Search

Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine., The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.

Since a few years, global warming becomes a worldwide concern, impacting every country. The Himalayan mountains aren’t spared by its consequences. This work follows the IGE (Grenoble, France) research process, studying the Khumbu valley and the surroundings. Optical images has been registered from November 27, 2017 to nowadays, by the VENμS satellite. It has a heliosynchronous orbit and is set on a partnership between the CNES (France) et the ASI (Israël). This project materializes with three output product types: (i) near infrared images corrected from the topographic effects with the Cosine correction (“TopCos”), (ii) improved cloud masks (“CloudCov”), and (iii) snow cover area maps (“SCA”). These three elements has been compared to in-situ measurements from three weather stations, in order to study: the corrected reflectance images (“TopCos”) quality and their likelihood with the in-situ albedo; the contribution of a high-resolution DEM (8 m), compared to a 90 m DEM for the topographic illumination correction; the cloud behavior according to seasons; and the cloud cover evolution over the area.; Depuis quelques années, le réchauffement climatique devient une problématique globale touchant le monde entier. L’Himalaya n’est pas épargné par ses conséquences. S’intégrant dans la démarche de recherche de l’IGE (Grenoble, France), ces travaux s’intéressent à la vallée du glacier du Khumbu et ses alentours. Des images optiques ont été acquises depuis le 27 novembre 2017 jusqu’à aujourd’hui, par le satellite VENμS issu d’un partenariat entre le CNES (France) et l’ASI (Israël), avec une orbite héliosynchrone. Ce projet se concrétise par trois types de produits : (i) des images du proche infrarouge corrigées des effets d’éclairement par la méthode Cosine (« TopCos »), (ii) des masques des nuages améliorés (« CloudCov ») et (iii) des cartes d’enneigement (« SCA »). Ces trois éléments ont été comparés aux mesures météorologiques in-situ de trois stations locales, afin d’étudier : la qualité des images de réflectance corrigées (« TopCos ») et leur vraisemblance par rapport aux mesures d’albédo sur le terrain ; l’apport d’un MNT haute résolution (8 m) par rapport à un MNT d’une résolution de 90 m dans la correction d’éclairement ; le comportement des nuages selon les saisons ; l’évolution de la couverture neigeuse dans la région.

International audience; This article presents an overview of recent advances in remote sensing applied to the study of snow and glacierized areas, in which the French scientific community has been involved. Whatever the type of satellite data, optical, radar, lidar or gravimetric, these works on seasonal or perennial snow cover, mountain glaciers, ice caps, sea ice, and lake or river ice, aim at documenting both the physical characteristics of these objects and their spatial and temporal variability at local, regional or global scales.; Cet article présente une vue d'ensemble des avancées récentes en télédétection spatiale appliquée à l'étude des surfaces enneigées et englacées auxquelles la communauté scientifique française a participé. Qu'ils s'agissent de données satellitaires optique, radar, lidar ou gravimétrique, ces travaux sur la couverture nivale saisonnière ou pérenne, les glaciers de montagne, les calottes polaires, la glace de mer ou de lac et de rivière ont pour objectifs de documenter aussi bien les caractéristiques physiques de ces objets que leur variabilité spatio-temporelle aux échelles locale, régionale ou globale. Abstract Satellite remote sensing of snow and ice-covered surfaces

