Teses / dissertações sobre o tema "Emissivité de la surface terrestre"

Les objectifs de cette thèse sont concentrés sur la détermination de l’émissivité (LSE) et de la température de surface (LST) des surfaces terrestres à partir des données de MSG 1 -SEVIRI. Dans un premier temps l’inter-calibrage des canaux infrarouges 4, 9 et 10 de MSG I -SEVIRI avec les canaux de Terra-MODIS est réalisé. Deux méthodes, la méthode «ray-matching» et une méthode basée sur l’équation transfert radiatif ont été appliqués. Les résultats indiquent que les anomalies de calibrage existent entre les canaux de SEVIRI et de MODIS. L’utilisation des résultats obtenus par la méthode basée sur le transfert radiatif pour recalibrer les données de SEVIRI est recommandée. Ce recalibrage permet de supprimer la surestimation des LSTs obtenues à partir des données de SEVIRI avec une méthode SplitWindow. Les émissivités sont ensuite estimées dans les canaux 4, 7, 9 et 10 sur des grandes étendues spatiales et temporelles en utilisant une méthode basée sur le concept des TISI. Une nouvelle méthode de corrections atmosphériques a été développée, principalement basée sur le modèle de DTC (Diumal Time Cycle), et deux modèles de BRDF, le modèle du Minnaert modifié et le modèle de RossThick-LiSparse-R, ont été évalués. Les températures de surface sont déterminées à partir des données MSGI-SEVIRJ et AATSR. La méthode mono canal simple et la méthode Split Window ont été utilisées. Les algorithmes généralisés de Split Window ont été développés pour les instruments SEVIRI et AATSR en utilisant le code MODTRAN et les profils atmosphériques standards et ont été appliqués avec succès aux déterminations des LST à partir des données de SEVIRI et d’AATSR. Les températures de surface obtenues à partir de SEVERI ont été validées par comparaison directe avec les produits MODIS/Terra LST et les AATSR LST estimées par la Split Window généralisée au-dessus de la péninsule ibérienne et d’une région de l’Egypte et du 1Moyen-est. Les résultats indiquent que les LST SEVIRJ sont conformes au LST extraites des produits MODIS/Terra LST et AATSR LST avec une exactitude comprise entre l-2 K.

Cette thèse est consacrée à la détermination de l’émissivité des surfaces terrestres (LSE) à partir de données dans les domaines des micro-ondes et de l’infrarouge thermique. (1) Ce travail a permis de fournir une méthode de détermination du LSE à partir des données AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) et de développer un modèle de transfert radiatif sol-atmosphère (SARTM) utilisé pour simuler les températures de brillance au niveau du capteur. Le modèle SARTM est construit à partir du modèle MonoRTM (MONOchromatic Radiative Transfer Model) et du modèle AIEM (Advanced Integral Equation Model). Dans cette étude les émissivités micro-ondes sur toute la Chine pour l’année 2006 ont été estimées. (2) Cette thèse présente également les améliorations apportées à un algorithme de détermination des émissivités à partir du capteur SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) à bord du satellite MSG-2. Cet algorithme perfectionné est appliqué à plusieurs images MSG-2/SEVIRI sur une région d’étude de la péninsule ibérique. Il est démontré sur des cas détaillés que les améliorations portées sur la méthode originale de détermination du LSE et de la température de surface étaient réelles et cohérentes
This thesis focused on the retrievals of Land Surface Emissivity (LSE) from microwave data and thermal infrared data. (1) This thesis provides a method to retrieval LSE from the AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) and develops a Soil-Atmosphere Radiative Transfer Model (SARTM) to simulated brightness temperatures at satellite level. SARTM model is built from MonoRTM (MONOchromaticRadiative Transfer Model) and from AIEM (Advanced Integral Equation Model) models. In this study, the LSEs over whole China of year 2006 are estimated. (2) This thesis also presents an improved algorithm to retrieve LSE from SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) data onboardthe MSG-2 satellite. Finally, this improved algorithm is applied to several MSG-2/SEVIRI datasets over a study area withinthe Iberian Peninsula region. It is demonstrated with some detailed cases that these improvements on the original LSE/land surface temperature (LST) retrieval methods are effective and reasonable

The aim of this thesis is the modeling of surface directional thermal radiation and angular correction on the LST by using empirical and physical methods as well as the analysis of field validation. The work has conducted to some conclusions. The directional emissivity of natural surfaces was obtained from MODIS emissivity product and then used in the split-window algorithm for angular correction on LST. The parameterization models of directional emissivity and thermal radiation were developed. As for the non-isothermal pixels, the daytime-TISI method was proposed to retrieve directional emissivity and effective temperature from multi-angular middle and thermal infrared data. This was validated using an airborne dataset. The kernel-driven BRDF model was checked in the thermal infrared domain and its extension was used to make angular normalization on the LST. A new model, namely FovMod that concerns on the footprint of ground sensor, was developed to simulate directional brightness temperature of row crop canopy. Based on simulation result of the FovMod, an optimal footprintfor field validation of LST was obtained. This thesis has systematically investigated the topic of directional thermal radiation and angular correction on surface temperature and its findings will improve the retrieval accuracy of temperature and emissivity from remotely sensed data and will also provide suggestion for the future design of airborne or spaceborne multi-angular thermal infrared sensors and also for the ground measurement of surface parameters.

L'Asie de l'Est est la deuxième source d'aérosols de type minérale au monde après le Sahara. Celles-ci peuvent modifier le bilan radiatif de la Terre de par leurs propriétés d'absorption et de diffusion du rayonnement atmosphérique. Par conséquent, une information précise des propriétés physico-chimiques des poussières désertiques est essentielle pour comprendre et mieux quantifier leur impact sur l'atmosphère.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de tester le potentiel d'une nouvelle approche méthodologique combinant mesures de laboratoire et de télédétection satellitaire pour une meilleure caractérisation des aérosols issus des surfaces désertiques et semi-arides. L'application de celle-ci porte sur l'étude d'évènements de tempêtes désertiques dans l'Est Asiatique à partir de l'instrument spatial IASI.Une des difficultés majeures de ce travail vient du fait que la poussière minérale émise dans cette région réside majoritairement au-dessus de la surface continentale et dans la basse troposphère, ce qui pose des contraintes liées d'une part à une faible sensibilité par manque de contraste thermique et d'autre part dues à la grande influence et l'importante variabilité de l'émissivité de la surface terrestre (EST). Ainsi, la première partie de ce travail s'est attachée à améliorer la prise en compte de l'EST en développant une nouvelle méthodologie à partir d'un ensemble de données d'émissivité mensuelle moyenne.Ensuite, des coefficients d'extinction expérimentaux des minéraux purs ont été combinés linéairement pour reproduire un spectre de poussières de Gobi, ce qui a permis d'obtenir les fractions massiques minéralogique. De plus, à partir des luminances IASI, une épaisseur optique de poussières de Gobi a été calculée, affichant des caractéristiques identiques à celle mesurée en laboratoire. La combinaison linéaire des spectres de minéraux purs a ensuite été appliquée à l'épaisseur optique IASI, fournissant des fractions massiques minéralogiques.Enfin, l'ensemble de la méthode a été appliqué à deux événements de poussières au cours de deux saisons et années différentes : Mai 2017 et Mars 2021. Ce qui a permis d'obtenir les premières distributions spatiales et temporelles de la composition chimique d'aérosols désertiques. Les fractions massiques moyennes obtenues pour les particules provenant du désert de Gobi, du désert de Taklamakan et de Horqin Sandy Land sont proches des fractions massiques de la littérature. De plus, ces résultats sur la composition chimique ont permis de lier la variabilité spatiale des aérosols aux sources d'émission de poussières, confortée à l'aide d'un modèle de rétro-trajectoires. De plus, une comparaison entre deux instruments IASI sur Metop A et B a montré une bonne cohérence, permettant d'envisager l'applicabilité de la méthode à différentes plates-formes Metop, voir à d'autres instruments du même type. Les résultats exposés dans ce manuscrit représentent une avancée importante quant à l'amélioration de la caractérisation des aérosols désertiques par télédétection spatiale, notamment concernant l'analyse de la composition chimique
East Asia is the second largest source of mineral-type aerosols in the world after the Sahara. These can modify the Earth's radiative balance due to their properties of absorption and diffusion of atmospheric radiation. Therefore, precise information on the physico-chemical properties of desert dust is essential to understand and better quantify their impact on the atmosphere. In this context, this thesis aims to test the potential of a new methodological approach combining laboratory measurements and satellite remote sensing for better characterization of aerosols from desert and semi-arid surfaces. Its application concerns studying desert storm events in East Asia from the IASI space instrument.One of the major difficulties of this work comes from the fact that the mineral dust emitted in this region is emitted mainly above the continental surface and in the lower troposphere, which poses constraints linked, on the one hand, to a low sensitivity due to a lack of thermal contrast and on the other hand due to the great influence and variability of the Earth's surface emissivity (LSE). Thus, the first part of this work focused on improving the consideration of LSE by developing a new methodology from a set of average monthly emissivity data.Then, experimental extinction coefficients of pure minerals were linearly combined to reproduce a spectrum of Gobi dust, which made it possible to obtain the mineralogical mass fractions. In addition, from the IASI radiances, an optical thickness of Gobi dust was calculated, displaying characteristics identical to those measured in the laboratory. The linear combination of pure mineral spectra was then applied to IASI optical thickness, providing mineralogical mass fractions. Finally, the entire methodology was applied to two dust events during two different seasons and years: May 2017 and March 2021. The method made it possible to obtain the first spatial and temporal distributions of the chemical composition of desert aerosols. The average mass fractions obtained for particles from the Gobi Desert, Taklamakan Desert, and Horqin Sandy Land are close to mass fractions from the literature. In addition, these results on the chemical composition made it possible to link aerosols' spatial variability to dust emission sources, confirmed using a retro-trajectory model. In addition, comparing two IASI instruments on MetOp A and B showed good consistency, allowing us to consider the method's applicability to different MetOp platforms having the same instrument type. The results presented in this manuscript represent an important advance in improving the characterization of desert aerosols by space remote sensing, in particular concerning the analysis of the chemical composition

L'émissivité et la réflectivité infrarouges d'une surface de mer sont des paramètres clés pour le calcul de la température apparente d'une surface de mer. Pour des angles d'observation rasants (proches de l'horizon), elles dépendent fortement de la rugosité de la surface de mer. Cette thèse a pour but de modéliser l'émissivité et la réflectivité d'une surface de mer dans le domaine infrarouge avec précision. De plus, la polarisation de l'onde est prise en compte dans la modélisation. En effet, les phénomènes d'ombrage et de réflexions multiples par la surface sont pris en compte dans les modèles via les fonctions d'illumination monostatique et bistatique sans et avec réflexions. Pour tester la validité de ces modèles, une méthode de référence, basée sur une méthode de tracé de rayons de Monte Carlo, est mise en oeuvre. Des simulations montrent alors de bons accords entre les modèles avec ombrage et réflexions multiples développés et la méthode de tracé de rayons. De plus, l'accord avec des mesures de l'émissivité issues de la littérature est meilleur lorsqu'une réflexion sur la surface est prise en compte. Le critère de la conservation de l'énergie est également mieux vérifié en prenant en compte les réflexions multiples par la surface de mer. Ainsi, ces résultats montrent clairement l'intérêt de prendre en compte l'ombrage et les réflexions multiples dans la modélisation
Sea surface infrared emissivity and reflectivity are important parameters in oceanic remote sensing, e. G. For deriving the sea surface temperature. They are both nearly constant for observation directions near zenith, but they vary largely for large grazing angles, because of the surface roughness. This thesis aims at calculating the sea surface infrared emissivity and reflectivity with accuracy. In addition, polarization is taken into account. Indeed, the phenomena of shadowing and multiple surface reflections are taken into account in the models through illumination functions without and with surface reflections. In order to validate developed models, a reference method, based on a Monte Carlo ray tracing algorithm, is used. Simulation results show very good agreements of the models with the ray tracing algorithm. Moreover, the agreement with emissivity measurements of the literature is improved if one surface reflection is considered. The criterion of energy conservation is better met by taking the sea surface reflections into account in the model. Thus, these results clearly show the usefulness of considering shadowing and surface reflections in the modeling

Afin d'étudier la dynamique du noyau terrestre, nous reconstruisons les mouvements à la surface du noyau liquide compatibles avec les observations du champ magnétique. La similitude des mouvements obtenus par deux méthodes indépendantes et les résultats de tests synthétiques confirment la pertinence de ces reconstructions. Deux types d'observations sont utilisées : des observations terrestres couvrant la période 1590-1990 et des observations satellitaires haute-résolution récentes. Une série temporelle des mouvements historiques et un modèle détaillé des mouvements actuels sont obtenus. L'estimation des marges d'erreurs associées permet d'identifier les structures fiables. Nos reconstructions sont en accord avec différents phénomènes mis en évidence par des modélisations 3D du noyau. Nous montrons aussi que les jerks géomagnétiques ont une signature dynamique très nette. Enfin, nous posons les bases d'une méthode d'assimilation variationnelle de données adaptée à l'étude du noyau
In order to study the dynamics of the Earth's outer core, we compute core surface flows from observations of the main magnetic field. The relevance of these computations is confirmed by the similarities of the flows obtained with two independent methods and the results of different synthetic tests. Two different kind of observations are used : ground-based observations for the time period 1590-1990 and recent high-resolution satellite observations. We thus obtain a time series of the historical flows as well as a detailed model of the present flow. The evaluation of errors associated to these flows enable us to identify their reliable features. The velocity fields we obtain are in good agreement with different phenomena appearing in 3D-simulations of core dynamics. We also show that geomagnetic jerks have an explicit signature in core surface dynamics. In the last chapter, a variational data assimilation method for the study of the Earth's core is introduced

L'objectif de cette thèse est de construire un modèle d'atténuation sismique du manteau supérieur dela Terre en utilisant un jeu de données original construit par Debayle et Ricard (2012). Ce jeu dedonnées est l'un des plus complet au monde (plus de 375 000 sismogrammes analysés pour extrairel'atténuation et la vitesse de phase du mode fondamental et des cinq premiers harmoniques des ondesde Rayleigh).Les mesures d'atténuation sont tout d'abord traitées pour extraire les effets de l'expansion géométriqueet de la focalisation, minimiser les effets d'erreurs sur la source, écarter les mesures incertaines etregrouper les mesures redondantes. Elles sont ensuite régionalisées pour obtenir des cartes desvariations latérales de l'atténuation des ondes de Rayleigh pour chaque mode et chaque période. Ladernière étape est l'inversion en profondeur des cartes. Elle permet d'obtenir QsADR17, un modèle 3Dde l'atténuation des ondes S dans le manteau supérieur.QsADR17 est corrélé avec la tectonique de surface jusqu'à 200 km de profondeur, avec une faibleatténuation sous les continents et une forte atténuation sous les océans. Des anomalies de forteatténuation sont observées jusqu'à 150~km de profondeur sous les rides océaniques, et persistent à plusgrande profondeur jusque dans la zone de transition sous la plupart des points chauds. La présence delarges anomalies atténuantes situées à 150 km de profondeur sous l'océan Pacifique suggère queplusieurs panaches thermiques viennent s'étaler dans l'asthénosphère. Nous avons également détecté laprésence d'hétérogénéités de composition à la base des cratons et dans un certain nombre de régionsactives
The aim of this study is to build a 3-D attenuation model of Earth's upper-mantle using a unique datasetbuilt by Debayle & Ricard (2012). This dataset is among the largest in the world: more than 375,000seismograms were analyzed to extract Rayleigh-wave attenuation and velocity measurements for thefondamental mode and the five first harmonics between 40 and 240 s periods.First, attenuation measurements are processed to extract the effects of geometrical attenuation and offocusing and defocusing, in order to minimize the influence of errors on the seismic source, to avoidpotentially incorrect data, and to cluster redondant measurements. Then, measurements are regionalizedto obtain Rayleigh-wave maps for each mode and each period. The last step is the inversion of thesemaps to obtain the depth dependent attenuation. Eventually, we obtain QsADR17, a 3-D model of Swaveattenuation in the upper mantle.QsADR17 is correlated with surface tectonics down to 200 km depth, with low attenuation under thecontinents and high attenuation under the oceans. High-attenuation anomalies are found under oceanicridges down to 150~km depth, and under most of the hotspots at larger depth down to the transitionzone. A large high-attenuation anomaly at 150~km depth under the Pacific ocean suggest that thermalplumes pound into the asthenosphere. We also detect compositional heterogeneities at the base of thecratons and in active areas

