Neige & Glace

Neige & Glace

Enjeux sociétaux et questions de recherche

La fonte des glaciers dans tous les massifs du monde, le recul de la banquise autour du Pôle Nord en été et les pertes de masse des grandes calottes polaires sont des phénomènes majeurs, connus de tous, qui illustrent directement et parfois de façon spectaculaire les changements climatiques en cours à l’échelle du globe.

Ces phénomènes ont des conséquences bien réelles et potentiellement néfastes sur les sociétés et l’environnement sur le long terme :

  • La hausse du niveau des mers représente en effet un enjeu majeur pour les populations des régions côtières. Ses effets progressifs, difficilement réversibles, impliquent de prévoir dès à présent une adaptation des infrastructures côtières et à plus long terme des déplacements de population.
  • Le réchauffement dans les hautes latitudes nord interfère avec les populations autochtones et met en péril les infrastructures existantes. Il  va aussi accroître la pression environnementale liée à une exploitation accrue des ressources naturelles (minière, hydrocarbure).
  • La diminution de la banquise arctique en été ouvre deux nouvelles voies maritimes (passage du nord-ouest et du nord-est) impliquant des changements sociaux et environnementaux dans les régions traversées.

Plus localement, les variations de l’enneigement en montagne, la mise en péril des infrastructures (bâtiments, routes, etc.) à cause de la fonte des sols gelés en permanence (pergélisols), ou le rapide retrait de glaciers qui alimentent en eau des mégapoles, constituent autant d’enjeux directs et importants pour les populations.

Indépendamment des grands changements environnementaux, les avalanches, la viabilité des routes en hiver, l’état des ressources en eau en zone de montagne intéressent depuis longtemps les pouvoirs publics et les citoyens.

L’étude de la cryosphère dans toutes ces composantes (terrestre, maritime et atmosphérique) et quels que soient les lieux (polaire, montagne, …) doit donc répondre à ces nombreux enjeux scientifiques et sociétaux.

Le devenir des glaciers de montagne, des petites et grandes calottes et leur impact sur le niveau des mers concentrent une forte activité de recherche sur la cryosphère terrestre. L’objectif plus ou moins immédiat de ces recherches est de quantifier le bilan de masse des quelques 200 000 glaciers éparpillés sur le globe et des deux grandes calottes polaires (Antarctique, Groenland). Pour cela, il est nécessaire d’établir le bilan de masse, année après année, et la télédétection spatiale a un rôle particulier à jouer dans ces régions généralement peu accessibles. Les données des missions altimétriques (laser ICESat2, missions radar ESA et AltiKa), de la mission gravimétrique GRACE (depuis 2002), l’interférométrie (ERS, ENVISAT, ALOS) ou la photogrammétrie (SPOT5-HRS, Pléiades, ASTER) ont contribué à affiner notre connaissance de ces bilans ainsi que les processus en jeu dans leur évolution. Comprendre les processus qui expliquent les variations de masse tant dans la composante surface (précipitation, fonte, sublimation, advection de la neige par le vent) que la partie dynamique (vêlage d’icebergs) représente un deuxième objectif fort, car c’est un préalable indispensable à la modélisation numérique et à l’estimation des bilans de masse futurs. Cela passe par des observations spatiales des variables impliquées dans le bilan d’énergie de surface comme l’albédo (Sentinel-2 et 3, MODIS, SPOT), la température de surface (Sentinel-

3, VIIRS) ou la fonte superficielle (AMSR2, Sentinel-1). La détection des précipitations solides reste aussi aujourd’hui un verrou important. Plus généralement, une meilleure compréhension des processus nivo-météorologiques permettrait de mieux caractériser les rétroactions cryosphère-climat et, en particulier, la rétroaction positive liée à l’albédo de la neige qui est en grande partie responsable de la réponse amplifiée de la cryosphère au réchauffement climatique. L’observation de l’albédo, des variables météorologiques, de la teneur en aérosols de l’atmosphère depuis l’espace permettraient des progrès dans ce domaine qui contribue directement aux questionnements du GIEC.