The Vorz catchment in Belledonne massif is impacted by important flash flood, as for example the flashflood event of August 2005. These floods show the need to better understand this catchment and the hydrometeorological processes. Thus, a monitoring program take place on this mountain catchment of 18km ² (elevation ranges between 950 to 2 977m) and with significant nival melting contribution. The monitoring protocol is based on the bet that it is possible to monitor several hydrometeorological variables such as temperatures, rainfall, orographic and thermal gradient with a spatial distributed network of sensors at limited costs. This network allowed to collect most essential data between 2009 and 2011 that can be used to supply and force different models of snow and hydrology. The results of these models enable the study of flood (flash flood and melting flood) but also water resource management in the context of climate change., Le bassin versant du Vorz, dans le massif de Belledonne, a connu de crues conséquentes, notamment en août 2005. Ces crues ont mis en évidence la nécessité de mieux comprendre ce bassin et son fonctionnement hydrométéorologique. Ainsi, un programme d’instrumentation a été mis en place sur ce bassin de montagne d’une surface de 18 km ² (entre 760 et 2 977 m) et présentant des caractéristiques nivales marquées. Le protocole avait pour objectif d’étudier la faisabilité d’une instrumentation spatialisée à coût raisonné des différentes variables hydrométéorologiques indispensables pour bien modéliser le cycle de l’eau, c’est-à-dire les températures, précipitations, ensoleillement, gradients orographiques et thermiques ou encore l’évolution de l’enneigement. Ce réseau, installé entre 2009 et 2011, a montré qu’il permettait de recueillir l’essentiel des données nécessaires à alimenter et contraindre les modèles d’enneigement et de fonte liés aux modèles hydrologiques, permettant l’étude et la prévision des crues (fonte et orage), ainsi que les gestions des ressources en eau et la conciliation des usages, en particulier dans l’optique des évolutions climatiques actuelles., Barth Thierry, Malet Emmanuel, Saulnier Georges-Marie. Instrumentation hydrométéorologique spatialisée sur le bassin versant du Vorz (massif de Belledonne). In: Collection EDYTEM. Cahiers de géographie, numéro 19, 2017. Monitoring en milieux naturels. Retours d’expériences en terrains difficiles. pp. 111-120.

Chaque jour, des décisions doivent être prises quant à la quantité d'hydroélectricité produite au Québec. Ces décisions reposent sur la prévision des apports en eau dans les bassins versants produite à l'aide de modèles hydrologiques. Ces modèles prennent en compte plusieurs facteurs, dont notamment la présence ou l'absence de neige au sol. Cette information est primordiale durant la fonte printanière pour anticiper les apports à venir, puisqu'entre 30 et 40% du volume de crue peut provenir de la fonte du couvert nival. Il est donc nécessaire pour les prévisionnistes de pouvoir suivre l'évolution du couvert de neige de façon quotidienne afin d'ajuster leurs prévisions selon le phénomène de fonte. Des méthodes pour cartographier la neige au sol sont actuellement utilisées à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), mais elles présentent quelques lacunes. Ce mémoire a pour objectif d'utiliser des données de télédétection en micro-ondes passives (le gradient de températures de brillance en position verticale (GTV)) à l'aide d'une approche statistique afin de produire des cartes neige/non-neige et d'en quantifier l'incertitude de classification. Pour ce faire, le GTV a été utilisé afin de calculer une probabilité de neige quotidienne via les mélanges de lois normales selon la statistique bayésienne. Par la suite, ces probabilités ont été modélisées à l'aide de la régression linéaire sur les logits et des cartographies du couvert nival ont été produites. Les résultats des modèles ont été validés qualitativement et quantitativement, puis leur intégration à Hydro-Québec a été discutée., Every day, decisions must be made about the amount of hydroelectricity produced in Quebec. These decisions are based on the prediction of water inflow in watersheds based on hydrological models. These models take into account several factors, including the presence or absence of snow. This information is critical during the spring melt to anticipate future flows, since between 30 and 40 % of the flood volume may come from the melting of the snow cover. It is therefore necessary for forecasters to be able to monitor on a daily basis the snow cover to adjust their expectations about the melting phenomenon. Some methods to map snow on the ground are currently used at the Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), but they have some shortcomings. This master thesis's main goal is to use remote sensing passive microwave data (the vertically polarized brightness temperature gradient ratio (GTV)) with a statistical approach to produce snow maps and to quantify the classification uncertainty. In order to do this, the GTV has been used to calculate a daily probability of snow via a Gaussian mixture model using Bayesian statistics. Subsequently, these probabilities were modeled using linear regression models on logits and snow cover maps were produced. The models results were validated qualitatively and quantitatively, and their integration at Hydro-Québec was discussed.

