Les réseaux de mesure de l’humidité du sol

III.1.1. Le réseau SMOSMANIA

Les estimations satellitaires de l’humidité du sol doivent être vérifiées. Pour cela, on peut utiliser des campagnes de mesures aéroportées ou in situ. On a cependant besoin d’observations sur une longue période afin d’échantillonner des conditions suffisamment contrastées. Les campagnes de mesures aéroportées fournissent une information spatialement étendue mais ont un coût important. Des systèmes d’acquisition de l’humidité du sol peuvent être mis en place parallèlement sur le terrain mais ils ne donnent qu’une information ponctuelle dans l’espace. Dans le cadre de la mission SMOS, une fois les premières données disponibles, des campagnes de mesures couvrant un large gradient d’humidité et sur plusieurs centaines de kilomètres permettront de valider ces produits d’humidité de surface (e.g. Cal/Val SMOS de 2010). L’installation d’un tel réseau de mesures demande du temps et beaucoup d’efforts. Le CNRM a tiré avantage d’un réseau de mesures déjà existant : le réseau RADOME de Météo-France. Il s’agit d’un réseau de collecte de données météorologiques en temps réel comptant plus de 400 stations en France. Douze stations de mesures de ce réseau ont été choisies de manière à représenter un transect de 400 km dans le Sud-Ouest de la France et ont été équipées pour la mesure de l’humidité et de la température du sol en temps réel à différentes profondeurs. Elles constituent le réseau SMOSMANIA s’étendant de la mer Méditerranée à l’océan Atlantique. Cette formation permet d’observer un gradient climatique dans cette partie de la France. Ce réseau est présenté sur la Figure 8.

52 Figure 8 : Localisation des stations du réseau de mesures SMOSMANIA et du site expérimental SMOSREX dans le Sud-Ouest de la France

53 L’objectif principal de SMOSMANIA est la validation des estimations satellitaires de l’eau dans sol. Les autres objectifs sont : (i) la validation des produits opérationnels ‘eau du sol’ de Météo France, notamment du modèle hydrométéorologique SIM (Habets et al., 2005, 2008), (ii) la validation des nouvelles versions du modèle de surface de Météo France (ISBA, inclus dans la plateforme de modélisation SURFEX), (iii) la vérification sur le terrain des futures missions aéroportées de calibration et validation (Cal/Val) dans le cadre de la mission SMOS. Les mesures sont disponibles en temps réel. Cela permet de suivre la qualité des données. Comme ce sont également des stations RADOME, elles mesurent la température de l’air, l’humidité de l’air, les précipitations et la vitesse du vent. Certaines d’entre elles mesurent aussi le rayonnement solaire. A l’exception d’une station (Mouthoumet, 538m), toutes sont situées dans des zones relativement planes. Les 3 stations les plus à l’est sont représentatives d’un climat méditerranéen. La végétation consiste généralement en une prairie coupée deux fois par an. La distance moyenne entre deux stations est de 45km ce qui est consistant avec la résolution des produits satellites (30-50km pour SMOS, 50 re-échantillonnée à 25km pour ASCAT). Sur chaque station, 4 sondes ont été installées horizontalement, à différentes profondeurs : 5, 10, 20 et 30cm. Les sondes sont des ThetaProbes ML2 de Delta-T Devices (White et al., 1994). Une acquisition est réalisée toutes les 12 minutes depuis janvier 2007. La Figure 9 présente des mesures d’humidité du sol acquises à la surface (wg à 5cm) des stations

SMOSMANIA sur une période de 3 ans (2007-2008-2009).

Figure 9: Humidité des sols observée à 5cm aux 12 stations du réseau SMOSMANIA sur une période de trois ans (2007-2009).

Les ThetaProbes produisent un signal électrique en Volt qui est virtuellement proportionnel aux variations de l’humidité dans le sol. Pour chaque site, et pour chaque profondeur, des

54 courbes de calibration ont été déterminées par l’équipe 4M du CNRM à partir de mesures gravimétriques pour convertir le signal originel en Volt en unités d’humidité volumique (m3m-3). Ainsi, 48 courbes de calibration ont été obtenues pour le réseau SMOSMANIA. Les calibrations ont été réalisées à la fois sur le terrain, au travers des mesures gravimétriques (en 2006 et 2007) et en laboratoire où les échantillons ont été suivis dans différentes conditions imposées. Des échantillons de sol ont également été prélevés aux différentes profondeurs concernées afin de déterminer la texture, la densité et la matière organique. En 2008, ce réseau a été prolongé vers l’est de la France en prévision de la campagne de mesure HYMEX (HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment). Neuf nouvelles stations ont ainsi été équipées (réseau SWATMEX pour Soil Water And Temperature in Mediterranean Experiment). Ce projet est dédié à l’étude du cycle de l’eau en Méditerranée (http://www.hymex.org), avec un intérêt particulier pour l’évolution de la variabilité climatique, la genèse et la prévisibilité des événements intenses.

