Validation de l’albédo du sol nu

La méthode PL-17 développée dans ce Chapitre IV, s’appuie sur le FCOVER afin de scinder l’albédo de surface satellitaire (MODIS) en une composante « sol » et une composante « végétation ». Le FCOVER est défini comme la fraction de végétation verte, c’est-à-dire la fraction de sol couverte par une canopée. Il permet de représenter la végétation dans sa dimension horizontale (voir Chapitre II et Chapitre III). Cette variable permet d’accéder à la fraction de sol non recouverte par une canopée (1-FCOVER) et donc à la notion de trouées vraies (𝑓𝑔𝑎𝑝𝑠𝑜𝑖𝑙) définie dans le Chapitre I et

le Chapitre II. Dans la méthode de désagrégation PL-17, le FCOVER est utilisé afin de séparer l’albédo de surface en albédo du sol et albédo de la végétation. Plus précisément l’albédo du sol nu a été estimé au travers de 1-FCOVER et donc de la fraction de trouées « vraies » (𝑓𝑔𝑎𝑝𝑠𝑜𝑖𝑙). Ainsi, l’albédo du

sol peut-être directement estimé au travers de ces trouées et représente l’albédo du sol « nu ». A l’inverse, l’albédo de la canopée ne peut être estimé directement. En effet, dans la fraction de la surface couverte par de la végétation (FCOVER) l’albédo peut être influencé, à des degrés divers, par différentes variables biophysiques dont notamment l’albédo du sol sous-jacent et par le LAI. Afin d’estimer l’albédo de la canopée, il est nécessaire d’étudier la zone couverte par de la végétation (FCOVER) dans sa verticalité (voir Figure II-6 du Chapitre II). L’utilisation d’un modèle de transfert radiatif est donc nécessaire. Ce dernier point fera l’objet du Chapitre V et n’est pas traité dans ce Chapitre IV. Dans ce Chapitre IV je ne chercherai à valider, de manière indirecte et directe, que l’albédo du sol « nu », étant donné que l’albédo de la végétation reste encore en partie agrégé. Dans cette optique je chercherai à corréler l’albédo du sol à son humidité à l’échelle de la France métropolitaine.

Afin de valider la cohérence temporelle des albédos du sol nu par rapport à l’humidité du sol, j’ai utilisé dans une première étape de validation indirecte (voir Figure IV-4) des relevés de

précipitations. Comme mentionné dans la Section 1, l'évolution temporelle de l’albédo du sol nu est sensible à l'évolution de l'humidité superficielle du sol. Plus un sol est humide plus la fraction d’air de ce sol est remplacée progressivement par de l’eau. Ce phénomène, expliqué dès 1925 (Angstrom, 1925), augmente la probabilité d’absorption de la lumière par la surface, et participe à la diminution de son albédo. Cependant la loi qui lie l’albédo du sol et son humidité n’est pas nécessairement une loi monotone décroissante linéaire. En effet, des études ont montré, dès les années 80 (Patel, 1979 ; Neema et al., 1987), qu’à partir d’un certain taux d’humidité la réflectance ne diminue plus mais ré- augmente. Weidong et al. (2002) a notamment étudié ce phénomène de point critique d’humidité. Il a été montré que ce point critique dépend des propriétés hydrodynamiques du sol, et donc du type de sol. Dans leur étude, Weidong et al. (2002) ont notamment mis en évidence que lorsque l’on cherche à étudier la réflectance du sol dans son ensemble, sans distinction de types, comme une fonction de l’humidité, il est préférable d’utiliser des taux d’humidité faible afin de s’affranchir des différences de propriétés entre les sols. Pour cette raison, les précipitations minimales ont été utilisées. Pour chaque site de relevé de précipitations, la date de précipitation minimale a été identifiée (précipitations décadaires voir Section 2.2.5). Dans le cas où plusieurs dates atteignaient la même valeur minimale et que plus de la moitié des dates n’étaient pas regroupées sur une même période, le site a été écarté. Les sites situés en zone urbaine ont également été écartés. Ces relevés de pluviométrie minimale ont été utilisés afin de mettre en évidence la cohérence entre la période de pluviométrie minimale et la période d’albédo maximal du sol.

