Titre de la thèse : « Dynamique spatio

Titre de la thèse : « Dynamique spatio-temporelle de l’humidité du sol : application à l’étude du
cycle de l’eau en Afrique de l’ouest »
Directeur de thèse : Thierry PELLARIN ([email protected])
Les climatologues savent depuis longtemps que les interactions entre la surface terrestre et
l’atmosphère jouent un rôle crucial dans les systèmes climatiques. L’une d’elles concerne l’humidité
contenue dans le sol, déterminante pour le développement de la végétation, pour les prévisions
météorologiques ou la modélisation climatique. Or cette variable hydrologique est souvent sousutilisée dans les modèles climatique, hydrologique et agricole en raison du fait de la difficile mesure
de cette grandeur depuis l’espace.
En 2009, le premier satellite spécifiquement dédié à la mesure de l’humidité du sol a été mis en
orbite par l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Le satellite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)
est un interféromètre opérant à 1.4 GHz qui permet d’obtenir une cartographie de l’humidité du sol
à l’échelle globale tous les 2 jours à 25 km de résolution spatiale. A la fin de l’année 2014, la mission
satellite SMAP (Soil Moisture Active/Passive) va être lancée par la NASA et permettre d’améliorer la
résolution spatiale de l’humidité du sol (10 km).
Les 4 premières années de SMOS ont essentiellement permis d’évaluer la qualité de ces nouvelles
mesures notamment en Afrique de l’ouest (Louvet et al. 2014) où l’expérimentation AMMA (Analyse
Multi-disciplinaire de la Mousson Africaine) a permis l’installation d’un réseau de mesure in-situ de
l’humidité du sol entre le Mali, le Niger et le Bénin. Ces périodes de comparaison avec des mesures
au sol (Cal/Val) ont permis d’améliorer l’algorithme qui transcrit l’émission micro-onde mesurée par
le satellite en humidité du sol.
En Afrique de l’ouest, la qualité des mesures SMOS permet dorénavant d’envisager différentes
applications à l’échelle régionale. Dans cette région du monde, le rôle de l’humidité du sol est plus
prépondérant encore que sur les zones tempérées du fait du fort rayonnement solaire qui augmente
l’intensité des rétroactions entre la surface et l’atmosphère. Le lien avec la végétation est lui aussi
beaucoup plus fort du fait de la faible teneur en eau des sols et de l’occurrence de périodes intenses
de stress hydrique de la végétation. Enfin, la recrudescence des inondations (Ouagadougou en 2009,
Niamey en 2010, Dakar en 2012) pose la question du rôle de l’humidité du sol sur la génération des
crues.
Le premier objectif du travail de thèse consistera à produire une cartographie de l'humidité du sol sur
l'ensemble de l’Afrique de l’ouest avec une résolution temporelle de 1 heure, plus adaptée à l’étude
des processus hydrométéorologiques de la région. Cette étape consistera à développer une méthode
d’assimilation des estimations du satellite SMOS dans le schéma de surface SURFEX de MétéoFrance. Les résultats de cette étape seront confrontés à la fois à un produit d’humidité du sol
récemment développé au LTHE (Pellarin et al., 2013), et aux cartes d’humidité du sol issues de
SURFEX sans assimilation de SMOS. L’un des résultats attendu est une nette amélioration dans la
variabilité spatiale de l’humidité du sol lorsque l’information de SMOS est prise en compte. La
variabilité spatiale de l’humidité du sol influe en retour sur les flux d’eau (évapotranspiration,
infiltration, ruissellement) et d’énergie (flux de chaleur sensible et latent) entre le sol, la végétation
et l’atmosphère.
