Suivi des flux d'énergie, d'eau et de carbone à la surface : apport de la télédétection et de la modélisation du rayonnement solaire absorbé par la végétation

It is known that a global 4% increase of land surface albedo (also called reflectivity) may result approximately in a decrease of 0.7°C in the Earth’s equilibrium temperature. Nowadays the surface properties (including albedo) are changing under climatic and human pressure. At the same time, there is a debate that divides the scientific community about the potential trends (increase or decrease) affecting the surface incoming solar radiation since mid-1980 (resulting of a decrease or increase of aerosol concentration in the atmosphere, respectively). The Earth is a complex system driven at the surface level by three cycles (energy, water, and carbon). These cycles are not insensitive to changes of surface reflectivity, incoming radiation, or aerosol properties. For example, some argue that the increase of diffuse radiation during the last decades would have led to an exceed of carbon uptake by the Earth’s vegetation of 9.3%. The main issue raised here is to assess the added value of the knowledge in absorbed solar radiation by the surface (combination of incoming solar radiation with surface albedo) and, especially, by the vegetation for the monitoring of energy, water and carbon fluxes.In this work, I have used satellite observations and modeled the radiative transfer theory in order to make dynamic mapping of solar radiation absorbed by the surface and through the vertical dimension of the vegetation. First, I quantified each uncertainty source affecting incoming solar radiation, surface albedo and the way radiation is split between horizontal and vertical heterogeneity. In a second step, I measured the added value of using this absorbed radiation mapping of the surface by satellite to estimate the energy and water fluxes at the surface. The resulting improved scores of weather forecast models in the short-range time scale suggested potential feedbacks at the climatic time scale over sensible areas such as the Sahel region. Another significant outcome is that the developments proposed to better characterize the vertical heterogeneity within the canopy led to an improvement of 15% of annual global terrestrial gross primary production (GPP). Moreover, this study has led to measure the impact of the lack of knowledge of spatial and temporal variability of aerosol properties (concentration and type). I have shown that the tracking of temporal changes of directional properties of reflectance allows me to retrieve to the amount of aerosols in the atmosphere as precisely as other widely used methods but with a higher frequency (5 times more) by using data from geostationary satellite. Finally, this study addresses some possibilities to better track temporal changes of properties of reflectivity of surface and aerosol of atmosphere, and to access to a better monitoring of biogeochemical cycles of the terrestrial biosphere.Au niveau global, il a été estimé qu’une augmentation de 4% de l’albédo (ou réflectivité) de la surface provoquerait une diminution de 0,7° de la température d’équilibre de la Terre. Or les propriétés des surfaces (dont l’albédo) changent sous la pression climatique et l’action de l’homme. Parallèlement à ce changement des propriétés de surface un débat divise la communauté scientifique sur une éventuelle diminution ou augmentation du rayonnement incident à la surface depuis le milieu des années 1980 (conséquence d’une augmentation ou diminution de la concentration d’aérosols dans l’atmosphère). La Terre est un système complexe piloté en sa surface par 3 cycles (énergie, eau et carbone). Ces cycles ne sont pas insensibles à ces changements de propriété de réflectivité de surface, de rayonnement solaire incident ou de concentration en aérosols. Certains avancent ainsi qu’une augmentation du rayonnement diffus durant les dernières décennies aurait déjà entraîné un excédent de captation de carbone par la végétation de 9.3%. La problématique ici soulevée est d’évaluer l’apport de la connaissance du flux solaire absorbé par la surface (combinaison du rayonnement solaire et de l’albédo de surface) et plus particulièrement par sa partie végétative pour le suivi des flux d’énergie, d’eau et de carbone. Dans ce travail, j’ai fait appel à l’observation satellitaire et à la modélisation du transfert radiatif pour cartographier la dynamique du rayonnement solaire absorbé par la surface et sur la verticale de la végétation. Dans un premier temps, chacune des sources d’incertitudes sur le rayonnement incident, sur l’albédo de surface mais aussi sur la répartition du rayonnement entre les hétérogénéités horizontales et verticales à la surface furent quantifiées. Puis tout en discutant l’effet de ces incertitudes, j’ai mesuré l’apport de l’utilisation de cette cartographie par satellite du rayonnement solaire absorbé pour estimer les flux d’énergie et d’eau en surface ; ce qui améliora les scores de prévision du temps à court terme et permis également de suggérer des rétroactions à l’échelle climatique sur des zones sensibles tel le Sahel. Aussi une correction de biais de 15% sur l’estimation de la production primaire brute de carbone à l’échelle planétaire démontra l’importance des développements réalisés afin de caractériser les hétérogénéités verticales dans le couvert. Finalement, ce travail m’a conduit à chiffrer l’impact de la méconnaissance des variabilités spatiales et temporelles des propriétés des aérosols (concentration et type). J’ai montré que le suivi au cours du temps des propriétés de directionalité de la réflectivité de surface (tel abordé dans la première partie de mon étude) pouvait aussi permettre de remonter à la quantité d’aérosol dans l’atmosphère. L’utilisation d’observations issues de satellite géostationnaire permet d’estimer la concentration en aérosol avec la même qualité mais avec une fréquence de détection plus élevée (x5 environ) que les méthodes classiques. Enfin, ce travail dresse des pistes pour améliorer la détection des changements des propriétés de réflectivité de surface et d’aérosols de l’atmosphère, et atteindre un suivi encore meilleur des cycles biogéochimiques de la biosphère terrestre