III.1.2. Le site de SMOSREX : le radiomètre LEWIS

Le radiomètre SMOS fonctionne en bande L. Le principal objectif de SMOSREX est l’amélioration de la modélisation micro-ondes en bande L. Si de nombreuses études à l’échelle de la parcelle (Choudhury et al., 1979, Eagleman et Lin, 1976, Schneeberger et al., 2004, Wigneron et al., 2002, 1996, 2004, Calvet et al. 2010), ou à plus petite échelle utilisant des campagnes aéroportées (Schmugge et al., 2002, Jackson et al., 1995, 1999) ont déjà été dédiées à l’analyse des mesures micro-ondes en bande L à la surface, elles étaient de courte durée. SMOSREX permet d’étudier ce phénomène de manière continue dans le temps. Deux parcelles, l’une en sol nu et l’autre en jachère, sont observées par un radiomètre en bande L (LEWIS pour L-band radiometer for Estimating Water In Soils) situé sur un portique, à 15 mètres au-dessus du sol (Lemaître et al., 2004).

Cet instrument mesure l’énergie émise par la surface de la Terre en bande L. Il est équipé d'une antenne de type cornet, de largeur de lobe de 13.5°. Un système de pointage permet d'effectuer de manière automatique 8 fois par jour des balayages des surfaces de jachère et de sol nu à différents angles d'incidence (entre 20 et 60°).

Le contenu en eau des matériaux a une forte influence sur leurs propriétés diélectriques. La quantité de rayonnement pouvant être émise par une surface dépend de ses propriétés diélectriques. Les surfaces ont une certaine valeur d’émissivité. Cette dernière conditionne la quantité de rayonnement que la surface peut émettre. L’humidité réduit l’émissivité du sol et il est donc possible de suivre ces variations en mesurant cette émissivité. Tout corps porté à une certaine température va émettre un rayonnement dont l’intensité dépend de cette température. Un corps noir, qui est un émetteur et un absorbant parfait dans toute la gamme de longueurs d’onde, convertit le mieux l’énergie thermique en énergie rayonnante. Inversements il absorbe et convertit toute l’énergie radiative reçue en chaleur. L’énergie qu’il émet est une fonction croissante de la température à une fréquence donnée. Un corps naturel à une température physique émet quant à lui un rayonnement moins énergétique que celui du corps noir à la même température physique. On lui associe alors une « température énergétique équivalente de corps noir » aussi appelée température de brillance. C’est cette quantité qui est mesurée par LEWIS sur le site de SMOSREX. La température de brillance est donc définie comme étant la température qu’aurait un corps noir émettant le même flux de rayonnement que la surface considérée. C’est le produit de l’émissivité et de la température physique.

55 Les modèles d’émission simulant les températures de brillance en bande L peuvent être inversés pour estimer l’humidité du sol. La capacité des températures de brillance pour analyser l’humidité du sol a déjà été étudiée (Entekhabi et al., 1994; Reichle et al., 2001). Des estimations de l’humidité des sols à partir de telles mesures sont déjà disponibles. SMOSREX a été utilisé pour développer et améliorer les algorithmes d’inversion des températures de brillance comme présenté dans l’étude de Saleh et al., 2007. Dans ce travail de thèse, nous utilisons des estimations d’humidité du sol issues de l’inversion des températures de brillance mesurées par LEWIS sur la période 2003-2007. L’algorithme utilisé pour inverser les émissions mesurées en bande L et retrouver les humidité de sol est basé sur l’étude de Saleh et al., 2007 mis en œuvre à l’INRA de Bordeaux (Unité EPHYSE). Cette thématique est au centre du projet SMOS. C’est le modèle L-MEB (L-Band Microwave Emission of the Biosphere) décrit en détail dans Wigneron et al., 2007 qui à été retenu. Il est à la base de l’algorithme d’inversion des données SMOS. La communauté scientifique travaillant sur les micro-ondes passives s’accorde pour dire que c’est un modèle de transfert radiatif de type « τ-

ω » qui doit être utilisé pour modéliser les émissions du sol en bandes L (Wigneron et al., 1995, Njoku et al, 2002, Pellarin et al., 2003). Cette approche représente le sol comme une surface plane en contact avec la végétation, représentée comme une couche homogène en équilibre thermodynamique local. L’émission du sol est atténuée par la végétation, qui a sa propre émission, dont une partie est réfléchie par le sol. La réflexion du rayonnement cosmique et atmosphérique est également représentée. L’inversion de L-MEB consiste en un schéma itératif qui minimise une fonction coût provenant de la différence entre les mesures multi-angulaires d’un radiomètre en bande L (LEWIS dans notre cas) et des données simulées par L-MEB. Les estimations sont disponibles à partir du début de l’année 2003. Elles sont présentées par la Figure 10.

Figure 10: Humidité du sol mesurée in situ en surface (points noirs) et estimée (rouge) à partir des mesures de température de brillance du radiomètre en bande L LEWIS sur le site de SMOSREX sur la période 2003-2007.

Ce jeu de donnée est utilisé dans le chapitre suivant en plus des observations d’humidité du sol in situ acquises sur le site de SMOSREX.