Projet ANR-13-JS06-0003 – MIXMOD-E : Régionalisation et suivi multi-échelle de l'évaporation du sol à partir des données actuellement disponibles et d'une approche de modélisation mixte
Programme : JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier MERLIN (Université Paul Sabatier - Centre d'Etudes Spatiales de la Biosphère)
Partenaires : Centre d'Études Spatiales de la Biosphère
Montant : 219048.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Vers une nouvelle représentation de l'évaporation du solLes modélisations actuelles de l’évaporation du sol sont difficilement régionalisables à cause d’un manque soit de physique dans les modèles issus de lois expérimentales, soit de données pour calibrer les modèles théoriques aux échelles d’application. Le développement d'un modèle multi-échelle de l'évaporation du sol aurait de nombreuses applications en agronomie, hydrologie, météorologie et climatologie.
Un modélisation multi-échelle basée sur les données disponiblesLes prévisions agronomiques, hydrologiques, météorologiques et climatiques s’appuient sur une représentation multi-échelle de l’évaporation du sol sur des zones étendues. La partition de l’évapotranspiration en évaporation du sol et transpiration des plantes est importante pour modéliser l’absorption de l’eau par la végétation, les interactions surface-atmosphère et les simulations du climat. Les régions qui ont le plus de surface de sol nu sont les régions arides et semi-arides, mais de grandes surfaces de sol nu apparaissent aussi en montagne aux hautes altitudes et temporairement sur les zones agricoles. Le terme d’évaporation correspond à la partie de l’évapotranspiration qui n’est pas utilisable pour la productivité des cultures, et le terme de transpiration est, durant les périodes de stress de la végétation, directement lié au contenu en eau de la zone racinaire ou autrement dit le besoin en eau des cultures. Les modélisations actuelles de l’évaporation du sol sont difficilement régionalisables à cause d’un manque soit de physique dans les modèles issus de lois expérimentales, soit de données pour calibrer les modèles théoriques aux échelles d’application. Dans ce contexte, le projet MIXMOD-E a deux objectifs principaux 1) améliorer la modélisation de l’évaporation du sol à partir des données disponibles, et 2) développer un algorithme de télédétection multi-capteur/multi-résolution de l’évaporation du sol et de la partition de l’évapotranspiration en évaporation-transpiration.
Modélisation phénoménologique et observations multi-spectrale/multi-résolutionL’approche envisagée consiste à développer un modèle phénoménologique (intermédiaire entre théorie et expérience) à partir d’un jeu de données multi-site, d’une approche de modélisation mixte (mécaniste, globale et phénoménologique), et des données de télédétection disponibles telles que l’humidité du sol en surface, la température de surface, la couverture végétale et l’albédo de surface. Ce modèle sera implémenté au sein d’une méthode de désagrégation (DISPATCH) des données d'humidité du sol SMOS/SMAP, et de deux schémas de surface (ISBA/HTESSEL) afin d’estimer l’évaporation du sol et la partition évaporation-transpiration à des résolutions multiples et sur des zones étendues. Il est prévu de tester ces approches sur plusieurs sites (Sud-Ouest en France, Haouz au Maroc, Urgell en Espagne, Chimbarongo au Chili, et Murrumbidgee en Australie) où des mesures in situ sont réalisées.
