Assimilation des réflectances spectrales Autosolexs

L’assimilation des données Autosolexs discutée dans cette partie constitue notre expérience

de référence au CdP. Ici, nous évaluons la précision des estimations de l’évolution du manteau

neigeux par le système d’assimilation intégrant des mesures de réflectances précises et fidèles

de ses états de surface. La limite principale de cette expérience vient de la disponibilité des

réflectances spectrales uniquement de février à mai. Une conclusion des travaux réalisés en

expériences jumelles (chapitre 4) indiquait l’importance d’assimiler des observations tout au

long de la saison pour obtenir les meilleures performances. Également, seulement 5 bandes

spectrales sont exploitées dans cette étude contre 7 lors de l’assimilation des données MODIS

(limitation instrumentale, section5.2.1.1).

Pour reproduire les conditions des mesures satellitaires MODIS et assurer une cohérence

temporelle entre les observations assimilées et les simulations Crocus, le système assimile les

réflectances spectrales à 12h00 les jours de ciel clair. Les réflectances fournies par Autosolexs

sont représentées dans la Figure5.17. Le nombre élevé de 75 mesures (points rouges et bleus)

témoigne du fort ensoleillement au CdP à la fin de cette saison (du moins à 12h00).

Au-tosolexs réalisant une mesure toutes les 12 mn, la réflectance spectrale assimilée correspond à

la moyenne des réflectances spectrales mesurées sur un intervalle d’une heure (11h30-12h30).

De ce fait, nous pouvons quantifier l’incertitude de chaque réflectance spectrale moyennée en

estimant leur RMSE calculée par la comparaison de la valeur moyenne obtenue avec toutes

les mesures de réflectances sur l’intervalle de temps. Ces RMSEs, associées à leurs

observa-tions, sont symbolisées sur la Figure 5.17 par les barres verticales . Pour n’assimiler que les

réflectances de meilleure qualité, les mesures Autosolexs sont sélectionnées simplement si leurs

valeurs de RMSE sont inférieures à 0.08. Les réflectances spectrales retenues (éjectées) sont

représentées par les points rouges (bleus) sur la Figure5.17. En conséquence, 24 observations

ne sont pas retenues. Les 51 restantes pour l’assimilation recouvrent une période de 74 jours

(du 1 février au 16 avril 2014). En comparaison des essais menés précédemment au CdL,

aucune méthode spécifique de sélection des réflectances spectrales n’est appliquée dans cette

étude (détails dans la section 5.1.5.1). A chaque date d’assimilation, les réflectances des 5

bandes spectrales sont utilisées conjointement.

Figure 5.17: Réflectances spectrales à 640, 860, 460, 560 et 1000 nm issues de l’instrument Autosolexs,

mesurées les jours de ciel clair entre janvier et mai 2014 au CdP. Ces réflectances correspondent à

la moyenne des mesures réalisées sur un intervalle d’une heure entre 11h30 et 12h30. Les RMSEs de

chaque mesure sont indiquées par les barres verticales. Les 4 premières bandes spectrales coïncident

avec celles de MODIS. La bande à 1000 nm est rajoutée pour renseigner sur les variations des valeurs

de réflectances dans l’infrarouge. Les points bleus représentent les observations non retenues pour

l’assimilation en raison de leur forte valeur de RMSE et les points rouges indiquent les observations

assimilées. Les enveloppes grises représentent l’ensemble de 300 simulations Crocus (sans assimilation)

et les courbes en pointillés délimitent les erreurs±10%de cet ensemble pour chaque bande spectrale.

Les résultats de l’assimilation des mesures Autosolexs sur les réflectances à 640 et 1000 nm

ainsi que pour les variables SD et SWE sont présentés dans la Figure5.18. Les réflectances

assimilées pour la bande 1 MODIS (domaine du visible) et la bande à 1000 nm (domaine

infrarouge) sont représentées par les losanges rouges dans les graphiques (a) et (b). Sur les

graphiques (c) et (d), les mesures automatiques correspondent aux courbes ou points violets

tandis que les mesuresin situ sont symbolisées par les points rouges.

Figure 5.18: Résultats de l’expérience de référence. Évolution temporelle des ensembles Crocus

au cours de la saison 2013/2014 en termes de (a) réflectances à 640 nm, (b) réflectances à 1000 nm,

(c) SD et (d) SWE. L’ensemble assimilant les réflectances Autosolexs est représenté par les enveloppes

bleues et, celles en gris correspondent à l’ensemble sans assimilation (rapportées de la Figure5.16). Sur

les graphiques (a) et (b), les losanges rouges montrent les observations assimilées. La courbe violette

sur le graphique (c) et les points violets sur le graphique (d) indiquent les mesures automatiques

SDauto et SWEauto, respectivement. Les points rouges (graphiques c et d) représentent les mesures

réalisées chaque semaine par l’observateur Météo France. Sur ces mêmes graphiques, la ligne noire

représente le quantile 50 % (médiane de l’ensemble) et les lignes en pointillés noirs les quantiles 33 %

et 67 %.