Enfin, la couverture nivale saisonnière est un autre objet majeur de recherche que ce soit pour des applications hydrologiques, météorologiques ; pour l’étude du sous-sol, de la végétation, ou du climat ; ou pour la prévision du risque d’avalanche, du risque de crues et des ressources en eau en zone de montagne et la viabilité du tourisme hivernal. Quelles que soient les régions concernées – des vastes étendues boréales aux vallées des régions montagneuses – déterminer l’épaisseur et la masse du manteau neigeux est absolument essentiel. La télédétection spatiale actuelle apporte cependant aujourd’hui de maigres réponses à ce sujet, car surtout limitée à la cartographie des surfaces enneigées par les capteurs optiques à large champ (MSG-SEVIRI, VGT, MODIS, Sentinel-3), haute résolution (SPOT, LANDSAT, ASTER, Sentinel-2, Pléiades, Venµs), ou par les micro-ondes passives à l’échelle continentale (AMSR2, SSM/I). En complément, améliorer l’observation des propriétés internes du manteau neigeux (contenu en eau, densité, caractéristique des grains, présence de glace, …) sur le terrain et depuis l’espace par radar actif (Sentinel-1, Radarsat Constellation, TerraSAR-X) ou radiomètre micro-onde passive suscite aussi de nombreux travaux qui permettent de mieux modéliser l’évolution du manteau et apparaissent comme une voie complémentaire pour estimer l’épaisseur du manteau.

Au-delà de la cryosphère continentale, l’étude de la banquise partage des problématiques de recherche communes autour du rôle radiatif de la couverture neigeuse par exemple.

Quel que soit l’objet de la cryosphère étudié, des progrès méthodologiques sont encore nécessaires. Le mouvement vers l’assimilation de données, c’est-à-dire, la combinaison optimale des observations spatiales, des rares mais précieuses observations in situ et des modèles descriptifs de la cryosphère apparaît comme la voie ultime, bénéficiant du meilleur de chacune des approches. Ceci implique toutefois, à court terme, de poursuivre les développements méthodologiques pour automatiser les traitements des données satellites et obtenir des produits de qualité, de même que le développement de modèles de la physique de la mesure (e.g. modèle de transfert radiatif) qui permettent de relier les caractéristiques du milieu aux observations spatiales. Les techniques de Machine Learning connaissent actuellement une forte évolution et présentent un intérêt majeur en complément ou remplacement des approches physiques complexes.

Produits Theia sur Neige & Glace

  • Cartographie de l'enneigement annuel en nombre de jours pour les Alpes pour les années 2017, 2018, 2019.

CES Theia concernés

Centre d’expertise scientifique

CES Détection des surfaces gelées

Centre d’expertise scientifique

CES Glaciers

Centre d’expertise scientifique

CES Occupation des sols

Centre d’expertise scientifique

CES Réflectance de surface

Centre d’expertise scientifique

CES Surface enneigée

Actualités sur Neige & Glace

Agenda

Lancement du Pan European High Resolution Snow & Ice Monitoring Product

Inscrivez-vous à l’événement de lancement du Pan European High Resolution Snow & Ice Monitoring Product, le 14 septembre 2021.

Bulletin

Connaissez-vous le SCO ?

Les animateurs du SCO reviennent sur projet de Space Climate Observatory, par lequel plusieurs projets des CES et ART de Theia ont été labellisés.

Bulletin

Tout ce qui peut documenter les changements, évolutions et tendances contribue, de fait, à fournir des informations-clés pour les études environnementales

Rencontrez Silvia Valero, la nouvelle animatrice du CES Occupation du sol et découvrez sa vision de Theia.

Bulletin

Le Bulletin n°15 vient de paraître

Découvrez le nouveau Bulletin Theia, avec toutes les nouvelles du réseau et les dernières productions des CES.