Theory of chaos deals with deterministic behaviors that are unpredictable at long term. This theory modifies fundamentally our concept of determinism, and shows the need to develope new analysis and modeling approaches in order to account for this essential property. One of these approaches is the global modeling technique which aim is to obtain models directly from experimental data. One important objective of the present work is to introduce new tools devoted to this technique initiated in the 1990s and to show its potential for the study of environmental dynamics. After presenting several analyses of environmental dynamics based on more classicalapproaches, the important concepts of chaos theory are presented and the global modeling technique is introduced. Such technique can be validated only based on well identified dynamics. The robustness of the global modeling technique is then tested on various cases presenting an increasing level of difficulty, starting from the Rössler chaotic system which variables exhibit different levels of observability, then considering cases of associated and aggregated dynamics, and then performing a multiple variables analysis. The global modeling technique is then applied to analyze environmental behaviors based on observational data. Applied to the cycles of cereal cropsobserved from space in semi-arid regions, a global model is obtained. This model is chaotic, weakly dissipative, and exhibits the first case of toroidal structure obtained from real data. This result is then confirmed by obtaining several models presenting these properties. The potential of the global modeling technique is also successfully tested on other environmental domains in hydrology and in eco-epidemiology. During the last two decades, topology of chaos has proven to be a powerful tool to characterize dynamical behaviors in a non ambiguous fashion. Nonetheless, its application field remains restricted since it could be applied only to strongly dissipative 3-dimensional systems. Obtaining weakly dissipative models brought us to cope with this hard problem and to introduce a new approach to deal with it. Applied to the first weakly dissipative chaotic system introduced by Lorenz in 1984 and to the cereal crops model obtained here with the global modeling technique, the first analyses of weakly dissipative chaotic dynamics could be performed, revealing behaviors of locally bidirectional extension of the flow. This new approach was then generalized in order to test its ability in higher dimension. It was possible to obtain the skeletons of 4D-suspensions for the Hénon (1976) and the super-Hénon chaotic maps, and also for the 3D-walking-stick hyperchaotic map introduced by Rössler in 1979. These overall work and results show the strong potential of the global modeling technique and the topological approach to analyze in a very consistent manner environmental behaviors observed from space by remote sensing, and more generally any chaoticdynamics.; La théorie du chaos concerne les comportements déterministes imprévisibles à long terme. Cette théorie modifie fondamentalement notre conception du déterminisme et conduit à développer de nouvelles approches d'analyse et de modélisation permettant de prendre en compte cette propriété. L'une des approches ayant découlée de cette théorie est la technique de modélisation globale qui permet de construire des modèles à partir de données observationnelles. Le premier objectif du présent ouvrage est de présenter cette approche, de l'appliquer à l'étude des dynamiques environnementales, et d'en montrer le potentiel comme un tout d'une grande cohérence. Après avoir présenté quelques cas de dynamiques environnementales rencontrées au cours de notre parcours et étudiées en s'appuyant sur des outils plus classiques, nous présentons les principaux concepts de la théorie du chaos et introduisons la technique de modélisation globale et certains de ses outils de validation. La validité de cette technique ne pouvant être testée qu'en se basant sur des dynamiques bien identifiées, la robustesse de l'approche est d'abord appliquée à différents cas d'école lors d'études présentant des niveaux de difficulté croissants, partant de l'attracteur de Rössler dont les variables présentent des niveaux d'observabilité différents, considérants ensuite des cas d'agrégation et d'association, pour finir par des cas d'analyses multi-variables. La technique est ensuite appliquée à l'étude de séries environnementales observées en conditions réelles, en commençant par l'analyse du cycle des cultures céréalières en région semi-aride observé par télédétection spatiale. Ce cas d'application a permis d'obtenir le premier cas d'attracteur chaotique toroïdal faiblement dissipatif qui soit directement issu de mesures réelles. Ce résultat a ensuite pu être confirmé par l'obtention de multiples modèles chaotiques permettant de confirmer ces propriétés. Le potentiel de la technique de modélisation globale est également illustré avec succès pour deux autres thématiques environnementales, en hydrologie nivale et en écoépidémiologie. Au cours des deux dernières décennies la topologie du chaos s'est révélée être un outil d'analyse sans équivalent pour caractériser et classer sans ambigüité les comportements dynamiques. Son champ d'application reste toutefois très restreint puisque l'approche n'a pu être appliquée à ce jour qu'à des systèmes tridimensionnelsfortement dissipatifs. L'obtention de modèles chaotiques faiblement dissipatifs nous a permis de nous confronter à ce problème reconnu particulièrement ardu et de proposer une nouvelle approche d'analyse. Appliquée au premier système chaotique faiblement dissipatif introduit par Lorenz en 1984 et au modèle cereal crops obtenu par modélisation globale, l'approche a permis d'obtenir les premières analyses topologiques de telles dynamiques, mettant en évidence des comportementsd'étirements bidirectionnels locaux au sein de flots faiblement dissipatifs. L'approche a ensuite été généralisée et expérimentée sur des systèmes de plus grande dimension, permettant d'obtenir les "squelettes" de suspensions 4D pour les applications chaotiques de Hénon (introduite en 1976) et de super-Hénon (proposée ici), ainsi que pour l'application hyperchaotique 3D-walking-stick introduite par Rössler en 1979. L'ensemble de ces résultats permet de montrer la grande cohérence etle fort potentiel de l'approche globale et de la caractérisation topologique pour l'analyse des dynamiques chaotiques, et tout particulièrement pour les comportements environnementaux observés par télédétection spatiale.

