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Validation de l’apport des micro-ondes passives pour le suivi du gel saisonnier du sol de la toundra dans le nord du Québec.

Kalantari, Parvin (2016). Validation de l’apport des micro-ondes passives pour le suivi du gel saisonnier du sol de la toundra dans le nord du Québec. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 218 p.

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Résumé

Le cycle de gel-dégel au Nunavik a été défini comme le nombre de jours où Tmax quotidienne est supérieur à 0°C et Tmin quotidienne est inférieur à 0°C. Ce cycle saisonnier de la température du sol et la longueur de la saison de gel est un phénomène majeur dans le système climatique et il joue un rôle important dans le fonctionnement des écosystèmes. Le gel du sol en Forêt Boréale et dans la Toundra limite le taux de photosynthèse et la respiration, spécialement dans les régions à haute altitude, car il diminue l’évaporation qui influence le transfert d’énergie entre le sol et l’atmosphère. Le gel du sol a également un impact sur la productivité annuelle des écosystèmes, le cycle du carbone et le soulèvement par le gel. Il diminue aussi la pénétration de l’eau dans le sol et modifie les conditions du ruissellement de surface. Cette étude a été initiée dans le cadre du programme fédéral canadien pour l’Année Polaire Internationale (API) et du projet interinstitutionnel « Variability and Change in the Canadian Cryosphere » – A Canadian Contribution to “State and Fate of the Cryosphere– sous le leadership d’Environnement Canada (EC). Par la suite, cette étude s’est poursuivie dans le cadre des efforts canadiens de recherche visant à développer des algorithmes et des produits pour l’utilisation, au Canada, des données de la mission SMAP de la NASA lancée le 31 janvier 2015. L’objectif principal de cette thèse est d'évaluer la précision à laquelle le gel saisonnier du sol dans la région subarctique du Québec (Nunavik), peut être cartographié quotidiennement, en utilisant des données micro-ondes passives. Les objectifs spécifiques de cette étude sont: (1) de sélectionner et d’adapter un algorithme pour produire des cartes journalières du cycle saisonnier de gel-dégel du sol dans le nord du Québec (Nunavik) à partir des données de micro-ondes passives disponibles, AMSR-E (19 et 37 GHzV, 25km) et SMOS (bande L, 1,4 GHz, 40km), (2) d’évaluer les impacts de la couverture de neige ainsi que les effets de l’occupation du sol sur la température de brillance récupérées des données satellitaires (AMSR-E et SMOS), (3) d’effectuer une analyse spatio-temporelle des cartes de gel produites à partir des micro-ondes passives afin de mieux comprendre les variations saisonnières du gel du sol du Nunavik, (4) d’acquérir des données terrain au Nunavik pour valider les cartes dérivées des données SMOS, (5) de valider les cartes de gel du sol à partir des données in situ, des données dérivées d’images MODIS LST, et des cartes de température moyenne du sol produites par MODIS. Notre étude combine la télédétection micro-ondes passives, les mesures de terrain et les outils statistiques pour déterminer la précision à laquelle le cycle de gel-dégel saisonnier du sol peut être suivi au Nunavik. Les cartes quotidiennes de gel-dégel du sol ont été générées pour les saisons de gel et de dégel de septembre 2007 à la fin 2009 à partir des données AMSR-E ainsi que de janvier 2011 à décembre 2012 à partir des données SMOS. De plus, des mesures in situ des réseaux météorologiques du Centre d’Études Nordiques et d’Environnement Canada ont servi à valider les données obtenues par les satellites. Des senseurs supplémentaires pour mesurer des caractéristiques du sol ont aussi été installés aux sites expérimentaux (Kuujjuaq et Umiujaq). La performance des algorithmes de cartographie diffère selon la saison et les capteurs utilisés. Une performance moyenne de 81% a été observée aux stations de mesure in situ pour les périodes de transition automnales et de 88,5% pour les périodes de transition printanières. Une comparaison quantitative avec les données journalières MODIS LST a aussi montré une performance moyenne de 82% durant la période de gel vs de 83,5% au cours de la période de dégel du sol. Les résultats de comparaison des valeurs de précisions globales et des indices kappa pour 12 capteurs de température à la surface du sol (-5cm) et six pixels SMOS amènent à la conclusion que la précision globale moyenne est de plus de 85% durant la période de gel vs de 91% au cours de la période de dégel du sol. La précision serait ici plus grande au printemps. La vérification de l’impact de la couverture de neige pour les données AMSR-E a été effectuée sur le résultat de gel saisonnier du sol. D’abord, les cartes quotidiennes de la présence de neige de la zone d’étude ont été produites à partir des mêmes fréquences et de l’émissivité normalisée cette dernière étant une innovation. Ensuite, en comparant avec les données in-situ de neige disponible, et les données climatiques (Tair-min, Tair-max, et précipitation) l’impact de neige sur le gel du sol a été évalué. L’incohérence du résultat de la comparaison des résultats de gel-dégel du sol des données AMSR-E avec ceux des données in-situ est due à la présence de la neige mouillée. Les grandes différences d'émissivité entre la neige sèche et la neige fondante au cours du printemps créent un grand contraste de Tb observée. De plus, il a été observé que le type de couvert de neige sèche observé au Nunavik avait peu d’impact sur le résultat de la classification de l’état du gel. Enfin, les données et les cartes fournies par cette recherche pourront être utilisées pour évaluer la représentation du gel du sol dans les modèles climatiques régionaux. Les cartes AMSR-E ont été déposées dans le PolarData Catalogue et les cartes SMOS le seront afin que les résultats soient accessibles aux communautés nordiques, aux gestionnaires des ressources et aux scientifiques intéressés par les variations de la période de gel d’une année à l’autre.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Bernier, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse: McDonald, Kyle C.
Mots-clés libres: sol; gel; dégel; données de micro-ondespassive; couverture de neige; données satellitaires; AMSR-E; SMOS; cartographie; Nunavik
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 22 mars 2017 20:54
Dernière modification: 22 mars 2017 20:54
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4891

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