Applications

Vue 3D du glacier Myrdalsjokull (Islande)
Vue 3D du glacier Myrdalsjokull (Islande)
  • Site CNES KALIDEOS Alpes. Ce projet vise à construire une archive de produits satellitaires haute et très haute résolution (LANDSAT 6/7, SPOT et Pléiades) sur les Alpes avec un intérêt particulier pour les régions du Mont-Blanc et l’Oisans. Le projet regroupe plusieurs thématiques au-delà des sciences cryosphériques (écologie, glissement de terrain, etc.). Plus d’information sur : https://alpes.kalideos.fr/drupal/fr
  • Pléiades Glacier Observatory (PGO). Nous proposons, en lien avec le CNES, d’acquérir et distribuer gratuitement des couples stéréo Pléiades (ou issus des capteurs qui le remplaceront comme Co3D) sur > 100 sites glaciaires distribués à travers le globe. Le LEGOS propose un “service” (gratuit bien sûr) de génération des MNTs, car tous les utilisateurs n’ont pas cette expertise. La sélection des sites a été réalisée en lien avec la communauté scientifique. Ces sites seront acquis en 5 années, au cours de 10 compagnes d’acquisitions estivales (5 dans chaque hémisphère). A partir de 2021, le PGO passera en mode revisite. Nous serons alors en mesure de distribuer à la communauté des cartes de variations d’épaisseur des glaciers déduites de la comparaison de MNTs Pléiades espacés d’environ 5 années.
  • Projet Venµs POINTING (Pluri- spectral and -temporal observation of interactions between snow and glaciers). Ce projet a pour objectif d’analyser l’évolution temporelle du bilan d’énergie et des vitesses d’écoulement en surface des glaciers Khumbu (Everest, Népal), Brewster (Nouvelle-Zélande) et Astrolabe (Antarctique). Concernant le Népal, deux stations de mesures au sol de l’albédo sont disponibles et leurs données sont comparées aux réflectances de Venµs corrigées des effets de l’atmosphère (niveau L2A) et de la topographie locale avec MNT fin (Cosine Corr). La dynamique spatio-temporelle de l’enneigement est également étudiée en relation avec l’occurrence de l’ennuagement en période de mousson et hivernale. Les deux autres sites d’application débutent depuis peu. Plus d’information sur : https://www.theia-land.fr/product/venus-2/
  • Projet CNRS-INSU / PNTS (AO 2019) : Reconstruction de données manquantes dans des séries temporelles de mesures de déplacement issues d’images SAR par apprentissage statistique. Les mesures de déplacements des glaciers alpins issues d’images SAR sont soumises à des données manquantes, à cause du changement de la surface imagée entre les acquisitions. Ce projet a pour objectif de développer des méthodes de reconstruction de données manquantes dans des séries temporelles de mesures de déplacement issues d’images SAR, en s’appuyant sur l’analyse de la covariance spatio-temporelle de la série temporelle de mesures de déplacement.
  • Projet CNRS-INSU / PNTS (AO 2018) : Nivo3D. Apport de la cartographie 3D du manteau neigeux pour la modélisation nivologique. Ce projet vise à évaluer l’apport des cartes de hauteurs de neige Pléiades pour la modélisation du manteau neigeux de montagne. Ce projet s’appuie sur un schéma d’assimilation de données basé sur une version distribuée du modèle Crocus.
  • Projet CNES/Tosca (2016-2019) : Observatoire Spatial de l’Enneigement

Le projet TOSCA « OSE » a permis de produire, valider et exploiter des observations originales du manteau neigeux pour l’étude des ressources en eau en zone de montagne.

1) Cartes de la hauteur de neige à partir d’images stéréoscopiques Pléiades (cf. Une nouvelle méthode de mesure de la hauteur de neige en montagne)

2) Cartes de la surface enneigée tous les 5 jours avec les images Sentinel-2 et Landsat-8 (cf. focus sur le produit neige).

