Etude de la variabilité climatique dans les hautes latitudes nord, dérivée de 25 années de données satellites micro-ondes Mialon Arnaud, co-directeurs : Royer Alain, Centre d'Application et de Recherche en TELédetection, Sherbrooke, Québec, Canada. Fily Michel, Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement, Grenoble, France.

Introduction Prédiction des modèles climatiques  Réchauffement augmentation de la température important aux hautes latitudes Hautes latitudes caractérisées par un sol gelé : Pergélisol 50 % de la superficie du sol gelé : t° > -2° c (Smith et al., 1999) Conséquence  fonte du pergélisol - impact sur le bilan hydrique en surface - rejet dans l'atmosphère de gaz à effet de serre (CO 2, CH 4 ) - impact sur les infrastructures humaines Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 2 Figure : GCM's increase temperature Permafrost coverage over the northern latitudes

Peu de données in-situ dans ces régions. Hypothèses : Utilisation des données satellites Micro-ondes pour retrouver des paramètres de surface, liés au changement climatique. Utilisation d’une longue série temporelle pour : - dégager une variabilité climatique - analyser l’impact des grandes oscillations climatiques dans les hautes latitudes (El Niño, La Niña, Oscillation Nord Atlantique) ? Hypothèse/Objectifs Objectifs : Caractériser l’impact du réchauffement climatique sur le pergélisol. - dériver des paramètres caractérisant l'état de surface. température de surface répartition du pergélisol régional couverture neigeuse fraction d'eau au sol : zones inondées - étude de la variabilité spatio temporelle de ces paramètres dans les régions nordiques. Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 3

SMMR : Scanning Multichannel Microwave Radiometer satellite Nimbus-7 : oct août donnée tous les 2 jours SSMI : Special Sensor Microwave Imager satellite F8 : sept déc satellite F11 : déc sept satellite F13 : mai présent 2 données par jour Données Satellites - Données : micro-ondes passives = mesure l'énergie émise par la surface terrestre - Avantages : couverture totale de la surface terrestre en quelques jours faible contribution atmosphérique (contrairement aux données dans l'optique)  intéressant pour retrouver des paramètres de surface indépendant des radiations solaires  important pour les études sur les hautes latitudes 25 années de données ( )  étude des variabilités climatiques Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 4

EASE Grid (Equal Area Scalable Earth) : chaque pixel couvre 1 surface de 25 km x 25 km données distribuées par le NSIDC (National Snow and Ice Data Center) Projection spatiale Données Satellites Figure : couverture spatiale du capteur SSMI pour le Canada, pour les jours juliens 201 à 204 de l’année 1992 Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 5

Données Satellites 2 Fréquences communes aux deux capteurs : - 19 GHz (λ = 1.58 cm) - 37 GHz (λ = 0.81 cm) polarisation Verticale et Horizontale 2 horaires de mesures : - matin - après-midi  2 phases orbitales : - ascendante : satellite passe de l'hémisphère Sud à l'hémisphère Nord - descendante : satellite passe de l'hémisphère Nord à l'hémisphère Sud Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 6

Sites d'études Plateau tibetain Nord Eurasie Canada-Alaska + application masque : - côte géographiques - régions enneigées tout au long de l'année (Groënland) : Zones d’intérêt = régions de pergélisol figure : répartition du pergélisol dans les hautes latitudes nord Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 7

- Donnée : température de brillance (pour une fréquence donnée ) Tb p = e p. T s, satellite. t + (1 - e p ). t. T a  + T a  = Emission de la surface + Emission de l'atmosphère p : polarisation V : Verticale / H : Horizontale Tb p : température de brillance mesurée   e p : émissivité 0 < e p  e  corps noir t : transmittance atmosphérique (1 - e p ). t. T a  : contribution atmosphérique dirigée vers le sol, réfléchie et transmise par atmosphère T a  : contribution atmosphérique dirigée vers le capteur T s, satellite : température de surface, déduite des données satellites Méthodologie - Contributions atmosphériques : module atmo. du modèle de HUT (Pulliainen et al., 1999), pour les hautes latitudes nord. Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 8

- Relation entre les émissivités Relation du type : e V = a x e H + b Fily et al., 2003 ; Prigent et al., 1997 surface sèche étendue d’eau libre Définition de : e sec : émissivité d’1 surface sèche e sec : émissivité d’1 surface sèche e eau : émissivité d’1 surface d’eau libre e eau : émissivité d’1 surface d’eau libre Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 9

Pénétration des micro-ondes (fonction de la fréquence) : - T s, satellite = température de couche du sol pour un sol nu - T s, satellite ~ température de l'air, pour une surface avec une végétation dense effet de la végétation dans le domaine des micro-ondes = absorbe et émet sa propre énergie à partir de : équation de Tb (donnée satellite) relation entre les émissivités  Séparation température de surface et émissivité Méthodologie Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 10

