La mission SMOS et son impact sur la prévision des changements
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La mission SMOS et son impact sur la prévision des changements planétaires Yann H. Kerr, François Cabot et l’équipe SMOS YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Principaux facteurs influençant fonctionnement de la biosphère le Churkina & Running, 1998 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Atmosphere Control (Radiation) Surface Control (Soil Moisture) Surface Control (Freeze/Thaw) Le réchauffement global est un fait…… From H. Douville 2009 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS …mais ses conséquences hydrologiques restent incertaines From H. Douville 2009 ∆W/∆T=P-E-R P: Precipitations E: Evaporation R: Run off Prélèvements en eau douce YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Par exemple l’évolution des stocks en eau Anomalies of top 1-m summer soil moisture Robock et al. 2005 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Consensus Multi-Model des régions où l’humidité impacte les précipitations saisonnières Koster et al. (2004), Science, 305, 1138-1140. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Plan • Introduction • Pourquoi – Terres – Océans • Comment – SMOS • Où en sommes nous • Conclusion YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Contexte • Changement climatique • Evènements extrêmes (inondations, tornades, sécheresses, orages,…) • Gestion des ressources en eau • Adéquation des cultures et des pratiques culturales aux conditions climatiques Nécessité de meilleures prévisions météorologiques et d’outils d’aide à la décision • donc – entre autres – la connaissance de l’humidité des sols et de la salinité des océans à l’échelle globale YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Pourquoi mesurer l’humidité des sols? Objectifs scientifiques : Améliorer notre compréhension de la composante terrestre du cycle mondial de l’eau, de la répartition et de l’évolution de nos réserves en eau, et des interactions sol França.Br:2009 SMOS YHK/FC – 09/06/2009 atmosphère et ce pour une meilleure gestion de cette ressource. Pourquoi mesurer la salinité des océans? Objectifs scientifiques : Améliorer notre compréhension de la composante océanique du cycle mondial de l’eau, de la França.Br:2009 SMOS YHK/FC – 09/06/2009 circulation générale et du rôle de l’océan sur le climat. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Pourquoi l’humidité superficielle • Rôle de l’humidité superficielle des sols dans les interactions surface – atmosphère : – Stockage de l’eau (surface et zone racinaire), pompage par la végétation (zone racinaire), fluxes à l’interface (évaporation), influence sur le ruissellement • Donc important pour : – – – – – Prévision météo Etudes du climat Gestion des ressources en eau Gestion des cultures Prévision d’évènements extrêmes YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS P. Houser Pourquoi l’humidité du sol? • Le besoin – Changement climatique • Mondial, longues périodes, fréquent, stable YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Objectifs scientifiques deSMOS: Humidité superficielle • • Rôle de l’humidité superficielle des sols dans les interactions surface – atmosphère : • Stockage de l’eau (surface et zone racinaire), pompage par la végétation (zone racinaire), fluxes à l’interface (évaporation), influence sur le ruissellement Donc important pour : 1. Prévision météo 2. Etudes du climat 3. Gestion des ressources en eau 4. Gestion des cultures 5. Prévision d’évènements extrêmes Houser, 2005 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Evolution of the standardized rainfall index over the sub-Saharan West Africa (1941-1998) YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Pourquoi l’humidité du sol? • Le besoin – Changement climatique • Mondial, longues périodes, fréquent, stable – Prévision météorologique • Mondial, fréquent YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Amélioration de la prévision • Impact de l’humidité superficielle sur la prévison météorologique •exemple:précipitations 0-1 mm/j 1-2 mm/j 2-4 mm/j 4-8 mm/j >8 mm/j YHK/FC – 09/06/2009 Humide sec Sec - humide França.Br:2009 SMOS Beljaars et al., 96 Prévision météo Moyenne pour l’Oklahoma (72 stations) M Drusch Humidité superficielle model