  • Projet CNES-APR MIOSOTIS. Ce projet vise à combiner au mieux les données satellitaires (S-2, S-3, VIIRS et éventuellement S-1) avec des simulations numériques de l’état du manteau neigeux en montagne afin d’améliorer la précision des simulations. Dans un premier volet, nous avons développé un modèle direct qui permet de prendre en compte les interactions entre la topographie et le rayonnement solaire. Le modèle permet aujourd’hui de simuler les réflectances TOA à partir de propriétés de surface connues. L’étape suivante consiste à utiliser le modèle comme opérateur d’observations dans le système d’assimilation, et également en mode inverse afin de retrouver les propriétés de surface du manteau neigeux à partir d’images satellites.
  • Projet SPAMN (SPot pour le suivi Alpin du Manteau Neigeux). Étudier la dynamique nivale saisonnière en milieux préalpin et alpin français, et les impacts sur la phénologie végétale et les risques en montagne. Ce projet a rassemblé plusieurs laboratoires grenoblois pour l’évaluation et l’utilisation des produits SPOT4 et SPOT5TakeFive (téléchargeables depuis http://spirit.cnes.fr/take5) en nivologie et écologie végétale sur les Alpes. Les réflectances SPOT ont été utilisées afin de créer des cartes d’enneigement à l’échelle du massif (superficie et fraction de couverture) pour la validation d’un modèle de déneigement. Une étude comparative a été menée avec la moyenne résolution de l’imageur MODIS. Les résultats acquis sont consultables sur le site https://labo.obs-mip.fr/multitemp/?p=4255.  Le projet est actuellement poursuivi avec l’analyse d’images Sentinel-2 traitées par la chaîne PEPS-MAJA sur la plateforme Theia. Les images en niveau L2A sont corrigées des effets topographiques (Flat Reflectance) et analysées avec l’indice NARI utilisant la bande Red-Edge.
  • Projet ANR JCJC ENOBI (2016-2020). Ce projet vise à étudier l’impact des impuretés absorbantes sur l’évolution de la couverture neigeuse saisonnière. Dans ce cadre, nous utilisons les images Sentinel-2 pour suivre l’évolution de la concentration en surface en poussières après des forts événements de dépôts de sable saharien. Nous avons également utilisé les cartes d’enneigements issues de MODIS et de Sentinel-2 pour évaluer les performances de nos simulations numériques de l’évolution du manteau neigeux.

Thèses

En cours

  • Emerging risks related to the ‘dark side’ of the Alpine cryosphere. Diego Cusicanqui (en cours) | Université Grenoble Alpes. Antoine Rabatel et Xavier Bodin (Dir.)
  • Étude des variations saisonnières de glaciers du Groenland à partir des observations de Sentinel-1, Sentinel-2 et Landsat-8. Anna Derkacheva (en cours) | Université Grenoble Alpes. Jérémie Mouginot (Dir.)
  • Couverture glacio-nivale et glacier suspendu. Suvrat Kaushik (en cours) | Université Savoie Mont-Blanc. Ludovic Ravanel, Emmanuel Trouvé, Florence Magnin, Yajing Yan (Dir.)
  • Fusion d’images de télédétection multi-capteurs/multi-temporelles pour la surveillance de glaciers et de glissements de terrain. Laurane Charrier (en cours) | Université Savoie Mont-Blanc / ONERA. Emmanuel Trouvé, Elise Koeniguer, Yajing Yan (Dir.)
  • Apport de l’imagerie optique « time-lapse » stéréoscopique pour la quantification à haute résolution spatio-temporelle (4D) des dynamiques de versants en montagne. Guilhem Marsy (en cours) | Université Savoie Mont-Blanc. Emmanuel Trouvé, Flavien Vernier et Xavier Bodin (Dir.)
  • Pertes globales des glaciers. Nouvelles estimations par télédétection et modélisation. Romain Hugonnet (en cours) | Université Toulouse III. Étienne Berthier, Daniel Farinotti et Matthias Huss (Dir.)
  • Utilisation d’imagerie Pléiades pour l’estimation de la hauteur de neige et assimilation. César Deschamps-Berger (en cours) | Université Toulouse III. Marie Dumont et Simon Gascoin (Dir.)
  • Assimilation de réflectances optiques pour la simulation du manteau neigeux. Bertrand Cluzet (en cours) | Université Toulouse III. Marie Dumont et Matthieu Lafaysse (Dir.)