La thèse se consacre à la détermination de l'émissivité de surfaces situées en extérieur à partir de mesures spectroradiométriques au niveau du sol. Le domaine spectral d'étude s'étend de 750 à 3500 cm-1 (3 à 13 µm) et la résolution spectrale est de l'ordre du cm-1, inscrivant ainsi ce travail dans le giron de la radiométrie à très haute résolution spectrale (ou hyperspectrale) infrarouge. L'émissivité est une propriété thermo-optique caractérisant la capacité d'un corps à émettre un rayonnement propre. L'intérêt qu'on lui porte est étroitement lié à celui porté à la mesure par télédétection de la température de surface, paramètre clef des bilans énergétiques de surface. La connaissance de l'émissivité permet de plus d'aider à la caractérisation de la surface observée par télédétection (type et état de surface). L'étude conduite dans cette thèse a pour principal objectif de définir et de qualifier une méthodologie de mesure au sol de l'émissivité spectrale. L'étude se base sur deux techniques de séparation émissivité-température : les méthodes Spectral Smoothness (SpSm) et multi températures (MTM), en élargit le domaine spectral d'application, généralement restreint à l'infrarouge thermique (750 à 1250 cm-1), leur associe une méthode d'estimation du rayonnement incident, et propose une nouvelle technique, baptisée SmaC (Smoothness and Continuity), qui prend en compte le comportement directionnel de la surface observée pour améliorer la restitution de l'émissivité. Une campagne de mesure est mise en oeuvre afin de valider la méthodologie et d'en établir un bilan d'erreur étayé, tiré de l'expérimentation. De l'analyse des résultats de la campagne, il ressort que SpSm restitue correctement l'émissivité en infrarouge thermique (erreur < 0. 02), alors que ses résultats sont moins bons en infrarouge médian (2000 à 3000 cm-1), où des discontinuités sont observées sur les spectres d'émissivité retrouvés. La méthode SmaC corrige ces discontinuités et améliore très significativement la restitution de l'émissivité en infrarouge médian (erreur < 0. 03). Finalement, une évaluation numérique permet de consolider le bilan d'erreur obtenu expérimentalement, de valider l'impact des effets directionnels de la surface observée et donc le fondement de la méthode SmaC, puis d'identifier les limitations et proposer des améliorations associées au protocole expérimental
Emissivity is an optical property of materials, related to their ability to emit electromagnetic radiation. This PhD is devoted to retrieving emissivities of outdoor surfaces from high spectral resolution (4cm-1) spectroradiometric measurements at ground level, in the 750 cm-1 to 3500 cm-1 (3-13µm) spectral range. The main objective of this work, which combines theoretical and experimental approaches, is to define and assess a methodology. Two emissivity-temperature separation techniques are addressed, the Spectral Smoothness Method (SpSm) and the Multi-Temperatures Method (MTM), with particular attention paid to extending their usual domain of application on the short wavelength side beyond 1250cm-1. Sources of errors are identified and an experimental approach to mitigate errors on the determination of the irradiance of the surface is proposed. A new method, named Smoothness and Continuity (SmaC), is introduced, which takes into account the directional behaviour of the observed surface, to improve emissivity retrieval in the mid-infrared band (MWIR from 2000 to 3000 cm-1)To quantitatively assess the retrieval methods and validate the measurement protocol, a field campaign, that took place in June 2004, aimed at providing an error budget of the methods by measuring emissivities of several samples at different times of day. SpSm, applied to the campaign measurements, provides very good results in the LWIR band (from 750 to 1300 cm-1). In the MWIR band, systematic spectral discontinuities and deviations to laboratory measurements are observed in the retrieved spectra. This is interpreted as a manifestation of angular dependence of emissivity: the new SmaC method, through the introduction of a surface form factor, leads to significantly improved results. The standard deviation of the retrieved emissivity spectra over all measurements and samples is less than 0. 01 in LWIR and less than 0. 03 in MWIR. MTM results are less satisfactory than SpSm ones, due to ill-conditioned system of equations. Finally, a numerical analysis is carried out to confirm and validate SmaC hypothesis and findings

L'etude realisee tente d'etablir simplement la relation entre la surveillance de l'environnement terrestre en termes de climatologie a l'echelle d'un continent avec l'utilisation exclusive des satellites de teledetection du type tiros. Il est demontre, au titre de la faisabilite, que les moyens de mesure disponibles aussi bien que la nature des phenomenes incrimines (albedo-emissivite infrarouge), autorisent l'usage d'une gamme d'echelles plus grossiere (dizaine de kilometres), que celle de la cartographie thematique, usuellement adoptee. Le probleme pose par la presence des nuages se trouve resolu pour la premiere fois au moyen d'un algorithme original fonctionnant par seuils radiometriques, permettant la selection automatique des zones claires au sein d'une serie de scenes decorrelees entre elles dans l'espace et dans le temps. Les resultats obtenus montrent une apparente correlation temporelle entre la derivee logarithmique de la reflectance des sols avec l'emissivite infrarouge thermique. Ce point particulier ouvre la voie du developpement d'applications dans le domaine de l'habitat bati par l'etablissement d'une meilleure typologie entre unites de surface radiatives sur le sol que ne l'autorisent les moyens actuels, faute de delivrer une quelconque information thermique multicanal

Afin d'étudier la dynamique du noyau terrestre, nous reconstruisons les mouvements à la surface du noyau liquide compatibles avec les observations du champ magnétique. La similitude des mouvements obtenus par deux méthodes indépendantes et les résultats de tests synthétiques confirment la pertinence de ces reconstructions. Deux types d'observations sont utilisées : des observations terrestres couvrant la période 1590-1990 et des observations satellitaires haute-résolution récentes. Une série temporelle des mouvements
historiques et un modèle détaillé des mouvements actuels sont obtenus. L'estimation des marges d'erreurs associées permet d'identifier les structures fiables. Nos reconstructions sont en accord avec différents phénomènes mis en évidence par des modélisations 3D du noyau. Nous montrons aussi que les jerks géomagnétiques ont une signature dynamique très nette. Enfin, nous posons les bases d'une méthode d'assimilation variationnelle de données adaptée à l'étude du noyau.

Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), développé conjointement par le CNES et EUMETSAT à bord du satellite européen Metop, permet, entre autres, le sondage de la température, de l'humidité ainsi que la restitution de paramètres de surface. Bien que l'on tire le meilleur parti de ces données sur la mer, leur utilisation est encore limitée au-dessus des terres dans le contexte de la prévision numérique du temps, à cause de l'incertitude plus grande sur l'émissivité et la température de surface (Ts). Ces erreurs se répercutent sur la qualité des simulations de transfert radiatif et empêche l'utilisation de ces mesures dans les modèles de prévision numérique du temps. Seuls les canaux non sensibles à la surface terrestre sont assimilés de façon opérationnelle, limitant ainsi le potentiel de sondage aux couches atmosphériques les plus élevées. Cette thèse a pour but l'amélioration de la description des paramètres de surface dans le modèle global ARPEGE de Météo-France en vue de l'assimilation des données du sondeur IASI sur les continents. Nous avons d'abord cherché à améliorer la modélisation de la surface (émissivité et Ts) sur les continents dans le modèle ARPEGE. Pour cela, différents atlas d'émissivité ont été intégrés dans ce modèle : l'un a été calculé à partir des données MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) par l'Université du Wisconsin et le second a été construit à partir des produits IASI de niveau 2 (L2) développés par EUMETSAT. La Ts a ensuite été restituée à partir de canaux de surface IASI en profitant d'une meilleure connaissance de l'émissivité de surface donnée par ces atlas. Ces Ts ont été évaluées par comparaison avec les produits MODIS de la NASA et les produits IASI L2 d'EUMETSAT. Ces comparaisons nous ont permis de sélectionner une combinaison de canaux qui fournit les meilleures estimations de Ts. L'utilisation d'une modélisation de surface réaliste a contribué à l'amélioration de la qualité des simulations de transfert radiatif pour les canaux sensibles à la surface. Les radiances IASI sensibles à la surface ont alors pu être assimilées sur les continents dans le modèle ARPEGE en ciel clair et en utilisant la paramétrisation de surface définie précédemment. Les impacts sur la qualité des analyses et des prévisions ont été étudiés. La prise en compte d'une émissivité et d'une Ts précises a permis d'augmenter significativement le nombre d'observations assimilées. Les principales améliorations concernent les prévisions de géopotentiel et de température pour des pressions inférieures à 400~hPa (en dehors des tropiques). Enfin, dans un cadre plus spécifique et climatologique, nous nous sommes intéressés à la validation de l'utilisation des données IASI en Antarctique durant la campagne Concordiasi. Cette étude a permis d'améliorer les profils inversés de température et de vapeur d'eau par comparaison avec les profils provenant du modèle. L'amélioration est particulièrement importante pour la température de surface. Dans ce cadre, les Ts restituées dans cette thèse ont été comparées à Concordia et au Pôle Sud avec des mesures in-situ et se sont révélées particulièrement précises à Concordia
The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), on-board the EUMETSAT Polar System Metop satellite, is developed by CNES in the framework of a co-operation agreement with EUMETSAT. IASI enables, amongst other, infrared soundings of temperature, moisture and retrievals of surface parameters. However in the numerical weather prediction context, these observations are not as intensively used over land as they are over sea because of larger uncertainties about land emissivity and land surface temperature (LST). These uncertainties have an impact on the quality of radiative transfer simulation and hinder the use of these measurements in numerical weather prediction models. Only channels that are not sensitive to the surface are currently assimilated in operations, which limits the potential of sounding instruments to the highest atmospheric layers. This PhD aims to improve the description of land surface parameters in the ARPEGE global model of Météo-France to assimilate IASI data over land. First of all, we tried to improve the surface modelling (surface emissivity and LST) over land in the ARPEGE model. To this end, two emissivity atlases were integrated in this model. The first one is the emissivity climatology computed from the IASI Level-2 products from EUMETSAT and the second one is the global high spectral resolution infrared land surface emissivity database (called UWIREMIS) developed by the Space Science and Engineering Center at University of Wisconsin. Hence, the LST was retrieved from IASI surface channels using these atlases as input parameters in the radiative transfer model. These LSTs were compared to land LST products: the MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) products from the NASA and the IASI Level-2 products from EUMETSAT. These comparisons enabled us to choose the IASI channel combination that provided the best LST estimates. The use of a realistic surface modelling contributed to improve the quality of radiative transfer simulations for surface sensitive channels. Then, surface sensitive IASI radiances were assimilated over land in ARPEGE in clear sky conditions using the surface parameters as previously defined. The impact on analysis and forecast quality was studied. The use of good estimates of surface emissivity and LST significantly increased the number of assimilated observations. The main improvements are for geopotential and temperature forecasts for pressure levels lower than 400~hPa (except in the tropics and in the stratosphere). Finally, from a climatological point of view and within the more specific framework of the Concordiasi campaign, we assessed and validated the use of IASI data in Antarctica. The temperature and humidity retrieved in this particular study proved of better quality than the model profiles, as assessed against the sonde measurements. The improvement is particularly striking for surface temperature. In this framework, the LST retrieved in this PhD were compared with in situ measurements at Concordia and at South Pole station. These estimates are of a great accuracy at Concordia

Dans les contacts fortement dissipatifs, la dissipation d'énergie par frottement conduit à des sollicitations thermiques très sévères qui peuvent avoir des répercussions conséquentes sur les performances, la durabilité des organes de friction, l'environnement ou la santé humaine. La connaissance des champs thermiques des surfaces de frottement est un enjeu de premier ordre. Dans le cas de mesures sans contact du rayonnement calorifique, elle s'avère difficile du fait de l'émissivité inconnue de ces surfaces, qui varie spatialement et temporellement lors du frottement. Les travaux ont concerné le développement d'une mesure de champs thermiques par thermographie bichromatique dont l'intérêt est d'accéder simultanément à la température et à l'émissivité de surface. Les difficultés résident dans le recalage spatial et temporel de deux imageurs infrarouges, la calibration en flux des caméras et la variation spectrale de l'émissivité. La technique développée a été appliquée à la mesure in situ des champs de température et d'émissivité d'un disque de frein pendant le freinage, et exploitée pour l'analyse des localisations thermiques induites par le frottement et de leurs interactions avec le circuit tribologique, tirant parti de la connaissance de l'évolution spatiale et temporelle de l'émissivité
In highly dissipative contacts, the energy dissipated by friction leads to severe thermal loads which could have bad consequences on performances, on friction parts durability, on the environment or on human health. Therefore, knowledge of sliding surfaces thermal fields is a first-rate issue. Due to the lack of knowledge about the emissivity of those surfaces, which change both spatially and temporally during friction, measuring thermal fields is difficult. The work done concerned the development of thermal fields measurement by bispectral thermography, which allows to get simultaneously surface emissivity and temperature. The difficulties reside in the spatial and temporal images registration of two infrared cameras, in the camera flows calibration and in the spectral emissivity variation. The technique developed was applied to the in situ fields measurement of temperature and emissivity of a brake disc during braking. It was then used for analysis of thermal locations induced by friction and their interactions with the tribological circus, leveraging the knowledge of the spatial and temporal evolution of the emissivity

La première partie de cette thèse présente une cartographie globale des hétérogénéités latérales du manteau supérieur de la Terre obtenue à partir des anomalies de vitesse des ondes de surface. On observe des variations latérales des vitesses des ondes sismiques ainsi que de leur anisotropie. Les résultats obtenus sont comparés aux observations publiées sur des provinces tectoniques spécifiques (dorsales océaniques, boucliers continentaux, montagnes, etc. ). Les boucliers apparaissent comme des régions systématiquement rapides pour les ondes S. Plusieurs zones anormales sont détectées. On montre que l'amplitude de l'anisotropie des ondes sismiques est comparable à celle de leurs variations latérales, et qu'il faut en tenir compte dans l'élaboration de modèles sismiques régionaux ou globaux. La deuxième partie analyse la convection dans un fluide dont la viscosité dépend fortement de la température. La discussion s'appuie sur des expériences réalisées en laboratoire avec des fluides dont la viscosité peut varier d'un facteur 105 à travers la couche en convection. On présente un modèle simple où la convection a lieu sous un couvercle très visqueux pratiquement immobile. Ce modèle rend bien compte des observations expérimentales et permet de construire un schéma réaliste d'évolution thermique des planètes. Une de ses limitations est qu'il n'explique pas le régime en "tectonique des plaques" observé pour la Terre. On aborde quelques façons d'y remédier. La conclusion propose une synthèse des résultats obtenus dans les deux premières parties sur "l'anatomie" et la "physiologie" du manteau terrestre. On y discute de la stratification de la convection mantellique en une ou deux couches, et de l'origine des "points chauds"
The first part of this thesis presents a global map of the lateral heterogeneities in the earth's upper mantle, obtained from the inversion of the velocity anomalies of surface waves. We retrieve the lateral variations of the seismic velocities and of their anisotropy. The results are compared with specific observations on various tectonic provinces from the literature (mid-oceanic ridges, continental shields, mountains, etc. ). Shields appear to be systematically fast for S waves. Several anomalous regions are discovered. It is shown that the amplitude of the anisotropy of seismic velocities is as large as their lateral variations, and that it is necessary to account for this effect when building regional or global seismic models. The second part of this work is an analysis of convection in a fluid whose viscosity is strongly temperature-dependent. The discussion relies on laboratory experiments performed with fluids in which the viscosity varies by up to 105 across the convecting layer. A simple model is proposed, in which convection takes place under a very viscous lid which does not move. The model explains the experimental data and is used to build a realistic scheme for the thermal evolution of the planets. One of the limitations of the model is that it does not explain the 'plate tectonics' regime observed on the earth. Ways are proposed to remedy for that. The conclusion is a synthesis of the results obtained in the first two parts, concerning the 'anatomy' and the 'physiology' of the earth's mantle. We discuss the stratification of convection in the mantle into one or two layers, and we speculate about the origin of 'hot spots'

Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Après une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation prétransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface,causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire a volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh-Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre!: le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.

Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Apres une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation pretransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface, causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire à volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre : le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.