Theory of chaos deals with deterministic behaviors that are unpredictable at long term. This theory modifies fundamentally our concept of determinism, and shows the need to develope new analysis and modeling approaches in order to account for this essential property. One of these approaches is the global modeling technique which aim is to obtain models directly from experimental data. One important objective of the present work is to introduce new tools devoted to this technique initiated in the 1990s and to show its potential for the study of environmental dynamics. After presenting several analyses of environmental dynamics based on more classicalapproaches, the important concepts of chaos theory are presented and the global modeling technique is introduced. Such technique can be validated only based on well identified dynamics. The robustness of the global modeling technique is then tested on various cases presenting an increasing level of difficulty, starting from the Rössler chaotic system which variables exhibit different levels of observability, then considering cases of associated and aggregated dynamics, and then performing a multiple variables analysis. The global modeling technique is then applied to analyze environmental behaviors based on observational data. Applied to the cycles of cereal cropsobserved from space in semi-arid regions, a global model is obtained. This model is chaotic, weakly dissipative, and exhibits the first case of toroidal structure obtained from real data. This result is then confirmed by obtaining several models presenting these properties. The potential of the global modeling technique is also successfully tested on other environmental domains in hydrology and in eco-epidemiology. During the last two decades, topology of chaos has proven to be a powerful tool to characterize dynamical behaviors in a non ambiguous fashion. Nonetheless, its application field remains restricted since it could be applied only to strongly dissipative 3-dimensional systems. Obtaining weakly dissipative models brought us to cope with this hard problem and to introduce a new approach to deal with it. Applied to the first weakly dissipative chaotic system introduced by Lorenz in 1984 and to the cereal crops model obtained here with the global modeling technique, the first analyses of weakly dissipative chaotic dynamics could be performed, revealing behaviors of locally bidirectional extension of the flow. This new approach was then generalized in order to test its ability in higher dimension. It was possible to obtain the skeletons of 4D-suspensions for the Hénon (1976) and the super-Hénon chaotic maps, and also for the 3D-walking-stick hyperchaotic map introduced by Rössler in 1979. These overall work and results show the strong potential of the global modeling technique and the topological approach to analyze in a very consistent manner environmental behaviors observed from space by remote sensing, and more generally any chaoticdynamics.; La théorie du chaos concerne les comportements déterministes imprévisibles à long terme. Cette théorie modifie fondamentalement notre conception du déterminisme et conduit à développer de nouvelles approches d'analyse et de modélisation permettant de prendre en compte cette propriété. L'une des approches ayant découlée de cette théorie est la technique de modélisation globale qui permet de construire des modèles à partir de données observationnelles. Le premier objectif du présent ouvrage est de présenter cette approche, de l'appliquer à l'étude des dynamiques environnementales, et d'en montrer le potentiel comme un tout d'une grande cohérence. Après avoir présenté quelques cas de dynamiques environnementales rencontrées au cours de notre parcours et étudiées en s'appuyant sur des outils plus classiques, nous présentons les principaux concepts de la théorie du chaos et introduisons la technique de modélisation globale et certains de ses outils de validation. La validité de cette technique ne pouvant être testée qu'en se basant sur des dynamiques bien identifiées, la robustesse de l'approche est d'abord appliquée à différents cas d'école lors d'études présentant des niveaux de difficulté croissants, partant de l'attracteur de Rössler dont les variables présentent des niveaux d'observabilité différents, considérants ensuite des cas d'agrégation et d'association, pour finir par des cas d'analyses multi-variables. La technique est ensuite appliquée à l'étude de séries environnementales observées en conditions réelles, en commençant par l'analyse du cycle des cultures céréalières en région semi-aride observé par télédétection spatiale. Ce cas d'application a permis d'obtenir le premier cas d'attracteur chaotique toroïdal faiblement dissipatif qui soit directement issu de mesures réelles. Ce résultat a ensuite pu être confirmé par l'obtention de multiples modèles chaotiques permettant de confirmer ces propriétés. Le potentiel de la technique de modélisation globale est également illustré avec succès pour deux autres thématiques environnementales, en hydrologie nivale et en écoépidémiologie. Au cours des deux dernières décennies la topologie du chaos s'est révélée être un outil d'analyse sans équivalent pour caractériser et classer sans ambigüité les comportements dynamiques. Son champ d'application reste toutefois très restreint puisque l'approche n'a pu être appliquée à ce jour qu'à des systèmes tridimensionnelsfortement dissipatifs. L'obtention de modèles chaotiques faiblement dissipatifs nous a permis de nous confronter à ce problème reconnu particulièrement ardu et de proposer une nouvelle approche d'analyse. Appliquée au premier système chaotique faiblement dissipatif introduit par Lorenz en 1984 et au modèle cereal crops obtenu par modélisation globale, l'approche a permis d'obtenir les premières analyses topologiques de telles dynamiques, mettant en évidence des comportementsd'étirements bidirectionnels locaux au sein de flots faiblement dissipatifs. L'approche a ensuite été généralisée et expérimentée sur des systèmes de plus grande dimension, permettant d'obtenir les "squelettes" de suspensions 4D pour les applications chaotiques de Hénon (introduite en 1976) et de super-Hénon (proposée ici), ainsi que pour l'application hyperchaotique 3D-walking-stick introduite par Rössler en 1979. L'ensemble de ces résultats permet de montrer la grande cohérence etle fort potentiel de l'approche globale et de la caractérisation topologique pour l'analyse des dynamiques chaotiques, et tout particulièrement pour les comportements environnementaux observés par télédétection spatiale.

