à huile sur le climat, le bilan énergétique de surface, le partitionnement énergétique et les processus biophysiques jouent un rôle important et le cycle complet de rotation des plantations de palmiers à huile doit être envisagé. Basé sur nos résultats, nous construisons le cycle de rotation des plantations de palmiers à huile et les changements qui se produisent au cours du développement de la végétation de palmiers à huile. Cette étude fournit des preuves que l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres cultures commerciales entraîne des changements dans les variables biophysiques, réchauffant la surface du sol et augmentant ainsi l'augmentation de la température de l'air à cause du changement climatique. En utilisant des données Landsat à haute résolution, nous avons pu inclure les effets du changement d'utilisation des terres sur les variables biophysiques. Comprendre les effets du changement de la couverture terrestre sur les variables biophysiques peut soutenir des politiques concernant la conservation des forêts existantes, la planification et l'expansion des plantations de palmiers à huile et les mesures de boisement possibles. La connaissance des variables biophysiques, du bilan radiatif et de la répartition énergétique au cours du cycle de rotation du palmier à huile peut inclure de nouvelles pratiques de gestion susceptibles de réduire les conditions environnementales et microclimatiques extrêmes dans la phase initiale des plantations de palmiers à huile.

The energy exchange in the soil-snow-vegetation-atmospheresystem was studied to improve the quantitative knowledge of thegoverning processes. The lack of such knowledge contributes tothe uncertainty in the applicability of many existing modelsindependent of the temporal or spatial scale. The theoreticalbackground and available methods for measurements and numericalsimulations were reviewed. Numerical simulation models andavailable data sets representing open land and boreal forestwere evaluated in both diurnal and seasonal time-scales.Surface heat fluxes, snow depth, soil temperatures andmeteorological conditions were measured at an agriculturalfield in central Sweden over two winters, 1997-1999. Twoone-dimensional simulation models of different complexity wereused to simulate the heat and water transfer in thesoil-snow-atmosphere system and compared with the measurements.Comparison of simulated and observed heat fluxes showed thatparameter values governing the upper boundary condition weremore important than the formulation of the internal mass andheat balance of the snow cover. The models were useful toevaluate the lack of energy balance closure in the observedsurface heat fluxes, which underlined the importance ofimproved accuracy in eddy correlation measurements of latentflow during winter conditions. The representation of boreal forest in the land surfacescheme used within a weather forecast model was tested with athree-year data set from the NOPEX forest site in centralSweden. The formulation with separate energy balances forvegetation and the soil/snow beneath tree cover improvedsimulation of the seasonal and diurnal variations of latent andsensible heat flux compared with an older model version.Further improvements of simulated surface heat fluxes could beexpected if the variation of vegetation properties within andbetween years and a new formulation of the boundary conditionsfor heat flux into the soil is included. Keywords: Surface energy balance, Snow, Boreal forest,SVAT models, Eddy-correlation Measurements, Latent heat flux,Sensible heat flux, Net radiation, Soil temperature,Aerodynamic roughness, Surface resistance / QC 20100614

<p>The energy exchange in the soil-snow-vegetation-atmospheresystem was studied to improve the quantitative knowledge of thegoverning processes. The lack of such knowledge contributes tothe uncertainty in the applicability of many existing modelsindependent of the temporal or spatial scale. The theoreticalbackground and available methods for measurements and numericalsimulations were reviewed. Numerical simulation models andavailable data sets representing open land and boreal forestwere evaluated in both diurnal and seasonal time-scales.Surface heat fluxes, snow depth, soil temperatures andmeteorological conditions were measured at an agriculturalfield in central Sweden over two winters, 1997-1999. Twoone-dimensional simulation models of different complexity wereused to simulate the heat and water transfer in thesoil-snow-atmosphere system and compared with the measurements.Comparison of simulated and observed heat fluxes showed thatparameter values governing the upper boundary condition weremore important than the formulation of the internal mass andheat balance of the snow cover. The models were useful toevaluate the lack of energy balance closure in the observedsurface heat fluxes, which underlined the importance ofimproved accuracy in eddy correlation measurements of latentflow during winter conditions.</p><p>The representation of boreal forest in the land surfacescheme used within a weather forecast model was tested with athree-year data set from the NOPEX forest site in centralSweden. The formulation with separate energy balances forvegetation and the soil/snow beneath tree cover improvedsimulation of the seasonal and diurnal variations of latent andsensible heat flux compared with an older model version.Further improvements of simulated surface heat fluxes could beexpected if the variation of vegetation properties within andbetween years and a new formulation of the boundary conditionsfor heat flux into the soil is included.</p><p><strong>Keywords</strong>: Surface energy balance, Snow, Boreal forest,SVAT models, Eddy-correlation Measurements, Latent heat flux,Sensible heat flux, Net radiation, Soil temperature,Aerodynamic roughness, Surface resistance</p> / QC 20100614