Dans un deuxième temps, il s’agira de prolonger cette étude sur la période 2003-2011 en assimilant
les mesures du capteur AMSR-E de la NASA qui mesure l’émission du sol dans une fréquence (6 GHz)
un peu plus élevée que SMOS (1 GHz). Les années de recouvrement des 2 satellites (2010 et 2011)
permettront d’évaluer la qualité des deux approches. Les mesures du capteur AMSR-E sont plus
sensibles à la présence de végétation que les mesures de SMOS. Des résultats similaires sont donc
attendus sur le Sahel mais des différences importantes sont probables sur la zone soudanoguinéenne. Les résultats de simulation de ces 2 premières étapes du travail serviront de base au
reste du travail de thèse qui consistera à explorer plusieurs pistes de recherche.
1) Caractérisation et détection des périodes de sécheresses. La plupart des études portant sur la
détection des sécheresses utilisent une information sur les précipitations. Cela à tout son sens sur les
régions pourvues d’un bon réseau de mesure au sol (pluviomètre, radars météorologiques) mais
pose des problèmes notamment en Afrique de l’ouest où la densité du réseau est de 1 poste pour
10 000 km² en moyenne. Le recours aux mesures satellites de précipitation montre aussi des
différences qui peuvent être de l’ordre de 100 % sur les cumuls annuels entre les différents produits.
L’objectif est donc de tirer parti des simulations SURFEX avec assimilation SMOS et AMSR-E pour
mieux caractériser les périodes de sécheresses (dans le temps et dans l’espace), et de mieux définir
la date de démarrage, de fin et la durée de la saison des pluies. Enfin, il sera possible de repérer la
présence de périodes sèches à l’intérieur de la saison des pluies, très préjudiciable au
développement des cultures.
2) Apport pour l’agriculture. Le schéma de surface SURFEX permet d’obtenir les profils
d’humidité et de température du sol entre la surface et environ 2 mètres de profondeur. Cette
information permet d’obtenir l’évolution spatio-temporelle du front d’infiltration de l’eau dans les
sols, variable capitale en agronomie. En collaboration avec le CIRAD de Montpellier, nous tenterons
d’établir des liens entre le front d’infiltration de l’eau dans le sol et le rendement des cultures.
3) Vers un produit opérationnel en temps réel. Une perspective intéressante de ce travail de
thèse consistera à proposer le produit de front d’infiltration de l’humidité du sol (journalier et 25 km
de résolution) de manière opérationnelle et en temps réel. Ce produit pourra être proposé comme
un produit de niveau 4 de SMOS, et constitue un intérêt potentiellement important pour un centre
comme AGRHYMET au Niger pour l’évaluation du rendement des cultures sur la zone sahélienne.
4) Etude du rôle de l’humidité du sol sur la génération des crues en Afrique de l’ouest.
L’apparition du ruissellement de surface dépend de l’intensité de la pluie et de la capacité
d’infiltration du sol. La capacité d’infiltration du sol dépend à son tour des caractéristiques du sol
(structure, texture) et de son état hydrique. En s’appuyant sur les différents épisodes d’inondation
observés au cours de la dernière décennie, il s’agira d’analyser statistiquement les conditions
hydriques des sols précédant un épisode pluvieux et de caractériser le lien potentiel entre humidité
du sol et inondation.
5) Relation avec l’atmosphère. Des études récentes ont montré un lien direct entre la
distribution spatiale de l’humidité du sol et le déclanchement des systèmes convectifs en Afrique de
l’ouest (Taylor et al., 2011, Gaertner et al., 2010). Une piste de recherche consiste à prolonger ces
études en s’intéressant au cycle de vie des systèmes (durée de vie, trajectoire, efficacité
pluviométrique) suite à leurs déclanchements. Nous tenterons d’établir des relations statistiques
entre la distribution spatiale de l’humidité du sol et le comportement des systèmes convectifs.
PhD Title: " Spatio-temporal dynamics of soil moisture: application to study the water cycle in West
Africa"
Interactions between the land surface and atmosphere play a crucial role in the climate system.
Among these, soil moisture is known to influence the development of vegetation, weather
forecasting and climate modeling. However, this hydrological variable is often underutilized in
climate, hydrological and agricultural models due to the relative difficulty to measure this quantity
from space.