Daily estimates of the tropospheric aerosol optical thickness over land surface from MSG geostationary observations

The paper presents an innovative method to derive aerosol optical thickness (AOT) on a continental scale, using MSG observation. The approach consists in taking into account the high temporal resolution of the observing system, in order to discriminate between surface and aerosol effects. A suitably extended semi-empirical BRDF model is applied, combined with a recursive scheme. The method is not instrument-specific (can be adapted to instruments onboard polar satellites) and was tested with MSG/SEVIRI data over mid-latitude and African regions. The aerosol optical thickness estimates are compared to AERONET ground measurements and to the corresponding MODIS product over land. The method appears very promising for tracking anthropogenic emissions in the troposphere and also for estimating dust events over bright surfaces. The high spatial and temporal resolution of the estimate is appropriate to investigate the dependence of AOT on the density of urbanization and potentially on motor vehicle traffic. Finally, this study suggests that this approach is appropriate for multi-sensor data fusion, for the simultaneous retrieval of surface albedo and aerosol optical thickness, and to generate these products in near-real time with a very high generation frequency

Land surface albedo from MSG/SEVIRI: retrieval method, validation, and application for weather forecast

The European Meteorological Satellite Organization (EUMETSAT) maintains a number of decentralized processing centers dedicated to different scientific themes. The Portuguese Meteorological Institute hosts the Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA-SAF). The primary objective of the LSA-SAF is to provide added-value products for the meteorological and environmental science communities with main applications in the fields of climate modeling, environmental management, natural hazards management, and climate change detection. Since 2005 data from Meteosat Second Generation satellite are routinely processed in near real time by the LSA-SAF operational system in Lisbon. Presently, the delivered operational products comprise land surface albedo and temperature, shortwave and long-wave downwelling radiation fluxes, vegetation parameters and snow cover. After more than ten years (1999-2010) of research, development, and progressive operational activities, a summary of the surface albedo product characteristics and performances is presented. The relevance of LSA-SAF albedo product is analyzed through a weather forecast model (ALADIN) in order to account for the inter-annual spatial and temporal variability. Results clearly show a positive impact on the 12-hour forecast of 2m temperatures

Comparison of two methods for aerosol optical depth retrieval over North Africa from MSG/SEVIRI data