Soutenues entre 2016 et 2020

  • Analyse et reconstruction de données manquantes au sein d’images Sentinel-1: application au suivi de déplacement des glaciers du Mont-Blanc. Alexandre Hippert-Ferret (2020) | Université Savoie Mont-Blanc. Philippe Bolon et Yajing Yan (Dir.)
  • Analyse de time-lapses stéréoscopiques pour la télédétection: application à la surveillance de glaciers alpins. Hela Hadhri (2020) | Université Savoie Mont-Blanc. Emmanuel Trouvé, Abdourahmane Atto et Flavien Vernier Flavien (Dir.)
  • Quantification du bilan de masse des glaciers de montagne à l’échelle régionale par télédétection spatiale optique. Lucas Davaze (2019) | Université Grenoble Alpes. Antoine Rabatel et Yves Arnaud (Dir.)
  • Spaceborne monitoring of the recent contribution of Andean glaciers to water resources and sea level rise. Inès Dussaillant (2019) | Université Toulouse III. Etienne Berthier et Vincent Favier (Dir.)
  • Apport des mesures du radar à synthèse d’ouverture de Sentinel-1 pour l’étude des propriétés du manteau neigeux. Gaëlle Veyssière (2019) | Université Toulouse III. Fatima Karbou et Samuel Morin (Dir.)
  • Approches innovantes pour un suivi à haute précision de la couverture neigeuse au Mont Liban. Charbel Abou Chakra (2019) | Université St Joseph (Liban).
  • Influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers des Hautes Montagnes d’Asie : une approche multi-échelle. Fanny Brun (2018) | Université Grenoble Alpes. Patrick Wagnon et Etienne Berthier (Dir.)
  • Fusion de données de télédétection haute résolution pour le suivi de la neige. Théo Masson (2018) | Université Grenoble Alpes. Jocelyn Chanussot Mauro Dalla Mura et Marie Dumont (Dir.)
  • Assimilation de réflectances satellitaires du domaine visible et proche infrarouge dans un modèle détaillé de manteau neigeux. Luc Charrois (2018) | Université Grenoble Alpes. Emmanuel Cosme et Marie Dumont (Dir.)
  • Bilan de masse des glaciers islandais depuis 1945 : reconstruction et relation avec la variabilité climatique. Joaquín Muñoz-Cobo Belart (2018) | Université Toulouse III. Etienne Berthier et Eyjólfur Magnússon (Dir.)
  • Application de la télédétection pour la modélisation du manteau neigeux dans le Haut Atlas
  • Mohamed Wassim Baba (2018) | Université Toulouse III. Simon Gascoin et Lahoucine Hanich (Dir.)
  • Altimétrie et radiométrie en Antarctique. Fifi Ibrahime Adodo (2018) | Université Toulouse III. Frédérique Rémy et Ghislain Picard (Dir.)
  • Modélisation hydrologique du bassin versant de l’oued Rheraya et sa contribution à la recharge de la nappe du Haouz (bassin du Tensift, Maroc). Youssef Hakhouji (2018) | Université Toulouse III, Université Cadi Ayyad (Maroc)
  • Évaluations de la ressource en eau associée au manteau neigeux sur le Mont Liban à partir d’observations et de la modélisation. Abbas Fayad (2017) | Université Toulouse III. Thomas Condom et Denis Ruelland (Dir.)
  • Améliorations des estimations d’épaisseur de glace de mer arctique par altimétrie spatiale. Kevin Guerreiro (2017) | Université Toulouse III. Alexei Kouraev (Dir.)
  • Dynamiques temporelles et évolution des marges proglaciaires et pronovivales dans les Pyrénées. Apport des données à haute résolution spatiale et temporelle. Renaud Marti (2016) | Université Jean Jaurès, Toulouse II. Dominique Laffly et Simon Gascoin (Dir.)
  • Suivi par télédétection optique du bilan de masse des glaciers à l’échelle globale. Vanessa Drolon (2016) | Université Toulouse III. Philippe Maisongrande et Etienne Berthier (Dir.)
  • Évolution récente des glaciers du Pamir-Karakoram-Himalaya : apport de l’imagerie satellite. Julie Gardelle (2012) – Université de Grenoble. Paolo Laj et Yves Arnaud (Dir.)
  • Détermination de l’albédo des surfaces enneigées par télédétection, application à la reconstruction du bilan de masse du glacier de Saint-Sorlin. Marie Dumont (2010) |Université de Grenoble. Gerhard Krinner et Marc Bocquet (Dir.)

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