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PHAN Xuan Vu

Assimilation de données radar satellitaires dans un modèle de métamorphisme de la neige

 

Co-encadrant :     Michel GAY

École doctorale : Doctorat de l''Université de Rennes I

Spécialité :

Structure de rattachement : Autre

Établissement d'origine : Université de Cergy Pontoise

Financement(s) : contrat à durée déterminée ; contrat à durée déterminée ; contrat à durée déterminée

 

Date d'entrée en thèse : 15/10/2010

Date de soutenance : 21/03/2014

 

Composition du jury :
Ramata MAGAGI, Professeure - Université de Sherbrooke / rapporteur
François-Xavier LE-DIMET, Professeur - Université Joseph Fourier / rapporteur
Emmanuel TROUVE, Professeur - Université de Savoie / examinateur
Helmut ROTT, Professeur - University of Innsbruck / examinateur
Laurent FERRO-FAMIL, Professeur - Université de Rennes 1 / Directeur de thèse
Michel GAY, Ingénieur Recherche - CNRS / Co-directeur de thèse
Marie DUMONT, Ingénieur Météo-France / Co-directeur de thèse
Yves DURAND, Ingénieur Météo-France / Invité

 

Résumé : Les ondes électromagnétiques (OEM) en bandes C, X et Ku interagissent fortement avec la structure interne du manteau neigeux. Les différentes profondeurs de pénétration de ces ondes permettent de récupérer des informations de la partie volumique du couvert. Au cours de la dernière décennie, la mesure à grande échelle de données Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) en bandes L (1.5 GHz) et C (5 GHz) délivrées par les satellites, ALOS, ERS et ENVISAT ont conduit à de nombreuses études sur la caractérisation des propriétés de la neige (Shi and Do- zier, 2000a, Longepe et al., 2009, Koskinen et al., 2010). L'avènement des nouveaux satellites RSO bande X (9.65 GHz), à haute résolution permet d'acquérir des données de résolution métrique avec une répétitivité journalière. Ces nouvelles données satellitaires nécessitent de développer une nouvelle approche de traitement des données par assimilation. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer un modèle (Electromagnetic Backscattering Model - EBM) de rétrodiffusion des OEM à la fréquence bande X, compatible avec la propaga- tion à travers un manteau neigeux multicouche. Plusieurs modèles de rétrodiffusion en bande L et C ont été développés (Longepe et al., 2009, Koskinen et al., 2010). Ces modèles simulent la perte d'énergie des OEM dans les milieux denses en résolvant l'équation du transfert radia- tif (Ulaby et al., 1981b). Dans ce mémoire, nous avons adapté à la bande X et aux fréquences plus élevées, le modèle de rétrodiffusion des OEM de la neige sèche de Longepe et al. (2009). Cette adaptation consiste à mettre à jour le modèle d'équation intégrale (Integral Equation Model - IEM) introduite par Fung et al. (1992) par une version plus récente Fung and Chen (2004), à ré-écrire et à adapter le modèle globale EBM pour l'assimilation des données. En bande X (λ ≈ 3 cm), le diamètre optique d'un grain de neige (D ≈ 0.1 cm) est 30 fois plus petit que la longueur d'onde. Dans ce cas, les mécanismes de diffusion et d'absorption sont simulés à l'aide du modèle de diffusion de Rayleigh (Ulaby et al., 1981a). Afin d'introduire des effets de recombinaison cohérente, nous avons utilisé l'approche de Wang et al. (2000) basée sur la théorie des fluctuations fortes (Strong Fluctuation Theory - SFT) introduite par Stogryn (1984a) pour calculer la permittivité effective de chaque couche de neige. La modé- libation de la rétrodiffusion volumique est basée sur la résolution de l'équation de transfert radiatif vectoriel compatible avec les bandes X et Ku. A partir des caractéristiques physiques de chaque couche de neige (diamètre des grains optique, densité, épaisseur) et des acquisitions RSO (fréquence, l'angle d'incidence), ce modèle EBM calcule les coefficients de rétrodiffusion σp0q pour les différents canaux de polarisation et leurs distributions verticales. Nous avons ensuite généré les profils stratigraphiques de la neige à l'aide du modèle physique de métamorphisme SURFEX/Crocus, en utilisant des champs météorologiques à échelle ré- duite obtenu avec le modèle SAFRAN (Durand et al., 1993, Durand, 2009, Vionnet et al., 2012). Ces profils stratigraphiques sont utilisés comme données d'entrée pour les simulations EBM des coefficients de rétrodiffusion. Le nombre des coefficients de rétrodiffusion simulés, est beaucoup plus petit que le nombre de paramètres internes du manteau neigeux. Par consé- quent, l'approche classique basée sur l'inversion de modèle est inadaptée. Nous avons alors élaboré un modèle adjoint de l'EBM et l'utilisé dans un algorithme d'assimilation de don- nées variationnelles tridimensionnelles (3D-VAR) (Courtier et al., 1998). A partir d'un jeu de paramètres d'ébauche de la neige obtenu avec SURFEX/Crocus, on génère des coefficients de rétrodiffusion. Ces coefficients sont comparés aux réflectivités radar obtenues par satellite et l'écart entre ces deux valeurs est minimisé. L'algorithme d'assimilation intermittent est exécuté chaque fois qu'une nouvelle donnée RSO est disponible. Il permet de contraindre le modèle physique de métamorphisme SURFEX/Crocus à l'aide des observations satellitaires. Enfin, nous avons évalué ces traitements à partir de données du satellite TerraSAR-X acquises sur le glacier d'Argentière dans la vallée de Chamonix, et de données mesurées in-situ. Cette première comparaison montre le fort potentiel de l'assimilation des données RSO bande X pour la caractérisation du manteau neigeux. Elle nécessite par la suite une validation globale à l'échelle d'un bassin versant et à partir de mesures radar continues au sol.


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