Ce document est une ébauche pour transposer le concept proposé par Bouchet (1963) du calcul de l'évapotranspiration au calcul de l'ablation des surface partiellement enneigées.

The thesis describes the different steps which lead during the 1980's to the development of an original numerical snow model. This model aimed at simulating the evolution of a seasonal snow cover as a function of the prevailing meteorological conditions. A first part describes the methods and algorithms used to compute the energy and mass exchange at the snow/atmosphere interface and inside the snowpack. The second part describes the experimental study which made possible the quantification of the metamorphism rate of snow samples submitted to weak temperature gradient and to liquid water content, in order to complete pre-existing knowledge on metamorphism. A third part describes the implementation of a set of metamorphism laws into the preliminary version of the snow model, which lead to the availability of the first numerical model able to simulate seasonal snowpack layering. The evaluation of the model at Col de Porte is presented. The last part introduces three applications of this model: real time monitoring of snowpack characteristics in the French Alps, assessment of the impact of climate change on snow climatology and simulation of the snowpack in a distributed hydrological model; Les travaux présentés portent sur les étapes successives qui ont conduit au développement dans les années 1980 d'un modèle numérique qui simule l'évolution temporelle d'un manteau neigeux saisonnier en fonction des conditions météorologiques. Une première partie décrit le développement d'un modèle de neige multi-couches qui calcule les échanges d'énergie entre la neige et l'atmosphère et simule les principaux processus physiques qui contrôlent les échanges au sein du manteau neigeux.Une deuxième partie décrit comment ont été quantifiées les lois de métamorphose de la neige humide et de la neige sèche soumise à un faible gradient de température, de façon à compléter les connaissances existantes et proposer un jeu relativement complet de lois de métamorphoses de la neige saisonnière. Une troisième partie décrit l'implémentation de ces lois dans le modèle numérique, permettant ainsi de simuler la stratification du manteau neigeux, fonctionnalité qui n'existait dans aucun autre modèle à cette époque. Une évaluation détaillée de ce modèle sur le site du Col de Porte est présentée. La dernière partie introduit trois applications originales qui ont ensuite exploité les fonctionnalités de ce modèle : la simulation en temps réel de l'état caractéristique du manteau neigeux dans les Alpes françaises, l'étude de l'impact du changement climatique sur l'enneigement et la simulation de l'état du manteau neigeux dans un modèle hydrologique distribué

