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Etchanchu, Jordi. Apport des données de télédétection haute résolution et haute répétitivité dans la modélisation hydro-météorologique

Etchanchu, Jordi (2019). Apport des données de télédétection haute résolution et haute répétitivité dans la modélisation hydro-météorologique.

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Résumé en francais

Les agrosystèmes sont soumis à de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles, notamment du fait des pratiques agricoles. Les modèles de surface, qui servent à quantifier les échanges d'eau et d'énergie entre le sol, la végétation et la basse atmosphère, dits flux hydrométéorologiques, utilisent la plupart du temps des résolutions spatiales trop larges et une description des pratiques agricoles trop simple pour caractériser ces hétérogénéités, faute d'information spatialisée fiable et à fréquence temporelle suffisante pour paramétrer les simulations. Pourtant, réussir à simuler de manière plus réaliste les agrosystèmes à l'échelle du paysage, comme un bassin versant par exemple, est d'importance cruciale que ce soit pour gérer la répartition des ressources en eau ou évaluer les interactions entre pratiques agricoles et évolution climatique. La télédétection à haute résolution spatiale et temporelle, à l'image de la mission spatiale Sentinel-2 de l'ESA, permet de fournir des informations sur la surface terrestre à des résolutions inégalées (10 m, 5 jours) et sur l'ensemble du globe. Cette thèse visait donc à exploiter ce type de données dans un modèle de surface, le modèle SURFEX-ISBA développé par le CNRM, afin d'améliorer la représentation des pratiques agricoles et évaluer son impact sur les flux hydrométéorologiques à l'échelle du paysage. Le premier volet de la thèse avait pour objectif de représenter l'hétérogénéité spatio-temporelle des cultures, du fait des choix des dates de semis et de récolte ainsi que des rotations de culture, dans le modèle. Pour ce faire, j'ai exploité les produits issus des données du satellite optique Formosat-2 (8m, acquisitions programmées), sous la forme de cartes d'occupation des sols et de cartes multi-temporelles d'indice de surface foliaire (LAI) afin de simuler un agrosystème du Sud-Ouest de la France sur une zone de 576 km2. Afin de simuler de telles étendues en exploitant la haute résolution des produits satellite tout en limitant le temps de calcul, une approche de simulation par parcelle a été mise en place. La comparaison de l'usage des produits satellitaires à une paramétrisation climatologique issue de la base ECOCLIMAP-II sur deux stations de mesure de flux a mis en évidence une nette amélioration de l'estimation de l'évapotranspiration, variable clé pour la compréhension du fonctionnement thermo-hydrique des couverts végétaux, et notamment de sa temporalité, tout particulièrement sur les cultures d'été comme le maïs et le tournesol. La comparaison spatiale des deux simulations réalisées a également permis de montrer que cette conclusion était transposable à l'ensemble de l'agrosystème. Néanmoins, ces résultats montraient que la non-prise en compte d'une irrigation réaliste induisait de fortes erreurs sur le volume d'évapotranspiration durant les mois d'été. Le second volet de la thèse a donc visé à proposer des méthodes pour représenter fidèlement l'irrigation de manière spatialisée. Pour ce faire, j'ai d'abord développé un schéma d'irrigation pour SURFEX-ISBA utilisant les principaux paramètres utilisés pour décrire l'irrigation dans les modèles de surface, notamment la période irrigable et l'humidité du sol seuil pour le déclenchement de l'irrigation, en leur octroyant des possibilités de variation temporelle et spatiale. Afin de renseigner cette variabilité des pratiques d'irrigation, j'ai utilisé une approche combinant des valeurs basées sur l'expertise des pratiques faite par des agences comme la CACG et Arvalis, et des produits de télédétection optique (Landsat, SPOT, Formosat), permettant de spatialiser ces pratiques d'irrigation théoriques. En particulier, cela a consisté à utiliser le LAI des parcelles pour déterminer la période irrigable et adapter temporellement les règles de décision du déclenchement de l'irrigation sur chaque parcelle. La comparaison à des volumes d'irrigation observés sur une vingtaine de parcelles de maïs irrigué suivies par la CACG a montré que l'usage de cette méthode améliore le réalisme de l'irrigation simulée par rapport à l'usage de paramètres d'irrigation climatologiques mais restait tout aussi sensible à l'estimation de la réserve maximale d'eau accessible par la plante. Enfin, le troisième volet s'est appliqué à utiliser ces méthodes, sur la base des données SPOT (10m, 5 jours), afin de comprendre l'impact de la prise en compte de pratiques agricoles plus réalistes sur les flux simulés de manière intégrée à l'échelle du paysage dans l'agrosystème semi-aride de la plaine de Kairouan, en Tunisie. La présence d'un scintillomètre à large ouverture dans la zone d'étude a permis de mettre en place une méthode novatrice de validation des simulations de surface de manière intégrée, moins incertaine que le recours à des simulations hydrologiques comparées aux débits de rivière. Une paramétrisation cohérente a été déterminée pour chacun des types de couvert majoritaires de la zone d'étude grâce aux stations de mesure de flux installées par le CESBIO et l'INAT. La comparaison des simulations, agrégées spatialement, aux mesures scintillométriques a permis de valider la paramétrisation ainsi déterminée et de montrer que la prise en compte de l'irrigation améliorait le flux de chaleur sensible simulé à l'échelle de l'emprise du scintillomètre (quelques km2). Cependant, certains types de couverts, comme l'arboriculture, ont montré les limites de l'usage de la télédétection à cette résolution pour la caractérisation de leurs paramètres. Une comparaison à d'autres approches de modélisation, faisant l'estimation de l'évapotranspiration instantanée par la résolution du bilan d'énergie sur la base d'acquisitions satellitaires dans le domaine de l'infrarouge thermique, a également permis de mettre en lumière des pistes d'amélioration des simulations de surface spatialisées actuelles. Cela ouvre également la voie à un usage combiné de ces deux types d'approches, notamment par assimilation des produits d'évapotranspiration dans le modèle de surface, pour déterminer une répartition spatiale de l'évapotranspiration cohérente. Ce travail de thèse démontre ainsi l'intérêt de la télédétection à haute résolution pour prendre en compte les pratiques agricoles dans l'estimation des flux de manière spatialisée à l'échelle du paysage, ouvrant ainsi la voie à une meilleure gestion de l'eau et une simulation des interactions avec le climat plus réalistes.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Boulet, Gilles
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère (CESBIO), UMR 5126
Mots-clés libres :Télédétection haute-résolution - Hydro-météorologie - Modélisation de surface - SURFEX-ISBA - Irrigation
Sujets :Sciences de l'environnement
Déposé le :28 Jan 2020 08:52