Analyse des cycles gel/dégel des régions nordiques par télédétection micro-ondes passives en bande L - Prince, Michael (Université de Sherbrooke, 2018)
Le réchauffement climatique dans les régions nordiques, fort important depuis le milieu du siècle dernier, a de multiples impacts sur la dynamique des écosystèmes, notamment sur les cycles gel/dégel de surface qui influencent les flux de carbone, l'activité biogéochimique des sols, l'hydrologie et le pergélisol aux hautes latitudes. La télédétection satellitaire du gel/dégel par micro-ondes passives est un outil très prometteur permettant un suivi continu et global, mais comporte des difficultés souvent reliées à l’effet d’hétérogénéité spatiale intra-pixel relié aux résolutions grossières des capteurs micro-ondes passives à basse fréquence. L’objectif principal du projet est d’évaluer l’utilisation de la télédétection micro-onde passive en bande L (1.4 GHz) pour le suivi de l’état de gel/dégel de la surface en forêt boréale. Un premier objectif spécifique est d’évaluer un nouveau produit des cycles de gel/dégel de surface estimée à partir des radiomètres bande L satellitaires Aquarius. Cette base de données de 3.5 années a été mise en ligne au National Snow and Ice Data Center (NSIDC). Le deuxième objectif spécifique est d’analyser l’effet de la variabilité spatiale intrapixel de l’état de gel du sol et de son impact sur les températures de brillance (TB) mesurées par le radiomètre de la mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) en période de transition afin de quantifier la fraction de sol gelé. Les résultats pour le premier objectif montrent que la nouvelle base de données possède une bonne capacité à estimer l’état de gel/dégel de la surface sur l’ensemble de l’Hémisphère Nord (> 50°N). Cette recherche offre également une rare intercomparaison entre produits de gel/dégel satellitaires en comparant le produit Aquarius au Freeze/Thaw-Earth System Data Record (FT-ESDR) développé avec les données à plus hautes fréquences du capteur SSM/I. Pour le deuxième objectif, des capteurs de température distribués le long de transects de plusieurs kilomètres sur deux différents sites de taïga montrent que la variabilité spatiale du gel à l’automne peut être de 7.5 à 9.5 semaines. Il est également démontré que les mesures de SMAP sont sensibles à cette variabilité et un algorithme développé permet d’estimer le pourcentage intrapixel de sol gelé avec des coefficients de détermination (R2) entre 0.63 et 0.88 lorsque comparé aux mesures in situ. Ces résultats offrent de nouveaux outils pour mieux comprendre et quantifier les cycles de gel/dégel de l’environnement boréal et leurs impacts sur les processus biogéophysiques, hydrologiques et sur le pergélisol. Abstract: Climate change in nordic regions, which has been of growing significance over the past century has multiple impacts on the dynamic of ecosystems, notably on the surface freeze/thaw cycles, which influences carbon flux, soil biogeochemical activity, hydrology and permafrost at high latitudes. Satellite remote sensing of freeze/thaw with passive microwaves is a promising tool to offer continuous and global monitoring, but can also entail some difficulties due to intra-pixel spatial variability effects coming from the low resolution of low-frequency passive microwave sensors. The primary objective of the project is to evaluate the use of passive microwave remote sensing in L-band (1.4 GHz) for monitoring of the surface freeze/thaw in the boreal forest. A first specific objective is to evaluate a new surface freeze/thaw product estimated by the Aquarius satellite L-band radiometers. This 3.5 year-old database has been put online at the National Snow and Ice Data Center (NSIDC) website. The second specific objective is to analyse the effect of intra-pixel spatial variability of freeze/thaw and its impact on brightness temperatures (TB) measured by the Soil Moisture Active Passive (SMAP) radiometer during transition periods in order to quantify the frozen soil fraction. Results for the first objective show that the new database possesses a good capacity to estimate the surface freeze/thaw state for the entirety of the Northern Hemisphere (>50°N). This research also offers a rare intercomparison between freeze/thaw satellite products by comparing the Aquarius product to the Freeze/Thaw-Earth System Data Record (FT-ESDR) product developed with higher frequencies data of the SSM/I sensor. For the second objective, temperature sensors distributed along transects of several kilometers on two different taiga sites show that the spatial variability of autumn soil freeze onset can be between 7.5 and 9.5 weeks. It demonstrates that SMAP measurements are sensitive to this variability and a developed algorithm offers estimations of the intrapixel soil frozen fraction with coefficients of determination (R2) between 0.63 and 0.88 when compared to in situ measurements. These results offer new tools for a better understanding and quantification of freeze/thaw cycles in boreal environments and their impacts on biogeochemical and hydrologic processes and on permafrost.