This thesis concerns snow remote sensing using spaceborne SAR imagery at L- and CBands.An electromagnetic (EM) backscattering model is developed to calculate radar backscatter from snow cover. This model takes into consideration both the vertical snowpack structure and the metamorphosis state of each snow layer. It is validated using in situsnow profiles and SAR data simultaneously acquired by the ASAR/ENVISAT sensor in 2004.The main contribution of this study consists in the combination of dual-polarization SAR data with the meteorological Crocus model developed by Météo-France. To characterize the variability of alpine snowpack, Crocus snow profiles are spatially reorganized by minimizing the difference between simulated and measured C-Band SAR data. Snowcharacteristics maps have been created at SAR resolution level for the French massifs "Grandes Rousses" and "Oisans". The potential of polarimetric L-Band SAR data for snow characterization is investigated in rural areas. A classification method based on Support Vector Machine techniques is developed and evaluated with SAR data acquired by the PALSAR/ALOS sensor.; Cette thèse traite de l'apport de l'imagerie SAR satellitaire en bandes L et C pour lacaractérisation du couvert neigeux. Un modèle électromagnétique (EM) permettant de simuler la rétrodiffusion de l'ondesur un couvert neigeux a été développé. Ce modèle prend en considération la structure verticale du manteau neigeux ainsi que l'état de métamorphose des différentes couches. Il est validé à l'aide de profils stratigraphiques mesurés et des données SAR acquisesparallèlement par le capteur ASAR/ENVISAT en 2004.L'originalité principale de cette étude consiste en l'association des données SAR à polarisation double avec le modèle météorologique Crocus développé par Météo-France.Dans le but de caractériser la variabilité spatiale des couverts neigeux alpins, les profils stratigraphiques Crocus sont réorganisés spatialement par le biais d'une optimisation de la réponse EM en bande C. Des cartographies du couvert neigeux sont réalisées avec une résolution métrique pour les massifs alpins des Grandes Rousses et de l'Oisans.Finalement, le potentiel des données polarimétriques en bande L pour la caractérisation de la neige est étudié sur des zones rurales. Une méthode de cartographie basée sur les Machines à Vecteurs Supports est réalisée puis testée avec des données acquises par lecapteur PALSAR/ALOS.

This thesis concerns snow remote sensing using spaceborne SAR imagery at L- and CBands.An electromagnetic (EM) backscattering model is developed to calculate radar backscatter from snow cover. This model takes into consideration both the vertical snowpack structure and the metamorphosis state of each snow layer. It is validated using in situsnow profiles and SAR data simultaneously acquired by the ASAR/ENVISAT sensor in 2004.The main contribution of this study consists in the combination of dual-polarization SAR data with the meteorological Crocus model developed by Météo-France. To characterize the variability of alpine snowpack, Crocus snow profiles are spatially reorganized by minimizing the difference between simulated and measured C-Band SAR data. Snowcharacteristics maps have been created at SAR resolution level for the French massifs "Grandes Rousses" and "Oisans". The potential of polarimetric L-Band SAR data for snow characterization is investigated in rural areas. A classification method based on Support Vector Machine techniques is developed and evaluated with SAR data acquired by the PALSAR/ALOS sensor.; Cette thèse traite de l'apport de l'imagerie SAR satellitaire en bandes L et C pour lacaractérisation du couvert neigeux. Un modèle électromagnétique (EM) permettant de simuler la rétrodiffusion de l'ondesur un couvert neigeux a été développé. Ce modèle prend en considération la structure verticale du manteau neigeux ainsi que l'état de métamorphose des différentes couches. Il est validé à l'aide de profils stratigraphiques mesurés et des données SAR acquisesparallèlement par le capteur ASAR/ENVISAT en 2004.L'originalité principale de cette étude consiste en l'association des données SAR à polarisation double avec le modèle météorologique Crocus développé par Météo-France.Dans le but de caractériser la variabilité spatiale des couverts neigeux alpins, les profils stratigraphiques Crocus sont réorganisés spatialement par le biais d'une optimisation de la réponse EM en bande C. Des cartographies du couvert neigeux sont réalisées avec une résolution métrique pour les massifs alpins des Grandes Rousses et de l'Oisans.Finalement, le potentiel des données polarimétriques en bande L pour la caractérisation de la neige est étudié sur des zones rurales. Une méthode de cartographie basée sur les Machines à Vecteurs Supports est réalisée puis testée avec des données acquises par lecapteur PALSAR/ALOS.

