Contribution of high resolution and high revisit frequency remote sensing in hydrometeorological modelling

Les agrosystèmes sont soumis à de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles, notamment du fait des pratiques agricoles. Les modèles de surface, qui servent à quantifier les échanges d'eau et d'énergie entre le sol, la végétation et la basse atmosphère, dits flux hydrométéorologiques, utilisent la plupart du temps des résolutions spatiales trop larges et une description des pratiques agricoles trop simple pour caractériser ces hétérogénéités, faute d'information spatialisée fiable et à fréquence temporelle suffisante pour paramétrer les simulations. Pourtant, réussir à simuler de manière plus réaliste les agrosystèmes à l'échelle du paysage, comme un bassin versant par exemple, est d'importance cruciale que ce soit pour gérer la répartition des ressources en eau ou évaluer les interactions entre pratiques agricoles et évolution climatique. La télédétection à haute résolution spatiale et temporelle, à l'image de la mission spatiale Sentinel-2 de l'ESA, permet de fournir des informations sur la surface terrestre à des résolutions inégalées (10 m, 5 jours) et sur l'ensemble du globe. Cette thèse visait donc à exploiter ce type de données dans un modèle de surface, le modèle SURFEX-ISBA développé par le CNRM, afin d'améliorer la représentation des pratiques agricoles et évaluer son impact sur les flux hydrométéorologiques à l'échelle du paysage. Le premier volet de la thèse avait pour objectif de représenter l'hétérogénéité spatio-temporelle des cultures, du fait des choix des dates de semis et de récolte ainsi que des rotations de culture, dans le modèle. Pour ce faire, j'ai exploité les produits issus des données du satellite optique Formosat-2 (8m, acquisitions programmées), sous la forme de cartes d'occupation des sols et de cartes multi-temporelles d'indice de surface foliaire (LAI) afin de simuler un agrosystème du Sud-Ouest de la France sur une zone de 576 km2. Afin de simuler de telles étendues en exploitant la haute résolution des produits satellite tout en limitant le temps de calcul, une approche de simulation par parcelle a été mise en place.Agricultural practices generate strong spatial and temporal heterogeneities of the vegetation in agrosystems. Land Surface Models (LSMs), which simulate water and energy fluxes between soil, vegetation and atmosphere, use coarse spatial resolutions and very simplified agricultural practices representations. Therefore, they cannot characterize such heterogeneities. However, simulating agrosystems in a realistic way is of great interest to manage water resources at landscape scale, like a river basin, or study the interactions between climate evolution and agriculture. High resolution remote sensing, like the ESA's Sentinel-2 space mission, allows monitoring the Earth surface globally with unprecedented spatio-temporal resolution of 10 meters and 5 days. This Ph. D. thesis aimed to exploit such data in the SURFEX-ISBA LSM, developed by the CNRM, to represent agricultural practices in the hydrometeorological fluxes estimation at landscape scale. The first part of the thesis aimed at representing the spatial and temporal heterogeneities of the vegetation due to the choice of sewing and harvesting dates and crop rotations in the model. I used multi-temporal Leaf Area Index and annual land cover maps derived from the Formosat-2 remote sensing date (8m, tasking acquisitions). Simulations were performed on a 576 km2 agricultural plain in southwestern France. In order to keep the interest of high resolution while saving computation time, a plot scale simulation approach was used

Apport des données de télédétection haute résolution et haute répétitivité dans la modélisation hydro-météorologique

Agricultural practices generate strong spatial and temporal heterogeneities of the vegetation in agrosystems. Land Surface Models (LSMs), which simulate water and energy fluxes between soil, vegetation and atmosphere, use coarse spatial resolutions and very simplified agricultural practices representations. Therefore, they cannot characterize such heterogeneities. However, simulating agrosystems in a realistic way is of great interest to manage water resources at landscape scale, like a river basin, or study the interactions between climate evolution and agriculture. High resolution remote sensing, like the ESA's Sentinel-2 space mission, allows monitoring the Earth surface globally with unprecedented spatio-temporal resolution of 10 meters and 5 days. This Ph. D. thesis aimed to exploit such data in the SURFEX-ISBA LSM, developed by the CNRM, to represent agricultural practices in the hydrometeorological fluxes estimation at landscape scale. The first part of the thesis aimed at representing the spatial and temporal heterogeneities of the vegetation due to the choice of sewing and harvesting dates and crop rotations in the model. I used multi-temporal Leaf Area Index and annual land cover maps derived from the Formosat-2 remote sensing date (8m, tasking acquisitions). Simulations were performed on a 576 km2 agricultural plain in southwestern France. In order to keep the interest of high resolution while saving computation time, a plot scale simulation approach was used.Les agrosystèmes sont soumis à de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles, notamment du fait des pratiques agricoles. Les modèles de surface, qui servent à quantifier les échanges d'eau et d'énergie entre le sol, la végétation et la basse atmosphère, dits flux hydrométéorologiques, utilisent la plupart du temps des résolutions spatiales trop larges et une description des pratiques agricoles trop simple pour caractériser ces hétérogénéités, faute d'information spatialisée fiable et à fréquence temporelle suffisante pour paramétrer les simulations. Pourtant, réussir à simuler de manière plus réaliste les agrosystèmes à l'échelle du paysage, comme un bassin versant par exemple, est d'importance cruciale que ce soit pour gérer la répartition des ressources en eau ou évaluer les interactions entre pratiques agricoles et évolution climatique. La télédétection à haute résolution spatiale et temporelle, à l'image de la mission spatiale Sentinel-2 de l'ESA, permet de fournir des informations sur la surface terrestre à des résolutions inégalées (10 m, 5 jours) et sur l'ensemble du globe. Cette thèse visait donc à exploiter ce type de données dans un modèle de surface, le modèle SURFEX-ISBA développé par le CNRM, afin d'améliorer la représentation des pratiques agricoles et évaluer son impact sur les flux hydrométéorologiques à l'échelle du paysage. Le premier volet de la thèse avait pour objectif de représenter l'hétérogénéité spatio-temporelle des cultures, du fait des choix des dates de semis et de récolte ainsi que des rotations de culture, dans le modèle. Pour ce faire, j'ai exploité les produits issus des données du satellite optique Formosat-2 (8m, acquisitions programmées), sous la forme de cartes d'occupation des sols et de cartes multi-temporelles d'indice de surface foliaire (LAI) afin de simuler un agrosystème du Sud-Ouest de la France sur une zone de 576 km2. Afin de simuler de telles étendues en exploitant la haute résolution des produits satellite tout en limitant le temps de calcul, une approche de simulation par parcelle a été mise en place

