14 research outputs found

    Improvement of microwave emissivity parameterization of frozen Arctic soils using roughness measurements derived from photogrammetry

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    Soil emissivity of Arctic regions is a key parameter for assessing surface properties from microwave brightness temperature (Tb) measurements. Particularly in winter, frozen soil permittivity and roughness are two poorly characterized unknowns that must be considered. Here, we show that after removing snow, the 3D soil roughness can be accurately inferred from in-situ photogrammetry using Structure from Motion (SfM). We focus on using SfM techniques to provide accurate roughness measurements and improve emissivity models parametrization of frozen arctic soil for microwave applications. Validation was performed from ground-based radiometric measurements at 19 and 37 GHz using three different soil emission models: the Wegmüller and Mätzler [1999, TGRS] model (Weg99), the Wang and Choudhury [1981, JGR] model (QNH), and a geometrical optics model (Geo Optics). Measured and simulated brightness temperatures over different tundra and rock sites in the Canadian High Arctic show that Weg99, parametrized with SfM-based roughness and optimized permittivity (ε), yielded an RMSE of 3.1 K (R2=0.71) for all frequencies and polarizations. Our SfM based approach allowed us to measure roughness with 0.1 mm accuracy at 55 locations of different land cover type using a digital camera and metal plates of know dimensions

    Characterizing tundra snow sub-pixel variability to improve brightness temperature estimation in satellite SWE retrievals

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    Topography and vegetation play a major role in sub-pixel variability of Arctic snowpack properties, but are not considered in current passive microwave (PMW) satellite SWE retrievals. Simulation of sub-pixel variability of snow properties is also problematic when downscaling snow and climate models. In this study, we simplified observed variability of snowpack properties (depth, density, microstructure) in a two-layer model with mean values and distributions of two multi-year tundra dataset so they could be incorporated in SWE retrieval schemes. Spatial variation of snow depth was parametrized by a log-normal distribution with mean (μsd) values and coefficients of variation (CVsd). Snow depth variability (CVsd) was found to increase as a function of the area measured by a Remotely Piloted Aircraft System (RPAS). Distributions of snow specific surface area (SSA) and density were found for the wind slab (WS) and depth hoar (DH) layers. The mean depth hoar fraction (DHF) was found to be higher in Trail Valley Creek (TVC) than in Cambridge Bay (CB) where TVC is at a lower latitude with a sub-arctic shrub tundra compared to CB which is a graminoid tundra. DHF were fitted with a gaussian process and predicted from snow depth. Simulations of brightness temperatures using the Snow Microwave Radiative Transfer (SMRT) model incorporating snow depth and DHF variation were evaluated with measurements from the Special Sensor Microwave/Imager and Sounder (SSMIS) sensor. Variation in snow depth (CVsd) is proposed as an effective parameter to account for sub-pixel variability in PMW emission, improving simulation by 8K. SMRT simulations using a CVsd of 0.9 best matched CVsd observations from spatial datasets for areas > 3 km2, which is comparable to the 3.125 km pixel size of the Equal-Area Scalable Earth (EASE) grid 2.0 enhanced resolution at 37 GHz

    Changing Arctic snow cover: A review of recent developments and assessment of future needs for observations, modelling, and impacts

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    Open Access Journal (SHERPA RoMEO Green) DOI: 10.1007/s13280-016-0770-0Snow is a critically important and rapidly changing feature of the Arctic. However, snow-cover and snowpack conditions change through time pose challenges for measuring and prediction of snow. Plausible scenarios of how Arctic snow cover will respond to changing Arctic climate are important for impact assessments and adaptation strategies. Although much progress has been made in understanding and predicting snow-cover changes and their multiple consequences, many uncertainties remain. In this paper, we review advances in snow monitoring and modelling, and the impact of snow changes on ecosystems and society in Arctic regions. Interdisciplinary activities are required to resolve the current limitations on measuring and modelling snow characteristics through the cold season and at different spatial scales to assure human well-being, economic stability, and improve the ability to predict manage and adapt to natural hazards in the Arctic region

