Assimilation des données SMOS dans un modèle des surfaces continentales : mise en œuvre et évaluation sur la France

Assimilation of SMOS data into a land surface model : implementation and evaluation over France

• Auteur / Autrice : Marie Parrens
• Direction : Jean-Christophe Calvet, Jean-François Mahfouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère et surfaces continentales
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels en télédétection

Mesure

Humidité du sol

Mots clés libres

Humidité du sol

Télédétection

Assimilation de données

Surfaces continentales

Smos

Température de brillance

Rugosité du sol

Bande L

Résumé

Assimiler l'humidité superficielle du sol (SSM) dans un modèle de surface améliore la modélisation du contenu en eau du sol. La télédétection est un outils indispensable pour suivre l'évolution de cette variable. SMOS, lancé en Novembre 2009, est le premier satellite dédié à l'étude de l'humidité du sol. Les premières données SMOS ont été comparées aux données ASCAT sur la France. Les données ASCAT se corrèlent mieux aux observations in situ et aux SSM simulées que les données SMOS pendant l'année 2010. Sur le sol nu du site de SMOSREX (2003-2005), les SSM mesurés ont été assimilées dans une nouvelle version multi-couches du modèle Interaction entre le Sol, la Biosphère et l'Atmosphère (ISBA). Un Filtre de Kalman Etendu Simplifié (SEKF) a été utilisé pour analyser le profil d'eau du sol dans les 11 couches de la version multi-couches du modèle de surface (ISBA-DF). Pendant les périodes sèches, les corrections impactent les 15 premiers centimètres du sol alors que pendant les périodes humides, des corrections moins intenses affectent l'ensemble de la colonne de sol. Afin de préparer l'assimilation des températures de brillance (TB), des TB ont été simulées par couplage entre ISBA-DF et un modèle d'émission micro-ondes (CMEM). Avec ISBA-DF, il est préférable de modéliser les TB en utilisant l'approche de Wilheit pour le calcul de l'émissivité de surface lisse et de prendre en compte l'impact des variations de SSM dans le calcul de la rugosité. Finalement, les TB de SMOSREX ont été assimilées dans ISBA-DF. Considérer CMEM comme opérateur d'observations dans le SEKF permet d'obtenir un état analysé proche de celui obtenu lors de l'assimilation des SSM dans ISBA-DF.

Assimilating surface soil moisture (SSM) in a land surface model permits a better monitoring of the soil water content. Remote sensing is an indispensable tool for monitoring the evolution of SSM, both spatially and temporally. SMOS was launched in November 2009 and it is the first satellite specifically dedicated to SSM mapping over continents. A comparison of the first SMOS data with ASCAT over France showed that the ASCAT product was better correlated with in situ SSM observations and with SSM simulations for the year 2010. Over bare soil plot of SMOSREX (2003-2005), in situ SSM were assimilated into a new multi-layer version of the soil module of the Interaction between the Soil, Biosphere, Atmosphere (ISBA) land surface model. A simplified Extended Kalman Filter was used to analyze 11 soil layers of the ISBA multi-layer version (ISBA-DF). For dry periods, corrections affected a shallow 0-15 cm top soil layer. For wet period, weaker corrections were applied for the entire column. To prepare the assimilation of the TB, the TB were produced by coupling ISBA-DF with a microwave emission model (CMEM). With ISBA-DF, computing TB using the Wilheit smooth surface emissivity and taking into account an impact of SSM on soil roughness is recommended. Finally, the SMOSREX TB observations were assimilated by ISBA-DF. Considering CMEM as an observation operator provided a SSM and total soil water content analysis similar to the analysis obtained by assimilating direct SSM observations in ISBA-DF.