Dans ce mémoire nous présentons une série d'études dont le double objectif est de mieux comprendre les phénomènes qui gouvernent l'évolution du champ magnétique principal de la Terre, et d'améliorer notre capacité actuelle à en prédire l'évolution à court terme. Pour cela, nous réalisons d'abord quelques inversions de la Variation Séculaire (VS) pour plusieurs époques et calculons une première estimation de l'accélération de l'écoulement à partir d'écoulements successifs. Ces calculs suggèrent que les écoulements qui génèrent la VS ne sont pas stationnaires. Nous montrons ensuite comment calculer simultanément ces écoulements et leur accélération pour une époque donnée, si le champ ainsi que sa première et seconde dérivées temporelles (la VS et l'accélération séculaire(AS)) sont connues. Ceci nous permet de montrer sans ambiguïté qu'un écoulement stationnaire ne peut pas rendre compte de la AS observée. Nous considérons ensuite la possibilité d'améliorer la prévision à court terme du champ, actuellement basée sur une extrapolation linéaire, dans le cadre du modèle "International Geomagnetic Reference Field" (IGRF), en utilisant une méthode basée sur un écoulement uniformément accélérée. Nous considérons aussi la possibilité d'augmenter la résolution spatiale de la VS prédictive actuellement utilisée par l'IGRF. De ces études, nous concluons que le principal obstacle à la prédiction à court terme du champ vient des changements brusques de la AS (jerks). Nous étudions la nature des changements d'accélération rendant compte du `jerk' de 2003. Nous montrons que ce changement n'est hélas pas compatible avec un mécanisme simple tel que les oscillations de torsion
This thesis reports on a series of investigations directed towards the dual goal of improving our understanding of what drives the time evolution of the Earth's main magnetic field, and of improving our current ability to predict its short-term behavior. For that we first perform core flow inversions for several epochs and compute first estimates of the flow acceleration by computing differences between successive flows. These first results suggest that the flow generating the Secular Variation (SV) is not stationary. Next, we show how both the core flow and core flow acceleration can be computed simultaneously at any given epoch, if the field and its first and second time derivatives (the SV and the Secular Acceleration (SA)) are known. This allows us to unambiguously show that no stationary flow can account for the observed SA. Based on those results, we consider the possibility of improving on the short-term prediction of the field based on a linear extrapolation currently used by the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) by using a method based on a steadily accelerated flow. Then we independently consider the possibility of increasing the spatial resolution of the predictive SV model currently used by IGRF. From all of the above, we conclude that the main limitation to shortterm predictions of the field is the occurrence of sudden changes in the SA (geomagnetic jerks). We thus investigate the type of core ow acceleration changes that are needed to account for those jerks and focus on the 2003 ge

L'utilisation des radars HF est particulièrement intéressante car ils ont une portée supérieure à celle des radars classiques qui sont limités à la ligne d’horizon. Néanmoins, l’emploi de tels radars est problématique du fait du dimensionnement des antennes dans cette bande de fréquence et du fouillis (surfacique et ionosphérique). Dans le but d’améliorer le traitement des ondes électromagnétiques en bande HF, nous nous intéressons à la caractérisation EM du fouillis surfacique en bande HF. Dans ce sens, nous nous concentrons sur l’estimation de la signature électromagnétique en HF du fouillis maritime et terrestre. D’abord, nous étudions les modèles de diffusion EM généralement utilisés pour des fréquences allant de 1 à 20 GHz. Nous exposons les hypothèses des modèles asymptotiques qui permettent d’écrire les coefficients de diffusion EM. Nous établissons les domaines de validité des modèles ainsi que les types de surface sur lesquels peuvent être appliqués les modèles. Nous examinons également l’expression des coefficients de diffusion estimés dans des configurations particulières (monostatique, propagation avant et ensuite bistatique). Puis, afin d’appliquer les modèles de diffusion EM retenus pour les surfaces maritime et terrestre, nous analysons les outils de caractérisation physique et géométrique de différents types de surface. Enfin, nous analysons l’effet, sur les coefficients de diffusion, des paramètres liés à la surface étudiée (vitesse et direction du vent, température et salinité de l’eau, fréquence Doppler pour une surface maritime; composition et rugosités pour une surface terrestre), de la géométrie de la liaison bistatique et de la fréquence incidente. La méthodologie adoptée dans ce travail de thèse pour étudier en HF les coefficients de diffusion estimés par différents modèles et appliqués aux surfaces naturelles combine à la fois des aspects de modélisation et de simulation et elle est évaluée par rapport aux résultats publiés dans la littérature ouverte
The use of HF radar is interesting because it can cover a larger area than a classical radar which is limited by electromagnetic horizon. However, the use of such radar is not easy because, in this frequency band, antennas are huge and ionospheric and surfacic clutters disturb the task of the radar. In order to improve the EM wave processing in HF band, we focus on the EM characterization of surfacic clutter in HF hand. In that respect, we concentrate on an estimation of EM signature in HF band of sea and ground clutter. First, we study EM scattering models which are generally used in frequencies between 1 and 20 GHz. We outline the hypothesis of approximate models which enable us to calculate EM scattering coefficients. We establish the validity domains of models, and the types of surface upon these models can be applied. We also examine the expressions of scattering coefficient estimated in specific configurations (monostatic, forward scattering and bistatic). Then, to apply the scattering models considered on sea and ground surfaces, we analyse geometrical and physical characterization tools for different types of surfaces. Finally, we analyse the effects, on scattering coefficients, of parameters liked to the studied surface (wind speed and wind direction, temperature and salinity of salt water, Doppler frequency for sea surface; composition and roughness for ground surface), of biostatic geometry parameters and of incident frequency. The methodology adopted in this work to study scattering coefficients estimated by different models and applied on natural surfaces combines both aspects of modeling and simulation and it is evaluated in comparison with results published in open literature

Dados de altimetria por satélite contêm informações importantes para o mapeamento de estruturas tectônicas em regiões oceânicas, como falhas, zonas de fratura e montes submarinos. A grande disponibilidade e densidade desses dados permitem a identificação de feições do assoalho oceânico com boa precisão. Este trabalho tem como objetivo investigar as características estruturais da Elevação do Rio Grande, no Atlântico Sul, através de elementos do campo de gravidade terrestre. Para isso, são utilizados dados de altura da superfície do mar (SSH) provenientes dos satélites das missões ERS1-GM, Geosat-GM e Seasat. Com o cálculo da derivada direcional da SSH ao longo das trilhas ascendentes e descendentes dos satélites, foram obtidos os gradientes de superfície do mar (SSG), que ressaltam os curtos comprimentos de ondas associados às importantes feições oceânicas estudadas. Também foram calculados os gradientes da altura geoidal (desvio da vertical) para auxiliar na interpretação do sinal da SSG. Através da SSH foi possível identificar estruturas de maior porte, como o rift da elevação, e algumas fraturas e montes submarinos maiores. Por outro lado, a SSG forneceu maiores detalhes sobre as feições já caracterizadas pela SSH e de toda a região, revelando também diversas outras estruturas de menor dimensão. O posicionamento das feições identificadas por ambas as grandezas, SSH e SSG, é bastante preciso. Entretanto, fatores como a direção e a orientação das trilhas dos satélites e a presença de estruturas adjacentes podem influenciar a resposta da SSG para uma determinada feição tectônica, por isso, as trilhas ascendentes e descendentes dos três satélites podem apresentar respostas diferenciadas. Sendo assim, recomenda-se analisar os dois conjuntos de trilhas de várias missões altimétricas para obter maiores informações das características estruturais das feições investigadas. O estudo também permitiu identificar possíveis estruturas com uma resposta característica de montes submarinos, nas trilhas descendentes de SSH, que não foram caracterizados anteriormente na literatura e não possuem correspondente nos modelos topográficos/batimétricos.
Satellite altimetry data contain important information for mapping tectonic structures in oceanic regions, such as faults, fracture zones and seamounts. The great availability and spatial density of these data allow one to identify ocean floor features with good accuracy. This work aims to investigate structural characteristics of the Rio Grande Rise, in South Atlantic, through elements of the terrestrial gravity field. We used sea surface height (SSH) data from satellite missions ERS1-GM, Geosat-GM and Seasat to calculate sea surface gradients (SSG), which are the SSH directional derivative along the ascending and descending satellite tracks. SSG emphasize the short wavelengths associated with the important oceanic features studied. Geoid gradients (deflection of the vertical) were also calculated to assist in the interpretation of the SSG signal. By analyzing sea surface heights, it is possible to identify larger structures, such as the rift of the rise, some fractures and large seamounts. In contrast, sea surface gradients provide greater details of the features characterized by the SSH and the entire area, also revealing several smaller seamounts. The positioning of the structures identified by both SSH and SSG is fairly accurate. However, factors such as direction and orientation of the satellite tracks and the presence of adjacent structures may influence the SSG response to a given tectonic feature. For this reason, the ascending and descending tracks of the three satellites may have different responses. Therefore, it is recommended that one analyzes the two sets of tracks from the several altimetric missions to obtain more information on the structural characteristics of the features. The study also allowed us to identify possible structures with a characteristic response of seamounts on SSH descending tracks, which were not previously characterized in the literature and do not have a similar correspondent in topographic/bathymetric models.

This thesis takes its place in a context where information on the biophysical state of forest ecosystems at spatial scales only remote sensing can retrieve is in demand more than ever. In order to provide reliable information using validated approaches, the remote sensing research community recognises the need for new and innovative methods, especially in heterogeneous environments like savannas. The recent emergence of terrestrial LiDAR scanners (TLS) and the increase in the computational capability of computers which allow running ray tracing model simulations with a high level of realism hold great potential to improve our understanding of the processes influencing the radiance measured by satellite sensors. This thesis makes use of these two cutting edge technologies for estimating the spatial distribution of tree leaf area, a key element of modeling radiative transfer processes. The first part of the thesis concerns the development of methods for estimating tridimensional leaf area distribution in a savanna environment from TLS measurements. The methods presented address certain issues related to TLs measures affecting the application of classical theories (the probability of light transmission and the contact frequency) to the estimation of leaf area through indirect means. These issues pertain to the cross-section of laser pulses emitted by a TLS and the occlusion effects caused by the interception of laser pulses by material inside the crown. The developed methods also exploit additional information provided by the active nature of the TLS sensor that is not available to passive sensors like hemispherical photography, i.e. the intensity of a pulse return offers the possibility to distinguish between energy interception by wood and foliage. A simplified approach of this method is presented to promote its use by other research groups. This approach consists of a series of parameterisations and represents a significant gain in terms of the required resources to produce the leaf area, estimates. The second part of the thesis explores the combination of the tree representations generated in the first part with a ray tracing model to simulate the interactions of light with tree crowns. This approach is highly innovative and our study showed its potential to improve our understanding of the factors influencing the radiative environment in a savanna. The methods presented offer a solution to map leaf area at the individual tree scale over large areas from very high spatial resolution imagery.

La composition du régime alimentaire de l'escargot petit-gris Helix aspersa en milieu naturel a été déterminée pour deux populations grâce à la reconnaissance des épidermes et des phytolithes végétaux dans les fèces. Les résultats de cette étude associés à celle des préférences alimentaires d'Helix aspersa au laboratoire et à l'analyse biochimique (RMN, CG-MS, ICP-MS) de certaines espèces végétales appétentes (Urtica dioica, Carduus tenuifloris, Picris echioides) ou inappétentes (Beta maritima, Elytrigia repens, Brachythecium rutabulum) ont permis de mettre en évidence l'influence des métabolites primaires et secondaires et des composants inorganiques des végétaux sur les choix alimentaires de cette espèce. Les informations chimiques fournies aux escargots par les plantes et leur surface foliaire associées à l'histoire alimentaire des animaux leur permettent d'effectuer une sélection optimale des éléments composant leur alimentation.

La température de surface terrestre (LST) est un paramètre important dans les systèmes climatiques. Les données infrarouge thermique (TIR) contiennent un nombre d'information de la surface terrestre et de l'atmosphère sont des sources de l'information important pour estimer la LST à l'aide de télédétection
Land surface temperature (LST) is an important parameter in climate systems. Hyperspectral thermal infrared (TIR) data, containing large information about the surface and the atmosphere, is an important source of information for retrieving LST by remote-sensing

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2283755 bytes, checksum: 7b17f9a16dc883593adc1fe443b6a654 (MD5) Previous issue date: 2013-03-20
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
The performance of LSEMs (Land surface and ecosystem models) depends on the parameters of the equations representing the simulated process. However, the measurement of some parameters can be impractical or even impossible; therefore, they need to be estimated, or preferably optimized specifically for each ecosystem. When the parameters are calibrated to a single variable (mono-objective problem) they may not represent the reality, because the complexity of the model and its dependence on several variables (multi-objective problem). Thus, simultaneous multi-objective optimizations are indispensable. However, the optimization performance decreases as the number of variables to be optimized simultaneously increases. Furthermore, the study of simultaneous optimization using more than three objectives is a new area and not yet sufficiently studied. For simultaneous optimization of a large number of variables, there is a method that uses concepts of hierarchical systems theory in which the optimization occurs from the fastest (radiative fluxes) to the slowest process (carbon allocation). This study evaluates the performance of the hierarchical optimization using the index D (the average of the ratios between the individual outputs of multi-objective optimization and monoobjective). Understanding how the performance index D varies with respect to the number of objective functions optimized and to the number of hierarchical levels is important for the development of this research area. Two steps are necessary to achieve the study goals. First, a sensitivity analysis was performed to determine the output variables sensitivity to the model parameters. After, simulations were made using all possible combinations among the seven micrometeorological variables available (PARo, fAPAR, Rn, u *, H, LE, NEE) taking into account the hierarchy of processes. The results indicate that for up to three objective functions, hierarchical multi-objective optimization generates better results than the simultaneous multiobjective optimization (one hierarchical level), provided that the parameters distribution among hierarchical levels is consistent with the sensitivity analysis. Another important result shows that for the same number of outputs optimized, the greater the number of hierarchical levels the better the performance of the optimized model. However, the model performance falls quickly as the number of objective functions increases, evidencing that the power of hierarchy calibration that use a high number of objective functions is highly dependent on the removal of some constraints for model s performance.
O desempenho de um LSEM (Modelo de superfície terrestre e ecossistema) depende dos parâmetros das equações que representam os processos simulados. Contudo, a mensuração de alguns destes parâmetros pode ser impraticável ou até mesmo impossível; por isso, necessitam ser estimados ou, preferencialmente, otimizados para cada ecossistema. Quando os parâmetros são calibrados para uma única variável (problema mono-objetivo) eles podem não representar bem a realidade, dado a complexidade do modelo e sua dependência de diversas variáveis (problema multiobjetivo). Por isso, há a necessidade de uma otimização simultânea multiobjetiva. Porém, o desempenho da otimização diminui com o aumento do número de variáveis otimizadas simultaneamente e, além disso, o estudo da otimização simultânea de mais de três objetivos é uma área relativamente nova e não suficientemente estudada. Para a otimização simultânea de um grande número de variáveis, existe uma metodologia na qual se utiliza conceitos de teoria hierárquica de sistemas em que a otimização ocorre dos processos mais rápidos (fluxos radiativos) para os mais lentos (alocação de carbono). Este trabalho avalia o desempenho da otimização hierárquica do modelo, utilizando o índice D (a média das razões individuais entre as saídas das otimizações multiobjetiva e monoobjetiva). Entender como o índice de desempenho D do algoritmo de otimização hierárquico varia em relação ao número de funções objetivo otimizadas é de extrema importância para o desenvolvimento desta área de pesquisa. Para fazer atingir os objetivos, foram necessárias duas etapas. Primeiramente, foi feita uma análise de sensibilidade, a fim de conhecer a sensibilidade das variáveis de saída aos parâmetros do modelo. Depois, foram feitas simulações com todas as combinações possíveis entre as sete variáveis micrometeorológicas disponíveis (PARo, fAPAR, Rn, u*, H, LE, NEE) levando em consideração a hierarquia dos processos. Os resultados encontrados indicam que, para até três funções objetivo, a otimização multiobjetiva hierárquica pode gerar resultados melhores do que a otimização multiobjetiva tradicional (um único nível hierárquico), desde que a distribuição dos parâmetros entre as variáveis seja feita de forma coerente com a análise de sensibilidade. Outro resultado importante revela que para um mesmo número de saídas otimizadas, quanto maior o número de níveis hierárquicos melhor o desempenho do modelo otimizado. Porém, o desempenho do modelo diminui rapidamente quando o número de funções objetivo aumenta, evidenciando que o poder da calibração hierárquica para o uso de um grande número de funções objetivo é altamente dependente de algumas restrições que o modelo possui e um alto desempenho do modelo para muitas funções objetivo será possível somente após a remoção delas.

Le phosphore (P) joue un rôle essentiel dans le contrôle des processus métaboliques, de la dynamique de la matière organique du sol et de la productivité des écosystèmes, affectant ainsi le bilan des gaz à effet de serre (GES) des écosystèmes terrestres. Un nombre croissant de modèles numériques d’écosystèmes terrestres (LSMs) ont incorporé le cycle du phosphore mais leurs prévisions des bilans de GES restent incertaines. Les raisons sont: (1) le manque de données de référence pour les processus clés liés au P, (2) le manque d’approche intégrée globale d'évaluation adaptée aux processus spécifiques à P et les intéractions entre le cycle de P et celui du carbone (C) et de l'azote (N), et (3) le calibrage insuffisant des modèle, limité par le coût de calcul élevé pour simuler des cycles CNP couplés sur des échelles de temps allant de quelques minutes à plusieurs millénaires. Pour remédier à ces goulots d'étranglement, j'applique une combinaison de méthodes statistiques (apprentissage automatique), de LSMs et de données d'observation à différentes échelles.Premièrement (chapitre 2), pour compléter les données de référence de l’évaluation des modèles. J'ai appliqué deux méthodes d'apprentissage automatique afin de produire des cartes spatiales de l'activité de la phosphatase acide (AP) à l'échelle continentale en extrapolant les observations sur sites de l'activité potentielle de la AP. Le AP sécrété par les mycorhizes, les bactéries et les racines des plantes joue un rôle important dans le recyclage du P du sol en transformant le P organique non disponible en phosphate assimilable. La méthode du réseau artificiel de rétropropagation (BPN) a expliqué 58% de la variabilité spatiale de AP et peut reproduire les gradients en AP le long de trois transects en Europe. Les éléments nutritifs du sol et les variables climatiques ont été détectés comme les principaux facteurs influençant les variations de la AP dans l'espace.Deuxièmement (chapitre 3), j'ai évalué les performances de la version globale du LSM ORCHIDEE-CNP (v1.2) en utilisant les données du chapitre 2 ainsi que des données issues de la télédétection, des réseaux de mesure au sol et des bases de données. Les composantes simulées du cycle N et P à différents niveaux d'agrégation sont en bon accord avec les estimations empiriques. Nous avons identifié des biais de modèle, sur la stoechiométrie des feuilles et du sol et de l'efficacité d'utilisation des plantes P, qui suggèrent une sous-estimation de la disponibilité de P aux hautes latitudes. Basé sur notre analyse, nous proposons des moyens de corriger les biais du modèle en donnant la priorité à une meilleure représentation des processus de minéralisation du P organique du sol et de la transformation du P inorganique du sol.Enfin (chapitre 4) j'ai conçu et testé une procédure basée sur l'apprentissage automatique (ML) pour l'accélération de l'équilibration des cycles biogéochimiques en réponse à des conditions aux limites stationnaires, un problème qui est la source d’une faible efficacité de calcul des LSMs représentants les couplages entre P et autres éléments. Cette approche d'accélération basée sur le ML(MLA) requiert de ne faire tourner qu'un petit sous-ensemble de pixels (14,1%) à partir desquels l'état d’équilibre des pixels restants est estimé par ML. La méthode de MLA prédit suffisamment bien l'état d'équilibre des stocks de C, N et P du sol, de la biomasse et de la litière C, N et P, comme l'indique l'erreur mineure introduite dans la simulation du bilan actuel du C terrestre. La consommation de calcul de MLA est un ordre de grandeur inférieure à l'approche actuellement utilisée, ce qui rend possible l’assimilation de données à l'aide des ensembles de données d'observation en constante augmentation.Dans les perspectives, je discute des applications spécifiques de l'approche MLA et des priorités de recherche futures pour améliorer encore la fiabilité et la robustesse des LSMs P-enabled
Phosphorus (P) plays a critical role in controlling metabolic processes, soil organic matter dynamics, plant growth and ecosystem productivity, thereby affecting greenhouse gas balance (GHG) of land ecosystems. A small number of land surface models have incorporated P cycles but their predictions of GHG balances remain highly uncertain. The reasons are: (1) scarce benchmarking data for key P-related processes (e.g. continental to global scale gridded datasets), (2) lack of comprehensive global evaluation strategy tailored for d P processes and interlinkages with carbon and nitrogen (N) cycles, and (3) insufficient model calibration limited by the high computation cost to simulate coupled CNP cycles which operate on timescales of minutes to millenia. Addressing those research gaps, I apply a combination of statistical methods (machine learning), LSMs and observational data among various scales.Firstly (Chapter 2), to address the lack of benchmarking data, I applied two machine-learning methods with the aim to produce spatial gridded maps of acid phosphatase (AP) activity on continental scale by scaling up scattered site observations of potential AP activity. AP secreted by fungi, bacteria and plant roots play an important role in recycling of soil P via transforming unavailable organic P into assimilable phosphate. The back-propagation artificial network (BPN) method that was chosen explained 58% of AP variability and was able to identify the gradients in AP along three transects in Europe. Soil nutrients (total nitrogen, total P and labile organic P) and climatic controls (annual precipitation, mean annual temperature and temperature amplitude) were detected to be the dominant factors influencing AP variations in space.Secondly (Chapter 3), I evaluated the performance of the global version of the land surface model ORCHIDEE-CNP (v1.2) using the data from chapter 2 as well as additional data from remote-sensing, ground-based measurement networks and ecological databases. Simulated components of the N and P cycle at different levels of aggregation (from local to global) are in good agreement with data-driven estimates. We identified model biases, in the simulated large-scale patterns of leaf and soil stoichiometry and plant P use efficiency, which point towards an underestimation of P availability towards the poles. Based on our analysis, we propose ways to address the model biases by giving priority to better representing processes of soil organic P mineralization and soil inorganic P transformation.Lastly (Chapter 4), I designed and tested a Machine Learning (ML)-based procedure for acceleration of the equilibration of biogeochemical cycles to boundary conditions (spinup) which is causing the low computational efficiency of current P-enabled LSMs. This ML-based acceleration approach (MLA) requires to spin-up only a small subset of model pixels (14.1%) from which the equilibrium state of the remaining pixels is estimated by ML. MLA predicts the equilibrium state of soil, biomass and litter C, N and P on both PFT and global scale sufficiently well as indicated by the minor error introduced in simulating current land carbon balance. The computational consumption of MLA is about one order of magnitude less than the currently used approach, which opens the opportunity of data assimilation using the ever-growing observation datasets.In the outlook, specific applications of the MLA approach and future research priorities are discussed to further improve the reliability and robustness of phosphorus-enabled land surface models

