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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/6844 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Montpetit, Benoît |
| Contributors | Royer, Alain |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French, English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Benoît Montpetit |
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