Résumé de la soumission : Les prévisions agronomiques, hydrologiques, météorologiques et climatiques s’appuient sur notre capacité à représenter avec précision le processus d’évaporation du sol (E), qui est la condition limite du sol et de l’atmosphère. Pour une grande variété d’applications, l’E devrait être modélisée sur des zones étendues à des échelles multiples. De nombreux modèles de l’E ont été développés depuis les années 60. Les modèles mécanistes à bases théoriques ont été très utiles pour comprendre et décrire les processus physiques contrôlant l’E tels que le drainage gravitaire, les remontées capillaires, la diffusion de vapeur, et l’interaction avec la limitation évaporatoire atmosphérique. Leur régionalisation a cependant été un défi notoire à cause de la non disponibilité et la grande incertitude des propriétés hydrauliques des sols sur des zones étendues (~100 m – 100 km) et le manque de données à ces échelles. Des modèles simplifiés ont généralement été utilisés aux différentes échelles d’application, mais leur régionalisation s’est fondée sur des relations empiriques ou ad hoc avec les propriétés hydrauliques ou la texture des sols. Aujourd’hui, aucune des formulations existantes de l’E n’a été validée dans des conditions de sol et d’interface sol-atmosphère variées, et il n’existe pas de consensus sur le meilleur moyen de paramétrer E. Le développement rapide des réseaux de mesures locaux, régionaux et globaux (e.g. Ameriflux, GHGEurope) permet désormais l’avènement de modèles améliorés.Un problème connexe est que l’E n’est pas directement observable par télédétection, alors que notre capacité d’observer des quantités liées à l’E comme l’humidité du sol est croissante avec des technologies nouvelles de télédétection telles que les missions spatiales en bande L SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) et SMAP (Soil Moisture Active Passive). Plusieurs études ont montré la possibilité de combiner la couverture végétale issue des réflectances, la température de surface issue du thermique, et l’humidité du sol issue des micro-ondes, pour répartir l’évapotranspiration (ETR) en E et transpiration des plantes (TR), et estimer indirectement l’E. Cependant, aucune méthode de télédétection n’a encore vu le jour parce que les produits de température et d’humidité sont actuellement disponibles à des résolutions spatiales différentes, et qu’il n’existe pas de modèle quasi-instantané de l’évaporation du sol qui combine ces données de manière cohérente. L’objectif de cette proposition est donc de combler cette lacune sur la représentation de l’E en développant un modèle phénoménologique (intermédiaire entre théorie et expérience) original 1) qui est valide dans des conditions de sol et d’interface sol-atmosphère variées tout en s’appuyant sur les données disponibles aux échelles d’application et 2) qui peut être couplé aux données spatiales actuellement disponibles de couverture végétale, de température de surface, et d’humidité du sol. Les différentes étapes seront 1) de développer un modèle de l’E basé sur la texture des sols et de le comparer à des modèles état-de-l’art 2) d’examiner trois approches (mécaniste, basée sur les données, mathématique) afin d’évaluer quantitativement l’impact du profil d’humidité et de l’état de surface des sols sur l’E, 3) de mettre en œuvre le nouveau modèle dans un schéma de désagrégation basée sur le thermique de l’humidité SMOS/SMAP et de valider l’E estimée à haute résolution (~100 m) à partir de mesures in situ collectées dans des conditions pédo-hydro-climatiques variées au Chili, en Espagne, en France, et au Maroc, et 4) de mettre en œuvre le nouveau modèle dans les schémas de surface du CNRM (ISBA/SURFEX) et de l’ECMWF (H-TESSEL) et de valider l’E simulée à grande échelle à partir des estimations de télédétection (précédemment validées à haute résolution avec les mesures in situ) agrégées aux résolutions correspondantes.
Résultats : La plupart des expériences terrain initialement prévues ont été réalisées : déploiement et collecte 6 mois plus tard de 135 ibuttons dans la vallée d’Imlil (Maroc), mesures des températures du sol extrêmes et mesures spatialisées de l’humidité du sol sur une zone irriguée de la plaine du Haouz (Maroc), mesures de la conductivité électrique à Montoussé et Auradé (France), installation et enlèvement 3 mois plus tard d’un lysimètre à Chimbarongo (Chili). La manipulation flux de sève aura lieu ce printemps (2015) à Lamasquère (France). 