Dans le but d'obtenir les premières mesures globales d'humidité des sols et de salinité des océans,
l'Agence Spatiale Européenne, à travers son programme «Exploration de la Terre» finance
la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity).
Elle repose, pour la première fois dans le cadre de l'observation de la Terre,
sur l'utilisation d'un radiomètre imageur à synthèse d'ouverture, technologie initialement développée
en radioastronomie.
Cette thèse est axée sur l'étude des méthodes de reconstruction régularisée permettant, à partir des données
interférométriques fournies par l'instrument, d'obtenir des cartes de températures de brillance.

Le principe de mesure diffère de celui des instruments habituellement utilisés pour l'observation
de la surface terrestre. Une première partie est donc consacrée à une introduction des mécanismes
fondamentaux de l'interférométrie passive, à travers une étude de la chaîne de mesure, d'un rappel
de l'expérience des trous d'Young et des propriétés de la transformée de Fourier à deux dimensions.

Le traitement des données interférométriques demande un cadre géométrique et algébrique rigoureux,
décrit dans une seconde partie. De plus, les radiomètres à synthèse d'ouverture étant des instruments
à bande passante limitée, il est nécessaire de faire appel à l'apodisation pour réduire les oscillations
apparaissant dans les cartes reconstruites. Les fenêtres d'apodisation sont donc caractérisées pour deux
configurations possibles du réseau d'antennes. L'estimation des paramètres géophysiques demandant
le traitement de cartes de températures de brillance définies sur des grilles régulières et
à résolution spatiale constante, nous avons introduit dans ce but des techniques de rééchantillonnage
et la possibilité d'utiliser le multi-fenêtrage.

Le problème inverse à résoudre étant mal posé, il est important de s'assurer de l'existence
d'une solution unique. C'est là l'objet de l'utilisation de méthodes de reconstruction régularisées.
Elles sont définies et comparées dans une troisième partie. Elles sont ensuite utilisées pour caractériser
plusieurs problèmes intervenant dans la reconstruction d'image pour les radiomètres imageurs à synthèse d'ouverture.
Ainsi, l'erreur systématique, qui intervient alors même qu'aucune erreur sur les données ou sur
la modélisation de l'instrument n'est introduite, est expliquée et quantifiée pour deux méthodes
de reconstruction régularisées et pour différentes scènes observées. La propagation du bruit radiométrique
sur les données fait l'objet d'un travail spécifique, ainsi que l'impact des erreurs de modélisation
subsistant suite à une auto-caractérisation, méthode présentée ici et permettant une calibration en vol
des paramètres instrumentaux. L'impact de la pollution des données interférométriques par le
rayonnement solaire sur la télédétection des océans est ensuite étudié. Enfin, la faisabilité et
la robustesse de la reconstruction en mode de polarisation totale à l'aide des méthodes de
reconstruction régularisées sont démontrées.

L'étude, l'application et, dans une certaine mesure, l'amélioration des techniques de télédétection pour la cartographie des variations de l'état de surface et pour la mesure des déformations du sol grâce aux données spatiales optiques/radar constituent l'objet de cette thèse. Les variations et déformations considérées ici sont celles associées à des évènements tels que les tremblements de terre, les subsidences, les éruptions volcaniques et les inondations, d'où l'intérêt de ces techniques du point de vue de la modélisation scientifique ainsi que pour l'application à la gestion opérationnelle des urgences et la mise en œuvre de procédures pour la livraison de produits issus de données spatiales en temps quasi-réel aux organismes chargés de la gestion des urgences (Protections Civiles)
The study, the application and (to a certain extent) the improvement of techniques based on spaceborne radar and optical data for surface change detection and displacement measurement have been investigated in this PhD thesis. Under specific conditions, these data can allow mapping and measuring surface changes and ground deformations associated to events such as earthquakes, subsidence, volcanic eruptions and floods. Therefore, these techniques deserve a particular interest both in a scientific context (support for the improvement of seismic and geo-hydrological models) as well as for natural risk management in an operational context (delivery of products issued from Earth Observation for the support to emergency operations and rescue organizations)

Lors de la rentree atmospherique, les phenomenes physico-chimiques intervenant sur les parois d'engins spatiaux peuvent entrainer un echauffement supplementaire important et une degradation des materiaux de protection. L'objectif de ce travail a ete l'etude de l'oxydation et de la recombinaison catalytique de materiaux ceramiques dans des conditions proches de la rentree atmospherique. La simulation partielle de ces conditions a ete realisee dans le mesox (moyen d'essai d'oxydation), qui associe un concentrateur de rayonnement solaire et un generateur microondes. Une etude thermodynamique previsionnelle, completee par une etude experimentale sur l'oxydation du nitrure de silicium conduisent a la determination de la transition entre les regimes d'oxydation actif et passif. L'etude de la recombinaison catalytique de l'oxygene atomique sur des materiaux ceramiques a base de silicium ou d'aluminium, a haute temperature (1000-1800k) a ete realisee a differentes pressions (200-2000pa), par une approche thermique et aboutit a une echelle de catalycite des materiaux. L'influence de la pression dans la gamme etudiee reste negligeable, alors que la temperature de paroi fait varier l'activite catalytique des materiaux

The considered work esteem, by means of data of multispectral images of the Landsat 5 - TM, vegetation indices, albedo, surface temperature surface and the balance of radiation of the city of Maceió relating them with the urban mesh. The city of Maceió, in last the 30 years, it had its intensified areal growth, that is, the substitution of green areas for a built urban zone, modifying the relief, waterproofing the ground, thus diminishing the participation of the flow of heat in the ground of the rocking of energy in the surface and increasing the flow of responsible sensible heat for the felt thermal sensation. Therefore, local changes caused by constructions and inadequate occupations had provoked alterations in the ambient urban comfort. The used images are composed for seven referring spectral bands the Landsat 5 - TM to days 11 of June of 1990, 21 of September of 1998 and 03 of September of 2003. The calculations had been carried through with the use of software ERDAS 8.5. The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) presented average values of 0.188 for the year of 1990, 0.253 for 1998 and 0.242 for 2003. In accordance with the results had increase of the NDVI, what it could take the conclusion of that occurred an intensification of the vegetal covering. The surface albedo was of 12.06% for the year of 2003 followed by 9.95% for 1998 and 9.84% for 1990, being this the lowest value presenting if compared with the other years studied in the research. The temperature of the terrestrial surface estimate was bigger for the year of 1998 being of 26.96°C the average value and for the years of 1990 and 2003 she was practically the same one, being of 24.19°C and 24.90°C respectively. The instantaneous values of the balance of radiation in the surface were lesser for the year of 1990 and with averages next between the years to 1998 and 2003. The gotten values had been: 586.35W/m2 for 1990, 763.06W/m2 for 1998 and 752.32W/m2 for 2003. For the attainment of a detailed evaluation more of the research it would be necessary to take in consideration the local topography for the use of the Digital Elevation Model - DEM.
Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas
O trabalho proposto estima, mediante dados de imagens multiespectrais do Landsat 5- TM, índices de vegetação, albedo, temperatura da superfície terrestre e o saldo de radiação da cidade de Maceió, relacionando-os com a malha urbana. O município de Maceió, nos últimos 30 anos, teve seu crescimento areal intensificado, o que resulta substituição de áreas verdes por uma zona urbana edificada, alterando o relevo, impermeabilizando o solo, diminuindo assim a participação do fluxo de calor no solo do balanço de energia na superfície e aumentando o fluxo de calor sensível, responsável pela sensação térmica sentida. Portanto, mudanças locais causadas por edificações e ocupações inadequadas provocaram alterações no conforto urbano ambiental. As imagens utilizadas são compostas por sete bandas espectrais do Landsat 5 - TM referentes aos dias 11 de junho de 1990, 21 de setembro de 1998 e 03 de setembro de 2003. Os cálculos foram realizados com a utilização do software ERDAS 8.5. O Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (IVDN) apresentou valores médios de 0,188 para o ano de 1990, 0,253 para 1998 e 0,242 para 2003. De acordo com os resultados houve aumento do IVDN, o que poderia levar a conclusão de que ocorreu uma intensificação da cobertura vegetal. O albedo da superfície encontrado foi de 12,06% para o ano de 2003 seguidos por 9,95% para 1998 e 9,84% para 1990, sendo este o mais baixo valor apresentando se comparado aos outros anos estudados na pesquisa. A temperatura da superfície terrestre estimada foi maior para o ano de 1998 sendo de 26,96°C seu valor médio e para os anos de 1990 e 2003 foi praticamente a mesma, sendo de 24,19°C e 24,90°C, respectivamente. Os valores instantâneos do saldo de radiação na superfície foi menor para o ano de 1990 e com médias próximas entre os anos de 1998 e 2003. Os valores obtidos foram: 586,35W/m2 para 1990, 763,06W/m2 para 1998 e 752,32W/m2 para 2003. Para a obtenção de uma avaliação mais detalhada da pesquisa seria necessário levar em consideração a topografia local pela utilização do Modelo de Elevação Digital MED.

L’utilisation de micromembranes suspendues chauffées par effet Joule comme source de rayonnement infrarouge est une piste prometteuse pour la réalisation de détecteurs de gaz compacts, basse consommation et à bas coût. Afin d’améliorer l’efficacité de ces dispositifs récemment introduits, il est nécessaire d’optimiser ceux-ci à la fois du point de vue optique et thermique.En ajoutant des résonateurs plasmoniques frustrés sur les membranes, il est possible de modifier l’émissivité de ces dernières, afin de contrôler spectralement et angulairement le rayonnement émis. De cette façon, la puissance utile est augmentée, tandis que la consommation électrique diminue. D’autre part, l’étude en profondeur des rôles des différents canaux thermiques conduit à relier rayon de la membrane, temps de chauffe et énergie disponible par mesure et de définir un régime optimal de fonctionnement dynamique.Finalement les membranes sont fabriquées en salle blanche et caractérisées électriquement, optiquement et mécaniquement afin d’estimer les gains en performances. La réalisation d’un prototype de capteur de CO2 à 4,26 µm à partir de ces sources indique des précisions de l’ordre de la vingtaine de ppm pour une consommation d’un milliwatt, en compétition favorable avec l’état de l’art mondial dans ce domaine
Joule-heated suspended microhotplates can be used as infrared sources in cheap, low-consumption spectroscopic gas sensors. To enhance the very low efficiency of first generation structures, both their thermal and optical designs have to be optimized.The implementation of frustrated plasmonic resonators on top of the membrane grants both spectral and angular control of its emissivity. It is thus possible to make it radiate only at the frequencies absorbed by the gas under study, and in the solid angle of the detector. This leads to an increase in useful radiated power while the overall electrical consumption is decreased. Dynamical studies of membrane heating provide welcome insight on the relationship between membrane radius, heating time and energy consumption per measurement. The existence of a compromise is demonstrated in order to maximize the radiative efficiency, and its physical interpretation is detailed.Eventually, membranes fabricated in LETI’s clean room were characterized to measure their electrical, optical and mechanical properties. The implementation of such sources in a CO2 prototype sensor led to state-of-the-art results, with a few dozen ppm sensitivity with a power consumption of only one milliwatt

Pour mieux comprendre le fonctionnement des écosystèmes forestiers à échelle fine, les modèles écophysiologiques cherchent à intégrer les flux d’énergie et de matière. Ces échanges dépendent de la distribution de la végétation. Leur modélisation nécessite donc une description de la structure de la végétation en trois dimensions (3D) à un niveau de détail que seule la télédétection peut produire à haut débit. Les LiDAR terrestre (Light Detection And Ranging) possèdent un fort potentiel pour caractériser en 3D la végétation au sein des canopées. De précédents travaux qui relient la densité de points à la quantité de végétation ont montré des résultats prometteurs. Cette thèse développe ces approches en explorant les diverses sources d’erreurs. Les biais systématiques sont corrigés à l’échelle de la branche, de l’arbre et de la placette. Ce travail s’appuie à la fois sur des travaux théoriques et expérimentaux. Nous avons d’abord évalué des estimateurs théoriques sur des branches. Sur cette végétation réelle, les estimateurs se sont révélés sensibles à la taille de voxel utilisée et à la distance de mesure. Les corrections apportées sont demeurées robustes sur des arbres entiers. Cependant, l’échantillonnage au LiDAR terrestre est limité par l’occlusion végétale. Un travail spécifique a été conduit pour optimiser les estimations en tirant avantage des corrélations spatiales présentes dans la végétation. Cette approche permet de limiter les sous-estimations systématiques liées à l’occlusion. L’ensemble des outils présentés offrent la possibilité de dresser des cartes de végétation à l’échelle de la placette en fournissant des estimateurs non biaisés de la surface foliaire
To better understand functioning of forest ecosystems at fine scale, ecophysiological model attempt to include energy and material fluxes. Such exchanges depend on the distribution of vegetation. Hence, these models require a tridimensional (3D) description of vegetation structure, at a level of detail which can only be retrieve with remote sensing at large scale. Terrestrial LiDAR (Light Detection And Ranging) have a great potential to provide 3D description of vegetation elements in canopy. Previous studies established promising relations between the point density and quantity of vegetation. This work develop these statistical methods, focusing on source of errors. Systematic biases are corrected at branch, tree and plot scales. This study relies on both numerical simulations and field experiments. First, we test estimators on branches in laboratory conditions. On this natural vegetation, estimators are sensitive to voxel size and distance from instrument with phase-shift LiDAR. Developed corrections from this branch experiment are valid at tree scale. However, difficulties arising from sampling limitations due to occlusion and instrument sampling pattern cause negative biases in dense areas. Specific investigations are conducted to identify source of errors and to optimize multiscan estimations. A statistical method called LAD-kriging, based on spatial correlation within vegetation, improves local accuracy of estimations and limits underestimations due to occlusion. The tools produced in this work allow to map vegetation at plot scale by providing unbiased estimator of leaf area. Some of these tools are currently implemented within open access Computree software

Au cours des dernières années, la capacité de la technologie LiDAR à capturer des informations détaillées sur la structure des forêts a attiré une attention croissante de la part de la communauté des écologues et des forestiers. Le LiDAR terrestre, notamment, apparaît comme un outil prometteur pour recueillir les caractéristiques géométriques des arbres à une précision millimétrique.Cette thèse étudie la reconstruction de surface à partir de nuages de points épars et non structurés, capturés en environnement forestier par un LiDAR terrestre. Nous proposons une suite d’algorithmes dédiés à la reconstruction de modèles d’attributs de placettes forestières : le sol etla structure ligneuse des arbres (i.e. troncs et branches principales). En pratique, nos approches modélisent le problème par des surfaces implicites construites à partir de fonctions à base radiale pour faire face à la forte hétérogénéité spatiale du nuage de points Lidar terrestre
In recent years, the capacity of LiDAR technology to capture detailed information about forests structure has attracted increasing attention in the field of forest science. In particular, the terrestrial LiDAR arises as a promising tool to retrieve geometrical characteristics of trees at a millimeter level.This thesis studies the surface reconstruction problem from scattered and unorganized point clouds, captured in forested environment by a terrestrial LiDAR. We propose a sequence of algorithms dedicated to the reconstruction of forests plot attributes model: the ground and the woody structure of trees (i.e. the trunk and the main branches). In practice, our approaches model the surface with implicit function build with radial basis functions to manage the homogeneity and handle the noise of the sample data points

Le changement de l'occupation des sols (LUC) a une influence importante sur le climat de par les modifications des propriétés physiques de la surface. Le niveau de connaissance de ces impacts biogéophysiques est cependant insuffisant, en raison notamment des nombreux processus impliqués. Via l'intercomparaison de modèles de climat et d'autres outils développés, cette thèse vise à identifier les signaux climatiques robustes liés au LUC, ainsi qu'à évaluer les incertitudes associées. Depuis l'époque préindustrielle, le LUC a résulté en une déforestation extensive dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, où l'augmentation de l'albédo de surface a sûrement induit un refroidissement durant l'hiver et le printemps. L'amplitude de cet impact ainsi que le rôle des effets non radiatifs en été reste pourtant très incertain parmi les modèles. Ces incertitudes répondent (1) à la façon dont le LUC est représenté dans les modèles de surface et (2) aux sensibilités intrinsèques des modèles de climat au LUC. Le deuxième point explique plus de 50% de la dispersion inter-modèle dans des variables clés au climat de surface comme l'évapotranspiration. Suite à cette incertitude, les impacts du LUC dans albédo de surface et l'évapotranspiration ont été estimés à partir d'observations contemporaines et les cartes de végétation prescrites dans les modèles de surface ici évalués. L'ensemble de ces analyses montre que les incertitudes actuelles des effets sur le climat du LUC sont en grande partie liées aux paramétrisations des modèles de surface, et peuvent donc être réduites par une évaluation plus rigoureuse de ceux-ci.