International audience; L'utilisation de la télédétection satellitale permet d'étudier la variabilité spatiale et temporelle de l'enneigement. Après un rappel des concepts fondamentaux, grâce aux données SPOT-Vegetation (1998-2008) à un pas de temps décadaire, et par le biais d'un indice analytique de type Normalized Difference Snow Ice Index (NDSII), ce travail propose d'analyser la couverture nivale dans la région du Vercors (Préalpes françaises). Les résultats indiquent, d'une part, une forte variabilité interannuelle de l'enneigement et, d'autre part, sa sensibilité importante à des écarts thermiques moyens relativement faibles, souvent proches de 1°C. C'est notamment le cas en début et en fin de saison hivernale. L'évolution régionale des superficies enneigées est aussi influencée à la fois par des écarts thermiques majeurs (exemples de 2000 et 2006), mais aussi par une tendance régionale générale à la hausse des températures atmosphériques observée depuis la fin des années 1980.

This work introduces multi-frequency and multi-temporal snow cover analysis methods in alpine region using polarimetric parameters.From a digital elevation model, a polarimetric study is developed to relate the altitude to a specific snow cover behaviour.Theses methods are applied onto SIR-C SAR polarimetric data acquired over the alpine Risoul and Izoard sites.; Le suivi de la neige sèche a une place importante dans la télédétection, en raison du grand intérêt des applications en hydrologie, climatologie ou de la prévision d'avalanche. Ce travail présente des méthodes d'analyse multi-fréquentielles et multi-temporelles du couvert neigeux en milieux alpins à partir de données SAR polarimétriques.A l'aide d'un modèle numérique de terrain, une étude polarimétrique altitudinale du couvert neigeux est développée, permettant d'associer une attitude à un comportement polarimétrique spécifique.Ces méthodes sont appliquées sur des données SAR polarimétriques SIR-C des sites alpins de Risoul et Izoard.

International audience; Le Mélèze tout d'abord, les Pins subalpins comme le Pin cembro, le Pin sylvestre et le Pin à crochets ensuite, l'Aulne vert enfin ne bénéficient pas toujours d'une attention suffisante vis-à-vis de l'intérêt qu'ils ont pour le maintien du manteau neigeux et la lutte contre les avalanches. Des observations permettent pourtant d'expliquer leur action bienfaitrice et d'ébaucher quelques principes sylvicoles qui mériteraient d'être approfondis.

During the winter 1959-60, the authors have studied various characteristics of the snow cover in the basin of the river Ste. Anne de Beaupré. They observed that the density of snow always varied between 2.0 and 2.5. The classical method of converting 10 inches of snow to one inch of water then appears a debatable question. The graphs of snow precipitations established over a period of ten years suggest that the basin of the Ste. Anne de Beaupré is typical of a regime with two maximums which occur sometimes between December and March.

