Thèse de doctorat de l'École Polytechnique, 19 octobre 2006.

Éric Péquignot

Détermination de l'émissivité et de la température des surfaces continentales. Application aux sondeurs spatiaux infrarouges HIRS et AIRS/IASI.

Résumé :
Les surfaces continentales représentent environ un tiers de la surface totale de notre globe. Très hétérogènes spatialement et en constante évolution, elles jouent un rôle primordial dans les bilans énergétique, hydrique et carboné du système Terre car elles constituent une interface avec l'atmosphère et l'océan et sont par conséquent en interaction très forte avec ces deux compartiments, tout particulièrement l'atmosphère.
Si la mesure in situ fut la première et reste irremplaçable, l'observation spatiale de la Terre apparaît désormais indispensable par ses capacités de surveillance globale et continue, conditions nécessaires à l'appréhension de l'ensemble des phénomènes naturels ou anthropiques qui contrôlent notre environnement et son évolution.
L'originalité de ce travail réside dans l'utilisation des sondeurs infrarouges HIRS (1ière génération) et AIRS (2ième génération) pour caractériser les surfaces continentales au travers de deux variables clés : l'émissivité spectrale et la température de surface (ou température de « peau »).
L'émissivité spectrale est une propriété intrinsèque de la surface émettrice et dépend à la fois de sa composition, de sa texture et de son contenu en eau alors que la température de surface est une variable thermodynamique qui dépend principalement des conditions d'insolation, de la composition et de la dynamique de la couche limite atmosphérique. Une bonne connaissance de ces deux variables est indispensable d'une part pour obtenir des informations sur la composition des sols et suivre leur évolution dans le temps et, d'autre part, pour estimer le bilan d'énergie à la surface de la terre. L'émissivité intervient aussi comme condition aux limites lors des processus d'interaction entre la surface et atmosphère. Souvent elle n'est pas bien prise en compte dans les modèles, induisant du même coup une erreur potentiellement importante dans l'estimation des flux d'énergie à la surface et dans le calcul de la température de surface. Enfin, la prise en compte du spectre de l'émissivité infrarouge au dessus des surfaces continentales permet d'améliorer la détermination des profils atmosphériques de température et de vapeur d'eau et la détection des aérosols et des nuages.
Des cartes mensuelles, globales, d'émissivité et de température de surface, ainsi que des spectres à haute résolution spectrale d'émissivité sont les résultats marquants de ce travail.

Abstract:
Continental surfaces cover approximately 33% of the Earth surface. Because of their diversity and constant evolution, they play an essential role in the Earth energy, water and carbon balance. They are also the interface between the atmosphere and the ocean. Consequently they strongly interact with these two compartments, quite particularly with the atmosphere.
If the measure in situ was first and remains irreplaceable, spatial observation of the Earth is the only way to a global and continuous coverage, necessary to understand all natural or anthropological phenomena controlling our environment and its evolution.
In this thesis, we have used observations from the vertical infrared sounders HIRS (1st generation) and AIRS (2nd generation) to characterize continental surfaces through two key variables: the infrared emisivity spectrum and the surface temperature (or “skin” temperature).
The emissivity is an intrinsic property of the surface which depends on its composition, texture and water content. The surface temperature is a thermodynamic variable which mainly depends on sun exposure, composition and dynamic of the atmospheric boundary layer. A good knowledge of these two variables is necessary, on the one hand, to get information about soil composition and follow its evolution in the time and, on the other hand, to estimate the Earth energy budget. The emissivity is also a boundary condition for surface-atmosphere interaction processes. In most cases, it is not correctly taken into account in climate models, leading to rather important an error in the estimation of surface energy fluxes and temperature. Eventually, knowing the infrared surface emissivity spectrum over land allows improving the determination of atmospheric temperature and water vapour profiles as well as clouds and aerosols detection.
Global monthly maps of surface emissivity and temperature, as well as complete high spectral resolution emissivity spectra, are among the key results of this work.

Last update : 2011/01/25

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