Les ensembles évoluent de novembre à février uniquement selon les forçages

météorologiques perturbés. L’assimilation débute le 1er février induisant une faible

diminu-tion de la dispersion des différents ensembles. 10 jours séparent cette première assimiladiminu-tion

des suivantes, durant cette période on constate que les ensembles de réflectances (graphiques

(a) et (b), enveloppes bleues) retrouvent rapidement la même dispersion que l’expérience sans

assimilation (enveloppes grises). Les ensembles SD et SWE (graphiques (c) et (d), enveloppes

bleues) maintiennent quant à eux une dispersion plus faible. Le 19 février (la8ieme

observa-tion), on remarque une mesure de réflectance qui n’est pas incluse dans les enveloppes grises,

et qui semble refléter des valeurs plus faibles que ne le laisse supposer l’ensemble Crocus ou

l’évolution des valeurs de réflectances mesurées juste avant ou juste après cette date. Il n’est

pas non plus improbable que ce soit l’inverse, c’est-à-dire que l’ensemble Crocus surestime les

valeurs de réflectances à cette date. Quoi qu’il en soit, l’assimilation de cette observation

“con-tradictoire” aux valeurs de l’ensemble, n’implique aucun comportement inadapté ou extrême

du filtre.

Le manteau neigeux est à son extension maximum début mars (entre le 4 selon les

mesures SD_auto et le 12 mars selon les mesures SW E_auto). A cette date, une dispersion

de∆SW E_AD≈200 kg m−2 caractérise l’ensemble SWE. Bien que les ensembles SD et SWE

incluent les mesures nivologiques du CdP, la comparaison de ces mesures aux quantiles des

ensembles assimilés (courbes noires) démontre une sous-estimation des variables du manteau

neigeux par le système d’assimilation.

Le premier épisode de fonte du manteau neigeux (selon SWEauto du 12 au 21 mars)

conduit à une très forte augmentation de la dispersion de l’ensemble sans assimilation (le 21

mars∆SW E_AD≈480 kg m−2).

Durant cette période, l’assimilation a des répercussions différentes sur les ensembles de

réflectances. Pour la bande visible (640 nm), la dispersion de l’ensemble est considérablement

diminuée mais néanmoins les observations y sont intégrées. L’ensemble de réflectances à

1000 nm montre une dispersion équivalente (attention, l’échelle de l’axe y est différente).

Cependant, l’ensemble surestime les réflectances qui ne sont plus comprises dans l’enveloppe.

Le filtre accorde plus d’importance à la bande visible qu’à la bande infrarouge. Le nombre de

4 bandes visibles comparé à 1 seule dans l’infrarouge peut expliquer ce phénomène.

L’action de l’assimilation sur les ensembles SD et SWE pour cette période (du 12 au

21 mars) est très efficace. Une réduction progressive mais importante est réalisée sur leurs

ensembles. D’environ∆SW EAD ≈200 kg m−2 le 12 mars, la dispersion de l’ensemble SWE

diminue jusqu’à ∆ SW EAD <100 kg m−2 le 21 mars. L’ensemble Crocus qui sous-estimait

les variables SD et SWE montre désormais un bon accord avec les mesures in situ. Les

localisations différentes entre les mesures Autosolexs et les acquisitions automatiques de SD

et SWE doivent être à l’origine des écarts entre ces mesures et les ensembles Crocus.

Le couvert nival connaît ensuite un nouvel épisode de chutes de neige s’étalant sur 4 jours

avant de fondre entièrement le 18 avril selon les SDauto (28 avril selon les SW Eauto). De

la même manière que pour la fonte précédente, les réflectances visibles sont comprises dans

l’ensemble assimilé alors que celles à 1000 nm ne le sont pas. Pour les variables SD et SWE, on

constate une fois encore une diminution progressive de la dispersion des ensembles. Bien que

relativement étroits,∆SW EAD≈100 kg m−2, ces ensembles intègrent désormais les mesures

in situ. La date de fonte totale est bien estimée. L’intervalle de temps entre le premier et le

dernier membre à disparaitre le manteau neigeux est d’environ 5 jours.