La paramétrisation du transfert de chaleur par télédétection, basée sur le schéma SEBS, s'est déjà avérée très adaptée pour l'estimation de l'évapotranspiration (ET) sur des surfaces naturelles homogènes. Cependant, l'utilisation d'une telle méthode pour des paysages hétérogènes (e.g. régions semi-arides ou surfaces agricoles) est plus délicate, puisque le principe de la théorie de la similarité est compromis par la présence de différentes sources de chaleur et de hauteurs variées. Dans un premier temps, cette thèse a pour objectif de proposer et d'évaluer différents modèles basés sur la géométrie de la végétation qui permettent d'estimer la longueur de rugosité pour le transfert de quantité de mouvement à la surface (z0m), cette dernière étant un paramètre clé dans la caractérisation du transfert de chaleur. En revanche, une telle investigation ne peut être menée qu'à une petite échelle et à l'aide de données de télédétection très haute résolution permettant ainsi une description très détaillée de la surface. Ensuite, le second aspect de ce travail est de caractériser le transfert de chaleur dans le cas d'études régionales. Puis, la capacité de SEBS à estimer les flux de chaleur turbulents à de grandes échelles spatiales et temporelles sera évaluée. Pour ce faire, l’approche multi-échelle de SEBS (MSSEBS) a été implémentée afin de traiter une zone de 2,4 millions km2, incluant le Plateau du Tibet et l’amont des principaux fleuves d’Asie du sud-est. La combinaison de données horaires de température de surface FY-2 avec un rayonnement net journalier et des paramètres de surface avancés, permet de produire une série temporelle d’ET sur le Plateau du Tibet pour la période 2008-2010, et à une fréquence journalière. / The parameterization of heat transfer by remote sensing, and based on SEBS scheme for turbulent heat fluxes retrieval, already proved to be very convenient for estimating evapotranspiration (ET) over homogeneous land surfaces. However, the use of such a method over heterogeneous landscapes (e.g. semi-arid regions or agricultural land) becomes more difficult, since the principle of similarity theory is compromised by the presence of different heat sources with various heights. This thesis aims at first to propose and evaluate some models based on vegetation geometry for retrieving the surface roughness length for momentum transfer (z0m), which is a key parameter in the characterization of heat transfer. Such an investigation can only be led at a small scale with very-high resolution remote sensing data, for a precise description of the land surface. Therefore, the second aspect of this work is to determine how to address the characterization of heat transfer for regional studies. Then, the reliability of SEBS for estimating turbulent heat fluxes at large spatial and temporal scales has been evaluated. To do so, the Multi-Scale SEBS approach (MSSEBS) has been implemented for a 2.4 million km2 area including the Tibetan Plateau and the headwaters of the major rivers of East and South Asia. The addition of gap-filled hourly FY-2 LST data to advanced daily averaged net radiation and land surface parameters, allows to compute time-series of land surface ET over the Tibetan Plateau during the period 2008-2010, and on a daily basis.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5605900 bytes, checksum: 3d25379d8d6eb2b9a5d187b806036974 (MD5) Previous issue date: 2014-05-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This study analyzed the influence of the soil s usage and occupation on the surface temperature variance and on radiation balance in Joao Pessoa city. For that, it was used remote sensing techniques, Geographic Information Systems and SEBAL algorithm. For the soil s usage and occupation classification, and the determination of emissivity, albedo, NDVI, IAF and SAVI were used, and for surface temperature and radiation balance, Landsat 5-TM satellite s images was used, referring to november 5, 1991; August 26, 2006; and October 8, 2010.The usage and occupation of João Pessoa s soil analyses showed that during the years of 1991, 2006 and 2010, the city had a considerable increase of the urban mesh above herbaceous vegetation and bare soil. The surface temperature has shown greater values above urban area and bare soil on the last three years, above all on 1991 which obtained maximum temperature values, with average of 31.4°C above urban area and 31.1°C above bare soil. The radiation balance images and statistic values has shown that the highest values of Rn was founded above arboreal/shrubby vegetation and water for all the years, above all on 2010 when was obtained the highest values of Rn for all soil usages, which the averages were 717.5W/m² above water, and 703.2W/m² above arboreal/shrubby vegetation. The relationship between the albedo of soil usages (urban and herbaceous vegetation) with the temperature and radiation balance, has shown that it was satisfactory, indicating the method efficiency for estimate the quoted parameters with the targets analyzed for João Pessoa city. The temperature and radiation balance results found on this study, obtained through SEBAL and satellite images, allows to conclude that the values has shown match variances with those showed in the literature for similar soil usages / Este trabalho analisou a influência do uso e ocupação do solo na variabilidade da temperatura da superfície e no saldo de radiação na cidade de João Pessoa. Para tanto, foram utilizadas técnicas de sensoriamento remoto, Sistemas de Informações Geográficas e o algoritmo SEBAL. Para a classificação do uso e ocupação do solo e a determinação dos valores de emissividade, albedo, NDVI, IAF, SAVI, temperatura de superfície e saldo de radiação à superfície, foram utilizadas imagens do satélite Landsat 5-TM referente aos dias 5 de novembro de 1991, 26 de agosto de 2006 e 8 de outubro de 2010.A análise do uso e ocupação do solo da cidade de João Pessoa apontou que no decorrer dos anos de 1991, 2006 e 2010 a cidade teve um considerável crescimento da malha urbana sobre áreas de vegetação herbácea e solo exposto. A temperatura da superfície apresentou maiores valores sobre área urbana e solo exposto nos três anos, sobretudo em 1991 que obteve valores máximos de temperatura, com média de 31,4ºC sobre área urbana e de 31,1ºC sobre solo exposto. As imagens do saldo de radiação e os valores estatísticos mostraram que os maiores valores de Rn foram encontrados sobre vegetação arbórea/arbustiva e água para todos os anos, sobretudo em 2010 onde foram obtidos os maiores valores de Rn para todos os usos do solo, cujas médias foram de 717,5W/m² sobre água e 703,2W/m² sobre vegetação arbórea/arbustiva. A relação entre o albedo dos usos do solo (urbano e vegetação herbácea) com a temperatura e o saldo de radiação, mostrou-se satisfatórios, indicando a eficiência do método na estimativa dos parâmetros citados com os alvos analisados para a cidade de João Pessoa. Os resultados de temperatura e saldo de radiação encontrados nesta pesquisa, obtidos através do SEBAL e das imagens de satélite, permitem concluir que os valores apontaram variações condizentes com os apresentados na literatura para usos do solo similares

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.