III.4 La restitution de la température de surface sur continents (LST)
III.4.2 Méthodes de restitution de la LST avec émissivité connue
L’approche de restitution de la LST avec émissivité connue a priori se base sur une connais-sance de l’émissivité qui peut être définie à partir d’atlas d’émissivité. Ces atlas représentent une climatologie mensuelle d’émissivité de surface, calculée à partir d’un capteur pour un ca-nal donné. Plus de détails sur les atlas d’émissivité utilisés à Météo-France ont été présentés à la section III.3.
Nous présentons dans cette section un comparatif [Li et al., 2013] des méthodes de restitution de LST avec émissivité connue, les plus communes.
Le tableau III.1 récapitule les méthodes de restitution de LST avec émissivité de surface connue, que nous allons présenter dans cette section.
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Table III.1 – Comparatif des méthodes de restitution de LST avec émissivité connue (d’après [Li et al., 2013])
Approche Méthode Approximation Avantages Inconvénients
Restitution de LST avec émis-sivité connue Méthode Mono-canal [Jiménez-Munoz and Sobrino, 2003] [Karbou et al., 2005] -i S-imple ii Applicable à des capteurs avec un seul canal fenêtre
1 Nécessite une connaissance a priori de l’émissivité 2 Nécessite une connaissance
a priori des profils atsphériques ainsi qu’un mo-dèle de transfert radiatif 3 L’incertitude des profils
at-mosphériques peut avoir un fort impact sur la res-titution
4 L’utilisation de relations empiriques donne de faibles résultats aux condi-tions atmosphériques de vapeur d’eau élevée
Méthode Multi-canal [Li et al., 2013] [Abdelkader and Ammar, 2015] [Wang et al., 2019] i L’absorption atmosphé-rique est différente entre deux canaux adja-cents i Simple et très effi-cace ii Ne nécessite pas de connaissance très précise des profils atmosphériques iii Adéquate aux
cap-teurs ayant deux ca-naux ou plus dans la fenêtre atmosphé-rique
1 Nécessite une connaissance a priori de l’émissivité 2 Il existe différentes
pa-ramétrisations des coeffi-cients ce qui peut don-ner lieu à différents algo-rithmes et différentes per-formances
3 La précision est dégradée en présence de grandes quantités de vapeur d’eau ou bien dans les forts angles zénithaux Méthode Multi-angulaire [Sobrino and Romaguera, 2004] i Les LST sont indé-pendantes des angles zénithaux ii L’atmosphère est horizon-talement stable et uniforme sur l’intervalle d’observation i Simple et très effi-cace ii Ne nécessite pas de connaissance très précise des profils atmosphériques iii La restitution de
LST ne dépend pas des erreurs de propriétés optiques des composants atmosphériques
1 Nécessite une connaissance a priori de la variabilité an-gulaire de l’émissivité 2 Il existe différentes
pa-ramétrisations des coeffi-cients ce qui peut don-ner lieu à différents algo-rithmes et différentes per-formances
3 La précision est dégradée en présence de grandes quantités de vapeur d’eau ou bien dans les forts angles zénithaux
4 N’est applicable qu’aux surfaces homogènes
56 La restitution de la température de surface sur continents (LST)
III.4.2.1 Méthode mono-canal
Le principe de la méthode mono-canal [Jiménez-Munoz and Sobrino, 2003] est de réduire le nombre d’inconnues de l’équation du transfert radiatif en une inconnue unique à savoir la température de surface. Ceci revient à renseigner a priori différents paramètres nécessaires à la restitution tels que l’émissivité de surface, la transmittance atmosphérique ou également les profils atmosphériques de température et d’humidité. La transmittance et l’état de l’at-mosphère peuvent être renseignés à partir d’informations produites par le modèle de transfert radiatif et le modèle numérique. L’émissivité de surface peut être renseignée grâce aux atlas d’émissivité. Cette méthode utilise un seul canal fenêtre afin de restituer la LST.
Ainsi, [Karbou et al., 2005] ont proposé l’inversion de l’équation III.2 pour restituer la température de surface à partir d’un canal fenêtre ν :
Ts = L[Rν(θ) − L ↑ ν(θ) − Γν(θ)(1 − εν(θ))L↓ν(θ) Γν(θ)εν(θ) ] −1 (III.5)
où L est la fonction de Planck, εν est l’émissivité de surface, Γν est la transmittance atmo-sphérique , L↑ν et L↓ν sont respectivement les flux radiatifs montant et descendant pour le canal ν.
III.4.2.2 Méthode multi-canal ou Split-window
La méthode Split-window [Li et al., 2013][Abdelkader and Ammar, 2015] est parmi les méthodes de restitution de LST les plus utilisées en météorologie. Elle se base sur la sim-plification de l’équation du transfert radiatif et sur l’équation de Planck. Cette méthode nécessite l’utilisation de deux canaux fenêtre adjacents pour la restitution de la température de surface en exploitant la différence d’absorption atmosphérique entre les deux canaux. La simplification de l’équation du transfert radiatif permet d’exprimer la LST, pour deux bandes en infrarouge thermique, sous la forme linéaire suivante [Wang et al., 2019] :
LST = A0+ A1Ti+ A2(Ti− Tj) (III.6)
ou bien sous la forme non linéaire suivante :
LST = A0+ A1Ti+ A2(Ti− Tj) + A3(Ti− Tj)2 (III.7)
où Ti,j sont les températures de brillance des deux canaux considérés et A0,1,2,3représentent les coefficients de l’algorithme de split-window. Ces coefficients dépendent de certains paramètres
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tels que l’émissivité de surface des deux canaux utilisés, l’angle de visée de l’instrument ainsi que la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère qui peut être prise à partir d’une ébauche de modèle numérique. Les différences entre les algorithmes de restitution split-window ré-sident principalement en la façon avec laquelle les coefficients A0,1,2,3 sont calculés. En effet, ces coefficients peuvent être définis d’une façon statique ou bien variables en fonction de l’émissivité de surface ou l’angle zénithal par exemple.
III.4.2.3 Méthode multi-angulaire
La méthode multi-angulaire et la méthode du split-window sont assez proches dans leurs approches respectives et ont fait l’objet de différents travaux comparant leurs restitutions sur mer et sur Terre [Sobrino and Romaguera, 2004]. En effet, au lieu d’utiliser différents canaux pour restituer la LST, la méthode multi-angulaire utilise plutôt différents angles de visée de l’instrument et ainsi différents chemins optiques dans l’atmosphère pour le même canal. Toutefois, cette méthode nécessite une bonne connaissance des profils atmosphériques ainsi qu’une connaissance précise des variabilités angulaire et spectrale de l’émissivité de surface et de la mesure de l’instrument.