La Figure 5.19 montre l’évolution temporelle des RMSEs des ensembles de l’expérience

de référence (courbes rouges) comparées aux RMSEs des ensembles non assimilés (courbes

bleues). Ces RMSEs sont calculées à partir des mesures automatiques du CdP et chaque

membre de l’ensemble.

Concernant les réflectances, les RMSEs de l’ensemble avec assimilation sont toujours

in-férieures aux RMSEs sans assimilation, attestant des bonnes capacités du filtre sur la variable

de contrôle. La comparaison entre les RMSEs de la bande visible (graphique a) et les RMSEs

de la bande infrarouge (graphique b) reflète le constat observé auparavant, c’est-à-dire de

meilleures performances pour les réflectances de la première bande MODIS.

L’impact de l’assimilation sur les RMSEs des variables SD et SWE est bien visible à partir

du mois de mars, c’est-à-dire dès le début de la période de fonte. Jusqu’à la disparition du

manteau neigeux les RMSEs restent inférieures à celles de l’expérience sans assimilation. Pour

la variable SD, les moins bons résultats observés en fin de saison peuvent être dus à la date

de fonte mesurée via SDauto qui semble sous-estimée par rapport à la tendance des mesures

Figure 5.19: Évolution temporelle des RMSEs calculées au cours de la période d’assimilation (1 février

au 16 avril 2014) au CdP pour les ensembles en termes de (a) réflectances à 640 nm, (b) réflectances

à 1000 nm, (c) SD et (d) SWE. Les RMSEs sont calculées entre les mesures automatiques du CdP

(Figure5.18, Autosolexs (AD obs), SDautoet SWEauto) et chaque membre de l’ensemble. Les courbes

bleues correspondent aux RMSEs de l’expérience sans assimilation, et les courbes rouges aux RMSEs

de l’expérience de référence après l’analyse. Les points indiquent les différentes dates d’analyse (la

disponibilité des observations Autosolexs).

Il est intéressant de constater qu’en diminuant la matrice de covariance des erreurs des

réflectances assimilées (les RMSEs sont mises au carré), les résultats de l’assimilation

mon-trent une réduction drastique de la dispersion des ensembles (Figure 5.20). En particulier,

la première analyse contraint très fortement les ensembles SD et SWE, ce qui n’était pas

le cas dans l’expérience précédente. L’ensemble SD, désormais très sous-dispersif, évolue de

façon très cohérente comparées aux mesuresin situ de SD. A la différence de l’expérience de

référence, l’assimilation montre ici un impact significatif durant la période d’accumulation.

Cette expérience met en avant que l’information contenue dans les réflectances reflète

cor-rectement les caractéristiques du manteau neigeux et que dans ces conditions, le système

d’assimilation est en mesure d’estimer avec justesse l’évolution du couvert nival uniquement

à partir d’informations de surface. En pratique, sans la possibilité d’un tel niveau de

con-naissance du système, l’objectif d’une approche ensembliste n’est pas de proposer un résultat

si peu dispersif. L’équilibre entre la qualité des observations et la caractérisation de leurs

erreurs est une fois encore montré décisif dans les performances de l’assimilation.

Figure 5.20: Graphique similaire à la Figure5.18où cette fois les enveloppes bleues correspondent à

l’assimilation des mesures Autosolexs avec une matrice de covariance diminuée et les enveloppes grises

représentent les résultats de l’assimilation de référence au CdP (rapportées de la Figure5.18).

En conclusion, le système d’assimilation contraint par des données précises de l’état de

surface du manteau neigeux est en mesure de représenter l’évolution des estimations de la

hauteur de neige et son équivalent en eau. Les comparaisons réalisées à partir des observations

mesurées sur ce site démontrent les bonnes performances du filtre dans la réduction de la

dispersion des ensembles Crocus incluant la plupart du temps les observations nivologiquesin

situ. Les différences obtenues en termes de RMSE entre les ensembles avec et sans assimilation

confirment ces bons résultats. Contrairement à ce que nous avions pu observer au CdL, cette

expérience démontre que l’utilisation de réflectances optiques améliore la prévision de fonte

du couvert nival. La disponibilité des mesures Autosolexs ne permet pas, hélas, d’étudier

l’impact de l’assimilation sur la saison entière. En se basant sur cette expérience de référence,

des tests supplémentaires vont pouvoir nous informer sur la sensibilité du système face à la

qualité des observations. Ces tests sont présentés dans la section suivante.

Dans le document Assimilation de réflectances satellitaires du domaine visible et proche infrarouge dans un modèle détaillé de manteau neigeux (Page 156-161)