Télédétection multispectrale des poussières désertiques dans l'infrarouge thermique au-dessus de l' - Page 1 - test Tous nos livres sont imprimés dans les règles environnementales les plus strictes Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente publication sans autorisation du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20 rue des GrandsAugustins – 75006 PARIS – Tél. : 01 44 07 47 70 / Fax : 01 46 34 67 19. © Éditions Edilivre – Collection Universitaire – 2008 ISBN : 978-2-35607-662-5 Dépôt légal : Août 2008 Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays. UNIVERSITE DES ANTILLES ET DE LA GUYANE Faculté des Sciences Exactes et Naturelles THESE DE DOCTORAT Spécialité : Physique TELEDETECTION MULTISPECTRALE DES POUSSIERES DESERTIQUES DANS L’INFRAROUGE THERMIQUE AU-DESSUS DE L’AFRIQUE A PARTIR DE MSG/SEVIRI Gaëlle VERGÉ-DÉPRÉ Thèse préparée au Laboratoire d’Optique Atmosphérique (Université des Sciences et Technologies de Lille) Soutenue le 4 avril 2007 Devant le jury composé de : Jacques PELON : Rapporteur Michel DESBOIS : Rapporteur Jack MOLINIÉ : Examinateur Michel LEGRAND : Directeur de thèse Cyril MOULIN : Codirecteur de thèse Rose-Helen PETIT : Codirectrice de thèse 1 REMERCIEMENTS C’est avec beaucoup de plaisir que j’ai passé trois années au Laboratoire d’Optique Atmosphérique de l’Université des Sciences et Technologies de Lille. Merci à Didier Tanré, directeur du laboratoire, de m’y avoir accueillie pour réaliser cette thèse. Je remercie Michel Legrand d’avoir accepter la (lourde ?) tâche de diriger mon travail de thèse. Merci à Cyril Moulin, mon co-directeur, de m’avoir encadrée et d’avoir cru en moi, même dans les moments de doute. Merci à Rose-Helen Petit ma co-directrice, qui même de loin a suivi ce travail avec attention et surtout grâce à qui mon arrivée au LOA a été possible. Merci à Jacques Pelon et Michel Desbois d’avoir accepté la tâche de rapporter sur mon travail de thèse. Merci également à Jack Molinié pour l’intérêt qu’il a montré en acceptant le rôle de membre du jury. Je dois beaucoup à Ovidiu Pancrati pour son aide précieuse quant à l’utilisation du MODTRAN, code de transfert radiatif essentiel à mon travail. Merci également pour son accueil et sa disponibilité lors de mon séjour au CARTEL (Centre d’Applications et de Recherches en Télédétection) à l’occasion de l’Ecole d’été à l’Université de Sherbrooke. Un grand merci à Antoinette Alias pour avoir mis à ma disposition le code source relatif au calcul de l’IDDI, une composante importante de mon travail de thèse. Merci également au Pôle ICARE (Interactions Clouds Aerosols Radiations Etc) de m’avoir fourni les données Météosat. Merci à François Thieuleux pour sa disponibilité et son aide informatique : il a toujours répondu efficacement à mes questions. Mes remerciements vont également à Olivier Boucher, Sophie Szopa et Fanny Minvielle pour m’avoir fourni les données issues du ECMWF, à Jean-Marc Nicolas pour les données MSG, à Jérôme Riedi pour le masque nuage et Françoise Nerry pour les émissivités de surface. Je remercie Romain de Filippi pour son aide concernant tous les soucis informatiques, Christine Deroo et Louis Gonzales pour les logiciels qu’ils développent pour nous permettre de réaliser nos travaux dans les meilleures conditions. 3 Merci à Andrée Giard pour sa patience à gérer tous les problèmes administratifs que j’ai pu rencontrer. Je n’oublie pas mon collègue de bureau, Bertrand Ovigneur et les autres thésards (Nicolas, Méloë, Sophie, Fabien, Benoît, Mamadou et Sony) pour leur sympathie. C’est avec beaucoup de plaisir que je me souviendrai de ceux et celles avec qui j’ai discuté dans la salle à café du LOA, je salue particulièrement Isabelle C., Laurent, Bertrand C., Isabelle J., et Anne pour leurs conseils. De façon générale, je remercie tous les membres du LOA pour avoir contribué à la bonne ambiance au laboratoire. Heureusement, ma vie ne se résume pas aux aérosols, donc je dis un grand merci à tous mes amis de Paris et de Lille ainsi qu’à ma famille (même loin d’ici) qui ont su me redonner la confiance et la force nécessaires à l’aboutissement de cette thèse. Pour finir, je réserve mes derniers remerciements à Guy pour m’avoir toujours soutenue. 4 RESUME Notre compréhension de l’interaction entre poussières désertiques et climat est encore limitée, en partie parce que la concentration et les propriétés de cet aérosol présentent une grande variabilité spatiale et temporelle. La télédétection spatiale qui présente l’avantage d’une observation globale est donc un outil indispensable. L’infrarouge thermique (IRT) est un domaine spectral où la détection de l’aérosol désertique est particulièrement efficace. Ainsi, l’utilisation du canal IRT de Météosat au-dessus des terres, a permis le développement d’un indice qualitatif de poussière, appelé IDDI (Infrared Difference Dust Index). L’objectif de cette étude est de corriger les défauts de l’IDDI et d’utiliser les nouveaux canaux dans l’IRT de MSG/SEVIRI pour développer un indice multispectral. Ce travail s'appuie sur l’analyse des effets de la poussière, du vent de surface, de l'élévation solaire et de la vapeur d’eau sur la luminance au sommet de l’atmosphère, à l’aide du code de transfert radiatif MODTRAN. L’influence de l’émissivité de surface sur la luminance en présence de poussière est aussi analysée. Une méthode de correction de l’IDDI est proposée pour tenir compte des perturbations liées au vent de surface et à l’élévation solaire. L’étude est ensuite étendue aux trois canaux MSG/SEVIRI compte tenu des variations spectrales des propriétés de l'aérosol et de l’émissivité. Les résultats montrent une sensibilité accrue dans les canaux 8.7 et 10.8 μm, et un IDDI multispectral est proposé pour améliorer la corrélation entre IDDI et épaisseur optique mesurée par le réseau AERONET sur cinq sites sahéliens. Ce nouvel IDDI permettra d’améliorer le suivi des soulèvements de poussière sur l’Afrique. Mots clé : aérosols désertiques, infrarouge thermique, effet radiatif, télédétection multispectrale, Sahel. 