A comparison between the algorithm for Land Aerosol property and Bidirectional reflectance Inversion by Time Series technique (LABITS) and a daily estimation of aerosol optical depth (AOD) algorithm (AERUS-GEO) over land surface using MSG/SEVIRI data over North Africa is presented. To obtain indications about the quantitative performance of two AOD retrieval methods mentioned above, daily SEVIRI AOD values is considered with respect to those measured from the global aerosol-monitoring Aerosol Robotic Network (AERONET) data. The correlation coefficient (R2) between retrieved SEVIRI AOD at 650 nm from the AERUS-GEO algorithm and the AERONET Level 2.0 daily average AOD at 675 nm is 0.80 and root mean square error (RMSE) is 0.044, and R2 between retrieved AOD from the LABITS algorithm and AERONET AOD is 0.80 and RMSE is 0.037

Tree rings reveal globally coherent signature of cosmogenic radiocarbon events in 774 and 993 CE

This study was funded by the WSL-internal COSMIC project (5233.00148.001.01), the ETHZ (Laboratory of Ion Beam Physics), the Swiss National Science Foundation (SNF Grant 200021L_157187/1), and as the Czech Republic Grant Agency project no. 17-22102s.Though tree-ring chronologies are annually resolved, their dating has never been independently validated at the global scale. Moreover, it is unknown if atmospheric radiocarbon enrichment events of cosmogenic origin leave spatiotemporally consistent fingerprints. Here we measure the 14C content in 484 individual tree rings formed in the periods 770–780 and 990–1000 CE. Distinct 14C excursions starting in the boreal summer of 774 and the boreal spring of 993 ensure the precise dating of 44 tree-ring records from five continents. We also identify a meridional decline of 11-year mean atmospheric radiocarbon concentrations across both hemispheres. Corroborated by historical eye-witness accounts of red auroras, our results suggest a global exposure to strong solar proton radiation. To improve understanding of the return frequency and intensity of past cosmic events, which is particularly important for assessing the potential threat of space weather on our society, further annually resolved 14C measurements are needed.Publisher PDFPeer reviewe

Monitoring energy, water, and carbon fluxes at the surface : using remote sensing techniques and modelling of solar radiation absorbed by the vegetation