Au cours des dernières décennies, l'Indonésie a connu des transformations spectaculaires des terres avec une expansion des plantations de palmiers à huile au détriment des forêts tropicales. L'Indonésie est actuellement l'une des régions ayant le plus haut taux de transformation de la surface terrestre dans le monde à cause de l'expansion des plantations de palmiers à huile et d'autres agricultures qui remplacent les forêts à grande échelle. Comme la végétation est un modificateur du climat près du sol, ces transformations à grande échelle ont des impacts majeurs sur les variables biophysiques de surface telles que la température de surface, l'albédo, les indices de végétation (NDVI), sur le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique.Ce travail de thèse vise à quantifier les impacts des changements d’usage des terres en Indonésie sur les variables biophysiques de surface. Pour évaluer ces changements à l'échelle régionale, des données de télédétection sont nécessaires.Étant une variable clé de nombreuses fonctions écologiques, la température de surface (LST) est directement affectée par les changements de la couverture terrestre. Nous avons analysé la LST à partir de la bande thermique d'une image Landsat et produit une carte de température de surface avec une haute résolution (30m) pour les basses terres de la province de Jambi à Sumatra (Indonésie), une région qui a subi de grandes transformations au cours des dernières décennies. La comparaison des LST, albédo, NDVI et évapotranspiration (ET) entre sept différents types de couverture terrestre (forêts, zones urbaines, terres incultes, plantations de palmiers à huile jeunes et matures, plantations d'acacias et de caoutchouc) montre que les forêts ont des températures de surface inférieures à celles des autres types de couvert végétal, ce qui indique un effet de réchauffement local après la conversion des forêts vers des plantations. Les différences de LST atteignaient 10,1 ± 2,6 ºC (moyenne ± écart-type) entre les forêts et les terres déforestées. Les différences de températures de surface s'expliquent par un effet de refroidissement évaporatif des forêts, qui compense l'effet de réchauffement de l'albédo.Basé sur des différences observées dans les variables biophysiques entre les plantations de palmiers à huile jeunes et matures, nous avons analysé trois images Landsat couvrant une chronoséquence de plantations de palmiers à huile pour étudier la dynamique des variables biophysiques de surface pendant le cycle de rotation de 20-25 ans des plantations de palmiers à huile.Nos résultats montrent que les différences entre les plantations de palmiers à huile à différents stades du cycle de rotation du palmier à huile se reflètent dans les différences du bilan énergétique de surface, du partitionnement énergétique et des variables biophysiques. Au cours du cycle de rotation des plantations de palmiers à huile, les différences de température à la surface diminuent graduellement et se rapprochent de zéro autour du stade mature de la plantation de palmiers à huile de 10 ans. Parallèlement, le NDVI augmente et l'albédo diminue à proximité des valeurs typiques des forêts. Le bilan énergétique de surface et le partitionnement énergétique montrent des tendances de développement liés aux variables biophysiques et à l'âge des plantations de palmiers à huile. Les nouvelles plantations et les jeunes plantations (<5 ans) ont un rayonnement net plus faible que les plantations de palmiers à huile matures, mais ont des températures de surface plus élevées que les plantations de palmiers à huile matures. (Suite et fin du résumé dans la thèse)
Over the last decades, Indonesia has experienced dramatic land transformations with an expansion of oil palm plantations at the expense of tropical forests. Indonesia is currently one of the regions with the highest transformation rate of the land surface worldwide related to the expansion of oil palm plantations and other cash crops replacing forests on large scales. As vegetation is a modifier of the climate near the ground these large-scale land transformations have major impacts on surface biophysical variables such as land surface temperature (LST), albedo, vegetation indices (e.g. the normalized difference vegetation index, NDVI), on the surface energy balance and energy partitioning.Despite the large historic land transformation in Indonesia toward oil palm and other cash crops and governmental plans for future expansion, this is the first study so far to quantify the impacts of land transformation on biophysical variables in Indonesia. To assess such changes at regional scale remote sensing data are needed.As a key driver for many ecological functions, LST is directly affected by land cover changes.We analyze LST from the thermal band of a Landsat image and produce a high-resolution surface temperature map (30 m) for the lowlands of the Jambi province in Sumatra (Indonesia), a region which experienced large land transformation towards oil palm and other cash crops over the past decades. The comparison of LST, albedo, NDVI, and evapotranspiration (ET) between seven different land cover types (forest, urban areas, clear cut land, young and mature oil palm plantations, acacia and rubber plantations) shows that forests have lower surface temperatures than the other land cover types, indicating a local warming effect after forest conversion. LST differences were up to 10.1 ± 2.6 ºC (mean ± SD) between forest and clear-cut land. The differences in surface temperatures are explained by an evaporative cooling effect, which offsets an albedo warming effect.Young and mature oil palm plantations differenced in their biophysical. To study the development of surface biophysical variables during the 20 – 25 years rotation cycle of oil palm plantations, we used three Landsat images from the Jambi province in Sumatra/Indonesia covering a chronosequence of oil palm plantations.Our results show that differences between oil palm plantations in different stages of the oil palm rotation cycle are reflected in differences in the surface energy balance, energy partitioning and biophysical variables. During the oil palm plantation lifecycle the surface temperature differences to forest gradually decrease and approach zero around the mature oil palm plantation stage of 10 years. Concurrently, NDVI increases and the albedo decreases approaching typical values of forests. The surface energy balance and energy partitioning show a development patterns related to biophysical variables and the age of the oil palm plantations. Newly established and young plantations (< 5 years) have less net radiation available than mature oil palm plantations, yet have higher surface temperatures than mature oil palm plantations. The changes in biophysical variables, energy balance and energy partitioning during the oil palm rotation cycle can be explained by the previously identified evaporative cooling effect in which the albedo warming effect is offset. A main determinant in this mechanism is the vegetation cover during the different phases in the oil palm rotation cycle. NDVI as a proxy for vegetation cover showed a consistent inverse relation with the LST of different aged oil palm plantations, a trend that is also observed for different land use types in this study. (Last and final summary in the thesis)

The estimation of radar cross section (RCS) of randomly rough surfaces is essential for designing terrain and sea surface remote sensing systems. The particular problem of wave scattering at low grazing angles is of great interest because of its importance for the low-altitude/long-range radar surveillance, target tracking, communication and navigation systems operating at low grazing conditions above the rough surface. The radar cross section from a rough surface becomes very small at grazing incidence, since most part of the incident power is scattered around the specular direction (depending on the degree of surface roughness). Moreover, the dominant scattering mechanisms at low and high grazing angles are different e. G. , the effects of multiple scattering (or higher order scattering), shadowing, fading and mechanisms attributable to wave breaking are particularly marked in the low grazing angle regime. Therefore, in this context the research has been conducted in this thesis. A second order two-scale model (TSM2) has been developed to study the bistatic scattering enhancement at grazing angles and the accurate depolarization estimation in a radar return. The applications of TSM2 are presented for sea and bare soil surfaces. The results obtained from newly developed model are compared with the available experimental data and other models to demonstrate the validity and efficiency of TSM2
L’estimation de la surface équivalente radar (SER) des fouillis de mer et terrestre est essentielle pour la conception et l’amélioration des performances des systèmes de télédétection et d’observation de la planète. Le problème particulier de la diffusion des ondes en configuration à angle rasant est de grand intérêt à cause de son importance pour la surveillance, suivi de cible, la communication et les systèmes de navigation fonctionnant au-dessus de surfaces rugueuses, terrestre ou maritime. La surface équivalente radar d’une surface rugueuse devient très faible en incidence rasante puisque la plus grande partie de la puissance incidente est diffusée dans la direction spéculaire (selon le degré de rugosité de k surface). De plus, les mécanismes principaux de diffusion sont différents aux angles rasants, par exemple, les effets de diffusion multiple (ou de diffusion d’ordre supérieur), l’ombrage, fading et les mécanismes liés au déferlement des vagues sont particulièrement présents dans une telle configuration. Par conséquent, c’est dans ce contexte que s’intègre les travaux de recherche développés dans cette thèse. Ceci en développant le modèle deux échelles à l’ordre 2 (TSM2) permettant ainsi de contribuer à l’estimation des coefficients de diffusion bistatique par les surfaces rugueuses avec l’application de ce modèle aux surfaces maritime et terrestre. L’évaluation du modèle développé est réalisée en effectuant des comparaisons par rapport aux résultats obtenus avec d’autres modèles et aussi aux données issues de la littérature ouverte

Le principal objectif de ce travail de thèse est d'étudier la faisabilité de restitution des profils atmosphériques de température et d'humidité au-dessus des surfaces continentales à partir des mesures des sondeurs micro-onde passives et principalement des mesures AMSU-A et –B. En effet, si les mesures AMSU sont assimilées de façon opérationnelle au-dessus des océans, elles restent cependant, insuffisamment exploitées au-dessus des continents. L'émissivité des continents est souvent élevée (proche de 1.0) et très variable avec les caractéristiques de la surface. Par conséquent, il est difficile de séparer les contributions relatives de la surface et de l'atmosphère aux rayonnements mesurés par les capteurs satellites. Pour cette raison, une partie importante de ce travail a été consacrée à l'estimation de l'émissivité de surface aux fréquences AMSU (23-150 GHz) et aux angles d'observation de ces instruments (de -58° à +58° par rapport au nadir). Les calculs de l'émissivité de surface ont été menés sur le globe en utilisant les données non nuageuses de l'année 2000. Les émissivités AMSU ainsi obtenues ont été évaluées en examinant leurs dépendances angulaires et spectrales et par comparaison aux émissivités SSM/I. Toutes ces analyses ont permis le développement d'une paramétrisation de l'émissivité de surface valable pour des fréquences allant de 23 à 150 GHz et pour des angles d'observation satellite pouvant atteindre 58°. Par la suite et avec une bonne connaissance de la surface (émissivité et température de surface), la faisabilité de l'inversion des profils de température et d'humidité atmosphériques à partir des observations AMSU a été étudiée en réalisant une étude de contenu en information. Cette étude a montré que les mesures issues des instruments AMSU quand elles sont combinées avec des estimations fiables de l'émissivité et de la température de surface, permettent l'amélioration des restitutions de température et d'humidité atmosphériques surtout dans les basses couches.

Soil attributes directly influence on its surface temperature. Although there are several studies using soil spectra obtained from satellites, soil evaluation through Land Surface Temperature (LST) is still scarce. The broad availability of satellite thermal data and the development of algorithms to retrieve LST facilitated its use in soil studies. The objective of this study was to evaluate soil LST variations due to its composition and verify the potential of using LST on soil attributes quantification, also integrated with reflectance spectra and elevation data. The study area (198 ha) is located in Sao Paulo state, Brazil, and had plowed bare soil during the satellite image acquisition date. Soil samples were collected in a regular grid of 100 x 100 m (depths: 0-0.2 m and 0.8- 1.0 m); soil granulometry, organic matter (OM) and iron oxides were determined by wet chemistry analysis. In this study, an image of Landsat 5 was used for extracting LST using the inversion of Planck\'s function in band 6 (10,400 - 12,500 nm), and land surface emissivity was estimated using Normalized Difference Vegetation Index threshold method. Reflectance values were extracted from bands 1, 2, 3, 4, 5 and 7. Models for soil attributes quantification were performed using Linear Regression (LR), with samples from 62 auger points distributed in 14 toposequences. Simple LR was applied for generating prediction models based on LST and on elevation data (extracted from a Digital Elevation Model). Multiple LR was applied in order to generate prediction models using atmospherically corrected spectral reflectance from Visible, Near-Infrared and Shortwave infrared (Vis-NIR-SWIR) bands as predictors, and also for the prediction of soil attributes using simultaneously Vis-NIR-SWIR, LST and elevation data, and only significant variables identified by T-tests were used. Predictive performance of models was assessed based on adjusted coefficient of determination (R2adj), Root Mean Squared Error (RMSE, g kg-1) and Ratio of Performance to Interquartile Range (RPIQ) obtained in validation. Ordinary kriging was also performed and the resulted interpolated surfaces were compared to the maps obtained from the best LR model. There was significant correlation between soil attributes and reflectance, LST and elevation data, and soils with clay texture were differentiated from sandy soils based on LST mean values. For all soil attributes, models using only elevation presented the worst performance; models using only LST, moderate performance; and using Vis-NIR-SWIR bands, good predictive performance. For clay, the best model obtained had bands 4-7, LST and elevation as predictors; for sand and iron oxides, the best model had bands 4-7 and LST; for OM, band 4, band 7 and LST. The use of LST for estimating soil attributes increases the predictive performance of multiple LR models when associated with other variables obtained through remote sensing, particularly surface reflectance data, improving the validation of models reaching high R2adj, high RPIQ and low RMSE values. Maps for sand, OM and iron oxides obtained through ordinary kriging outperformed those obtained for the same attributes using LR models based on RS co-variables, and for clay, both approaches reached the same accuracy level. Mapping of soil clay, sand, OM and iron oxides contents through multiple LR models using Landsat 5 products is a simple and easy to reproduce technique, appropriate for soil attributes mapping in bare soil agricultural areas.
Os atributos do solo influenciam diretamente na sua temperatura de superfície. Apesar de existir vários estudos utilizando espectros de solos obtidos de satélite, a avaliação do solo por meio da Temperatura de Superfície Terrestre (em inglês Land Surface Temperature, LST) ainda é escassa. A ampla disponibilidade de dados termais de satélite e o desenvolvimento de algoritmos para derivar a LST facilitou o seu uso em estudos de solos. O objetivo desse trabalho foi avaliar variações da LST do solo devidas à sua composição e verificar o potencial de uso da LST na quantificação de atributos do solo, também integrada com dados de espectros de reflectância e elevação. A área de estudo (198 ha) está localizada no estado de São Paulo, Brasil, e estava com solo exposto e arado na data de aquisição da imagem de satélite. Amostras de solo foram coletadas em um grid regular de 100 x 100 m (profundidades: 0.02 m e 0.8-1.0 m); a granulometria do solo, matéria orgânica (MO) e óxidos de ferro foram determinados via análises físicas e químicas laboratoriais. Neste estudo, uma imagem do Landsat 5 foi utilizada para extrair a temperatura de superfície usando a inversão da função da Lei de Planck na banda 6 (10.400 - 12.500 nm), e a emissividade de superfície foi estimada utilizando o método do limiar do Índice de Vegetação da Diferença Normalizada. Valores de reflectância das bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7 foram extraídos. Modelos para quantificação de atributos do solo foram feitos usando Regressão Linear (RL), com amostras de 62 pontos de tradagem distribuídos em 14 topossequências. A RL simples foi aplicada para gerar modelos de predição baseados na LST e também na elevação (extraída de um modelo digital de elevação). A RL múltipla foi aplicada para gerar modelos de predição usando os espectros de reflectância com correção atmosférica das bandas do Visível, Infravermelho próximo e Infravermelho de ondas curtas (Vis-NIR-SWIR) como preditores; também foi aplicada para predição de atributos do solo usando simultaneamente dados do Vis-NIR-SWIR, LST e elevação, e apenas variáveis significativas identificadas por teste T foram usadas. A performance preditiva dos modelos foi avaliada baseada no coeficiente de determinação ajustado (R2adj), raiz do erro quadrático médio (RMSE, g kg-1) e razão de desempenho do intervalo interquartil (RPIQ) obtidos na validação. A krigagem ordinária também foi feita e as superfícies interpoladas resultantes foram comparadas com o melhor modelo de RL. Houve correlação significativa entre os atributos do solo e dados de reflectância, LST e elevação, e solos com textura argilosa foram diferenciados de solos arenosos com base em valores médios de LST. Para todos os atributos do solo, os modelos usando apenas elevação apresentaram a pior performance, modelos usando somente LST, performance moderada, e usando as bandas do Vis-NIR-SWIR, boa performance preditiva. Para argila, o melhor modelo obtido teve as bandas 4-7, LST e elevação como preditores; para areia e óxidos de ferro, o melhor modelo teve as bandas 4-7 e LST; para MO, banda 4, banda 7 e LST. O uso da LST para estimar atributos do solo aumenta a performance preditiva de modelos de RL múltipla quando associada a outras variáveis obtidas via sensoriamento remoto (SR), particularmente dados de reflectância de superfície, melhorando a validação dos modelos atingindo altos valores de R2adj e RPIQ e baixos valores de RMSE. Os mapas para areia, MO e óxidos de ferro obtidos via krigagem ordinária superaram aqueles obtidos para os mesmos atributos usando modelos de RL baseados em co-variáveis obtidas via SR, e para argila, ambas abordagens atingiram o mesmo nível de acurácia. O mapeamento dos conteúdos de argila, areia, matéria orgânica e óxidos de ferro do solo via modelos de RL múltipla utilizando produtos do Landsat 5 é uma técnica simples e fácil de reproduzir, apropriada para o mapeamento de atributos do solo em áreas de agricultura com solo exposto.