In 2009, the first satellite specifically dedicated to measuring soil moisture was launched by the
European Space Agency (ESA). SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) is an interferometer
operating at 1.4 GHz which provides soil moisture mapping on a global scale every 2 days at 25 km
spatial resolution. By the end of 2014, the SMAP mission (Soil Moisture Active/Passive) will be
launched by NASA and help improve the spatial resolution of soil moisture (10 km).
The first 4 years of SMOS mission were essentially devoted to assess the quality of the SMOS
measurements in West Africa (Louvet et al. 2014) thanks to the AMMA experiment (African Monsoon
Multi-disciplinary Analysis) which allowed the installation of a ground-based soil moisture network
located in Mali, Niger and Benin. This Cal/Val procedure helped improve the algorithm which relates
the measured microwave emission with soil moisture estimates.
In West Africa, the SMOS soil moisture accuracy now allows to consider various applications at the
regional scale. In this region, the role of soil moisture is more prominent than in temperate regions
due to the high solar radiation which increases the feedbacks intensity between the surface and the
atmosphere. The link with the vegetation is also much stronger because of the low water content of
soil and the occurrence of intense periods of water stress of the vegetation. Finally, increased
flooding (2009 Ouagadougou, 2010 Niamey, 2012 Dakar) raises the question of the role of soil
moisture on runoff generation.
The first objective of this thesis will be to produce soil moisture maps in West Africa with a temporal
resolution of 1 hour, more suited to the study of hydrometeorological processes in the region. This
step will be devoted to develop a method for assimilating SMOS soil moisture estimates into the
SURFEX surface scheme of Météo-France. A comparison of this procedure will be done with an
existing soil moisture product recently developed at LTHE (Pellarin et al., 2013), as well as the
SURFEX outputs without SMOS assimilation. An expected result will be an improvement in the spatial
variability of soil moisture when SMOS information is accounted for. As a consequence, the soil
moisture spatial variability influences the water fluxes (evapotranspiration, infiltration and runoff)
and energy fluxes (sensible and latent) between soil, vegetation and atmosphere.
In a second step, it is proposed to extend the study to the 2003-2011 period using the NASA AMSR-E
sensor. AMSR-E sensor measures the soil emission at higher frequency (6 GHz) than SMOS (1 GHz).
Consequently, the AMSR-E measurements are expected to be more sensitive to the vegetation. Two
recovery years (2010 and 2011) of the 2 satellites will be used to assess the quality of both
approaches. Similar results are expected in the Sahel region but significant differences are expected
in the Guinean zone. The obtained 2003-2014 2D simulation outputs will form the basis of the thesis
work used to explore several research questions.
1) Characterization and detection drought events. Most studies related to drought detection
are based on precipitation. This make sense on areas with dense ground-based precipitation network
(raingauges, weather radars) but is problematic especially in West Africa where the network density
is 1 station per 10 000 km ² on average. The use of satellite precipitation measurements also show
differences that can be of the order of 100 % on the annual accumulation between different
products. The objective is to take advantage of SMOS and AMSR -E to better characterize periods of
drought (in space and time), and to better define the start date, end and duration of the season
rains. Finally, it will be possible to detect the presence of dry periods inside the rainy season, very
detrimental to crop development.
2) Agricultural applications. The SURFEX surface scheme provides a vertical description of soil
moisture and soil temperature (from the ground level to 2 m depth). Based on this information, it is
possible to derive the spatial and temporal location of the wetting front in soils, crucial information
for agricultural applications. In collaboration with CIRAD in Montpellier, we will try to find some links
between the front of water infiltration and crop yield.
3) Towards an operational product in real time. An interesting perspective of this work will be
to propose the soil water infiltration front as an operational and real time product (daily and 25 km
resolution). This can be propose in the frame of SMOS level 4 product and constitute a potential high
interest for operational center such as the AGRHYMET Center in Niamey for crop yield estimates.
