Publié le 31 janvier 2025
Améliorer la surveillance du climat en faisant progresser notre compréhension des réponses des signaux radar (télédétection par hyperfréquences actives) aux interactions rapides terre-atmosphère au cours de la journée : tel est l'objectif du projet WAVETRAX. Le projet étudiera les interactions des signaux radar avec les variables climatiques essentielles (ECVs pour Essential Climate Variables) afin de combler les lacunes dans l'interprétation des données satellitaires et d'améliorer ainsi la précision de la surveillance du climat. La première étape essentielle consiste à améliorer la compréhension sur le terrain des réponses des signaux radar (hyperfréquences) à ces processus rapides. L'équipe du projet a donc installé ses propres antennes radar sur trois sites pour commencer à collecter des données.
Surveillance des processus subjournaliers
Les données satellitaires fournissent des informations précieuses sur le système terrestre et jouent un rôle clé dans la surveillance de notre climat. Cependant, les missions satellitaires actuelles sont limitées dans leur capacité à capturer les processus locaux et rapides du système terrestre, tels que la redistribution de l'humidité dans le continuum sol-plante-atmosphère entraînée par la transpiration des plantes, ou les événements de pluie sur la neige qui modifient la microstructure et la stratigraphie de la neige.
Les futures missions de télédétection par satellite peuvent combler ce manque critique de données d'observation en se concentrant sur la surveillance des processus subjournaliers. Par exemple, les observations par capteurs RADAR ( hyperfréquences actives) sont très sensibles aux variations de l'humidité du sol, de la teneur en eau de la végétation et des propriétés de la neige, ce qui les rend bien adaptées à l'observation des dynamiques rapides de l'hydrosphère, de la biosphère et de la cryosphère.
Mais avant de démontrer comment les nouveaux concepts de missions satellitaires radar pourraient combler ce déficit d'observation, il est essentiel d'améliorer la compréhension sur le terrain des réponses des hyperfréquences aux processus subjournaliers.
Trois sites et six capteurs
Le projet STEREO-IV WAVETRAX vise à améliorer notre connaissance des signaux radar et de leur relation avec les processus terrestres subjournaliers, par le biais d'expériences avec des tours radar. Au total, trois sites seront équipés, chacun avec deux capteurs radar modernes :
- le site des Fermes Universitaires de Louvain (FERM) près de Louvain-La-Neuve, en Belgique, sera équipé d'un radar en bande C (5.4 GHz) et d'un radar en bande L (1.4 GHz) ;
- le site de Brundage dans les montagnes Rocheuses de l'Idaho (États-Unis) sera équipé de deux radars en bande C :
- le site de Weissfluhjoch, près de Davos (Suisse), d'un radar en bande C et d'un radar en bande Ku (13,5 et 17,3 GHz).
En parallèle des mesures radar locales, effectuées à un intervalle de temps inférieur à l'heure, l’équipe recueillera, presque en continu, des données de diverses propriétés du sol, de la végétation et de la neige.
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| Radar Band | Frequency | Wavelength | Applications and Use Cases |
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Ka |
27–40 GHz | 1.1–0.8 cm | Rarely used |
| K | 18–27 GHz | 1.7–1.1 cm | Rarely used |
| Ku | 12-18 GHz | 2.5 - 1.67 cm | Ocean surface winds, sea ice, ice sheets, snow properties; altimetry |
| X | 8 – 12 GHz | 3.8 – 2.5 cm | Urban monitoring, ice and snow, weather monitoring, little penetration into vegetation cover |
| C | 4 – 8 GHz | 7.5 – 3.8 cm | Land use, agricultural monitoring, deforestation, ice, ocean, and maritime navigation |
| S | 2 – 4 GHz | 15 – 7.5 cm | Biomass, forestry management, soil moisture, geology, and hydrology |
| L | 1 – 2 GHz | 30 – 15 cm | Soil moisture, glaciers, geophysical monitoring; biomass and vegetation mapping; inSAR |
| P | 0.3 – 1 GHz | 100 – 30 cm | Deepest penetration capabilities, landslides, erosion, archaeology, and wetlands |
Le spectre électromagnétique avec les bandes SAR en évidence. Le tableau indique les bandes SAR avec leur fréquence et leur longueur d'onde associées, ainsi que les applications typiques pour cette bande. Source: https://www.earthdata.nasa.gov/learn/earth-observation-data-basics/sar
Continuité de la recherche pour des analyses approfondies
La figure ci-dessous présente un profil vertical de l'intensité de la rétrodiffusion radar (polarisation HH et HV) en fonction du temps, mesurée à l'aide d'un capteur radar en bande C, ainsi que des observations in situ de l'épaisseur de la neige (SD pour Snow Depth) et de l'équivalent en eau de neige (SWE pour Snow Water Equivalent) sur un site d'essai dans les montagnes Rocheuses de l'Idaho, aux États-Unis.