Au niveau global, il a été estimé qu’une augmentation de 4% de l’albédo (ou réflectivité) de la surface provoquerait une diminution de 0,7° de la température d’équilibre de la Terre. Or les propriétés des surfaces (dont l’albédo) changent sous la pression climatique et l’action de l’homme. Parallèlement à ce changement des propriétés de surface un débat divise la communauté scientifique sur une éventuelle diminution ou augmentation du rayonnement incident à la surface depuis le milieu des années 1980 (conséquence d’une augmentation ou diminution de la concentration d’aérosols dans l’atmosphère). La Terre est un système complexe piloté en sa surface par 3 cycles (énergie, eau et carbone). Ces cycles ne sont pas insensibles à ces changements de propriété de réflectivité de surface, de rayonnement solaire incident ou de concentration en aérosols. Certains avancent ainsi qu’une augmentation du rayonnement diffus durant les dernières décennies aurait déjà entraîné un excédent de captation de carbone par la végétation de 9.3%. La problématique ici soulevée est d’évaluer l’apport de la connaissance du flux solaire absorbé par la surface (combinaison du rayonnement solaire et de l’albédo de surface) et plus particulièrement par sa partie végétative pour le suivi des flux d’énergie, d’eau et de carbone. Dans ce travail, j’ai fait appel à l’observation satellitaire et à la modélisation du transfert radiatif pour cartographier la dynamique du rayonnement solaire absorbé par la surface et sur la verticale de la végétation. Dans un premier temps, chacune des sources d’incertitudes sur le rayonnement incident, sur l’albédo de surface mais aussi sur la répartition du rayonnement entre les hétérogénéités horizontales et verticales à la surface furent quantifiées. Puis tout en discutant l’effet de ces incertitudes, j’ai mesuré l’apport de l’utilisation de cette cartographie par satellite du rayonnement solaire absorbé pour estimer les flux d’énergie et d’eau en surface ; ce qui améliora les scores de prévision du temps à court terme et permis également de suggérer des rétroactions à l’échelle climatique sur des zones sensibles tel le Sahel. Aussi une correction de biais de 15% sur l’estimation de la production primaire brute de carbone à l’échelle planétaire démontra l’importance des développements réalisés afin de caractériser les hétérogénéités verticales dans le couvert. Finalement, ce travail m’a conduit à chiffrer l’impact de la méconnaissance des variabilités spatiales et temporelles des propriétés des aérosols (concentration et type). J’ai montré que le suivi au cours du temps des propriétés de directionalité de la réflectivité de surface (tel abordé dans la première partie de mon étude) pouvait aussi permettre de remonter à la quantité d’aérosol dans l’atmosphère. L’utilisation d’observations issues de satellite géostationnaire permet d’estimer la concentration en aérosol avec la même qualité mais avec une fréquence de détection plus élevée (x5 environ) que les méthodes classiques. Enfin, ce travail dresse des pistes pour améliorer la détection des changements des propriétés de réflectivité de surface et d’aérosols de l’atmosphère, et atteindre un suivi encore meilleur des cycles biogéochimiques de la biosphère terrestre.It is known that a global 4% increase of land surface albedo (also called reflectivity) may result approximately in a decrease of 0.7°C in the Earth’s equilibrium temperature. Nowadays the surface properties (including albedo) are changing under climatic and human pressure. At the same time, there is a debate that divides the scientific community about the potential trends (increase or decrease) affecting the surface incoming solar radiation since mid-1980 (resulting of a decrease or increase of aerosol concentration in the atmosphere, respectively). The Earth is a complex system driven at the surface level by three cycles (energy, water, and carbon). These cycles are not insensitive to changes of surface reflectivity, incoming radiation, or aerosol properties. For example, some argue that the increase of diffuse radiation during the last decades would have led to an exceed of carbon uptake by the Earth’s vegetation of 9.3%. The main issue raised here is to assess the added value of the knowledge in absorbed solar radiation by the surface (combination of incoming solar radiation with surface albedo) and, especially, by the vegetation for the monitoring of energy, water and carbon fluxes.In this work, I have used satellite observations and modeled the radiative transfer theory in order to make dynamic mapping of solar radiation absorbed by the surface and through the vertical dimension of the vegetation. First, I quantified each uncertainty source affecting incoming solar radiation, surface albedo and the way radiation is split between horizontal and vertical heterogeneity. In a second step, I measured the added value of using this absorbed radiation mapping of the surface by satellite to estimate the energy and water fluxes at the surface. The resulting improved scores of weather forecast models in the short-range time scale suggested potential feedbacks at the climatic time scale over sensible areas such as the Sahel region. Another significant outcome is that the developments proposed to better characterize the vertical heterogeneity within the canopy led to an improvement of 15% of annual global terrestrial gross primary production (GPP). Moreover, this study has led to measure the impact of the lack of knowledge of spatial and temporal variability of aerosol properties (concentration and type). I have shown that the tracking of temporal changes of directional properties of reflectance allows me to retrieve to the amount of aerosols in the atmosphere as precisely as other widely used methods but with a higher frequency (5 times more) by using data from geostationary satellite. Finally, this study addresses some possibilities to better track temporal changes of properties of reflectivity of surface and aerosol of atmosphere, and to access to a better monitoring of biogeochemical cycles of the terrestrial biosphere

Écosystèmes, Climat et Rayonnement solaire global absorbé à la surface de la Terre : cartographie d’une entrée dans l’anthropocène: Habilitation à Diriger des Recherches (HdR)