    Modélisation de l’émission micro-onde hivernale en forêt boréale canadienne

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    La caractérisation du couvert nival en forêt boréale est un élément important pour la compréhension des régimes climatiques et hydrologiques. Depuis plusieurs années, l’utilisation des micro-ondes passives est étudiée pour l’estimation de l’équivalent en eau de la neige (SWE : Snow Water Equivalent) à partir de capteurs satellitaires. Les algorithmes empiriques traditionnels étant limités en forêt boréale, le couplage d’un modèle de transfert radiatif (MTR) micro-onde passive (qui prend en compte les contributions du sol, de la neige, de la végétation et de l’atmosphère) avec un modèle de neige pour l’inversion du SWE semble une avenue prometteuse. La thèse vise donc à coupler un MTR avec le schéma de surface du modèle climatique canadien (CLASS) dans une perspective d’application opérationnelle pour les estimations de SWE à partir de données satellitaires micro-onde à 10.7, 19 et 37 GHz. Dans ce contexte, certains aspects centraux du MTR, dont l’effet de la taille des grains ainsi que la contribution de la végétation sont développés et quantifiés. Le premier aspect étudié dans la thèse concerne l’adaptation du modèle d’émission micro-onde passive DMRT-ML (Dense media radiative transfer theory – multi layer) pour l’intégration d’une nouvelle métrique représentant la taille des grains (surface spécifique des grains de neige: SSA). L’étude basée sur des mesures radiométriques et de neige in situ, montre la pertinence de l’utilisation de la SSA dans DMRT-ML et permet d’analyser le sens physique de l’adaptation nécessaire pour amener le modèle à simuler les températures de brillance (T[indice inférieur B) de la neige avec une erreur quadratique moyenne minimale de l’ordre de 13 K. Dans un contexte du couplage entre le modèle de neige de CLASS et DMRT-ML, un modèle d’évolution de la SSA est ensuite implémenté dans CLASS. Les SSA simulées par le module développé sont validées avec des données in situ basées sur la réflectance de la neige dans l’infrarouge à courte longueur d’onde pour différents types d’environnement. Au niveau de la contribution de la végétation, le modèle γ-ω a été étudié à partir de différentes bases de données (satellite, avion et au sol) en forêt boréale dense. L’étude montre l’importance de la considération de la diffusion (ω) pour l’estimation de l’émission de la végétation, paramètre auparavant généralement négligé aux hautes fréquences. Ensuite, des relations entre les transmissivités et certains paramètres structuraux de la forêt, dont l’indice de surface foliaire (LAI), ont été établies pour des forêts boréales en été. Des valeurs d’albédo de diffusion (ω) ainsi que les paramètres définissant la réflectivité du sol (QH) en forêt boréale ont aussi été inversées. Finalement, les simulations de T [indice inférieur] B issues du couplage du MTR (DMRT-ML, modèle γ-ω, et modèle atmosphérique) avec CLASS (dont les SSA simulées) ont été comparées avec les données AMSR-E sur une série temporelle continue de sept ans. Les premières comparaisons montrent une différence entre les paramètres de végétation (γ-ω) d’été et d’hiver, ainsi qu’une importante contribution des croûtes de glace dans la neige au signal. Les simulations du modèle ajusté montrent une bonne correspondance avec les observations d’AMSR-E (de l’ordre de 3 à 7 K selon la fréquence et la polarisation). Des tests de sensibilité montrent par contre une faible sensibilité du MTR/CLASS au SWE pour des forêts denses et des couverts nivaux épais. Le MTR-CLASS développé pourrait permettre l’assimilation de températures de brillance satellitaires en forêt boréale dans des systèmes opérationnels pour l’amélioration de paramètres de surface, dont la neige, dans les modèles météorologiques et climatiques