2 applications : Définition d'une période sans neige au sol - suivi des jours de début et de fin - durée de cette période bon indicateur climatique = bon indicateur climatique (CLIC, 2001) Définition de la période d'application du calcul de T s, satellite et de la fraction d’eau. Présence de neige au sol Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 11

combinaison entre fréquences Présence de neige au sol  saisonnière due à la présence de la neige (Mätzler et al., 1994) HiverÉtéHiver année 1990, Parsons Lake (68.97 o N, o W) ΔTb Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 12

application d'un seuil pour séparer les saisons MAIS : amplitude dépend : - capteur - type de couverture de sol  impossible d'appliquer un seuil de valeur constante définition d’1 seuil variable pour chaque pixel et chaque année : Seuil = moyenne des valeurs de mois d'été (juillet-août) - 2 x écart type + lissage par filtre médian : pour enlever les variations brusques Présence de neige au sol Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 13

Parsons Lake (68.97 o N, o W) Hiver : avec neige Été : sans neige Julian days of 1990 Distinction entre jours : avec de la neige au sol avec de la neige au sol sans la neige au sol sans la neige au sol Présence de neige au sol ΔTb => série journalière de couverture de neige Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 14

Snow coverage : Comparison between - SSMI snow coverage (o) & - NSIDC data base National Snow and Ice Data Center (Boulder, USA) Canada/Alaska Mean ( ) snow cover for Canada/Alaska (above) Eurasia (below) Eurasia 15

01/10/199015/10/199001/11/ /12/ /02/199101/04/ /06/

Couverture de Neige, 01/04/2000 Nord Eurasie Anomalie de la superficie de la couverture de neige, entre 1988 et 2001, Nord Eurasie 17

Température de surface Température de surface : variation journalière  Normaliser les données par rapport à 1 même heure locale  Déduire : Tmax, Tmin, Tmoy Simuler la variation journalière à partir de données de réanalyses (NCEP, MCWF) données aux 6 heures. x x TT T Time T s, satellite Simulation du cycle diurne Time x x T Ajuster cette simulation de variation diurne aux données T s, satellite Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 18

Définition : Sol gelé : t° < 0°C À partir des températures de surface :  Somme des degrés jours positifs par année ∑Ts > 3400 °C.jour 3400 > ∑Ts > 2600 °C.jour ∑Ts < 2600 °C.jour Sans donnée Fillol, 2003, à partir des données AVHRR Répartition du pergélisol Continu (90-100%) Discontinu extensif (50-90%) Isolé par morceau (<10%) Pergélisol Alpin Pergélisol Sous-marin Discontinu sporadique Sans pergélisol Autres Terres Eau Répartition du pergélisol au Canada Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 19

Pour les MICRO-ONDES : Eau liquide = faible émissivité (par rapport à tout autre type de sol) Définition d’1 fraction d’eau en surface e pixel = e eau x f + (1-f ) x e sec f : fraction d'eau = % de la surface d’un pixel, dont les contributions sont : - zones inondées - marécages, tourbières, zones humides - petits lacs (dimensions < résolution de la grille) - réservoirs - humidité du sol - teneur en eau de la végétation Fraction d’eau au sol moyenne hebdomadaire Pour avoir une couverture spatiale des territoires :  moyenne hebdomadaire Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 20

Mean FWS value for a week of august, 0 < FWS < 0.5 Canada/Alaska Eurasia

Conclusion et perspectives Originalité du projet : - série journalière de 1988 à 2002 de la couverture de neige (résolution de 25 km x 25 km). - peu de données sur la dynamique de la température de surface, de la fraction d'eau et du pergélisol. Relation entre ces variations et les grands cycles climatiques (El Niño, La Niña, l’Oscillation Nord Atlantique) ? Études des variations spatio temporelles de ces paramètres traduisent les variations du climat dans les hautes latitudes Perspectives : Extention de la série avec les données SMMR : 25 années de données satellites ( ) Introduction - hypothèses - objectifs Données satellites Sites d'études Méthodologie - sélection des jours été - t° surface - pergélisol - fraction d'eau Conclusion /Perspectives 22

Transmittance atmosphérique 3719

Août 87 : changement de capteur : SMMR  SSMI Figure : Évolution du ΔTb entre les années 1983 et 1989

Variation with latitude

Problèmes/Limites de la méthode : - Méthode non valide pour des surfaces couvertes de neige. (Fily et al., 2003)  sélection des jours d'été - Horaire de mesure ≠ selon les satellites.  homogénéiser la série de températures de surface déduite des températures de brillance. - Couverture spatiale et temporelle incomplète.  lissage de la série  moyenne hebdomadaire - Différence d’étalonnage des capteurs SMMR et SSMI.  étude d’une période commune aux deux capteurs : année 1987, jours juliens 214 à 232 Méthodologie

Contributions Atmosphériques Fily et al., 2003 : 19 GHz : t = ; T a  = 24.0° K ; T a  = 21.5° K 37 GHz : t = ; T a  = 29.3° K ; T a  = 31.8° K e V = a x e H + b Canada/Alaska e19V = x e19H e37V = x e37H Eurasie e19V = x e19H e37V = x e37H

threshold End of without snow spell Begining of without snow spell