L’indice de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI), défini comme la moitié de la surface foliaire par unité de surface de sol, est un paramètre clé du cycle écologique de la Terre, et sa précision d'acquisition a toujours la nécessité et la possibilité d'amélioration. La technologie du scanner laser actif offre une possibilité d'obtention cohérente du LAI à plusieurs échelles, car le scanner laser terrestre et le scanner laser aéroporté fonctionnent sur le même mécanisme physique. Cependant, les informations tridimensionnelles du scanner laser ne sont pas complètement explorées dans les méthodes actuelles et les théories traditionnelles ont besoin d'adaptation. Dans cette thèse, le modèle de distribution de longueur de trajet est introduit pour corriger l'effet d’agrégation, et il est appliqué aux données du scanner laser terrestre et du scanner laser aéroporté. La méthode d'obtention de la distribution de longueur de trajet de différentes plates-formes est étudiée et le modèle de récupération cohérent est établi. Cette méthode permet d’améliorer la mesure du LAI des arbres individuels dans les zones urbaines et la cartographie LAI dans les forêts naturelles, et ses résultats sont cohérents à différentes échelles. Le modèle devrait faciliter la détermination cohérente de l'indice de surface foliaire des forêts à l'aide de données au sol et aéroportées
Leaf Area Index (LAI), defined as one half of the total leaf area per unit ground surface area, is a key parameter of vegetation structure for modeling Earth's ecological cycle and its acquisition accuracy always has the need and opportunity for improvement. Active laser scanning provides an opportunity for consistent LAI retrieval at multiple scales because terrestrial laser scanning (TLS) and airborne laser scanning (ALS) have the similar physical mechanism. However, the three-dimensional information of laser scanning is not fully explored in current methods and the traditional theories require adaptation. In this thesis, the path length distribution model is proposed to model the clumping effect, and it is applied to the TLS and ALS data. The method of obtaining the path length distribution of different platforms is studied, and the consistent retrieval model is established. This method is found to improve the individual tree measurement in urban areas and LAI mapping in natural forest, and its results at consistent at different scales. The model is expected to facilitate the consistent retrieval of the forest leaf area index using ground and airborne data

Le changement de l'occupation des sols (LUC) a une influence importante sur le climat de par les modifications des propriétés physiques de la surface. Le niveau de connaissance de ces impacts biogéophysiques est cependant insuffisant, en raison notamment des nombreux processus impliqués. Via l'intercomparaison de modèles de climat et d'autres outils développés, cette thèse vise à identifier les signaux climatiques robustes liés au LUC, ainsi qu'à évaluer les incertitudes associées. Depuis l'époque préindustrielle, le LUC a résulté en une déforestation extensive dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, où l'augmentation de l'albédo de surface a sûrement induit un refroidissement durant l'hiver et le printemps. L'amplitude de cet impact ainsi que le rôle des effets non radiatifs en été reste pourtant très incertain parmi les modèles. Ces incertitudes répondent (1) à la façon dont le LUC est représenté dans les modèles de surface et (2) aux sensibilités intrinsèques des modèles de climat au LUC. Le deuxième point explique plus de 50% de la dispersion inter-modèle dans des variables clés au climat de surface comme l'évapotranspiration. Suite à cette incertitude, les impacts du LUC dans albédo de surface et l'évapotranspiration ont été estimés à partir d'observations contemporaines et les cartes de végétation prescrites dans les modèles de surface ici évalués. L'ensemble de ces analyses montre que les incertitudes actuelles des effets sur le climat du LUC sont en grande partie liées aux paramétrisations des modèles de surface, et peuvent donc être réduites par une évaluation plus rigoureuse de ceux-ci
Land-use change (LUC) is an important climate forcing due to the underlying alterations of the properties of the soil-vegetation system. However, the knowledge of these biogeophysical impacts of LUC is middling, notably due to the large number of processes involved. By means of model intercomparison and other approaches specifically developed, this study aims to identify the robust climate signals of LUC as well as to assess the associated uncertainties. LUC since the preindustrial period has led to extensive deforestation in the northern temperate regions and therefore to increases in surface albedo. The amplitude of this impact and the role of the non-radiative effects in summer are still quite uncertain within the model results. These uncertainties respond (1) to the way LUC is implemented in land surface models (LSMs) and (2) to the intrinsic model sensitivities to LUC. We show that the second point could explain more than 50% of the inter-model dispersion in key variables for the surface climate such as the evapotranspiration. We therefore developed statistical tools to reconstruct the impacts of LUC on the surface albedo and the evapotranspiration using present-day observations and the land-cover maps prescribed in the LSMs here assessed. The analyses carried out here show that current uncertainties in the climate impacts of LUC are in major part the result of the land-surface parameterizations used in climate models and, hence, could be reduced with a more thoroughly evaluation of LSMs

Differentes methodes d'inversion de la vitesse de ces ondes sont appliquees a plusieurs regions du globe: ocean pacifique, afrique, ocean indien. La regionalisation suivant l'age du fond oceanique montre que des heterogeneites laterales de vitesse existent jusqu'a au moins 400 km de profondeur et que la correlation entre la tectonique de surface et la structure profonde est meilleure sous l'ocean pacifique que sous l'ocean indien

Les ondes de surface de période 10-100 secondes sont sensibles à la rigidité de la lithosphère échantillonnée. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des variations latérales de la lithosphère par l'analyse des ondes de surface. La longueur d'onde des variations latérales étudiées est de l'ordre de grandeur décakilométrique. Les méthodes habituellement utilisées avec des stations sismologiques espacées de plusieurs centaines de kilomètres ne sont donc plus satisfaisantes. C'est pourquoi nous avons développé des analyses dites de réseaux denses ou régionaux. Ainsi nous pouvons déterminer les variations latérales de la structure lithosphérique et étudier la propagation des ondes de surface à l'échelle régionale. Nous avons appliqué ces analyses de réseau pour trois études régionales différentes. Tout d'abord nous avons montré les variations brutales de la structure crustale de part et d'autre de la suture du Tsangpo au sud du plateau tibétain. Pour cela, nous avons analysé la vitesse de phase locale ainsi que les variations d'amplitude au travers de la suture. Au nord de la suture du Tsangpo nous avons déterminé une zone à moindre vitesse dans la croûte inférieure alors que nous ne l'observons pas au sud de la suture. Nous avons aussi étudié la lithosphère dans les Alpes françaises et nous avons montré qu'elle s'épaississait d'ouest en est, de 85 à plus de 200 km d'épaisseur sous l'axe de la chaîne alpine. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés aux anomalies de la propagation des ondes de surface dans cette région en dissociant les effets dus aux échelles globale et locale. Finalement, nous avons aussi travaillé sur la zone de Sorgenfrei-Tornquist qui sépare l'Europe phanérozoïque à l'ouest de l'Europe paléozoïque à l'est. Nous montrons qu'au sud-ouest de cette zone la lithosphère est peu épaisse, autour de 50-100 km, et qu'au nord-est elle atteint une épaisseur supérieure à 200 km sous le bouclier baltique. Au niveau de la transition, la lithosphère est épaisse de 120 km .

Cette thèse vise à identifier et évaluer les impacts biogéophysiques des changements d'usage des sols depuis les 150 dernières années jusqu'à la fin du XXIe siècle sur le climat en Afrique de l’Ouest à partir des modèles LUCID et des scénarios CMIP5 utilisés dans le contexte LUCID-CMIP5. Les analyses menées dans cette thèse se sont d'abord basées dans le Sahel et dans le Golfe de Guinée où les changements passés de la couverture terrestre sont supérieurs à 5%. Les simulations LUCID ont été d'abord évaluées dans cette thèse en comparant les précipitations et la température de l'air simulées par les modèles aux données d'observation. Les analyses ont montré que la moyenne et la variabilité inter-annuelle observées des précipitations et de la température sont respectivement sous-estimées et surestimées par la plupart des modèles de climat LUCID même si la température semble mieux simulée que les précipitations. Dans cette étude, les deux simulations actuelles forcées respectivement par une distribution actuelle et pré-industrielle de la couverture terrestre ont été comparées. Les résultats montrent qu'il n'y a pas de différence évidente entre ces deux simulations par rapport aux valeurs moyennes climatiques des précipitations et de la température dans les modèles comme si les changements de la couverture terrestre n'ont pas vraiment d'importance sur la représentation de ces variables. Dans le Golfe de Guinée, les analyses montrent que l'expansion des surfaces cultivées et des pâturages s'est effectuée au détriment d'une déforestation entraînant une diminution du LAI, une augmentation d'albédo et une diminution de la rugosité de surface. Les analyses montrent que les impacts historiques des changements d'occupation des sols sur le climat dans ces régions restent très petits par rapport aux changements induits par l'augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le LAI simulé par les modèles de surface LUCID et leur relation avec le climat en Afrique de l'Ouest ont été évalués, les résultats montrent que les précipitations sont fortement et positivement corrélées à la densité de feuillage avec des valeurs supérieures ou égales à 0.8 dans les deux régions. La plupart des modèles de climat montrent que la corrélation entre le LAI et la température de l'air est positive dans le Sahel et négative dans le Golfe de Guinée et suggèrent que plus de LAI dans le golfe de Guinée conduit plus d'évapotranspiration et donc une surface plus froide, alors que dans le Sahel l'effet d'albédo de l'augmentation du LAI peut dominer et augmenter la température de surface.Dans un second temps, l'impact biophysique des changements futurs de la couverture terrestre sur le climat de surface du XXIe siècle a été évalué à l'aide des simulations spécifiques similaires aux scénarios RCP8.5 mais avec une végétation fixe en 2006. Les analyses révèlent qu'à l’échelle régionale, les impacts biophysiques des changements d'occupation des sols dans les scénarios ont été globalement faibles mais statistiquement significatifs au Sahel et en Afrique centrale où la déforestation est prescrite dans le futur (>10%), mais avec une large dispersion sur la réponse du climat résultant aux différentes paramétrisations de la surface terrestre dans les modèles de climat
By climate models developed in the LUCID project and CMIP5 models used in the LUCID-CMIP5 projet, this thesis aims to identify and evaluate biogeophysical impacts of LULCC of the past 150 years and the end of XXIst century on surface climate in West Africa. Focusing analysis in two contrasted regions of West Africa: Sahel and Guinea where land cover change is above 5% since pre-industrial times, results reveal expansion of crops and pasture and deforestation in Guinea in all LUCID models. In this work, simulations of present-day rainfall and surface air temperature have been compared with observed datasets. Results show that the observed mean and inter-annual variability of rainfall are respectively underestimated and overestimated by most of the seven climate models. Overall surface air temperature is better simulated than precipitation.Two simulations of rainfall and surface air temperature, forced respectively with present-day and pre-industrial land cover distribution are also compared. Results show that there is no obvious/visible difference between the two simulations with respect to mean climatic values of both rainfall and temperature as if the changes in land cover did not really matter for the good representation of those variables. Finally, this thesis evaluates leaf area index (LAI) in the LUCID models and its relationships with surface climate. Observations reveal that precipitation is highly and positively correlated to foliage density with values larger or equal to 0.8 in both the Sahel and Guinea. Five out of seven models show positive correlations, but not as large as in the observations. However none of the models is able to capture a larger correlation between precipitation and LAI in Guinea than in the Sahel. Most of climate models show that correlation between LAI and surface air temperature is positive in the Sahel and negative in Guinea. It suggests that more LAI in Guinea will lead to more evapotranspiration and therefore cooler surface, while in the Sahel the albedo effect of increased LAI may dominate and increase surface temperature. Finally, analysis reveals that historical effects of land-use changes are not regionally significant among the seven climate models due to a small land-cover change prescribed in these regions compared to the changes induced by large scale forcing such as sea surface temperatures changes and CO2 concentration increase.Furthermore, biogeophysical impact of land-use change in the XXIst Century climate were evaluated using specific simulations similar to RCP8.5 scenarios but with a prescribed fixed land cover map on 2006. The analysis reveals, that in contrast of last 150 years, deforestation continues in the coming years in tropical region in scenarios resulting from the extension of the cultivated area reaching 15 million km2 in 2100 over tropical Africa. Regionally, the biogeophysical impacts of projected changes in land cover in RCP8.5 scenarios were generally small but statistically significant in the Sahel and Central Africa regions where deforestation is more than 10% with a wide dispersion of climate response due to differents parameterizations of land surface in climate models

