La télédétection a transformé la capacité de surveiller ces blocs de neige dynamiques, souvent inaccessibles, depuis l'espace et les aéronefs. En exploitant différentes parties du spectre électromagnétique et en utilisant des technologies de détection avancées, les scientifiques peuvent maintenant mesurer l'étendue, la profondeur, l'équivalent en eau, l'albédo et la température à travers les échelles continentales avec une résolution temporelle sans précédent. Ces observations sous-tendent les prévisions opérationnelles de l'approvisionnement en eau, les évaluations des risques d'inondation, les études sur les changements climatiques et les décisions de gestion des écosystèmes.

Importance de la surveillance de la couverture et des paquets de neige

La couverture de neige influence le bilan énergétique, l'hydrologie et la circulation atmosphérique de la Terre. À l'échelle mondiale, la neige saisonnière affecte environ le tiers des terres et est la source d'eau pour plus d'un milliard de personnes. Une surveillance précise de l'étendue de la neige et de l'équivalent en eau de neige (EEP) est essentielle pour prédire le ruissellement printanier, gérer les opérations des réservoirs et atténuer les risques d'inondation et de sécheresse.

Principes physiques de la télédétection pour la neige

La télédétection de la neige repose sur les interactions entre l'énergie électromagnétique et les propriétés des paquets de neige à différentes longueurs d'onde.Chaque technique exploite des interactions physiques spécifiques : la réflectance dans les rayons visibles et quasi infrarouges (VNIR) révèle la taille et les impuretés du grain de neige; les émissions infrarouges thermiques indiquent la température de surface; la rétrodiffusion active du micro-ondes est sensible à l'humidité de la neige et aux propriétés diélectriques; et les températures de luminosité passive du micro-ondes sont corrélées avec la SWE en sensibilisant la couche de neige.

Dans le domaine optique (0,4 à 2,5 μm), la neige sèche est très réfléchissante, surtout dans le visible (réflexion > 90 %), tout en diminuant dans le proche infrarouge à mesure que la taille du grain augmente. Les capteurs infrarouges thermiques (8 à 14 μm) mesurent le rayonnement émis par la surface de la neige, fournissant une température de surface essentielle pour calculer l'énergie de fusion. Les capteurs à micro-ondes actifs (radar d'ouverture synthétique, SAR) fonctionnent à des longueurs d'onde telles que la bande C (5,6 cm), la bande L (23 cm) et la bande X (3 cm). Le signal de rétrodiffusion complexe contient des informations sur la profondeur de la neige, l'humidité et les conditions sous-jacentes du sol.

Techniques clés de télédétection pour l'analyse de la neige

Imagerie optique par satellite

Les capteurs optiques sur satellites tels que Landsat 8/9 (OLI), Sentinel-2 (MSI), MODIS (sur Terra et Aqua) et VIIRS (sur NOAA-20) fournissent des images multispectrales à des résolutions allant de 10 à 30 mètres (Landsat/Sentinel) à 250 à 500 mètres (MODIS). Ces capteurs mesurent le rayonnement solaire réfléchi dans plusieurs bandes qui distinguent la neige des nuages, de la végétation, du sol nu et de l'eau. L'indice de différence normalisée de neige (NDSI) utilise des bandes infrarouges vertes et à ondes courtes pour cartographier efficacement la couverture de neige.

Sensation infrarouge thermique

Les capteurs infrarouges thermiques (TIR) mesurent le rayonnement émis par les ondes longues de la surface terrestre de 8 à 14 μm. Les instruments comme le capteur infrarouge thermique (TIRS) sur Landsat 8/9 (résolution de 100 m) et le capteur ASTER permettent de récupérer la température de surface de la neige. La température de surface de la neige est une variable clé dans les modèles de bilan énergétique qui prédisent les taux de fusion. La différence de température entre la neige et les surfaces environnantes peut également améliorer la détection des nuages et la cartographie optique de la neige.

Détection à distance radar et micro-ondes

Les capteurs de micro-ondes, actifs (radar) et passifs (radiomètre), offrent une capacité de tous les temps, jour et nuit, car les nuages sont largement transparents à des longueurs d'onde plus longues. Les instruments de radar d'ouverture synthétique (SAR) comme Sentinel-1 (bande C), Radarsat-2 (bande C), ALOS-2 (bande L) et la mission NISAR (bande L et S) qui se prépare à l'avenir fournissent des images à haute résolution (10 à 30 m) qui permettent de détecter l'étendue de la neige, les changements de profondeur et l'humidité. La neige sèche est relativement transparente pour SAR, permettant à l'onde radar de pénétrer dans les couches de sol ou de glace sous-jacentes; la neige humide, par contraste, absorbe ou diffuse le signal, qui apparaît sombre.