7 ABSTRACT The limited level of understanding of the interaction between desert dust and the climate arises to a large extent from the high spatio-temporal variations of this aerosol concentration and properties. Remote sensing from space is an essential tool to improve the knowledge of this aerosol, as it can provide a long-term and global observation. The thermal infrared (TIR) is a spectral domain where the desert dust remote sensing is particularly efficient. Thus a dust index called IDDI (Infrared Difference Dust Index), has been developed through the use of the TIR channel of Meteosat over land. This study focusses on correcting the failings of the current IDDI and using the new MSG/SEVIRI TIR channels to develop a new multispectral IDDI. Our approach is based on the analysis of the effects of dust, surface wind, Sun elevation and water vapour, on the top-of-atmosphere radiance, using the radiative transfer code MODTRAN. The influence of surface emissivity on TOA radiance is also analysed. A method of IDDI correction is then derived, with respect to the impacts of surface wind and Sun elevation. This study is extended to the MSG/SEVIRI TIR channels taking into account the spectral variations of aerosol properties and of surface emissivity. The results show an increased sensitivity for the 8.7 and 10.8 μm channels, and a multispectral IDDI is proposed in order to improve the correlation between IDDI and aerosol optical depth measured by the AERONET network at five Sahelian sites. This new IDDI is tentatively designed to improve the observation of the desert aerosol outbreaks over Africa. Key words: desert aerosols, thermal infrared, radiative effect, multispectral remote sensing, Sahel. 9 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE ......................................................................................... 17 CHAPITRE I : Aérosols et rayonnement ........................................................................... 21 I.1 Un climat sous influences ................................................................................................ 23 I.2 Les perturbations.............................................................................................................. 24 I.3 Qu’est ce qu’un aérosol troposphérique ?...................................................................... 25 I.3.1 Ordres de grandeur ..................................................................................................... 25 I.3.2 Principales espèces d’aérosols ................................................................................... 25 I.3.3 Effets radiatifs des aérosols........................................................................................ 29 I.3.4 L’observation des aérosols ......................................................................................... 34 I.4 Paramètres optiques et propriétés microphysiques des aérosols ................................ 38 I.4.1 Paramètres optiques.................................................................................................... 38 I.4.2 Propriétés microphysiques ......................................................................................... 42 I.5 Transfert radiatif dans l’infrarouge thermique ............................................................ 44 I.5.1 L’équation de transfert radiatif................................................................................... 44 I.5.2 Cas de l’infrarouge thermique.................................................................................... 47 CHAPITRE II : Impact de l’aérosol désertique dans l’infrarouge thermique ............... 53 II.1 Cycle atmosphérique de l’aérosol désertique .............................................................. 55 II.1.1 L’émission................................................................................................................. 56 II.1.2 Le transport dans l’atmosphère................................................................................. 58 II.1.3 Le dépôt .................................................................................................................... 59 11 II.2 Détection de l’aérosol désertique .................................................................................. 59 II.2.1 Télédétection depuis l’espace : le satellite Météosat ................................................ 59 II.2.2 Effet de l’aérosol désertique dans l’infrarouge thermique........................................ 63 II.2.3 Traitement des images satellite dans l’IRT : IDDI Météosat ................................... 64 II.3 Analyse de l’IDDI Météosat sur le site de Banizoumbou ........................................... 70 II.3.1 Localisation du site d’étude et élimination des données nuageuses ........................ 70 II.3.2 Comparaison de l’épaisseur optique d’aérosol in situ avec l’IDDI Météosat .......... 74 II.3.3 Impact radiatif de la poussière sur les mesures Météosat ......................................... 76 II.3.4 Variabilité de la températurede surface .................................................................... 78 II.4 Conclusions ..................................................................................................................... 84 CHAPITRE III : Amélioration de la télédétection de l’aérosol désertique dans l’IRT avec Météosat ......................................................................................................................... 87 III.1 Application aux luminances au sommet de l’atmosphère ......................................... 89 III.1.1 Correction des luminances ...................................................................................... 