El reg és el principal consum antropogènic d'aigua dolça. Es preveu que l'explotació dels recursos hídrics per a millorar la producció d'aliments mitjançant pràctiques de reg seguirà augmentant en els propers decennis. De fet, es preveu que el creixement demogràfic i els canvis climàtics exerceixin una pressió encara més gran sobre els recursos hídrics disponibles. Tot i que el reg té conseqüències directes en la gestió racional dels recursos hídrics, així com en la producció d'aliments, cal un coneixement detallat dels llocs en què realment es rega a tot el món i de quanta aigua s'utilitza realment per les pràctiques de reg. En aquesta investigació s'han elaborat mètodes per detectar i cartografiar les zones on realment es rega, així com mètodes per estimar les quantitats d'aigua que s'apliquen per al reg; les metodologies proposades utilitzen dades d'humitat del sòl provinents de la teledetecció espacial. En aquesta investigació s'han adoptat dos casos d'estudi: el primer es troba a la conca de l'Ebre, al nord-est d'Espanya, mentre que l'altre és la conca de l'Alt Tíber, a Itàlia central. S'han assajat diversos productes d'humitat del sòl obtinguts per teledetecció amb diferents resolucions espacials per avaluar els que millor funcionen en la detecció de reg i, per tant, en la cartografia de les zones de regadiu. A més, s'han realitzat estimacions quantitatives de les quantitats d'aigua aplicades per al reg. L'activitat de detecció i cartografia del reg s'ha dut a terme en els dos casos d'estudi. En l'espanyol s'ha avaluat inicialment la capacitat de detecció de reg de diversos productes de teledetecció. S'han avaluat els següents jocs de dades d'humitat del sòl: SMAP (Soil Moisture Active Passive) a 1 km i 9 km, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) a 1 km, Sentinel-1 a 1 km, i ASCAT (Advanced SCATterometer) a 12,5 km. Les versions d'1 km de SMAP i SMOS s'obtenen mitjançant la desagregació amb el mètode DISPATCH (DISaggregation based on Physical And Theoretical scale CHange). La detectabilitat del reg pels productes considerats s'ha avaluat mitjançant índexs derivats de la teoria d’estabilitat temporal aquí utilitzada sota aquesta nova perspectiva. A més, s'han elaborat mapes de les zones irrigades produïts a través de l'algoritme d'agrupament K-mitjanes. A les zones agrícoles de la conca de l'Alt Tíber, a Itàlia, s'ha realitzat una anàlisi a doble escala. En l'anàlisi a 1 km de resolució espacial s'ha aplicat el mateix procediment adoptat en el cas d'estudi de la conca de l'Ebre per avaluar la detectabilitat del regadiu mitjançant la humitat del sòl provinent de la teledetecció. S'han utilitzat els següents productes: SMAP a 1 km, la versió Sentinel-1 a 1 km publicada pel Copernicus Global Land Service, i una versió Sentinel-1 a escala de la parcel·la (produïda per THEIA) agregada a 1 km. Cal observar que els dos primers productes són els mateixos que també s’han utilitzat en el cas d'estudi espanyol. En aquesta anàlisi, així com en la realitzada sobre l'àrea d'estudi a la conca de l'Ebre, s'ha utilitzat com a suport el model de superfície continental SURFEX-ISBA (Surface EXternalisée - Interaction Sol Biosphère Atmosphère). En l'anàlisi a escala de parcel·la, les dades de THEIA Sentinel-1 agregades a 100 m s'han utilitzat per produir mapes d'alta resolució de les zones de regadiu mitjançant l'algoritme d'agrupament K-mitjanes. L'activitat de quantificació del reg s'ha dut a terme a la zona d'estudi a la conca de l'Ebre únicament; s'han realitzat dos experiments: un utilitzant SMAP amb dades a 1 km de resolució i un altre utilitzant SMOS amb dades a 1 km. Tots dos conjunts de dades s'han utilitzat per forçar l'algoritme SM2RAIN adaptat a l'estimació del reg. En l'algoritme s'ha aplicat una modelització més realista del terme d’evapotranspiració per reproduir adequadament l'evapotranspiració dels cultius segons el model de la FAO (Organització de les Nacions Unides per a l'Agricultura i l'Alimentació). Les anàlisis realitzades tenen per objecte satisfer les llacunes existents en el camp de la recerca relacionada amb el reg; els resultats obtinguts són útils per avaluar l'impacte de les pràctiques de reg en el cicle hidrològic.
El riego es el principal consumo antropogénico de agua dulce. Se prevé que la explotación de los recursos hídricos para mejorar la producción de alimentos mediante prácticas de riego seguirá aumentando en los próximos decenios. De hecho, se prevé que el crecimiento demográfico y los cambios climáticos ejerzan una presión aún mayor sobre los recursos hídricos disponibles. A pesar de que el riego tiene consecuencias directas en la gestión racional de los recursos hídricos, así como en la producción de alimentos, falta un conocimiento detallado de los lugares en los que realmente se riega en todo el mundo y de cuánta agua se utiliza realmente para las prácticas de riego. En esta investigación se han elaborado métodos para detectar y cartografiar las zonas donde realmente se riega, así como métodos para estimar las cantidades de agua que se aplican para el riego; las metodologías propuestas utilizan datos de humedad del suelo provenientes de la teledetección espacial. En esta investigación se han adoptado dos casos de estudio: el primero se sitúa en la cuenca del Ebro, en el noreste de España, mientras que el otro es la cuenca del Alto Tíber, en Italia central. Se han ensayado varios productos de humedad del suelo obtenidos por teledetección con diferentes resoluciones espaciales para evaluar los que mejor funcionan en la detección del riego y, por lo tanto, en la cartografía de las zonas de regadío. Además, se han realizado estimaciones cuantitativas de las cantidades de agua aplicadas para el riego. La actividad de detección y cartografía del riego se ha llevado a cabo en ambos casos de estudio. En el español se ha evaluado inicialmente la capacidad de detección de riego de varios productos de teledetección. Se han evaluado los siguientes conjuntos de datos de humedad del suelo: SMAP (Soil Moisture Active Passive) a 1 km y 9 km, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) a 1 km, Sentinel-1 a 1 km, y ASCAT (Advanced SCATterometer) a 12,5 km. Las versiones de 1 km de SMAP y SMOS se obtienen mediante la desagregación con el método DISPATCH (DISaggregation based on Physical And Theoretical scale Change). La detectabilidad del riego por los productos considerados se ha evaluado mediante índices derivados de la teoría de la estabilidad temporal aquí utilizada bajo esta nueva perspectiva. Además, se han elaborado mapas de las zonas irrigadas producidos a través del algoritmo de agrupamiento K-medias. En las zonas agrícolas de la cuenca del Alto Tíber, en Italia, se ha realizado un análisis a doble escala. En el análisis a 1 km de resolución espacial, se ha aplicado el mismo procedimiento adoptado en el caso de estudio de la cuenca del Ebro para evaluar la detectabilidad de la irrigación mediante la humedad del suelo por teledetección. Se han utilizado los siguientes productos: SMAP a 1 km, la versión Sentinel-1 a 1 km entregada por el Copernicus Global Land Service, y una versión Sentinel-1 a escala de parcela (producida por THEIA) agregada a 1 km. Obsérvese que los dos primeros productos son los mismos que también se utilizaron en el caso de estudio español. En este análisis, así como en el realizado sobre el área de estudio en la cuenca del Ebro, se ha utilizado como soporte el modelo de superficie terrestre SURFEX-ISBA (SURface EXternalisée - Interaction Sol Biosphère Atmosphère). En el análisis a escala de parcela, los datos del THEIA Sentinel-1 agregados a 100 m se han utilizado para producir mapas de alta resolución de las zonas de regadío mediante el algoritmo de agrupamiento K-medias. La actividad de cuantificación del riego se ha llevado a cabo en la zona de estudio de la cuenca del Ebro únicamente; se han realizado dos experimentos: uno explotando SMAP con datos a 1 km de resolución y otro explotando SMOS con datos a 1 km. Ambos conjuntos de datos se han utilizado para forzar el algoritmo SM2RAIN adaptado a la estimación del riego. En el algoritmo se ha aplicado una modelización más realista del término de evapotranspiración para reproducir adecuadamente la evapotranspiración de los cultivos según el modelo de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación). Los análisis realizados tienen por objeto colmar las lagunas existentes en el campo de la investigación relacionada con el riego; los resultados obtenidos son útiles para evaluar el impacto de las prácticas de riego en el ciclo hidrológico.
Irrigation is the primary source of anthropogenic freshwater consumptions. The exploitation of water resources to improve the food production through irrigation practices is expected to further increase in the upcoming decades. In fact, the population growth and climate changes are expected to put even more pressure on the available water resources. Despite irrigation having direct implications on the rational management of water resources, as well as on food production, a detailed knowledge of where irrigation actually occurs worldwide and of how much water is actually used for irrigation practices is missing. In this research, approaches to detect and map areas where irrigation actually occurs, as well as methods to estimate the amounts of water applied for irrigation, have been developed; the proposed methodologies exploit remote sensing soil moisture. Two case studies have been considered in this research: the first one is located within the Ebro basin, in North-eastern Spain, while the other one is the Upper Tiber basin, in central Italy. Several remotely sensed soil moisture products at different spatial resolutions have been tested to evaluate the best performing ones in detecting irrigation signals and thus mapping irrigated areas. In addition, quantitative estimates of the water amounts applied for irrigation have been performed. The irrigation detection and mapping activity has been carried out over both case studies. In the Spanish one, the capability to detect irrigation of several remote sensing products has been initially assessed. The following soil moisture data sets have been evaluated: SMAP (Soil Moisture Active Passive) at 1 km and 9 km, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) at 1 km, Sentinel-1 at 1 km, and ASCAT (Advanced SCATterometer) at 12.5 km. The 1 km versions of SMAP and SMOS are obtained through downscaling with the DISPATCH (DISaggregation based on Physical And Theoretical scale CHange) method. The detectability of irrigation by the considered products has been assessed through indices derived from the temporal stability theory here used under this new perspective. Furthermore, maps of irrigated areas have been produced through the K-means clustering algorithm. Over the agricultural areas in the Upper Tiber basin, in Italy, a double-scale analysis has been carried out. In the analysis at 1 km spatial resolution, the same procedure adopted over the case study in the Ebro basin to evaluate the detectability of irrigation through remotely sensed soil moisture has been applied. The following products have been used: SMAP at 1 km, the Sentinel-1 at 1 km version delivered by the Copernicus Global Land Service, and a plot-scale-born Sentinel-1 version (produced by THEIA) aggregated at 1 km. Note that the first two products are the same used over the Spanish case study also. In this analysis, as well as in the one carried out over the study area in the Ebro basin, surface soil moisture simulated by the SURFEX-ISBA (SURface EXternalisée - Interaction Sol Biosphère Atmosphère) land surface model has been used as support. In the plot-scale analysis, THEIA Sentinel-1 data aggregated at 100 m have been used to produce high-resolution maps of irrigated areas through the K-means clustering algorithm. The irrigation quantification activity has been carried out over the study area in the Ebro basin only; two experiments have been performed: one exploiting SMAP at 1 km data and another one exploiting SMOS at 1 km data. Both data sets have been used to force the SM2RAIN algorithm adapted to estimate irrigation. A more realistic modeling of the evapotranspiration term has been implemented into the algorithm to properly reproduce the crop evapotranspiration according to the FAO (Food and Agriculture Organization) model. The analyses carried out are aimed at filling the existing gaps in the irrigation-related research field; the obtained results are useful to assess the impact of irrigation practices on the hydrological cycle.
L’irrigazione è la principale fonte di consumo di acqua dolce. Nei prossimi decenni è atteso un ulteriore sfruttamento della risorsa idrica per incrementare la produzione di cibo attraverso le pratiche irrigue. Si stima infatti che la crescita della popolazione e i cambiamenti climatici possano esercitare una pressione ancora maggiore sulle risorse idriche disponibili. Nonostante le importanti implicazioni che ha l’irrigazione sulla gestione razionale dell’acqua e sulla produzione di cibo, non si ha una conoscenza dettagliata di dove l’irrigazione effettivamente avvenga nel mondo e di quanta acqua venga effettivamente utilizzata per le pratiche irrigue. In questa ricerca sono stati sviluppati approcci per rilevare e mappare le aree dove effettivamente si verifica l’irrigazione e per stimare i volumi irrigui; le metodologie proposte sfruttano l’umidità del suolo rilevata da satellite. In questa ricerca sono stati considerati due casi di studio: il primo si trova nel bacino del fiume Ebro, nel Nord-Est della Spagna, mentre l’altro è il bacino superiore del Tevere, nell’Italia centrale. Diversi prodotti di umidità del suolo da satellite, caratterizzati da diverse risoluzioni spaziali, sono stati valutati al fine di determinare i più performanti nel rilevare segnali di irrigazione e quindi mappare le aree irrigate. Inoltre, sono state eseguite stime quantitative dei volumi di acqua utilizzati per pratiche irrigue. L’attività di rilievo e mappatura dell’irrigazione è stata condotta su entrambe le aree pilota. In quella spagnola, è stata valutata la capacità di rilevare l’irrigazione di diversi prodotti di umidità del suolo. Sono stati considerati i seguenti set di dati: SMAP (Soil Moisture Active Passive) a 1 km e 9 km, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) a 1 km, Sentinel-1 a 1 km e ASCAT (Advanced SCATterometer) a 12.5 km. Le versioni a 1 km di SMAP e SMOS sono ottenute tramite disaggregazione eseguita con il metodo DISPATCH (DISaggregation based on Physical And Theoretical scale CHange). La capacità di rilevare l’irrigazione da parte dei prodotti considerati è stata valutata tramite indici derivanti dalla teoria della stabilità temporale e usati in questo studio sotto una nuova prospettiva. Inoltre, sono state prodotte delle mappe delle aree irrigate attraverso l’algoritmo di classificazione K-means. Un’analisi a doppia scala spaziale è stata condotta sulle aree agricole all’interno del bacino superiore del Tevere, in Italia. Nell’ambito dell’analisi alla risoluzione spaziale di 1 km, è stata applicata la stessa procedura già adottata per il caso di studio nel bacino dell’Ebro per valutare la possibilità di rilevare l’irrigazione tramite umidità del suolo da satellite. Sono stati utilizzati i seguenti prodotti: SMAP a 1 km, la versione a 1 km di Sentinel-1 fornita da Copernicus Global Land Service e una versione di Sentinel-1 originariamente prodotta de THEIA alla scala di parcella e aggregata a 1 km. Va sottolineato che i primi due prodotti menzionati sono stati utilizzati anche sull’area pilota in Spagna. Sia in questa analisi che in quella condotta nel bacino dell’Ebro, dati di umidità del suolo superficiale modellati tramite il modello di superficie terrestre SURFEX-ISBA (SURface EXternalisée - Interaction Sol Biosphère Atmosphère) sono stati utilizzati come supporto. Nell’analisi alla scala di parcella, sono stati impiegati i dati di Sentinel-1 prodotti da THEIA e aggregati a 100 m al fine di produrre mappe di aree irrigate ad alta risoluzione tramite l’algoritmo di classificazione K-means. L’attività di quantificazione dell’irrigazione è stata finalizzata solamente per l’area pilota nel bacino dell’Ebro; sono stati condotti due esperimenti: uno utilizzando i dati da SMAP a 1 km e un altro sfruttando i dati da SMOS a 1 km. Entrambi i set di dati sono stati utilizzati per forzare la versione dell’algoritmo SM2RAIN adattata per la stima dell’irrigazione. Una modellazione più realistica dell’evapotraspirazione è stata implementata nell’algoritmo al fine di riprodurre adeguatamente l’evapotraspirazione delle colture secondo il modello FAO (Food and Agriculture Organization). Le analisi condotte sono finalizzate a colmare le lacune esistenti nel campo di ricerca relativo all’irrigazione; i risultati ottenuti sono utili per valutare l’impatto delle pratiche irrigue sul ciclo idrologico.

Cette thèse vise à identifier et évaluer les impacts biogéophysiques des changements d'usage des sols depuis les 150 dernières années jusqu'à la fin du XXIe siècle sur le climat en Afrique de l’Ouest à partir des modèles LUCID et des scénarios CMIP5 utilisés dans le contexte LUCID-CMIP5. Les analyses menées dans cette thèse se sont d'abord basées dans le Sahel et dans le Golfe de Guinée où les changements passés de la couverture terrestre sont supérieurs à 5%. Les simulations LUCID ont été d'abord évaluées dans cette thèse en comparant les précipitations et la température de l'air simulées par les modèles aux données d'observation. Les analyses ont montré que la moyenne et la variabilité inter-annuelle observées des précipitations et de la température sont respectivement sous-estimées et surestimées par la plupart des modèles de climat LUCID même si la température semble mieux simulée que les précipitations. Dans cette étude, les deux simulations actuelles forcées respectivement par une distribution actuelle et pré-industrielle de la couverture terrestre ont été comparées. Les résultats montrent qu'il n'y a pas de différence évidente entre ces deux simulations par rapport aux valeurs moyennes climatiques des précipitations et de la température dans les modèles comme si les changements de la couverture terrestre n'ont pas vraiment d'importance sur la représentation de ces variables. Dans le Golfe de Guinée, les analyses montrent que l'expansion des surfaces cultivées et des pâturages s'est effectuée au détriment d'une déforestation entraînant une diminution du LAI, une augmentation d'albédo et une diminution de la rugosité de surface. Les analyses montrent que les impacts historiques des changements d'occupation des sols sur le climat dans ces régions restent très petits par rapport aux changements induits par l'augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le LAI simulé par les modèles de surface LUCID et leur relation avec le climat en Afrique de l'Ouest ont été évalués, les résultats montrent que les précipitations sont fortement et positivement corrélées à la densité de feuillage avec des valeurs supérieures ou égales à 0.8 dans les deux régions. La plupart des modèles de climat montrent que la corrélation entre le LAI et la température de l'air est positive dans le Sahel et négative dans le Golfe de Guinée et suggèrent que plus de LAI dans le golfe de Guinée conduit plus d'évapotranspiration et donc une surface plus froide, alors que dans le Sahel l'effet d'albédo de l'augmentation du LAI peut dominer et augmenter la température de surface.Dans un second temps, l'impact biophysique des changements futurs de la couverture terrestre sur le climat de surface du XXIe siècle a été évalué à l'aide des simulations spécifiques similaires aux scénarios RCP8.5 mais avec une végétation fixe en 2006. Les analyses révèlent qu'à l’échelle régionale, les impacts biophysiques des changements d'occupation des sols dans les scénarios ont été globalement faibles mais statistiquement significatifs au Sahel et en Afrique centrale où la déforestation est prescrite dans le futur (>10%), mais avec une large dispersion sur la réponse du climat résultant aux différentes paramétrisations de la surface terrestre dans les modèles de climat
By climate models developed in the LUCID project and CMIP5 models used in the LUCID-CMIP5 projet, this thesis aims to identify and evaluate biogeophysical impacts of LULCC of the past 150 years and the end of XXIst century on surface climate in West Africa. Focusing analysis in two contrasted regions of West Africa: Sahel and Guinea where land cover change is above 5% since pre-industrial times, results reveal expansion of crops and pasture and deforestation in Guinea in all LUCID models. In this work, simulations of present-day rainfall and surface air temperature have been compared with observed datasets. Results show that the observed mean and inter-annual variability of rainfall are respectively underestimated and overestimated by most of the seven climate models. Overall surface air temperature is better simulated than precipitation.Two simulations of rainfall and surface air temperature, forced respectively with present-day and pre-industrial land cover distribution are also compared. Results show that there is no obvious/visible difference between the two simulations with respect to mean climatic values of both rainfall and temperature as if the changes in land cover did not really matter for the good representation of those variables. Finally, this thesis evaluates leaf area index (LAI) in the LUCID models and its relationships with surface climate. Observations reveal that precipitation is highly and positively correlated to foliage density with values larger or equal to 0.8 in both the Sahel and Guinea. Five out of seven models show positive correlations, but not as large as in the observations. However none of the models is able to capture a larger correlation between precipitation and LAI in Guinea than in the Sahel. Most of climate models show that correlation between LAI and surface air temperature is positive in the Sahel and negative in Guinea. It suggests that more LAI in Guinea will lead to more evapotranspiration and therefore cooler surface, while in the Sahel the albedo effect of increased LAI may dominate and increase surface temperature. Finally, analysis reveals that historical effects of land-use changes are not regionally significant among the seven climate models due to a small land-cover change prescribed in these regions compared to the changes induced by large scale forcing such as sea surface temperatures changes and CO2 concentration increase.Furthermore, biogeophysical impact of land-use change in the XXIst Century climate were evaluated using specific simulations similar to RCP8.5 scenarios but with a prescribed fixed land cover map on 2006. The analysis reveals, that in contrast of last 150 years, deforestation continues in the coming years in tropical region in scenarios resulting from the extension of the cultivated area reaching 15 million km2 in 2100 over tropical Africa. Regionally, the biogeophysical impacts of projected changes in land cover in RCP8.5 scenarios were generally small but statistically significant in the Sahel and Central Africa regions where deforestation is more than 10% with a wide dispersion of climate response due to differents parameterizations of land surface in climate models