Le rayonnement solaire absorbé par les surfaces terrestres est fondamental pour la vie sur Terre, l'équilibre énergétique, les cycles de l’eau et du carbone. Le rayonnement solaire absorbé en surface détermine en partie les conditions météorologiques et climatiques. Il s'agit également de la ressource énergétique renouvelable la plus abondante sur Terre. Cette énergie absorbée par la surface de la Terre dépend de deux variables radiatives : le rayonnement solaire global incident au niveau de la surface et l'albédo de la surface terrestre. Ces dernières décennies, des tendances à la diminution puis à l'augmentation du rayonnement solaire furent observées. L'albédo dépend de manière complexe des propriétés des surfaces terrestres (phénologie de la végétation, humidité du sol, type de sol, pour n'en citer que quelques-unes). De plus, il varie sous la pression climatique et l'action de l'homme. Cette variable est fortement hétérogène en surface rendant son observation à grande échelle difficile par des moyens de mesure in situ. La télédétection spatiale permet d’obtenir une couverture globale des propriétés radiatives des surfaces terrestres. C’est ainsi que j'ai participé ces 18 dernières années à huit projets de recherche européens exploitant des données satellitaires pour cartographier l'albédo de surface et le rayonnement solaire incident. J'ai utilisé de multiples capteurs satellitaires, de l'ancienne à l'actuelle génération d'instruments, des années 80 à aujourd’hui. Mes travaux ont mis en évidence l’importance et la difficulté de mieux estimer la présence des aérosols dans l’atmosphère ; ce que j’ai proposé de réaliser par satellite avec une méthode novatrice d’inversion. Ces projets européens ont permis de constituer de longues séries temporelles de produits homogènes caractérisant l'albédo de la surface (40 ans) et le flux de rayonnement solaire incident (20 ans) à partir de différents capteurs satellitaires. Les agences spatiales donnent à ces variables l'appellation de "Climate Data Record" (CDR), c'est-à-dire de donnée d'archive du climat permettant de renseigner sur notre environnement, nos surfaces continentales et leurs entrées dans une nouvelle ère climatique (l'anthropocène). La combinaison de l'albédo de surface et du rayonnement solaire incident dérivés des satellites permet une cartographie dynamique précise du rayonnement solaire global absorbé par la surface terrestre à grande échelle et aux fréquences temporelles instantanées et journalières. J'ai en parallèle utilisé la modélisation numérique des surfaces continentales à l'aide du modèle de surface ISBA de Météo-France pour améliorer l'estimation de la répartition au sein de la canopée de ce rayonnement absorbé à la surface. Les méthodes d'inversion, les caractéristiques et les performances de ces CDR sont présentées. Des exemples d'applications de cette cartographie du rayonnement solaire global absorbé par les surfaces terrestres, pour la prévision et l'atténuation du climat, sont montrés. Les défis scientifiques pour l'amélioration de la surveillance de ces CDR avec la prochaine génération de satellites européens sont discutés. Finalement, des axes d'amélioration de la représentation des surfaces pour la modélisation numérique du climat sont proposés en lien avec le besoin de stratégies d'adaptation au climat futur des territoires

Daily estimates of aerosol optical thickness over land surface based on a directional and temporal analysis of SEVIRI MSG visible observations

International audienceThis paper presents an innovative method for obtaining a daily estimate of a qualitycontrolled aerosol optical thickness (AOT) of a vertical column of the atmosphere over the continents. Because properties of land surface are more stationary than the atmosphere, the temporal dimension is exploited for simultaneous retrieval of the surface and aerosol bidirectional reflectance distribution function (BRDF) coming from a kerneldriven reflectance model. Off-zenith geometry of illumination enhances the forward scattering peak of the aerosol, which improves the retrieval of AOT from the aerosol BRDF. The solution is obtained through an unconstrained linear inversion procedure and perpetuated in time using a Kalman filter. On the basis of numerical experiments using the 6S atmospheric code, the validity of the BRDF model is demonstrated. The application is carried out with data from the Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager (SEVIRI) instrument on board the geostationary Meteosat Second Generation (MSG) satellite from June 2005 to August 2007 for midlatitude regions and from March 2006 to June 2006 over desert sites. The satellite-derived SEVIRI AOT compares favorably with Aerosol Robotic Network (AERONET) measurements for a number of contrasted stations and also similar Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) products, within 20% of relative accuracy. The method appears competitive for tracking anthropogenic aerosol emissions in the troposphere and shows a potential for the challenging estimate of dust events over bright targets. Moreover, a high-frequency distribution of AOT provides hints as to the variability of pollutants according to town density and, potentially, motor vehicle traffic. The outcomes of the present study are expected to promote a monitoring of the global distributions of natural and anthropogenic sources and sinks of aerosol, which are receiving increased attention because of their climatic implications