L’imagerie satellitaire dans le visible et l’infrarouge permet de cartographier le couvert nival à grande échelle, ce qui n’est pas facilement réalisable à partir des observations locales conventionnelles. Cependant, en raison de leur résolution spatiale inadéquate ou de la faible durée de leurs séries d’observations, les produits satellitaires actuellement disponibles sont inutilisables pour l’étude à long terme du couvert nival. Par conséquent, l’objectif de la présente étude a été de développer un algorithme opérationnel de cartographie de la neige à l’aide des données du capteur AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) embarqué à bord du satellite NOAA. Cette procédure doit permettre de suivre l’évolution spatio-temporelle de la neige au sol sur une longue période de temps et avec une bonne résolution spatiale. Les résultats de la cartographie ont été validés par rapport aux observations de l’occurrence et de l’épaisseur de la neige au sol. L’algorithme a été appliqué au territoire du Québec sur trois périodes spécifiques : 1998-1999, 1991-1992 et 1986-1987. L’algorithme a réussi à identifier la catégorie de surface (neige/non-neige) avec un taux de succès global moyen de 87 %. Les performances de l’algorithme ont été supérieures dans la détection de la neige (90 %) qu’elles l’ont été pour les surfaces sans neige (82 %). Également, l’algorithme a permis de situer le début des périodes de formation et de fonte de la neige, et ce tant au niveau local qu’à l’échelle du bassin versant., This work is part of a multidisciplinary study designed to validate the elements of the hydrological cycle of the Canadian regional climate model simulations (CRCM) over Quebec (Canada). These simulations, carried out over a 20-year period (1979-1999), aim at examining the annual and inter-annual hydrological budgets of a dozen catchments. Snow cover is a key factor in the modeling of the hydrological budget as well as the climatic changes. The remote sensing component of the project involves the use of satellite data in order to validate CRCM simulations of snow cover characteristics (i.e., snow cover extent), which are impossible to validate using conventional in situ snow observations.Satellite data in the visible and infrared spectra as well as passive microwaves represent an alternative source of information on snow cover. Various satellite snow products have been available since the middle of the 1960’s and a few are available in real time and online. However, their quality varies considerably with respect to sensor and platform characteristics, image processing procedures and snow classification techniques. Consequently, these operational products cannot be used for the validation of the CRCM simulations because of their limited spatial extent, or their coarse spatial resolution, or the lack of a continuous and homogeneous series of observations covering the targeted period (1979-1999). In addition, the coarse temporal resolution and the small areal coverage of high-resolution satellites limit their use for the temporal monitoring of snow cover on a regional scale. Consequently, it was decided to explore the potential of NOAA-AVHRR data for the space-time monitoring of snow on the ground and to produce snow cover maps. These maps would then be used to validate CRCM simulations. Among the 20 years concerned by the study (1979-1999), six winter seasons were targeted to be used in the validation process.The objective of this work was thus to develop a simple procedure of space-time monitoring of snow cover over the province of Quebec using AVHRR images. The algorithm was calibrated and validated over three winter seasons: 1998-1999, 1991-1992 and 1986-1987. In order to monitor snow cover, especially during snow setting and melt phases, the daily images from October 1st to December 15th and from April 1st to May 31st of each of the three periods were used. Images at the beginning of the afternoon were preferred since they are less sensitive to topographic effects and variation in illumination conditions. Only the images presenting a minimal cloud cover were retained (164 images out of the 411 initially identified). These selected images were used for the calibration and validation of the snow cover mapping algorithm. Selected AVHRR images were calibrated and corrected radiometrically and geometrically. A sub-region (82°30’ W, 58°N; 60° W, 46° N) covering the territory being studied was therefore extracted from each image.The classification algorithm used herein was developed from published classification techniques. This algorithm is based on sequential hierarchical thresholds in order to classify the AVHRR images into three surface categories: snow, no-snow and clouds. It consists of a combination of six sequential thresholds. The thresholds go from least restrictive to most severe. A pixel that successfully passes through all the thresholds is classified as snow; if the pixel does not pass through all the thresholds, it is categorized either as clouds or no-snow. The thresholds were established empirically and are consequently specific to Quebec conditions. The classification results were validated at the temporal and spatial levels using ground observations, specifically snow occurrence at Environment Canada’s meteorological stations.The algorithm was calibrated using pixel samples extracted from each selected image, above areas representing the three surface categories present within the scene. These areas were identified visually and delimited manually. Thereafter, radiometric data samples from all selected images were put together and their percentiles were calculated. The percentiles were used to build the values of the algorithm thresholds.For each of the three studied periods, two dates were chosen for the spatial validation of the snow maps produced using AVHRR images: one during the snow cover setting period (at the end of October) and the other for the snow melt period in spring (at the end of April). For these six dates, ground snow occurrence at meteorological stations was compared to the classification results. For temporal validation, snow occurrence observations at 15 meteorological stations during each of the three winter seasons were used for the classification algorithm. Corresponding ground observations were compared to the occurrence of snow class within 3 x 3-pixel windows centered on each station and the total accuracy statistics were therefore calculated. When 50% or more of the 3 x 3-pixel windows were classified as cloudy, the results for the corresponding station were excluded from the comparison.The classification results were quite accurate, with 87% of the pixels around validation meteorological stations being correctly identified. The algorithm successfully detected the presence of snow with a precision of 90% and 82% for no-snow surfaces. The algorithm performances in spring and autumn were similar. Also, the algorithm detected the presence of snow more accurately in open lands than in forested areas. We demonstrated that the algorithm allowed the location of the beginning of snow formation and melting periods at the local level as well as at the watershed scale, especially under clear sky conditions. The algorithm also captured interannual dynamics and spatial variations in the establishment and disappearance of snow cover. The use of high spatial resolution imagery (LANDSAT or SPOT) would improve the accuracy assessment of the algorithm results according to soil occupation types and pixel fractional snow coverage. The main limitation of the algorithm application is the presence of persistent clouds.