La paramétrisation du transfert de chaleur par télédétection, basée sur le schéma SEBS, s'est déjà avérée très adaptée pour l'estimation de l'évapotranspiration (ET) sur des surfaces naturelles homogènes. Cependant, l'utilisation d'une telle méthode pour des paysages hétérogènes (e.g. régions semi-arides ou surfaces agricoles) est plus délicate, puisque le principe de la théorie de la similarité est compromis par la présence de différentes sources de chaleur et de hauteurs variées. Dans un premier temps, cette thèse a pour objectif de proposer et d'évaluer différents modèles basés sur la géométrie de la végétation qui permettent d'estimer la longueur de rugosité pour le transfert de quantité de mouvement à la surface (z0m), cette dernière étant un paramètre clé dans la caractérisation du transfert de chaleur. En revanche, une telle investigation ne peut être menée qu'à une petite échelle et à l'aide de données de télédétection très haute résolution permettant ainsi une description très détaillée de la surface. Ensuite, le second aspect de ce travail est de caractériser le transfert de chaleur dans le cas d'études régionales. Puis, la capacité de SEBS à estimer les flux de chaleur turbulents à de grandes échelles spatiales et temporelles sera évaluée. Pour ce faire, l’approche multi-échelle de SEBS (MSSEBS) a été implémentée afin de traiter une zone de 2,4 millions km2, incluant le Plateau du Tibet et l’amont des principaux fleuves d’Asie du sud-est. La combinaison de données horaires de température de surface FY-2 avec un rayonnement net journalier et des paramètres de surface avancés, permet de produire une série temporelle d’ET sur le Plateau du Tibet pour la période 2008-2010, et à une fréquence journalière
The parameterization of heat transfer by remote sensing, and based on SEBS scheme for turbulent heat fluxes retrieval, already proved to be very convenient for estimating evapotranspiration (ET) over homogeneous land surfaces. However, the use of such a method over heterogeneous landscapes (e.g. semi-arid regions or agricultural land) becomes more difficult, since the principle of similarity theory is compromised by the presence of different heat sources with various heights. This thesis aims at first to propose and evaluate some models based on vegetation geometry for retrieving the surface roughness length for momentum transfer (z0m), which is a key parameter in the characterization of heat transfer. Such an investigation can only be led at a small scale with very-high resolution remote sensing data, for a precise description of the land surface. Therefore, the second aspect of this work is to determine how to address the characterization of heat transfer for regional studies. Then, the reliability of SEBS for estimating turbulent heat fluxes at large spatial and temporal scales has been evaluated. To do so, the Multi-Scale SEBS approach (MSSEBS) has been implemented for a 2.4 million km2 area including the Tibetan Plateau and the headwaters of the major rivers of East and South Asia. The addition of gap-filled hourly FY-2 LST data to advanced daily averaged net radiation and land surface parameters, allows to compute time-series of land surface ET over the Tibetan Plateau during the period 2008-2010, and on a daily basis

La méthode de reconstitution de l'histoire de la température à la surface du sol (HTSS) à partir de profils de température mesurés dans des forages est présentée et mise en application afin d'apporter quelques éléments de réponse à des questions portant sur les changements climatiques passés. La thèse est divisée en trois chapitres dont le premier porte principalement sur des aspects méthodologiques et les deux autres sur des problèmes de détermination des changements de températures de surface auxquels la méthode fournit des solutions. Le premier chapitre porte sur la sélection de profils de température lors de reconstitutions régionales de l'HTSS. Différents procédés de reconstitutions d'HTSS régionales à partir d'ensembles de profils de température sont comparés afin de déterminer quels avantages peut présenter une sélection de profils de température non contaminés par des perturbations non climatiques par rapport à une analyse globale de tous les profils mesurés. Les résultats montrent que la résolution ainsi que la stabilité des résultats sont grandement améliorées par une sélection minutieuse des profils de température. Non seulement l'inversion simultanée de profils très bruités n'améliore pas la résolution de la solution, mais l'inclusion de ces profils cause de fortes instabilités et peut fausser les résultats. Même si le nombre de profils non contaminés est généralement faible (par exemple, seuls 13 des 73 forages mesurés au Manitoba et en Saskatchewan sont considérés non contaminés), il est toujours préférable de sélectionner les profils afin d'obtenir une HTSS stable, fiable et ayant une bonne résolution. Si les profils contaminés par des perturbations non climatiques ne peuvent être éliminés, le meilleur moyen d'obtenir une HTSS stable est de faire la moyenne des inversions individuelles de chacun des profils, cependant la résolution de la solution sera très faible. Le deuxième chapitre présente une HTSS des 400 dernières années au site minier Raglan, situé dans le nord de la péninsule d'Ungava, déterminée à l'aide de profils de température mesurés dans des forages creusés dans le pergélisol. Des écarts très prononcées par rapport à l'état stationnaire sont observés dans les 200 premiers mètres des profils de température mesurés et sont interprétés comme ayant été causés par les variations récentes de la température à la surface du sol. Seul un des profils de température n'est pas affecté par des perturbations non climatiques et est donc analysé en détail à l'aide de trois méthodes indépendantes, soit deux méthodes d'inversion et une méthode directe. Les résultats montrent un réchauffement de 1.4 K entre le milieu du 18e siècle et 1940. Ce réchauffement est suivi d'une période de refroidissement caractérisée par une chute des températures de surface d'environ 0.4 K dura entre 40 et 50 ans. Depuis les 15 dernières années, les températures de surface ont bondi de plus de 1.7 K dans la région. Le troisième chapitre présente des HTSS de plus de 30000 ans déterminés par l'inversion de profils de température très profonds (2000 mètres) situés à divers endroits au Canada. Ces HTSS permettent entre autre de déterminer les températures à la base du glacier Laurentidien (températures basales) au dernier maximum glaciaire. Pour ce faire, quatre nouveaux profils très profonds mesurés à Sudbury et Manitouwadge sont analysés et interprétés conjointement avec quatre profils profonds déjà publiés (Flin Flon, Thompson, Balmertown et Sept-Îles). Une ré-analyse complète de tous les profils déjà publiés est effectuée afin de permettre une comparaison objective de tous les résultats. Les résultats montrent que sous la portion sud du glacier Laurentidien, les températures basales avaient des valeurs entre 0 et -2 °C au dernier maximum glaciaire. Ces résultats sont en accord avec les prédictions des modèles isostatiques et des observations de surface qui suggèrent que les températures basales devaient être près du point de fusion de la glace afin de permettre un écoulement rapide de la glace basale. Les reconstitutions de l'HTSS permettent également d'étudier l'amplitude et la chronologie de l'optimum climatique de l'Holocène pour chacun des sites étudiés. Les valeurs obtenues sont en accord avec les résultats de multiples études utilisant différents proxies. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Paléoclimatologie, Géophysique, Inversions, Reconstitutions climatiques, Températures de surface, Forages, Anomalies de température, Flux de chaleur.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Geográfica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
Several large concrete dams began to be built in the first half of the last century. Many of these structures are now over than 50 years old and the security control of these structures becomes fundamental. This control is fundamental for the maintenance of the structure and to understand these infrastructures behaviour. Security control requires monitoring programs in accordance with the types of structures. The visual inspection is an added advantage, considering that in many old structures there are no installed equipment’s to monitor their behaviour. With the development of LASER technologies, such as the Combined Terrestrial Imaging System (CTIS), it is expected a new mode of visual inspection, called visual assisted inspections. On reflective surfaces the Terrestrial Laser Scanner (TLS) gets the coordinates of millions of points used to model 3D objects in a fast and precise way. By attaching a digital camera to the laser scanner, it is also possible to integrate the laser data with the digital images. After processing the data from the CTIS, orthoimages with adequate resolution are acquired and are useful for the identification and classification of anomalies as well as, for the analysis of structure deformations. With three-dimensional models obtained at different epoch, with different water level and different environmental conditions, it is possible to quantify the deformations of the dam. This report describes the study of the application of the CTIS in the Cabril dam in the two mentioned aspects, the processing of orthoimages and the evaluation of the three dimensional models. In the structure of this report there are included two papers of the two mentioned aspects that were presented at the “VIII Conferência Nacional de Cartografia e Geodesia” that took place between 29th and 30th of October of 2015 in Lisbon.
As grandes barragens de betão começaram a ser construídas na primeira metade do século passado. Muitas dessas estruturas têm agora mais de 50 anos e, devido ao seu envelhecimento, torna-se fundamental o controlo de segurança dessas estruturas. Estender a vida útil destas infraestruturas é também uma necessidade de rentabilização que passa igualmente pelo referido controlo. O controlo de segurança requer programas de monitorização adequados aos tipos de estruturas. A inspecção visual é uma vantagem acrescida, tendo em conta que em muitas estruturas antigas não existem equipamentos instalados para a monitorização do seu comportamento. Com o avanço das tecnologias LASER, como é o caso do Sistema Combinado de Imagens Terrestre (Combined Terrestrial Imagin System, CTIS), perspectiva-se um novo modo de inspecções visuais, designadas por inspecções visuais assistidas. Os Laser Scanner Terrestres (Terrestrial Laser scanner, TLS) determinam as coordenadas de milhões de pontos em superfícies reflectivas, obtendo-se assim modelos tridimensionais dos objectos de uma maneira rápida e precisa. Acoplando ao laser scanner uma câmara digital, é possível integrar a informação laser com as imagens digitais. Após processamento adequado, obtêm-se orto-imagens com a resolução adequada, úteis para a identificação e classificação de anomalias bem como para análise de deformações da estrutura. Com os modelos tridimensionais obtidos em diferentes épocas, com cotas de albufeira e condições meteorológicas diferentes, é possível quantificar as deformações do paramento da barragem. Este relatório descreve o estudo da aplicação dos Sistemas Combinados de Imagens Terrestres à Barragem do Cabril nas duas vertentes referidas, a aquisição de orto-imagens e a comparação de diferentes modelos tridimensionais. Na estrutura deste relatório, estão na íntegra os dois artigos referentes às duas vertentes referidas, que foram apresentados na VIII Conferência Nacional de Cartografia e Geodesia que decorreu entre 29 e 30 de Outubro de 2015, em Lisboa.

Tese de mestrado, Ciências Geofísicas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
A temperatura da superfície terrestre (SKT) é um dos parâmetros-chave nas trocas terra-atmosfera de energia e água. Além disso, é cada vez mais importante na assimilação de dados e na parametrização de variáveis em modelos. Estudos anteriores apontam para subestimações consideráveis da SKT em reanálises, principalmente durante o dia e em regiões semi-áridas e áridas. Na primeira parte desta tese, a SKT de duas reanálises (ERA-Interim e ERA5) do Centro Europeu de Previsão de Tempo a Médio-Prazo (ECMWF) é avaliada, tendo como produto de referência a temperatura da superfície terrestre (LST) obtida por satélite pelos Serviços de Aplicações de Satélite a Análises da Superfície Terrestre (LSA-SAF). De igual forma, é avaliada a SKT de simulações offline de uma versão do modelo HTESSEL do ECMWF muito semelhante à utilizada na concepção da ERA5. Este estudo é realizado entre 2004 e 2015 (período em que a LST reprocessada se encontra disponível) sobre a Península Ibérica, numa resolução espacial de 0.25º × 0.25º. Como a LST de satélite tem uma resolução maior (~5 km), é realizado o upscaling dos dados de satélite para se poder fazer a comparação com as reanálises. Além disso, esta base de dados realiza medições num determinado pixel apenas quando não há nuvens sobre esse pixel. Por causa disso, aplica-se um limite máximo de cobertura nebulosa de 0.3 em cada pixel e para cada produto, de forma a evitar uma contaminação elevada dos dados por nuvens e, ao mesmo tempo, manter uma percentagem considerável de dados válidos. Quatro métricas de desempenho são aplicadas à SKT máxima e mínima diária: erro médio, desvio-padrão do erro, correlação temporal e a raiz quadrada do erro médio quadrático. Para facilitar a organização dos resultados, aplica-se o algoritmo K-Means de forma a dividir o domínio em diferentes clusters. Os clusters são determinados a partir do ciclo diurno médio da LST no Verão dos doze anos considerados no estudo. Os resultados mostram, em todos os produtos, uma subestimação considerável da SKT de dia e uma sobrestimação pouco significativa de noite, em linha com estudos anteriores, sendo essa disparidade superior em regiões mais áridas. No geral, a ERA5 apresenta um produto com qualidade superior em relação à ERA-Interim, pois é a reanálise que mais se aproxima das observações de satélite. Mostra-se também que existe uma correlação razoavelmente elevada entre o erro na representação da cobertura vegetal no modelo (ao comparar a fracção de cobertura vegetal do modelo pela observada pela base de dados da Copernicus) e o erro médio na simulação da SKT. Na segunda parte deste trabalho, são aplicadas mudanças a alguns parâmetros do modelo HTESSEL e o seu impacto na simulação da SKT é avaliado pelas observações de satélite da LST, num domínio mais restrito centrado em Évora (quatro pontos na resolução original de 0.25º × 0.25º). A implementação de uma representação mais realista de coberto vegetal no modelo é obtida a partir da base de dados de cobertura terrestre da ESA-CCI, mantendo os tipos de vegetação alta/baixa originais considerados pelo modelo mas alterando a respectiva fracção de cobertura vegetal. O domínio passa a ser coberto maioritariamente por vegetação baixa, ao contrário do domínio original que era coberto quase na totalidade por vegetação alta. Esta nova representação da vegetação tem um impacto positivo na SKT durante o dia, e uma nova discretização do solo (nove camadas em vez de quatro) reduz ainda mais o erro, embora com um impacto menos acentuado do que a introdução da nova vegetação. Ainda assim, mesmo depois destas alterações, o viés nocturno e a diferença de fase durante o dia mantêm-se no ciclo diurno médio da SKT. É importante referir que o tipo de vegetação baixa considerado pelo modelo HTESSEL não é directamente equivalente ao obtido com os dados da ESA-CCI e ao utilizar outros tipos de vegetação baixa no modelo, estes originam resultados menos positivos. Isto dever-se-á ao facto da cobertura vegetal ser menor no tipo de vegetação baixa originalmente considerado pelo modelo quando comparado com os restantes tipos existentes, o que implica um aumento da fracção de cobertura vegetal e, consequentemente, um aumento do viés da SKT quando se muda para outro tipo de vegetação baixa. Finalmente, um estudo de sensibilidade é aplicado ao pârametro cveg, que representa a cobertura vegetal do modelo, de forma a verificar a sua relação com o viés na simulação da SKT, utilizando a representação de vegetação original do modelo HTESSEL e, seguidamente, a representação revista. O parâmetro cveg é perturbado com valores entre 0.1 e 1, para os tipos de vegetação alta e baixa, formando no total 100 pares de cveg. Esses pares são obtidos através de uma distribuição quasi-aleatória, distribuição de Sobol, que permite preencher na totalidade o domínio considerado, sem introduzir correlações entre as diferentes perturbações e sem criar clusters e espaços vazios no domínio. Este estudo reafirma a importância da representação da vegetação no modelo, pois existe uma correlação entre cveg e o viés da SKT máxima diária quando se considera a vegetação revista (ao contrário do que acontece com a vegetação original do modelo, em que não se verifica qualquer correlação com o erro). As simulações desacopladas (offline) permitem avaliar o impacto dos parâmetros de superfície na simulação de SKT, mas é igualmente importante estudar o efeito da vegetação revista em simulação acopladas com a atmosfera. Também é importante referir que as mudanças na cobertura de vegetação afectam o balanço de água (que não é estudado neste trabalho) e causam outras alterações noutras estações do ano. Contudo, a pouca disponibilidade de dados de LST de satélite e de outras observações (como, por exemplo, fluxos e temperatura e humidade do solo) dificultam eventuais estudos adicionais. Ainda que a ERA5 demonstre ser um produto com melhor qualidade que a ERA-Interim, os resultados sugerem a necessidade de uma revisão da vegetação no modelo HTESSEL sobre a Península Ibérica, nomeadamente as fracções de cobertura de vegetação baixa / alta. Do mesmo modo, a própria definição dos tipos de vegetação baixa / alta e o valor de cveg associado poderão também precisar de uma revisão.
The surface skin temperature (SKT) is a key variable in surface-atmosphere energy and water exchanges. In the first part of this work, the SKT from two reanalyses (ERA-Interim and ERA5) of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) is evaluated against satellite-based Land Surface Temperature (LST) retrieved by the Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA-SAF), during the 2004-2015 period over the Iberian Peninsula. Offline simulations by the Hydrology Tiled ECMWF Scheme of Surface Exchanges over Land (HTESSEL) model are also assessed. We apply four performance metrics to the daily maximum and minimum SKT: the mean error, standard deviation of the error, temporal correlation and root mean squared error. The results show an underestimation of the daytime SKT and a small overestimation of nighttime SKT in all the products, which is in line with previous studies. In general, ERA5 presents a consistent improvement over ERA-Interim by showing an overall better agreement with the satellite observations. There is also a reasonably high correlation between the misrepresentation of vegetation cover in the HTESSEL model and the daily maximum SKT bias. In the second part of the thesis, we apply changes to some parameters of the HTESSEL model. The parameters’ impact in the simulation of SKT is then assessed by comparing them to the satellite-LST in a confined domain centred in Évora. The implementation of a revised model representation of vegetation cover (based on the ESA-CCI Land Cover Dataset) is shown to have a positive impact on SKT, especially during daytime. A new soil discretization scheme, on the other hand, does not significantly impact the simulation of SKT. Finally, a sensitivity study applied to the cveg parameter (the model vegetation cover) reaffirms the importance of the representation of vegetation in the model, as there is a correlation between cveg and the daily maximum SKT bias with the revised model vegetation (while the same correlation cannot be reproduced with the original model vegetation).