La figure 1.6 présente l’organigramme méthodologique du travail de cette thèse. Le travail se divise donc sous quatre grands thèmes. Ces thèmes correspondent aussi aux différents chapitres de cette thèse. Avant de traiter de ces thèmes, le chapitre 2 présentera les différents jeux de données in- situ, satellitaires et de modèles de réanalyses atmosphériques utiles au travail de recherche de cette thèse. Par la suite, le premier grand thème étudié sera le TR MOP de la neige. Dans ce chapitre, les différents instruments de mesures de la SSA développés lors de cette étude ainsi que leur validation seront présentés. De plus, dans ce chapitre, les résultats de l’analyse de l’utilisation de la SSA pour la modélisation de laTBMOP seront présentés. Le deuxième thème présenté du travail sera l’étude du TR MOP du sol. Cette section présentera les modèles, données, théories, analyses et résultats reliés à l’amélioration de la modélisation de l’émissivité du sol. Dans cette section la modélisation de l’émissivité du sol gelé retrouvé surtout dans les zones sub-arctiques et arctiques du Canada sera traitée. Le troisième thème étudié sera le TR MOP de la glace. Les résultats de l’implémen- tation d’un module TR MOP de la glace pure dans MEMLS seront présentés dans ce chapitre. Le dernier thème étudié dans cette thèse sera le développement d’un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP satellitaire. Dans ce chapitre, la théorie et les travaux menant au développement d’un indice de détection des croutes de glace seront présentés. Dans chacune de ces sections, les contributions scientifiques (articles et présentations dans des conférences) seront mises en évidence. Les contributions directes liées à cette thèse ainsi que celles des co-auteurs à ces différents travaux seront aussi précisées. De plus, en annexe seront présentés différents travaux scientifiques, effectués durant les études de cette thèse, qui se rapprochent des différents thèmes de
cette thèse mais qui ne sont pas directement liés aux travaux de la thèse. Les contributions faites à ces travaux dans le cadre de cette thèse seront précisées.
Figure 1.6 – Organigramme méthodologique de l’étude de la thèse. — Methodological flowchart of this thesis.
modélisation du TR MOP du couvert nival, le choix du modèle est très importante. Afin de faciliter l’analyse des effets des croutes de glace sur laTB, un modèle physique est plus adéquat étant donné qu’il est davantage possible d’expliquer les erreurs provenant des paramètres de la neige. De plus, comme les croutes de glace observées ont souvent une épaisseur inférieure au quart de la longueur d’onde utilisé pour l’étude du couvert nival, les effets de cohérences sont présents et un phénomène important à considérer. C’est pourquoi le modèle MEMLS a été sélectionné puisqu’il satisfait ces critères.
Un aspect original des travaux de cette thèse a été l’utilisation d’une grande gamme de mesures géophysiques et radiométriques in-situ précises et objectives (voir section 2) pour valider le modèle MEMLS. Le développement de la caméra mesurant la réflectance dans le proche infrarouge (1.3 µm) n’a jamais été réalisé auparavant. Ceci a permis d’obtenir de l’information plus précise sur la taille des grains de neige que les photographies infrarouges traditionnelles. Très peu d’études du TR MOP possèdent une telle base de données. De plus, pour la première fois, le TR MOP des croutes de glace à l’intérieur du couvert nival a été validé avec la physique adéquate ainsi que leurs propriétés géophysiques mesurées in-situ à partir d’expériences originales d’excavation (mesures radiométriques avec et sans croutes de glace). La création de croutes de glace artificielles afin de mieux contrôler l’environnement de mesures et acquérir une plus grande base de données de croutes de glace est aussi une originalité du travail. Une nouvelle étude de sensibilité du PR aux croutes de glace (configuration multiples des croutes dans différents couvert de neige) a été réalisée grâce à cette modélisation validée des effets des croutes de glace. Ce travail, intégrant l’étude du sol, de la neige et de la glace dans la neige apporte ainsi une contribution originale à l’étude du TP MOP du couvert nival.
2 Sites d’étude et données expérimentales
Les travaux de cette thèse incluent de multiples sources de données provenant de différents cap- teurs satellitaires, modèles et mesures de campagnes de terrain. La Figure 2.1 présente les sites de mesures ainsi que les pixels satellitaires choisis pour les régions canadiennes.
Figure 2.1 – Carte des sites d’acquisition de données in-situ (jaune) et des sites de validation satellitaire (vert) pour les régions canadiennes.
