Challenges

The melting of glaciers in all the mountainous areas of the world, the retreat of sea ice around the North Pole in summer and the loss in mass of polar ice caps are major and well-known phenomena which directly and sometimes spectacularly illustrate global climate change.

These phenomena have very real and potentially negative consequences that will have a major impact on societies and the environment in the long term:

• The rise in seal level represents a major challenge for populations in coastal regions. Its progressive effects, difficult to reverse, imply immediate investment in new coastal infrastructures and, in the longer term, a shift in population location.
• Global warming will open up possibilities for exploiting natural resources (through mining and oil explorations) found in the rich subsoil of upper northern latitudes.
• The shrinking of the Arctic sea ice in summer opens up two new shipping lanes of tremendous economic interest (the North-West and North-East passages) but this also implies social and environmental changes in the regions crossed.

More locally and in the short term, variations in snowfall at ski resorts, the danger to infrastructures such as buildings or roads due to thawing permafrost or the rapid retreat of glaciers supplying mega-cities are major direct challenges for populations. Independent of the major environmental changes, avalanches, the viability of roads in winter and the state of water resources in mountainous areas have long been of concern to both public authorities and citizens.

The study of all the components of the cryosphere (land, sea and atmosphere) throughout the world (at the poles or in mountainous regions) must therefore rise to these numerous scientific and societal challenges.

Research issues

The future of mountain glaciers, small or major ice caps and their impact on sea level is the focus of much research into the terrestrial cryosphere. The more or less immediate objective of this research is to establish the mass balance of the 200,000 odd glaciers spread over the globe and the two major ice caps (Antarctica and Greenland). To do so, it is necessary to establish the mass balance year after year. Satellite remote sensing instruments play a vital role in these generally inaccessible regions. The data from altimetry missions such as laser ICESat, ESA radar missions and, more recently, AltiKa; from the GRACE gravity measurement mission (since 2002), interferometry missions such as ERS, ENVISAT and ALOS; or photogrammetry missions such as SPOT 5-HRS have helped flesh out our knowledge on these ice mass balances.

A second major objective is to elucidate the processes that explain variations in mass, whether due to the surface component (precipitation, thawing, sublimation or advection of snow by wind) or the dynamic part (calving of icebergs) because this is a prerequisite to numerical modelling and the estimation of future ice mass balances. This requires the use of satellite observations of variables involved in the surface energy budget such as the albedo (MODIS, MERIS and SPOT), surface temperature (MODIS) or surface thaws (AMSR-E and Sentinel-1a). One of the more difficult barriers to overcome is detecting solid precipitations. More generally, a better understanding of snow and weather processes would enable us to improve the characterisation of cryosphere/climate feedback, especially positive feedback linked to the snow’s albedo, mostly responsible for the cryosphere’s increased response to global warming. Satellite observations of the albedo, meteorological variables and atmospheric aerosols would advance knowledge in this domain, which contributes directly to the issues being investigated by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Finally, the seasonal snow cover is another key focus of research, whether for hydrological or meteorological applications; to study the subsoil, vegetation, or climate; or to forecast the risk of avalanches, flooding or water resources in mountainous regions. Whatever the regions concerned–from vast boreal expanses to mountain valleys–it is vital to determine the thickness and mass of snow cover. Currently, spaceborne remote sensing instruments shed little light on this subject because limited to mapping snow-covered surfaces using wide-swath optical sensors (MSG-SEVIRI, AVHRR and VGT), high-resolution sensors (SPOT, LANDSAT, ASTER, Pleiades and Sentinel-2A), or passive microwaves on a continental scale (AMSR-E, SSM/I). In addition, ongoing work aims to better model changes in snow cover over time and could be a useful complement for indirectly estimating snow thickness. This work is based on observations of the snow cover’s internal properties (water content, density, grain characteristics, presence of ice etc.) in the field and from space using active radars (Radarsat-2, TerraSAR-X) or passive microwave radiometers.

Beyond the continental cryosphere, studies of sea ice come across the same research issues, such as the snow cover’s role in radiation.

Whatever object in the cryosphere is studied, progress still needs to be made in methodologies. Data assimilation, i.e. the optimal combination of satellite observations, rare but valuable in situ observations and descriptive models of the cryosphere appear to be the ultimate approach, benefitting from the best of each individual approach. In the short term, this involves efforts to develop physical measurement models (such as a radiative transfer model) that link the characteristics of the environment with satellite observations. Such fundamental knowledge of interactions between electromagnetic waves and the environment often also sheds light on the way the environment being studied functions.

Some Theia produts

Relevant Theia SECs

Scientific expertise

Glaciers

Producing SEC

Land cover SEC

Scientific expertise

Snow-covered surface

Scientific expertise

Surface Reflectance

Theia News on Ice& Snow

Products

OSO 2023 Data : a little more patience ahead

THEIA Land Cover product is produced each year by CESBIO and CNES. It provides a 24-class typology of land cover, downloadable by department for mainland France. Production begins in January […]

Products

THEIA Snow product joins the hydroweb.next portal

Find Theia Snow product on hydroweb.next along with other signifiative hydrological data and products.

Publications

ForM@Ter and THEIA release a serie of very high resolution topographic models of 140 glaciers worldwide through the PGO FAIR collection

The Pléiades Glacier Observatory was initiated in 2016 by French Space Agency (CNES), by the Laboratoire d’Etudes Géophysiques et Océanographiques Spatiales (LEGOS) and by the Institut National des Sciences de […]

News

A World Glacier Atlas to understand glacier mechanisms in a global warming context

The 3 glacier products available on Theia offer an unprecedented global overview of the evolution of glaciers.

Applications

Applications

• 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.

PhD

In progress

• Emerging risks related to the ‘dark side’ of the Alpine cryosphere. Diego Cusicanqui (in progress) | 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 (in progress) | Université Grenoble Alpes. Jérémie Mouginot (Dir.)
• Couverture glacio-nivale et glacier suspendu. Suvrat Kaushik (in progress) | 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 (in progress) | 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 (in progress) | Université Savoie Mont-Blanc. Emmanuel Trouvé, Flavien Vernier et Xavier Bodin (Dir.)
• Pertes globales des glaciers. Nouvelles estimations par télédétection et modélisation. Romain Hugonnet (in progress) | 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 (in progress) | Université Toulouse III. Marie Dumont et Simon Gascoin (Dir.)
• Assimilation de réflectances optiques pour la simulation du manteau neigeux. Bertrand Cluzet (in progress) | Université Toulouse III. Marie Dumont et Matthieu Lafaysse (Dir.)

Defended

• 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.)