forecast (OI) model forecast (OL) observations • Assèchement trop rapide (modèle inadéquat) •Trop de précipitation en juillet (idem) • Trop peu d’ajout d’eau en condition humide(problème d’analyse). • pas d’eau retirées en conditions sèches (problème d’analyse). Les modèles actuels YHK/FC – 09/06/2009 superficielle. Humidité dans la zone racinaire model forecast (OI) model forecast (OL) observations • propagation des erreurs sur les Precipitations dans la zone racinaire • L’analyse ajoute de l’eau continuellement • la tendence mensuelle est sous estimée n’arrivent pas à produire França.Br:2009 SMOS des estimations précises d’humidité Prévision météo Moyenne pour l’Oklahoma (72 stations) M Drusch Humidité superficielle • utiliser des données satellite permet d’”évacuer” l’eau et donner un assèchement plus réaliste. • Cela donne des estimations plus précises Humidité dans la zone racinaire • La meilleure information sur la surface se propage à la zoone racinaire. • La tendence mensuelle est bien reproduite L’utilisation de champ d’humidité obtenus par satellite améliore l’analyse et donne França.Br:2009 SMOS des résultats plus précis (même avec une mesure peu précise TMI). YHK/FC – 09/06/2009 Pourquoi l’humidité du sol? • Le besoin – Changement climatique • Mondial, longues périodes, fréquent, stable – Prévision météorologique • Mondial, fréquent – Événements extrêmes • Régional, très fréquent YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS • • Rôle de l’humidité superficielle des sols dans les interactions surface – atmosphère : 1. Stockage de l’eau (surface et zone racinaire), pompage par la végétation (zone racinaire), fluxes à l’interface (évaporation), influence sur le ruissellement • Donc important pour : 1. Prévision météo 2. Etudes du climat 3. Gestion des ressources en eau 4. Gestion des cultures 5. Prévision d’évènements extrêmes Les prévisions d’évènements extrêmes nécessitent à la fois la SST et l’humidité des sols YHK/FC – 09/06/2009 SUMMER 1993 RAINFALL MINUS SUMMER 1988 RAINFALL Observations 50N 40N 30N 20N -130 -120 -110 -100 -90 50N 50N 40N 40N 30N 30N -120 -110 França.Br:2009 SMOS -100 -90 -70 Model driven by SSTs and soil moisture Model driven by SSTs 20N -130 -80 20N -70 -130 -80 -120 -110 -100 -90 -80 50S 51S 52S 53S 54S -5 -4 55S -3 -2 0 -1 0 1 2 3 4 60E 5 (mm/day) -70 Pourquoi l’humidité du sol? • Le besoin – Changement climatique • Mondial, longues périodes, fréquent, stable – Prévision météorologique • Mondial, fréquent – Événements extrêmes • Régional, très fréquent – Gestion des ressources en eau • Très fréquent, régional, YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Modélisation du fonctionnement des surfaces continentales aux échelles locales à régionales Climat Advection Ruissellement Flux : CO2, H2O Variables d’état f(t) Biomasse Etat hydrique Sol, Vgt. Carbone du sol … YHK/FC – 09/06/2009 Pratiques agricoles Aménagements França.Br:2009 SMOS Les flux ont des caractéristiques spatio temporelles très différentes. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Certaines quantités sont directement mesurables d’autres non Climatologie Télédétection Précipitations Evapotranspiration Marrakech Occupation du sol N Irrigation Infiltration Sols Nappe YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Approche intégrée Hydrologie Besoins en eau 2002 Blé, Maïs, Tournesol, Soja Modélisation des Flux Juillet Prairies Forêts 2002 2003 Besoins en eau par zone hydrographique Maïs - Cumul juin-juillet-août 2002 2002 Blé Maïs Effet de la sécheresse 2003 sur le NDVI et sur le besoin d'irrigation (cumul mensuel) mensuel) mm 2003 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Inter-annual variations of backscatter (ERS-WSC) in the Sahelian area Jarlan et al. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS ERS-WSC / NDVI VGT Comparison in Sahel Jarlan et al. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS • Mais qu’est ce que l’humidité des sols? L’eau dans : – – – – – – – Les premiers microns, mm, cm, m? La litière La zone racinaire La nappe phréatique Le tout Une partie du tout En incluant l’interception, la neige/glace • Un indice (flétrissement - saturation) • Une variable d’ajustement permettant d’obtenir les bons flux? • Un couleur sur des cartes • Existe-t-elle au moins? • …. YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Comment la mesurer? • Laboratoire – Séchage (gravimétrique) – Analyse d’échantillons – Méthodes chimiques • In situ – Sondes neutroniques – Sondes résistives – Sondes capacitives • Télédétection – visible – Moyen infra rouge – Infra rouge thermique – Micro-ondes passives et actives La télédétection est la seule méthode uniforme et mondiale La télédétection utilisant les micro ondes semble être la seule voie pour cartographier YHK/FC – 09/06/2009 l’humidité de façon mondiale França.Br:2009 SMOS Mesure locale de l’humidité des sols ESTIMATION DE L’HUMIDITE DU SOL PAR ou TELEDETECTION RADAR Télédétection? YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS P. de Rosnay, F. Baup, E. Mougin, C. Gruhier, F. Timouk, P. Hiernaux, I. Chenerie,Y. Kerr Salinité des océans et climat La Lasalinité salinitérelie relieles lesvariations variationsclimatiques climatiquesau aucycle cyclemondial mondialde del’eau l’eauetetlalacirculation circulation océanique océanique: : •• La Lasalinité salinitéinflue influesur surlalaflottabilité flottabilitéde del’eau l’eau courants courantsocéaniques océaniques •• Les Lesvariations variationsde desalinité salinitésont sontliées liéesau aubilan biland’eau d’eaudouce douce (précipitations, (précipitations,ruissellement, ruissellement,fonte fonte des glaces). des glaces). Les Lesocéans océans •• •• évaporent évaporent 86% 86%du dutotal total voient 78% des precipitations voient 78% des precipitations mondiales mondiales Importance Importance •• Prévision Prévisionclimatique climatique Prévisions PrévisionsEl ElNiño Niño •• Cycle Cyclemondial mondialde del’eau l’eau •• YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Processus pilotant la salinité de surface Freshwater Fluxes évaporation Stratification Mélange Courants halocline YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Fonte neige et glace Ruissellement Salinité et la circulation océanique Le “tapis roulant” de l’océan est alimenté par la salinité élevée de l’Atlantique YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Tendances climatiques de la salinité de surface 2000 1965 Adoucissement à grande échelle aux hautes latitudes Atlantique Nord Dickson et al Nature 2003 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Tendances climatiques de la salinité de surface Curry et al, Nature 2003 Accroissement dans la zone subtropicale Curry et al, Nature 2003 ont mis en évidence une tendance pluriannuelle de 5-10 cm/an augmentant le bilan net E-P dans l’atlantique tropical YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Objectifs scientifiques de SMOS: Salinité Pourquoi la salinité des océans ? • Circulation thermohaline. Comment les variations climatiques peuvent provoquer un changement dans la circulation océanique mondiale? • Budget eau douce eau salée. Comment changent la répartition mondiale de précipitation, d’évaporation et le cycle de l’eau? • Rétro- action ocean tropical et climat Lagerloef et al., 2001 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Mesures depuis l’espace Micro ondes - Atmosphère quasi transparente à BF -1.4 GHz : bande protégée YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Pourquoi la bande L 1.4 GHz •Sensibilité aux différents parametres d’intérêt: • plus basse la fréquence meilleure la sensibilité à la salinity • 1.4 GHZ bande protégée •Rotation faraday YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS TB sensibilité YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Comment? • Micro ondes passives – Basse fréquence dans domaine protégé bande L • Acquisitions fréquentes • Forte sensibilité • Problème de la résolution spatiale – Résolution spatiale adaptée – Techniques VLBI-VLA des radio astronomes (LATT) YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Interferométrie 1 • La résolution est donnée par la distance maximum entre antennes • Produits de corrélation s(1)*s(2) → fonction de visibilité V(D/λ) • TF Inverse sur V → TB(θ) YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS 2 D D' θ ∆θ≈ λ / D' ∆θ Les objectifs scientifiques de SMOS: La mission SMOS SMOS est la specifications seconde mission Mission Earth Explorer opportunity . C’est Soil Moisture un projet ESA/CNES/CDTI. multi-angular Initié à Toulouse en 1991, dual pol Selectionné en31999, initié en 2000 4 % vol day revisit Phase