En plus des relevés de pluviométrie, l’indice d’humidité superficielle du sol simulé par le modèle ISBA (SWI1) a été utilisé afin d’évaluer la cohérence temporelle de l’albédo du sol nu, voir étape de « validation indirecte » de la Figure IV-4. Roxy et al. (2010) ont exprimé l’albédo du sol comme une fonction exponentielle de l’humidité sur les premiers centimètres de la surface. De nombreuses relations similaires ont été proposées (Duke et Guérif, 1998 ; Muller et Décamps, 2000 ; Lobell et Asner, 2002 ; Wang et al., 2005 ; Liu et al., 2008 ; Gascoin et al., 2009 ; Guan et al., 2009 ; Liu et al., 2014). En 2014, Carrer et al. ont repris cette équation en définissant le paramètre d’humidité comme étant le SWI1 (Soil Water Index sur la première couche de sol) issu du modèle ISBA, voir Section 2.2.2. Ils ont ainsi montré à partir de données instantanées SEVIRI (toutes les 15 minutes), sur des zones où le LAI était inférieur à 2 et le produit albédo de bonne qualité, une relation similaire à celles proposées dans la littérature. Ici, afin de vérifier la cohérence temporelle du produit désagrégé, je chercherai à retrouver cette relation exponentielle définit par l’Eq. IV-3, sans critère de sélection sur la quantité de végétation. Si la désagrégation a correctement fonctionné, l’albédo du sol nu doit répondre de la même manière quelle que soit la fraction de végétation au-dessus de ce sol. La relation entre albédo du sol et SWI a été étudiée à l’échelle de la France (élargie) et par type de composition du sol.

𝛼_{𝑆𝑊𝑠𝑜𝑙}𝑃𝐿−17 _{= 𝑝}

0+ (𝑝1− 𝑝0)𝑒−𝑆𝑊𝐼 𝑝⁄ 2 Eq. IV-3

où, 𝛼𝑆𝑊𝑠𝑜𝑙𝑃𝐿−17 est l’albédo du sol issu du nouvel algorithme de désagrégation, 𝑝0, 𝑝1 et 𝑝2 sont les

paramètres de régression et SWI un indice d’humidité du sol issu du modèle ISBA (voir Section 2.2.2).

Enfin je chercherai à vérifier la cohérence temporelle de l’albédo du sol analysé sur le site des Corbières, en confrontant le modèle à des mesures directes d’albédo du sol que j’ai pu réaliser (étape de « validation directe » de la Figure IV-4) et aux relevés de précipitation (« validation indirecte »). Comme mentionné précédemment, j’ai eu l’occasion de faire des mesures sur le terrain. Les mesures d’albédo du sol SW ont été réalisées à l’aide d’un albédo-mètre CNR1 comportant un pyranomètre [0.3-3μm] sur le Site des Corbières, voir Section 2.2.5. Ces mesures ont été réalisées à cinq dates différentes de l’année 2016 avec un pas de temps d’1 mois : le 3 Août, le 2 Septembre, le 7 Octobre, le 3 Novembre et le 7 Décembre. Cependant, suite à un problème avec l’outil le 07-10-2016, ces données n’ont pu être exploitées. Ces mesures ne permettent pas d’assurer une validation exacte pour plusieurs raisons. En effet, les mesures ont été réalisées à l’échelle locale à une date précise de l’année 2016, tandis que les valeurs d’albédo du sol désagrégé sont obtenues à l’échelle d’1 km et tous les 8 jours (composition sur 16 jours) entre 2001 et 2013. Cependant les mesures terrain sont intéressantes pour vérifier la cohérence de l’évolution temporelle de l’albédo du sol issu de la nouvelle méthode de désagrégation. De plus comme nous l’avons vu dans la Section 1, l’albédo du sol varie en fonction du type et de l’humidité. La Figure IV-2 met en évidence que les changements de types de sol se font à des échelles spatiales plus grandes que 1km. De plus nous faisons l’hypothèse raisonnable qu’il n’y a pas de variation des conditions météorologiques au sein d’un pixel de 1km, les modèles de prévision du temps (NWP) ayant des résolutions spatiales supérieures à 1km. Par conséquent, les mesures faites au centre du pixel du site des Corbières devraient être représentatives de l’ensemble du pixel (1km de résolution). Les relevés de précipitation quotidiens ont été utilisés afin d’évaluer la cohérence du produit désagrégé d’albédo du sol, même à l’échelle locale.

Figure IV-4 : Schéma d’organisation du protocole méthodologique du Chapitre IV.