How will climate change affect the vegetation cycle over France? A generic modeling approach

The implementation of adaptation strategies of agriculture and forestry to climate change is conditioned by the knowledge of the impacts of climate change on the vegetation cycle and of the associated uncertainties. Using the same generic Land Surface Model (LSM) to simulate the response of various vegetation types is more straightforward than using several specialized crop and forestry models, as model implementation differences are difficult to assess. The objective of this study is to investigate the potential of a LSM to address this issue. Using the SURFEX (“Surface Externalisée”) modeling platform, we produced and analyzed 150-yr (1950–2100) simulations of the biomass of four vegetation types (rainfed straw cereals, rainfed grasslands, broadleaf and needleleaf forests) and of the soil water content associated to each of these vegetation types over France. Statistical methods were used to quantify the impact of climate change on simulated phenological dates. The duration of soil moisture stress periods increases everywhere in France, especially for grasslands with, on average, an increase of 9 days per year in near-future (NF) conditions and 36 days per year in distant-future (DF) conditions. For all the vegetation types, leaf onset and the annual maximum LAI occur earlier. For straw cereals in the Languedoc-Provence-Corsica area, NF leaf onset occurs 18 days earlier and 37 days earlier in DF conditions, on average. On the other hand, local discrepancies are simulated for the senescence period (e.g. earlier in western and southern France for broadleaf forests, slightly later in mountainous areas of eastern France) for both NF and DF. Changes in phenological dates are more uncertain in DF than in NF conditions in relation to differences in climate models, especially for forests. Finally, it is shown that while changes in leaf onset are mainly driven by air temperature, longer soil moisture stress periods trigger earlier leaf senescence over most of France. This shows that developing in situ soil moisture networks could help monitoring the long-term impacts of climate change

Assessing the Potential of Geostationary Satellites for Aerosol Remote Sensing Based on Critical Surface Albedo

International audienceGeostationary satellites are increasingly used for the detection and tracking of atmospheric aerosols and, in particular, of the aerosol optical depth (AOD). The main advantage of these spaceborne platforms in comparison with polar orbiting satellites is their capability to observe the same region of the Earth several times per day with varying geometry. This provides a wealth of information that makes aerosol remote sensing possible when combined with the multi-spectral capabilities of the on-board imagers. Nonetheless, the suitability of geostationary observations for AOD retrieval may vary significantly depending on their spatial, spectral, and temporal characteristics. In this work, the potential of geostationary satellites was assessed based on the concept of critical surface albedo (CSA). CSA is linked to the sensitivity of each spaceborne observation to the aerosol signal, as it is defined as the value of surface albedo for which a varying AOD does not alter the satellite measurement. In this study, the sensitivity to aerosols was determined by estimating the difference between the surface albedo of the observed surface and the corresponding CSA (referred to as dCSA). The values of dCSA were calculated for one year of observations from the Meteosat Second Generation (MSG) spacecraft, based on radiative transfer simulations and information on the satellite acquisition geometry and the properties of the observed surface and aerosols. Different spectral channels from MSG and the future Meteosat Third Generation-Imager were used to study their distinct capabilities for aerosol remote sensing. Results highlight the significant but varying potential of geostationary observations across the observed Earth disk and for different time scales (i.e., diurnal, seasonal, and yearly). For example, the capability of sensing multiples times during the day is revealed to be a notable strength. Indeed, the value of dCSA often fluctuates significantly for a given day, which makes some instants of time more suitable for aerosol retrieval than others. This study determines these instants of time as well as the seasons and the sensing wavelengths that increase the chances for aerosol remote sensing thanks to the variations of dCSA. The outcomes of this work can be used for the development and refinement of AOD retrieval algorithms through the use of the concept of CSA. Furthermore, results can be extrapolated to other present-day geostationary satellites such as Himawari-8/9 and GOES-16/17