Sujet de thèse 2009-2012

ED 173 - SDU2E
Proposition de Sujet de thèse 2016
Nom du laboratoire (et n° de l’unité) dans lequel se déroulera la thèse :
CESBIO – UMR 5126
Titre du sujet proposé :
Modélisation 3D couplée des échanges d'énergie et de masse, et des mesures de
télédétection satellite et avion - Milieux naturels et urbains.
Financement :
 acquis (préciser nom de l’organisme)
x mis au concours (contrat doctoral ministériel)
 candidature auprès d’un organisme (préciser nom de l’organisme)
Spécialités de l’école doctorale : (cocher une seule spécialité sans la modifier)
 Astrophysique, Sciences de l’Espace, Planétologie
x Climat, Océan, Atmosphère, Surfaces Continentales
 Ecologie Fonctionnelle
 Hydrologie, Hydrochimie, Sol, Environnement
 Sciences de la Terre et des Planètes solides
Nom et statut (PR, DR, MCf, CR, …) du (des) responsable(s) de thèse (préciser si HDR) :
Gastellu-Etchegorry J.P. (HDR) et Ahmad Al Bitar (CESBIO)
Collaboration V. LeDantec (CESBIO) et Z. Malenovsky (NASA GSFC, Washington)
Coordonnées (téléphone et e-mail) du (des) responsable(s) de thèse :
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Résumé du sujet de la thèse (le descriptif ne doit pas dépasser une page recto/verso)
Contexte scientifique général, Compétences souhaitables,…
L'étude des surfaces terrestres s'appuie de plus en plus sur la modélisation des échanges
d'énergie et de masse de ces surfaces, combinée à des acquisitions de capteurs satellites. Ces
capteurs sont essentiellement des radiomètres qui opèrent dans le domaine optique, du visible
à l'infrarouge thermique, dans un nombre de bandes spectrales plus ou moins importante, et à
différentes résolutions spatiales. D'autre part, il est prévisible que les LiDARs seront de plus
en plus utilisés. La plupart des nombreux modèles de transfert sol-végétation-atmosphère
(SVAT) qui simulent le transfert radiatif, le bilan d’énergie et le fonctionnement des couverts
végétaux reposent sur des hypothèses très simplificatrices pour représenter le couvert. Ainsi,
l'architecture tridimensionnelle (3D) des couverts est en général représentée par un milieu
turbide, ce qui tend à induire de fortes erreurs sur la simulation des propriétés optiques et du
fonctionnement des couverts. Le modèle SCOPE de Van Der Tol est une référence, car il
simule les mécanismes majeurs du bilan d'énergie, y compris, ce qui est original, la
ED 173 - SDU2E
photosynthèse et fluorescence des couverts végétaux. De même, la modélisation des échanges
de masse et d'énergie dans les milieux urbains est en général très simplifiée. Ainsi, les milieux
urbains sont en général représentés par de simples canyons, c’est-à-dire avec une géométrie
en général très éloignée de l'architecture réelle des villes. Par suite, les mécanismes en
particulier radiatifs sont souvent modélisés de manière peu précise.
C'est dans ce contexte que le modèle DART-EB a été initialement développé de 2003 à 2007.
Son intérêt majeur est de considérer de manière réaliste de l'architecture des milieux pour
simuler à la fois les mesures de télédétection et les échanges d'énergie et de masse dans les
milieux naturels et urbains. DART-EB utilise le modèle 3-D de transfert radiatif DART
(Discrete Anisotropic Radiative Transfer) (http://www.cesbio.ups-tlse.fr/dart) pour simuler les
paysages (naturels et urbains, avec atmosphère et relief) et leurs bilan radiatif et images de
télédétection, dans les domaines spectraux du visible à l'infrarouge thermique. La
modélisation de la photosynthèse foliaire s'inspire du modèle de Collatz, modifié pour
s'appliquer à une architecture 3D. Les échanges turbulents au sein du couvert (i.e., profils de
température, humidité et concentration en CO2) sont déterminés par la "Localized Near Field
Theory" de Raupach (1989), avec une approche 1D. Enfin, les échanges d’énergie et de masse
au niveau du sol sont modélisés via une approche diffusive type ISBA-df. Pour les milieux
urbains, les équations qui régissent les échanges d'énergie et de masse dans les milieux
urbains sont conformes aux équations du modèle TEB de Météo France. DART-EB a été testé
de manière concluante avec des mesures terrain sur les sites de MUREX et du Bray.
Cependant, depuis 2007, seule la partie "urbain" de DART-EB a été maintenue et a évolué.
Depuis lors, le modèle DART a beaucoup évolué, pour mieux simuler à la fois les paysages
naturels et urbains, les mesures de télédétection (radiomètres, LiDARs) et le bilan radiatif des
milieux urbains et naturels. L'évolution de DART offre des perspectives très intéressantes
pour une meilleure modélisation des échanges d'énergie dans les couverts. Ainsi, pour le cas
des couverts végétaux, il est maintenant possible d'envisager d'introduire dans DART-EB la
modélisation de la fluorescence. La modélisation de ce mécanisme est très importante pour
modéliser avec précision les échanges de masse et d'énergie et pour l'étude du fonctionnement
des couverts végétaux depuis l'espace. Ceci explique que la modélisation de la fluorescence
dans DART/DART-EB soit menée en collaboration avec la NASA GSFC (USA) et que
l'Agence Spatiale Européenne ait prévu une mission satellite dédiée à la mesure du
rayonnement de fluorescence. De manière schématique, le modèle DART-EB devra modéliser
tous les mécanismes majeurs d'échange d'énergie et de masse.
De manière résumée, l'objectif de cette thèse est de déboucher sur une modélisation précise et
robuste qui combine le transfert radiatif et les principaux processus de surface (activité
photosynthétique des couverts, flux de chaleur et d'eau dans le sol, flux convectifs dans le
couvert, etc.). Les 2 originalités majeures sont la prise en compte réaliste de l'architecture 3D
des milieux, de s’adapter à des échelles variées, par exemple de la parcelle à un ensemble de
parcelles agricoles et boisées, et de simuler les mesures de télédétection pour toute
configuration expérimentale (état du couvert, architecture urbaine, etc.) et instrumentale
(résolutions spatiale et spectrale, direction solaire, etc.).
Un SVAT 3D capable de simuler des images de télédétection spatiale, tel que DARTEB, offre
des perspectives très intéressantes pour étudier les surfaces terrestres par télédétection. Ainsi,
il doit permettre d'évaluer l’impact de l’hétérogénéité de surface sur les températures de
brillance observées, d'estimer par télédétection certains paramètres de surface, etc.
Compétences souhaitées : physique (rayonnement, conduction,…), télédétection des surfaces
terrestres et informatique.