Issues du projet STEREO III C-SNOW, ces données fournissent des informations essentielles sur les sources de diffusion à l'intérieur du manteau neigeux et à la surface du sol, et sur la manière dont ces contributions changent après les processus de fonte et de gel, ou la formation de couches de glace.
Données quotidiennes de la tour radar (dB) sur le site d'étude de Bogus Basin, Idaho, États-Unis, pour les saisons d'hiver 2022-2023 et 2023-2024. Les deux cadres du haut montrent comment la diffusion radar au sein du volume de neige et du sol évolue au fil du temps, respectivement en polarisation HH et HV. L'axe vertical représente la distance (m) par rapport au radar, l'axe horizontal le temps, et la couleur indique l'intensité de la diffusion (dB). Le graphique du bas montre la série temporelle de l'épaisseur de neige mesurée in situ (SD en cm) et de l'équivalent en eau de neige (SWE en cm) pour la même période.
De telles informations permettent d'améliorer la conception des algorithmes de restitution par satellite pour l'estimation des propriétés clés de la neige telles que SD et SWE, qui sont utilisées dans un large éventail d'applications, notamment la gestion des ressources en eau et l'exploitation de l'énergie hydroélectrique.
Dans le cadre du projet WAVETRAX, cette analyse de la signature de diffusion sera considérablement étendue, en utilisant de nouveaux capteurs radar avec une meilleure résolution sur une plus large gamme de fréquences, pour une surveillance détaillée sur des sites variés, qui couvrent à la fois des sols couverts de neige et des terres agricoles. Cela permettra d'étudier d'autres variables climatiques essentielles, telles que l'humidité du sol en surface et dans la zone racinaire, la profondeur optique de la végétation et l'évaporation de la terre mais aussi leur impact sur les données de télédétection radar
Installation de radars sur le nouveau site de Weissfluhjoch, près de Davos, en Suisse, où des expériences sur la neige seront menées pour WAVETRAX. Les figures montrent les essais de deux différentes configurations de radar, avec différentes antennes : la boîte blanche contient de petites antennes linéaires à fente conique (LTSA), les bleues, plus grandes, sont des antennes à cornet à gain standard. L'équipe teste l'impact des antennes sur les mesures, en particulier parce qu'elles ont une empreinte très différente (beaucoup plus concentrée pour les antennes à cornet).
Expériences à 5 m de hauteur et sous la neige
Fin septembre 2024, l'équipe du laboratoire Hydro-Climate Extremes Lab (H-CEL) de l'Université de Gand a installé le premier (sur un total de 6 à répartir sur 3 sites) capteur radar en bande C au sommet d'une tour de mesure de 5 mètres de haut sur le site de Weissfluhjoch en Suisse. Le radar, équipé d'antennes cornet, surveillera l'intensité de la rétrodiffusion du manteau neigeux au cours de la saison d'enneigement de cette année.
Les données recueillies permettront d'améliorer notre compréhension des mécanismes de rétrodiffusion affectés par diverses propriétés de la neige, telles que la stratification, la taille et le type des grains, les variations de densité et la fonte.
L'une des observations régulières de puits de neige à Weissfluhjoch, en février 2024, que l'équipe WAVETRAX a aidé à collecter lors de sa visite du site.
L'équipe du projet
Ghent University: Hans Lievens - Niko Verhoest - Diego Miralles - Emma Tronquo - Jaron Vandenbroucke
UC Louvain: Sébastien Lambot - Merlin Mareschal
KU Leuven: Lieven De Strycker - Chesney Buyle - Bert Cox - Guus Leenders - Liesbet van der Perre
Boise State University: Hans-Peter Marshall
TU Delft: Susan Steele-Dunne
Schnee- und Lawinenforschung SLF: Tobias Jonas