    Étude des conditions météorologiques favorables au déclenchement d'avalanches de neige par l'entremise d'appareils photographiques automatisés dans la région d'Umiujaq, Nunavik

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    La croissance démographique récente au Nunavik a amené l'expansion de certains villages nordiques près de zones de relief propice au déclenchement d'avalanches de neige tant à l'hiver qu'au printemps. Dans l'optique de développer une méthode de prévision précoce des avalanches au Nunavik, la surveillance des versants en contexte périglaciaire est primordiale. Les objectifs principaux de cette recherche sont donc de caractériser les événements avalancheux survenus de 2017 à 2020 sur le versant sud-ouest de la vallée Tasiapik (Umiujaq, Nunavik) et d'identifier les conditions météorologiques favorables à leur déclenchement. Pour ce faire, nous avons utilisé des appareils photographiques automatisés qui affichent une valeur de température sur chaque image capturée. Les données de température extraites sur près de 39 500 photographies ont été comparées aux données de température de deux stations météorologiques à proximité. Les résultats ont démontré que les appareils photographiques sont précis pour la mesure de la température à la fin de l'automne et à l'hiver. Au printemps et en été, ils ont une grande propension à surestimer la température. Les erreurs de mesure de température des appareils photographiques ont été statistiquement liées à la couverture nuageuse et à la radiation solaire incidente moyenne journalière. Par ailleurs, les photographies ont permis de caractériser 130 dépôts avalancheux. Deux principaux régimes d'avalanches ont été décrits : un régime hivernal, et un régime printanier. Des analyses de régression progressive ont permis d'établir que les conditions météorologiques propices au déclenchement des avalanches hivernales sont l'augmentation de la température minimale quotidienne et les chutes de neige ≥ à 10 cm à court terme (2 à 4 jours). Au printemps, ces conditions consistent en l'accumulation de degrés-jours de fonte, l'augmentation de la température minimale quotidienne, et la hauteur du couvert nival. Deux modèles de régression logistique ont été testés. Ensemble, ces modèles ont maintenu un taux de bonne classification global de 70.21% et ont correctement identifié 45 des 79 journées avalancheuses observées dans la vallée Tasiapik de 2017 à 2020.Recent population growth in Nunavik has led to the expansion of northern villages some of which are located near mountainous areas prone to snow avalanches releases in winter and in spring. To develop an early avalanche forecasting method in Nunavik, monitoring of slopes in a periglacial context is essential. The main objectives of this research were to characterize avalanche events that occurred from 2017 to 2020 on the southwestern slope of the Tasiapik Valley (Umiujaq, Nunavik) and to identify the meteorological conditions that were favorable to their triggering. To do so, we used automated time-lapse cameras which displayed a temperature value on each captured image. Temperature data extracted from nearly 39,500 photographs were compared to temperature data from two nearby weather stations. The results showed that the cameras were accurate in measuring temperature in the late fall and winter. In spring and summer, they have a high propensity to overestimate temperature. The temperature measurement errors of the cameras were statistically related to the observable cloud coverage and the daily average incident solar radiation. In addition, the photographs were used to characterize 130 snow avalanche deposits. Two main avalanche regimes were described: winter and spring. Stepwise regression analyses established that the meteorological conditions conducive to winter snow avalanche initiation are the increasing daily minimum air temperature and short term (2-4 days) snowfall episodes ≥ 10 cm. In spring, these conditions are the accumulation of melting degree days, the increase in daily minimum air temperature, and snow cover height. Two logistic regression models were tested. Together, the models maintained a global correct classification rate of 70.21% correctly identifying 45 of 79 avalanche days observed within Tasiapik Valley from 2017 to 2020

    Développement d’un système d’assimilation de mesures satellites micro-ondes passives dans un modèle de neige pour la prévision hydrologique au Québec

