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Cartographie globale à résolution sub-kilomètrique de l’humidité du sol de la zone racinaire issue de la synergie Sentinel1/SMOS

Description

La connaissance de l’humidité du sol en zone racinaire (0-1,5 m) à des résolutions sub- kilométriques sera nécessaire pour accompagner l’amélioration de la résolution des modèles agro-hydrologique dans la prochaine décennie (Wood el al. 2011). Elle est aussi primordiale pour la gestion des ressources en eaux en agronomie et la gestion des risques naturels liés aux extrêmes météorologiques (inondations, sécheresses, feux). D’ailleurs les prédictions des modèles hydrologiques (Lievens et al. 2015), agronomiques (Battude et al. 2016) et météorologiques sont sensibles à l’état hydrique du sol (Douville et al. 2001). Actuellement l’humidité du sol avec sa composante zone racinaire est identifiée comme une variable climatique essentielle par le GCOS (Global  Climate Observing System). Si les efforts de la communauté scientifique se sont concentrés sur l'humidité du sol en surface durant les dernières décennies, nous remarquons que la dynamique de recherche actuelle ce concentre sur la production de l'humidité en zone racinaire. Dans ce sens, après la première phase du CCI Soil Moisture qui inclut maintenant l’ensemble des capteurs de basse résolution (Dorigo et al. 2017), l’innovation majeure des prochaines phases sera l’ajout des cartes d’humidité en zone racinaire qui seront produites par les centres thématiques comme EODC (Earth Observing Data Center for Water Resources Monitoring) de Vienne et le pôle Thématique Surfaces Continentales THEIA et le C3S (Copernicus Climate Change Services) à l ECMWF.

La NASA a par ailleurs associé un niveau 4 d’humidité en zone racinaire à la mission SMAP (Reichle et al. 2016) et envisage la distribution des cartes de haute résolution par assimilation des données Sentinel-1 et SMAP dans un SVAT (Lievens et al. 2017). Enfin, le quatrième rapport du GIEC (Group d'experts Intergouvernemental sur l'évolution du climat) recommande l’évaluation des scénarios climatiques aux échelles locale et régionale afin d’élaborer des solutions d'atténuation et d’adaptation. Ainsi une solution intégrée modèle / observations à une échelle fine reste à développer. En résumé, la dynamique scientifique pour la production des cartes d’humidité en zone racinaire à haute résolution spatiale (proche de 1km) en support aux questions liées au changement climatique et la gestion de l’eau est très forte. Le positionnement des équipes françaises qui sont à la pointe dans ce domaine est essentiel.

Actuellement aucune technique directe en télédétection ne permet d’avoir un accès à l’humidité en zone racinaire. La Bande-P présente des opportunités mais la prochaine mission BIOMASS prévue pour 2023 aura une répétitivité temporelle très faible  pour ce type d’observation (>16 jours). Les techniques actuelles permettent de suivre l’état hydrique (indice entre 0-1) ou l’humidité de surface (0-5cm). Les mesures radar et particulièrement SAR, ont permis depuis vingt ans de montrer un potentiel fort dans la cartographie de l’état hydrique (indice entre 0-1) du sol à haute résolution spatiale (Zribi et al., 2014, Tomer et al. 2015)  malgré une forte sensibilité à d’autres paramètres de la surface tels que la rugosité du sol et le couvert végétal. Ces mesures radar sont particulièrement enrichies avec l’arrivée de Sentinel 1 capable de fournir des mesures à une résolution spatiale (10 m) et une répétitivité de 6 jours au maximum sur l’Europe et beaucoup de régions du globe.

Des études récentes montrent que l'utilisation conjointe de Sentinel 2 et Sentinel 1 permettrait de réduire l'impact de la végétation dans l'inversion de l'humidité du sol (El Hajj et al., 2017, Gao et al., 2017). Néanmoins, Ces mesures ne permettent pas d’obtenir des humidités de surface avec une répétitivité suffisante pour les applications en hydrologie. Par contre les radiomètres en bande-L y sont adaptés. Ainsi le lancement de SMOS (ESA/CNES/CDTI) (Kerr et al. 2010) a apporté une révolution dans le domaine du suivi de l’humidité de surface (m3 /m3) à l’échelle globale (Al Bitar et al. 2017). Il a été suivi par le lancement de la mission SMAP (NASA)  (Entekhabi et al. 2016). Mais dans bien de domaines, les applications se heurtent à l’inconvénient majeur de ce type de données: la résolution spatiale qui est de l’ordre de 40km (le radar de SMAP ayant arrêté de fonctionner après 3 mois du lancement).