4) Soil moisture influence on runoff generation in West Africa. The surface runoff depends on
both the rainfall intensity and the infiltration capacity of the soil. The infiltration capacity of the soil,
in turn, depends on soil characteristics (structure, texture) and soil water content. Based on the
different flood events observed during the last decade, a statistical analysis of soil moisture
conditions prior to a rainfall event will be characterize to define the potential link between soil
moisture and flooding event.
5) Surface-atmosphere feedbacks. Recent studies have shown a direct link between soil
moisture spatial distribution and convective systems initiation in West Africa (Taylor et al., 2011,
Gaertner et al., 2010). It is proposed to further these studies focusing to the life cycle of convective
systems (lifetime, trajectory, rainfall efficiency) following their triggering. We will establish statistical
relationships between the spatial distribution of soil moisture and the behavior of convective
systems in West Africa.
Références :
Gaertner, M. A., Dominguez, M. & Garvert, M. A modelling case-study of soil moisture_atmosphere coupling. Q. J. R.
Meteorol. Soc. 136, 483_495, 2010
Louvet S., T. Pellarin, A. al Bitar, B. Cappelaere, S. Galle, M. Grippa, C. Gruhier, Y. Kerr, T. Lebel, A. Mialon, E. Mougin, G.
Quantin, P. Richaume, P. de Rosnay. SMOS soil moisture product evaluation over West-Africa from local to regional scale,
Remote Sensing of Environment, under revision
Pellarin T., S. Louvet, C. Gruhier, G. Quantin, C. Legout, 2013: A simple and effective method for correcting soil moisture and
precipitation estimates using AMSR-E measurements, Remote Sensing of Environment, 136, 28–36.
Taylor C.M., A. Gounou, F. Guichard, P. P. Harris, R. J. Ellis, F. Couvreux and M. De Kauwe. Frequency of Sahelian storm
initiation enhanced over mesoscale soil-moisture patterns, Nature Geoscience, 2011
Description du profil recherché
Le candidat devra disposer de compétences en physique, mathématiques, télédétection ou sciences
de l’environnement. Il devra aussi disposer de solides compétences en programmation scientifique
(fortran/C et idl/matlab) sous un environnement linux. Plus généralement, une bonne culture
générale en sciences de la terre et sur les enjeux des changements climatiques en Afrique serait
souhaitable. Enfin, la maîtrise de l’anglais sera un atout et bien évidemment, il devra disposer de
bonnes capacités rédactionnelles.
Mots clés : Hydrologie, Télédétection, SMOS, AMSR, Humidité du sol, Statistique
Cadre scientifique dans lequel est présenté le sujet
Des études récentes montrent que l’humidité du sol joue un rôle important sur le climat et sur les
prévisions météorologiques. Pour autant, l’influence et le rôle exact de ce paramètre reste encore à
préciser. Dans ce contexte, nous nous proposons d’exploiter les nouvelles cartographies de
l’humidité du sol produites par le satellite SMOS sur la région de l’Afrique de l’ouest afin de tenter
d’établir des liens entre cette variable et le cycle continental de l’eau. Ce sujet de thèse fait suite à 4
années d’évaluation des inversions SMOS sur les sites de Cal/val du programme AMMA, dont nous
avons la responsabilité au LTHE. La Cal/Val de la mission SMAP (Soil Moisture Active/Passive) de la
NASA commencera en décembre 2014 et utilisera aussi les données de AMMA. L’intérêt de ce type
de mesures est d’autant plus grand en Afrique de l’ouest que les réseaux de mesure au sol sont
faibles et où les rétroactions entre la surface et l’atmosphère sont connues pour être parmi les plus
intenses à l’échelle globale.
Accroche (300 caractères espaces compris) :
Quelle est l’influence de l’humidité des sols sur le climat ou les prévisions météo ? Comment mieux
utiliser les nouvelles mesures spatiales d’humidité du sol pour améliorer notre connaissance du cycle
hydrologique ? Vers quelles applications en Afrique ?