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    Dans le contexte québécois (Est du Canada), une bonne gestion de la ressource en eau est devenue un enjeu économique majeur et permet également d’éviter d’importantes catastrophes naturelles lors des crues printanières. La plus grande incertitude des modèles de prévision hydrologique résulte de la méconnaissance de la quantité de neige au sol accumulée durant l’hiver. Pour optimiser la gestion de ses barrages hydroélectriques, l'entreprise Hydro-Québec veut pouvoir mieux quantifier et anticiper l'apport en eau que représentera la fonte des neiges au printemps. Cet apport est estimé à partir de l’équivalent en eau de la neige (‘ÉEN’, ou Snow Water Equivalent, ‘SWE’) extrapolé sur l’ensemble d’un territoire. Cette étude se concentre sur la zone subarctique et boréale du Québec (58° - 45°N) incluant les bassins hydrographiques du complexe de la Baie James et du sud du Québec. Ces territoires représentent des régions immenses et hétérogènes difficiles d’accès. Le faible nombre de stations météorologiques permanentes et de relevés nivométriques entrainent de fortes incertitudes dans l’extrapolation de l’équivalent en eau de la neige, que ce soit à partir de mesures au sol ou de modèles de neige pilotés par des forçages météorologiques. La couverture quasi - quotidienne et globale des observations satellitaires est donc une source d’information au potentiel certain, mais encore peu utilisée pour ajuster les estimations de l’ÉEN dans les modèles hydrologiques. Utilisant les observations satellitaires micro-ondes passives (MOP) et des mesures de hauteurs de neige au sol pour ajuster les cartes de neige interpolées, le produit ÉEN GlobSnow2 est actuellement considéré comme un des plus performants à l’échelle globale. En comparant ce produit à une série temporelle de 30 ans de données au sol sur l’Est du Canada (1980 – 2009, avec un total de 38 990 mesures d’ÉEN), nous avons montré que sa précision n'était pas adaptée pour les besoins d'Hydro-Québec, avec une erreur quadratique moyenne (RMSE) relative de l'ordre de 36%. Une partie des incertitudes provient de la non représentativité des mesures de hauteur de neige au sol. Ce travail de thèse s'est donc concentré sur l'amélioration de la prédiction du couvert nival au Québec par l’assimilation des observations satellitaires MOP sans utilisation de relevés au sol. Les observations, décrites comme des températures de brillance (TB), sont fournies par les radiomètres AMSR-2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer – 2) embarqués sur le satellite Jaxa (10 x 10 km2). L’approche développée propose de coupler un modèle de neige (Crocus de Météo-France) avec un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML du LGGE, Grenoble) pour simuler l’émission du manteau neigeux modélisé. Des modèles de transfert radiatifs de végétation, de sol et d’atmosphère sont ajoutés et calibrés pour représenter le signal MOP au niveau des capteurs satellitaires. Les observations MOP d’AMSR-2 sont alors assimilées en réajustant directement les forçages atmosphériques pilotant le modèle de neige. Ces forçages sont dérivés du modèle de prévision atmosphérique canadien GEM à 10 km de résolution spatiale. Le système d’assimilation implémenté est un filtre particulaire par rééchantillonnage d’importance. La chaîne de modèles a été calibrée et validée avec des mesures au sol de radiométrie micro-onde et des relevés continus d’ÉEN et de hauteurs de neige. L’assimilation des TB montre d'excellents résultats avec des observations synthétiques simulées, améliorant la RMSE sur l’ÉEN de 82% comparé aux simulations d’ÉEN sans assimilation. Les experiences préliminaires de l’assimilation des observations satellitaires d’AMSR-2 en 11, 19 et 37 GHz (verticale polarization) montrent une amélioration significative des biais sur les ÉEN simulés sur un important jeu de données ponctuelles (12 stations de mesures d’ÉEN continues sur 4 années). La moyenne des biais inversés des valeurs d’ÉEN moyens et maximums sont réduits respectivement de 71 % et 32 % par rapport aux simulations d’ÉEN sans assimilation. Avec l’assimilation des observations d’AMSR-2 et pour les sites avec moins de 75 % de couverts forestiers, le pourcentage d'erreur relative sur l’ÉEN par rapport aux observations est de 15 % (contre 20 % sans assimilation), soit une précision significativement améliorée pour des applications hydrologiques. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives très prometteuses pour la cartographie d’ÉEN à des fins hydrologiques sur une base journalière