Modélisation éco-hydrologique en zone agropastorale endoréique au Sahel : impact des pratiques agricoles et apport de la télédétection

International audienceLe Sahel est une région soumise à des aléas climatiques de plus en plus extrêmes. Sa forte croissance démographique le rend également particulièrement vulnérable concernant la gestion de l'eau, la sécurité alimentaire ou les risques hydro-climatiques. Dans ce contexte, la communauté scientifique s'attache à proposer des méthodologies facilitant le suivi des ressources en eau et végétales. Ces méthodologies reposent sur la compréhension et la modélisation du fonctionnement thermo-hydrique des grands types d'écosystèmes. Notre étude se focalise ainsi sur l'analyse de l'impact des pratiques agricoles dans les modèles de transfert Sol-Végétation-Atmosphère (SVA), outils dédiés à la quantification des bilans d'eau et d'énergie à la surface. Elle a comme objectif : i) d'identifier les processus clés régissant la répartition des flux permettant d'évaluer la pérennité des systèmes agricoles actuels face aux changements socio-climatiques, et ii) d'identifier les leviers d'action pour une adaptation durable de ces systèmes. Plus particulièrement, cette étude vise à mieux comprendre les impacts de la pratique de mise en jachère qui est traditionnellement conduite au Sahel agropastoral. Dans ce but, le modèle SiSPAT a été étalonné sur le site de mesure de Wankama, dans le Sud-Ouest du Niger, sur une parcelle agricole avec une mise en jachère suivie d'une culture de mil. L'étalonnage du modèle, mené année par année après la rotation, a permis de mettre en évidence les effets du labour effectué au moment de cette dernière sur les propriétés hydrodynamiques des premières couches du sol : hausse de 10 % de la porosité, conductivité hydraulique multipliée par 3.5, atténuation au fil des ans. Ceci impacte la capacité d'infiltration du sol, avec une infiltration plus importante et perdurant plusieurs années. La répartition entre évaporation et transpiration s'en trouve elle aussi impactée, au profit de la transpiration du fait du stockage de l'eau en profondeur. L'étude de la phase de rotation inverse (mil vers jachère) est également en cours d'analyse à l'aide des données disponibles et du modèle SiSPAT, afin de comprendre l'impact à plus long terme du cycle de rotation complet, tant sur les propriétés du sol que les processus d'infiltration et de recharge diffuse en milieu agricole

Climate Change impacts on hydrological and plant resources in the agro-pastoral Sahel

International audienceThe Sahel is a semi-arid region where the majority of the population depends on subsistence farming. This region is considered as a hotspot for climate change with an expected warming of 3 to 4°C by 2100. Indeed, climate projections show that dry periods are likely to be longer and extreme rainfall will be more frequent. These changes could have a major impact on hydrological and vegetal resources. This study aims to assess these impacts on a typical Sahelian agro-pastoral ecosystem dominated by millet crops and shrubby savannah in South-Western Niger. Climate scenarios are constructed from a local set of observed climate data combined with CMIP6 and other climate scenarios dedicated to Sahelian region. These scenarios are used to constrain SiSPAT SVAT (soil-vegetation-atmosphere transfer) model in order to simulate the surface water and energy fluxes. Results show that both energy and water balances are deeply influenced by temperature and air humidity changes. Temperature increase mainly affects the sensible heat flux (H), e.g., H decreases by 38% for a 3°C of temperature increase. Moreover, results show that the impact of temperature and humidity changes on evapotranspiration, partly compensate each other; higher temperature in the rainy season, leads to higher evapotranspiration values, contrarily to the impact of humidity increase. The surface water balance is mostly influenced by the rainfall regime modification, e.g., intensification of extreme rainfall leads to 59% increase in drainage. It also generates more runoff (+ 500 %), that would increase the risk of flooding but could cause a rise in groundwater levels, which is called the Sahelian paradox. Finally, it also increases the soil water storage, which could lead to a longer vegetation cycle. For this aim, coupling with crop and/or hydrological modelling would be useful to quantify the impacts of climate evolution on vegetal and water resources dynamics. It would allow to find efficiently adapted strategies for crop and water management

Improving continuous monitoring of evapotranspiration by combining data from future thermal infrared missions

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Modélisation des échanges d'énergie et d'eau sur le bassin agricole de l'Orgeval

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Problématique de modélisation écohydrologique en région méditerranéenne karstique

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Modélisation des échanges d'énergie et d'eau sur le bassin agricole de l'Orgeval

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Evapotranspiration mapping from remote sensing data: uncertainties and ensemble estimates based on multimodel – multidata simulations

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Evapotranspiration mapping from remote sensing data: uncertainties and ensemble estimates based on multimodel – multidata simulations

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