Durant cette première phase de 18 mois, le travail de modélisation de l’évaporation du sol s’est organisé autour de trois axes complémentaires : 1) une modélisation phénoménologique à partir d’un jeu de données multi-site composé d’une trentaine de sites dont ceux du réseau GHGEurope, 2) une modélisation mécaniste avec le modèle TEC en collaboration avec l’INRA, et 3) une modélisation globale avec l’outil GloMo. Les axes 2 et 3 sont menés conjointement par Vivien Stefan dans le cadre de sa thèse co-financée par le projet ANR. Les travaux de télédétection ont apporté les résultats suivants : 1) le développement d’un nouveau modèle de l’évapotranspiration (SEB-1S, Merlin 2013) et de la partition entre évaporation du sol et transpiration des plantes (SEB-4S, Merlin et al. 2014) à partir des données de température de surface, 2) l’intégration réussie d’un modèle de bilan d’énergie du sol dans SEB-1S (Stefan et al. 2015 soumis à HESS), 3) l’évaluation de l’humidité du sol DISPATCH à 1 km de résolution (Malbéteau et al. 2015 soumis à JSTARS), et 4) la définition d’un nouvel indicateur de performance des algorithmes de désagrégation de données spatiales (Merlin et al. 2015).
Perspectives : Durant les 18 premiers mois du projet, un effort important a été mis sur les campagnes terrain en France, au Maroc et au Chili. Nous allons maintenant nous concentrer davantage sur la modélisation et son couplage avec les données de télédétection multi-capteur.
Comme perspective au projet ANR MIXMOD-E, le projet H2020 REC (récemment accepté au programme RISE 2013) a pour objectif d’apporter une solution au besoin d’information sur le status hydrique des cultures à une échelle spatio-temporelle pertinente pour la gestion quotidienne de l’irrigation. Il s’agit en particulier d’estimer l’humidité en zone racinaire par télédétection multi-capteur/multi-résolution. Les partenaires de ce nouveau projet proposent d’intégrer les modèles et méthodes MIXMOD-E dans un système d’aide à la décision. Il s’agit en particulier 1) d’affiner le bilan d’eau à l’échelle de la parcelle notamment par une meilleure prise en compte de la partition entre évaporation du sol et transpiration des plantes et 2) de développer des synergies entre les données DISPATCH et les humidités du sol issues des capteurs microondes actives (SAR) tels que Sentinel-1 (le but de ces synergies est d'obtenir un produit d’humidité de surface à haute résolution spatiale et temporelle). La réalisation des objectifs de REC ouvrira la voie à un large éventail de futurs projets en réseau. Les partenaires ont déjà identifié plusieurs domaines d'intérêt commun, tels que l'empreinte de l'eau, la surveillance des risques naturels de sécheresse, d’incendie et d’inondation.
Publications et brevets : Merlin O, An original interpretation of the wet edge of the surface temperature–albedo space to estimate crop evapotranspiration (SEB-1S), and its validation over an irrigated area in northwestern Mexico. Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 3637-3637, doi:10.5194/hess-17-3623-2013 (2013). 
Merlin O., J. Chirouze, A. Olioso, L. Jarlan, G. Chehbouni, and G. Boulet, An image-based four-source surface energy balance model to estimate crop evapotranspiration from solar reflectance/thermal emission data (SEB-4S). Agricultural and Forest Meteorology, 184, 188-203 http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2013.10.002 (2014). 
Bandara R., J. P. Walker, C. Rüdiger and O. Merlin, Towards soil property retrieval from space: An application with disaggregated satellite observations. Journal of Hydrology 522 (2015) 582–593, 2015. 
Merlin O., Y. Malbéteau, Y. Notfi, S. Bacon, S. Er-Raki, S. Khabba and L. Jarlan, Performance metrics for soil moisture downscaling methods: Application to DISPATCH data in central Morocco, Remote Sensing, Remote Sens. 2015, 7, 1-x; doi:10.3390/, 2015.
Malbéteau Y., O. Merlin,  B. Molero, C. Rüdiger, S. Bacon, DisPATCh as a tool for improving validation strategies of coarse-scale remotely sensed soil moisture: Application to SMOS and AMSR-E data in Southeastern Australia. Submitted to International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2015. 
Stefan V. G., O. Merlin, S. Er-Raki, M.J. Escorihuela, and S. Khabba. Consistency between in situ, model-derived and image-based soil temperature endmembers: towards a robust data-based model for multi-resolution monitoring of crop evapotranspiration. Submitted to Hydrol. Earth Sci. Syst., hess-2015-91, 2015.