    Amélioration de la caractérisation de la neige et du sol arctique afin d’améliorer la prédiction de l’équivalent en eau de la neige en télédétection micro-ondes

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    Le phénomène de l’amplification arctique consiste en une augmentation plus prononcée des températures de surface dans cette région que sur le reste du globe. Ce phénomène est notamment dû à la diminution marquée du couvert nival provoquant un déséquilibre dans le bilan d’énergie de surface via une réduction généralisée de l’albédo (rétroaction positive). L’accélération du réchauffement est jusqu’à trois fois plus élevée dans ces régions. Il est donc primordial, dans un contexte de changement climatique arctique, de poursuivre et d’améliorer le suivi à grande échelle du couvert nival afin de mieux comprendre les processus gouvernant la variabilité spatio-temporelle du manteau neigeux. Plus spécifiquement, l’Équivalent en Eau de la Neige (EEN) est généralement utilisé pour quantifier deux propriétés (hauteur et densité) de la neige. Son estimation à grande échelle dans les régions éloignées tel que l’Arctique provient actuellement essentiellement de produits en micro-ondes passives satellitaires. Cependant, il existe encore beaucoup d’incertitudes sur les techniques d’assimilation de l’ÉEN par satellite et ce projet vise une réduction de l’erreur liée à l’estimation de l’ÉEN en explorant deux des principales sources de biais tels que : 1) la variabilité spatiale de l’épaisseur et des différentes couches du manteau neigeux arctique liées à la topographie et la végétation au sol influençant l’estimation de l’ÉEN; et 2) les modèles de transfert radiatif micro-ondes de la neige et du sol ne bénéficient pas actuellement d’une bonne paramétrisation en conditions arctiques, là où les erreurs liées à l’assimilation de l’ÉEN sont les plus importantes. L’objectif global est donc d’analyser les propriétés géophysiques du couvert nival en utilisant des outils de télédétection et de modélisation pour diminuer l’erreur liée à la variabilité spatiale locale dans l’estimation du ÉEN à grande échelle, tout en améliorant la compréhension des processus locaux qui affectent cette variabilité. Premièrement, une analyse haute résolution à l’aide de l’algorithme Random Forest a permis de prédire la hauteur de neige à une résolution spatiale de 10 m avec une RMSE de 8 cm (23%) et d’en apprendre davantage sur les processus de distribution de la neige en Arctique. Deuxièmement, la variabilité du manteaux neigeux arctique (hauteur et microstructure) a été incorporée dans des simulations en transfert radiatif micro-ondes de la neige et comparée au capteur satellitaire SSMIS. L’ajout de variabilité améliore la RMSE des simulations de 8K par rapport à un manteau neigeux uniforme. Finalement, une paramétrisation du sol gelé est présentée à l’aide de mesures de rugosité provenant de photogrammétrie (Structure-from-Motion). Cela a permis d’investiguer trois modèles de réflectivité micro-ondes du sol ainsi que la permittivité effective du sol gelé avec une rugosité SfM d’une précision de 0.1 mm. Ces données de rugosité SfM avec une permittivité optimisée (ε'_19 = 3.3, ε'_37 = 3.6) réduisent significativement l’erreur des températures de brillance simulées par rapport à des mesures au sols (RMSE = 3.1K, R^2 = 0.71) pour toutes les fréquences et polarisations. Cette thèse offre une caractérisation des variables de surface (neige et sol) en Arctique en transfert radiatif micro-ondes qui bénéficie aux multiples modélisations (climatiques et hydrologiques) de la cryosphère

    Modélisation en bandes C et X de la rétrodiffusion de couverts de neige sèche : évaluation de l’apport de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses.

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    La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale
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