B(Vegetation achevée, C/D 7 day)intiée en Janvier 2004 lancement en betterpour than un 50 km 2009 Une nouvelle technique (interférométrie 2D)Salinity afin de fournir Sea Surface multi mondiales acquisitions de des mesures pol or 1st stokes clefs l’espacedual de variables better than 0.1pour psu la (Salinité et humidité) day to monthly première10 fois. TB(40,V) 1st February 87 (K) •Need for soil moisture and sea surface salinity fields •Only passive L band suitable •Real aperture systems currently not adequate (antenna size) ==>Synthetic antenna TB(40,H) 1st February 87 (K) 300 0 0 720 TB(40,H) 1st February 87 (K) TB(40,H) 1st February 87 (K) 300 Grid scale (200 km) Pellarin et al Le Traon et al YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS 0 0 720 Charge utile (deployed) Instrument SMOS : MIRAS derived concept CASA EADS (Spain) BUS: PROTEUS Alcatel Space Industry Lanceur ROCKOT Segment sol : Level 0-2 Villafranca Level 3-4 Toulouse Charge utile (gerbée) Esa lead avec contributions de France et d’Espagne SMOS dans Rockot França.Br:2009 SMOS CASA EADS, 2003 SMOS Baseline • Configuration 18+5 elements /arm • Altitude moyenne --> 757 km +/- 500 m • 30° steer angle • 32.5° tilt angle • Ecartement des éléments 0.875 λ • Dual ou Full pol YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Concept SMOS FOV; 755 km, 3x6, 33°, 0.875λ, Le temps d’intégration est fixé à 1.2s par polarisation. Une image complète (H et V) est donc acquise toutes les 2.4s. Pendant ce temps, le satellite s’est déplacé d’environ 17km. Chaque image recouvre donc très largement la précédente Résolution moyenne 43 km, couverture mondiale YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS P. Waldteufel, 2003 La séquence d’acquisition • Le temps maximum entre deux acquisition sur un point est de 3 jours • Chaque point de la surface est vu sous différentes incidences. • La séquence complète (au mieux environ 80 H/V acquisitions) permet d’échantillonner la signature directionnelle de la température de brillance. Satellite Spacecraft velocity Earth Swath 1000 km ηm dN 30° Local incidence angle θ θ = 55° Nadir path YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Results – L1c • All snapshots for 3 half orbits • Extensive periods for reduced areas of interest YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Point sur le projet SMOS • • • • • • • • • • Instrument fini testé livré monté sur le bus PROTEUS 06/07 Lancement Rockot 2009 Segment Sol niveaux 0-2 (ESAC Villafranca Espagne) Segment sol niveau 3-4 (Brest et Toulouse) Appel d’offres science etCal val lancé (bon succès) Campagnes (SMOS REX, Eurostarrs, COSMOS, NAFE, AMMA) Nombreuses études et nouveaux défis scientifiques Développement d’algorithmes, temps quasi réel Interactions avec le centre européen França.Br:2009 SMOS YHK/FC – 09/06/2009 Préparation du futur! YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS F Cabot et al Simulations – L1C YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS F Cabot et al Simulations – L2SM YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS F Cabot et al Products – L1C YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Danube Catchment Area, Quick look images II HUT Team,2008 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS N Reul 2008 Monthly Retrieved fields for Year 2003 YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS E. LeRoy Ladurie in L’Histoire Et si Réchauffement climatique voulait dire très froid!!! YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS Conclusions • SMOS sera la première mission fournissant des champs mondiaux et fréquents d’humidité superficielle et de salinité des océans. • C’est une initiative Toulousaine qui est maintenant internationale • Après 20 (10) ans prêt à être lancé 2009 • Nous espérons que ce sera un outil efficace pour améliorer les prévisions météo et climatiques • Mais • Il reste encore beaucoup de travail • Et • La prévison et le suivi ne résolvent aucun problème, c’est à nous de changer les tendances par nos actions, SMOS ne mesurera que l’étendue des dégats…ce n’est qu’un thermomètre (médical!) • Et… • Il reste du travail…. • Aussi vais-je arrêter ici et YHK/FC – 09/06/2009 França.Br:2009 SMOS http//www.cesbio.ups-tlse.fr/us/indexsmos.html Répondre à vos questions! YHK/FC – 09/06/2009 Merci! França.Br:2009 SMOS
