Changement de masse des glaciers à l’échelle mondiale par analyse spatiotemporelle de modèles numériques de terrain

Global glacier mass change by spatiotemporal analysis of digital elevation models

• Auteur / Autrice : Romain Hugonnet
• Direction : Etienne Berthier, Daniel Farinotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec École polytechnique fédérale (Zurich, Zurich, Suisse)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Anny Cazenave
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : J. Ignacio López Moreno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Irena Hajnsek, Jonathan L. Bamber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Déglaciation

Mots clés libres

Ressource en eau

Statistiques spatiales

Niveau de la mer

Analyse d'incertitude

Water resources

Spatial statistics

Sea-level rise

Uncertainty analysis

Résumé

Les glaciers de la planète rétrécissent rapidement, et produisent des impacts qui s'étendent de la hausse du niveau de la mer et la modification des risques cryosphériques jusqu'au changement de disponibilité en eau douce. Malgré des avancées significatives durant l'ère satellitaire, l'observation des changements de masse des glaciers est encore entravée par une couverture partielle des estimations de télédétection, et par une faible contrainte sur les erreurs des évaluations associées. Dans cette thèse, nous présentons une estimation mondiale et résolue des changements de masse des glaciers basée sur l'analyse spatio-temporelle de modèles numériques de terrain. Nous développons d'abord des méthodes de statistiques spatio-temporelles pour évaluer l'exactitude et la précision des modèles numériques de terrain, et pour estimer des séries temporelles de l'altitude de surface des glaciers. En particulier, nous introduisons un cadre spatial non stationnaire pour estimer et propager des corrélations spatiales multi-échelles dans les incertitudes d'estimations géospatiales. Nous générons ensuite des modèles numériques de terrain massivement à partir de deux décennies d'archives d'images optiques stéréo couvrant les glaciers du monde entier. À partir de ceux-ci, nous estimons des séries temporelles d'altitude de surface pour tous les glaciers de la Terre à une résolution de 100,m sur la période 2000--2019. En intégrant ces séries temporelles en changements de volume et de masse, nous révélons une accélération significative de la perte de masse des glaciers à l'échelle mondiale, ainsi que des réponses régionalement distinctes qui reflètent des changements décennaux de conditions climatiques. En utilisant une grande quantité de données indépendantes et de haute précision, nous démontrons la validité de notre analyse pour produire des incertitudes robustes et cohérentes à différentes échelles de la structure spatio-temporelle de nos estimations. Nous espérons que nos méthodes favorisent des analyses spatio-temporelles robustes, en particulier pour identifier les sources de biais et d'incertitudes dans les études géospatiales. En outre, nous nous attendons à ce que nos estimations permettent de mieux comprendre les facteurs qui régissent le changement des glaciers et d'étendre nos capacités de prévision de ces changements à toutes échelles. Ces prédictions sont nécessaires à la conception de politiques adaptatives sur l'atténuation des impacts de la cryosphère dans le contexte du changement climatique.

The world's glaciers are shrinking rapidly, with impacts ranging from global sea-level rise and changes in freshwater availability to the alteration of cryospheric hazards. Despite significant advances during the satellite era, the monitoring of the mass changes of glaciers is still hampered by a fragmented coverage of remote sensing estimations and a poor constraint of the errors in related assessments. In this thesis, we present a globally complete and resolved estimate of glacier mass changes by spatiotemporal analysis of digital elevation models. We first develop methods based on spatiotemporal statistics to assess the accuracy and precision of digital elevation models, and to estimate time series of glacier surface elevation. In particular, we introduce a non-stationary spatial framework to estimate and propagate multi-scale spatial correlations in uncertainties of geospatial estimates. We then massively generate digital elevation models from two decades of stereo optical archives covering glaciers worldwide. From those, we estimate time series of surface elevation for all of Earth's glaciers at a resolution of 100,m during 2000--2019. Integrating these time series into volume and mass changes, we identify a significant acceleration of global glacier mass loss, as well as regionally-contrasted responses that mirror decadal changes in climatic conditions. Using a large amount of independent, high-precision data, we demonstrate the validity of our analysis to yield robust and consistent uncertainties at different scales of the spatiotemporal structure of our estimates. We expect our methods to foster robust spatiotemporal analyses, in particular to identify sources of biases and uncertainties in geospatial assessments. Furthermore, we anticipate our estimates to advance the understanding of the drivers that govern glacier change, and to extend our capabilities of predicting these changes at all scales. Such predictions are critically needed to design adaptive policies on the mitigation of cryospheric impacts in the context of climate change.