En attendant, et en préparation de la génération future des radiomètres bande-L haute résolution (SMOS-HR), les méthodes de désagrégation restent l’unique moyen pour accéder à cette information (voir Verhoest et al. 2017 pour une revue). Des approches de désagrégation des observations en micro-onde passive ont permis d’aller vers des résolutions beaucoup plus fines (entre 100m et 1km) (Merlin et al. 2012, Piles et al. 2012). Ces approches sont essentiellement basées sur l’utilisation de mesures infrarouge thermiques (MODIS, Landsat7-8, ASTER). Malgré un apport essentiel de ces méthodes, largement validées dans des régions semi-arides, elles présentent une contrainte liée à la sensibilité des mesures IRT aux conditions météorologiques. Ainsi l’association des données micro-ondes actives/passives permettrait d’étendre la disponibilité de produits haute résolution vers une  couverture globale. Ainsi nous avons testé avec succès (RMSE < 0.04 m3/m3) des approches combinant SMOS et RADARSAT au Sud de l’Inde dans le bassin du Kabini (Tomer et al., 2016). Depuis, cet algorithme est utilisé pour la gestion de l'irrigation par une société de conseil pour la gestion de l’eau indienne basée à Hyderabad (AAPAH innovation) avec les données du SAR Bande-C indien  RISAT et du satellite SMOS. Ce produit fait également partie des démonstrateurs du Space Climate Observatory (SCO) http://www.spaceclimateobservatory.org/scenarii/la-secheresse-agir-et-sa...

Cependant, des questions scientifiques restent ouvertes pour la combinaison des données Sentinel1/SMOS, elles sont dues à la nouveauté des données Sentinel-1 et leurs spécificités (angle d’observation, incertitude). A partir des données d’humidité de surface désagrégées, il est possible d’obtenir des humidités en zone racinaire par assimilation dans les modèles hydrologiques (Lievens et al. 2015, Malbeteau et al. 2017) ou par des méthodes pilotées par les données (data driven) (Albergel et al. 2012, Al Bitar et al. 2013). Les méthodes d’assimilation ont été testées sur les bassins du Murray darling et du upper Mississippi et montrent une amélioration de la prédictibilité des humidités en zone racinaire à partir de l'assimilation des données d'humidité de surface. Les méthodes pilotées par les données sont basées sur des modèles de réservoir en cascade associés à des modèles d'évapotranspiration simplifiées. Ils ont permis d’obtenir des cartes d'humidité en zone racinaire à basse résolution (Al Bitar et al. 2013, Miralles et al. 2016, Roman-Cascon et al. 2017). L'ajout de la haute résolution spatio-temporelle  est par contre encore dans ses balbutiements. Des approches intégratives couplant observations multi-capteurs et modélisation sont encore à développer pour obtenir des cartes d'humidité en zone racinaire à haute résolution. Cette conclusion constitue l'objectif de la thèse.

Pour y arriver nous proposons l'approche suivante:

  1. Etat de l’art des produits existant des humidités de zone racinaire à basse résolution : une comparaison et évaluation sera effectuée sur les produits d’humidité en zone racinaire. Cette évaluation inclura les bases de données existantes et accessibles: ISMN (International Soil Moisture Network), Watersheds USDA, et surtout les chantiers du Cesbio et les partenaires associés: Kabini, Bangalore Inde, Tensift Maroc, Merguellil Tunisie, Sud Ouest France, Bekaa Liban. Cette première phase permettra la préparation d’une base de données de validation pour les prochaines étapes et de préparer un premier papier sur l’état de l’art.
  2. Production d’humidité en zone racinaire à haute résolution : Assimilation des données dans un modèle SVAT simplifié incluant une composante sol en zone racinaire. Il s’agirait d’appliquer les méthodes développées pour la production d'humidité en zone racinaire à basse résolution vers la haute résolution. Les méthodes identifiées sont les modèles à base empirique (filtre exponentiel), les modèles basées sur les précipitations antécédentes API et l’assimilation dans les modèles de surface (SURFEX)
  3. Evaluation de l’apport de ces nouveaux produits pour le suivi de la sécheresse agricole, la productivité et l’irrigation. Ces produits seront mis au point avec la collaboration des partenaires opérationnels de suivis des ressources en eaux  (Karnataka State Disaster Monitoring Center, Office National d’Agriculture tunisien) qui interviennent sur les chantiers du CESBIO (Merguellil (Tunisie), Tensift (Maroc) et Kabini (Inde) et qui sont très demandeurs d’implémentation d’indices de suivi de sécheresse et de besoin en eau basés sur l’humidité de surface. 
Profil

Le profil du candidat(e) est ingénieur en hydraulique (ENSEEIHT par exemple) ou M2 en science de la terre et de l'environnement

Le profil devrait rassembler des compétences en physique de la terre, avec des acquis en télédétection.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CESBIO, Toulouse
Directeur(rice) de thèse/recherche : ZRIBI Mehrez
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : mehrez.zribi@cesbio.cnes.fr
Responsable Cnes de l'offre : MAISONGRANDE Philippe

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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