2.1 Mesures géophysiques in-situ du sol gelé, de la neige et de la glace
Les données géophysiques et radiométriques du sol gelé ont été acquises lors de deux campagnes de terrain par l’équipe neige du Centre d’Applications et de Recherches en Télédétection (CAR- TEL) de l’Université de Sherbrooke, des collaborateurs de l’Institut National de Recherche Scien- tifique (INRS) à Québec (Canada) et du Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l’Envi- ronnement (LGGE) à Grenoble (France). La première campagne terrain a eu lieu dans la région de la Baie James (Québec, Canada) lors de l’hiver 2012-2013 (point Baie James, Figure 2.1). La deuxième campagne a eu lieu à Umiujuaq (Québec, Canada) lors de l’hiver 2013-2014 (point Umiujuaq, Figure 2.1). Les mesures radiométriques comprennent des mesures deTB à 10.7, 19 et 37 GHz en V-Pol et H-Pol du sol découvert. De plus, les mêmes données radiométriques ont été acquises pour la neige couvrant ces sols. Aussi, lors de ces deux campagnes, des mesures de températures de sol à différentes profondeurs ont été acquises ainsi que des données géophysiques de la neige à différentes profondeur du couvert soit : l’épaisseur de la couche de neige (en cm), la température (en K), la densité (en kg m−3) et la taille des grains de neige (section 3.1). Les mesures de sol gelé seront davantage détaillées dans la section 4 tandis que les mesures de neige seront détaillées dans la section 6.3.
et radiométriques de la neige ont été acquises. En mars 2011, l’équipe du CARTEL composée des professeurs Alexandre Langlois et Alain Royer, ainsi que de Partick Cliche et Miroslav Chum de l’Université de Sherbrooke, acompagnés par les docteurs Ghislain Picard et Florent Dupont du LGGE ont acquis des mesures de neige sur la calotte glacière Barnes (île de Baffin, Nunavut, Canada ; point Barnes, Figure 2.1). Les mesures de taille de grains de neige (SSA) acquises à l’aide des instruments IRIS et SWIRcam (section 3.1) ont été traitées dans le cadre de cette thèse afin de calibrer ces deux instruments pour la mesure précise d’un paramètre de taille des grains de neige. Ces données sont détaillées dans la section 3.1.
De plus, lors de l’hiver 2010-2011, une campagne terrain près de la municipalité de St-Romain (Québec, Canada ; point St-Romain, Figure 2.1) a été entreprise par l’équipe neige du CARTEL composée des professeurs Alain Royer et Alexandre Langlois, de Patrick Cliche, d’Alexandre Roy et moi-même. Des mesures radiométriques du couvert de neige ont été acquises à 10.7, 19 et 37 GHz en V-Pol et H-Pol ainsi que des mesures géophysiques de la neige. De plus, des croutes de glace ont été observées à la fin du mois de janvier suite à un court épisode de dégel-regel. Des mesures d’épaisseur et de position de ces croutes de glace ont été acquises. Ces données ont été traitées dans le cadre de cette thèse et sont détaillées dans la section 5.
Durant les hivers 2010 à 2013, des mesures géophysiques et radiométriques de la neige ont été acquises à la station SIRENE du CARTEL sur le campus principal de l’Université de Sherbrooke (point SIRENE, Figure 2.1). Durant l’hiver 2010-2011, afin d’obtenir des mesures de couvert nival avec croutes de glace, des croutes de glace artificielles ont été créées sur une partie du couvert de neige à la station SIRENE. Cette expérience et les mesures acquises dans le cadre de cette thèse sont décrites en détail dans la section 5.
Durant l’hiver 2009-2010, dans le cadre du programme Cold Regions Hydrology High-Resolution Observatory (CoReH2O) des Agences Spatiales Européenne (ESA) et Canadienne (ASC), une campagne terrain intensive dirigée par Environnement Canada et composée d’une équipe de cher- cheurs provenant des plusieurs pays différents a été réalisée à Churchill, au Manitoba, Canada (point Churchill, Figure 2.1). Comme dans la section précédente, des données géophysiques et ra- diométriques de la neige ont été acquises par l’équipe du CARTEL et d’Environnement Canada pendant quatre périodes intensives entre janvier et avril 2010. Les données géophysiques ont été traitées dans le cadre de cette thèse par l’équipe neige du CARTEL. Les données radiométriques utilisées dans ce travail ont été traitées et fournies par Environnement Canada. Des croutes de glace ont été observées dans le couvert de neige de certains de ces sites. Ces données sont détaillées dans
l’article de Derksen et al. (2012) et dans la section 5 de ce travail.
Lors de l’hiver 2007, une équipe d’Environnement Canada a acquis des mesures radiométriques et géophysiques de la neige au Lac Daring, Territoires du Nord-Ouest, Canada (point Lac Daring, Figure 2.1). Les mesures géophysiques de la neige sont identiques aux mesures acquises lors des campagnes de terrains décrites dans les sections précédentes, à l’exception de la taille des grains de neige. Ce dernier paramètre a été mesuré par évaluation visuelle où le plus grand diamètre des grains visible au microscope sur une plaque millimétrique a été associé à la taille des grains de neige des différentes couches. Lors de cette campagne, l’équipe d’Environnement Canada a été témoin d’un événement de pluie hivernale qui a laissé une mince couche de glace à la surface du couvert nival. Ces mesures ainsi que la campagne sont décrites dans l’article de Rees et al. (2010) ainsi que dans la section 5 de ce travail.
Le tableau 2.1 présente les différentes mesures utilisées pour chacune des campagnes de mesures dans le cadre de cette thèse.