Les radiomètres à micro-ondes passifs à bord de satellites comme le radiomètre à micro-ondes avancé 2 (AMSR2) et le capteur spécial Microwave Imager/Sondeur (SSMIS) offrent une couverture mondiale fréquente à résolution grossière (5 à 50 km). Ces capteurs mesurent le rayonnement à micro-ondes émis à plusieurs fréquences. La différence de température de luminosité entre les canaux à haute et à basse fréquence (p. ex. 37 GHz et 19 GHz) est sensible à l'EHD, car la neige plus profonde disperse davantage l'émission du sol à des fréquences plus élevées, réduisant la température de luminosité.

LiDAR (Détection et rangage de la lumière)

Les systèmes LiDAR aéroportés et spatiaux, tels que NASA's Ice, Cloud et Land Elevation Satellite (ICESat-2) avec l'altimètre laser ATLAS et les missions de balayage laser aéroporté (ALS), mesurent l'altitude de la surface de la neige à haute précision (<10 cm verticale). En différant les relevés LiDAR en neige et en neige, les scientifiques peuvent calculer directement la profondeur de la neige à travers les paysages. Cette approche est inestimable pour valider les récupérations par satellite et améliorer la compréhension des processus dans des terrains complexes.

Propriétés de la neige mesurables et approches de récupération

Étendue et couverture de la neige

La fraction de terre couverte par la neige (étendue de la couverture de neige, SCE) est le produit le plus basique. Les algorithmes NDSI optiques classent chaque pixel comme neige, nuage ou terre. MODIS fournit une couverture de neige globale quotidienne à une résolution de 500 m avec ~90% de précision dans des conditions claires. Pour les études climatiques, les changements de SCE hémisphérique (surtout le moment de la fonte du printemps) servent d'indicateurs du changement climatique.

Profondeur de neige

La profondeur de la neige peut être mesurée à l'aide de radars LiDAR aéroportés, de radars de pénétration au sol ou de relations empiriques avec des rétro-récatters à micro-ondes. Des altimètres radars sur satellites (par exemple, sur ESA , CryoSat-2, initialement conçus pour les calottes de glace) ont été testés sur neige saisonnière, mais leur résolution spatiale grossière limite l'utilisation opérationnelle.

Équivalent en eau de neige (ESN)

Les méthodes alternatives combinent la couverture optique fractionnée de neige et l'apprentissage par machine ou la réanalyse des données pour produire des estimations de l'EHD maillées (p. ex., le Système d'assimilation des données de neige SNODAS). Le micro-ondes actif (SAR) a montré des promesses en utilisant l'assimilation des données et la modélisation de la rétrodiffusion, mais aucun produit SWE opérationnel ne correspond encore à la précision des mesures au sol.

Albédo neige

La proportion de rayonnement solaire réfléchie par la neige (albédo de surface) contrôle le taux de fusion et la rétroaction climatique. Les capteurs optiques à bandes infrarouges proches multiples (p. ex. bandes MODIS 1–7) peuvent dériver l'albédo à large bande par des modèles de transfert radiatif. Le produit MODIS albédo (MCD43A3) fournit l'albédo quotidien à 500 m, largement utilisé dans la modélisation du bilan énergétique.

Température de surface de neige

La température de surface terrestre (LST) des capteurs thermiques (par exemple Landsat 8 TIRS, MODIS MOD11) est utilisée pour calculer les flux de chaleur sensibles et latents qui conduisent à la fonte. Les données LST sont disponibles dans le monde entier, mais nécessitent un filtrage prudent des nuages et une moindre précision sur les surfaces de neige hétérogènes.

Applications de la télédétection en hydrologie des neiges

Les prévisions d'approvisionnement en eau dans les régions montagneuses comme l'ouest des États-Unis, les Andes, l'Himalaya et les Alpes.[File de données sur les données sur les données sur

Défis et limites

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Orientations futures et technologies émergentes

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Conclusion

Les capteurs optiques, thermiques, radars, à micro-ondes passifs et LiDAR apportent chacun des capacités uniques qui, lorsqu'ils sont intégrés, donnent une image complète de la dynamique de la neige. Malgré les limites que posent les nuages, le relief et la résolution, les progrès continus des capteurs et les méthodes de calcul améliorent constamment la précision et la couverture des produits de la neige.Pour les gestionnaires de l'eau, les spécialistes du climat et les intervenants en cas d'urgence, ces outils de télédétection permettent de mieux se préparer aux impacts hydrologiques d'un climat changeant.