89 III.1.2 Impact sur l’IDDI Météosat..................................................................................... 90 III.2 Contributions radiatives de la poussière dans l’atmosphère et à la surface ........... 92 III.3 Analyse des sensibilités au modèle d’aérosol et aux profils verticaux ..................... 94 III.3.1 Sensibilités au modèle d’aérosol ............................................................................ 95 III.3.2 Sensibilités aux profils atmosphériques verticaux ................................................ 101 III.4 Effet de la poussière sur l’image référence .............................................................. 105 III.5 Extension géographique à la zone sahélienne .......................................................... 108 III.5.1 Comparaison de l’IDDI avec l’épaisseur optique d’aérosol ................................. 108 III.5.2 Corrections de vent directement au sommet de l’atmosphère .............................. 111 III.5.3 Application à d’autres sites sahéliens ................................................................... 113 III.6 Conclusions .................................................................................................................. 121 12 CHAPITRE IV : Apport d’une approche multispectrale dans l’IRT avec MSG ......... 125 IV.1 Analyse de la sensibilité des canaux IRT de MSG/SEVIRI .................................... 127 IV.1.1 Sensibilité à la poussière ...................................................................................... 128 IV.1.2 Sensibilité au vent de surface ............................................................................... 129 IV.1.3 Sensibilité à la vapeur d’eau atmosphérique ........................................................ 130 IV.1.4 Sensibilité à la l’émissivité de surface ................................................................. 131 IV.1.5 Bilan sur les sensibilités de la luminance ............................................................. 133 IV.2 Luminances au sommet de l’atmosphère en fonction de l’émissivité .................... 133 IV.2.1 Emissivité d’une surface grise .............................................................................. 133 IV.2.2 Emissivité variable selon le canal ........................................................................ 135 IV.3 IDDI spectraux : utilisation des canaux IRT de MSG/SEVIRI .............................. 139 IV.4 Approche multispectrale : simulations ..................................................................... 143 IV.5 Conclusions .................................................................................................................. 144 CHAPITRE V : Validation de l’IDDI multispectral sur les sites AERONET .............. 147 V.1 Mesures satellitaires et mesures photométriques ...................................................... 149 V.1.1 Les données du satellite MSG ............................................................................... 149 V.1.2 Les mesures photométriques .................................................................................. 153 V.1.3 Comparaison des mesures photométriques avec les mesures satellitaires ............. 154 V.2 Données complémentaires ........................................................................................... 159 V.2.1 Le vent de surface .................................................................................................. 159 V.2.2 La vapeur d’eau ..................................................................................................... 161 V.3 L’IDDI à travers les canaux IRT de MSG/SEVIRI .................................................. 162 V.3.1 Comparaison de l’IDDI avec l’épaisseur optique d’aérosol .................................. 162 V.3.2 Comparaison de l’IDDI avec le vent de surface .................................................... 170 V.3.3 Comparaison de l’IDDI avec la vapeur d’eau ....................................................... 171 13 V.4 Approche multispectrale .............................................................................................. 173 V.5 Conclusions ................................................................................................................... 179 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ............................................................................ 183 ANNEXES ............................................................................................................................ 187 Annexe I-1 : Cartes journalières d’IDDI du 13 février au 31 mars 1998 ........................ 189 Annexe I-2 : Cartes journalières d’IDDI du 1er février au 31 mars 2000 ........................ 192 Annexe II : Coefficients d’étalonnage moyennés de février à mars pour Météosat ........ 197 Annexe III : Altitudes journalières du sommet de la couche d’aérosol ........................... 199 Annexe IV : Images du satellite MSG de février à mars 2006 ........................................ 201 Annexe V : Comparaison du vent de surface mesuré et modélisé ................................. 205 Annexe VI : Nombre de mesures photométriques entre 11h et 13h en 2006 ................. 207 Annexe VII : Article publié ............................................................................................ 209 ACRONYMES .................................................................................................................... 213 LISTE DES FIGURES ....................................................................................................... 219 LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................. 231 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................. 239 14
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