Données climatiques satellitaires sur la masse continentale et les écosystèmes du Canada, à l'échelle pancanadienne

Justification de l’activité

Les observations syst ématiques à long terme du système Terre servent à améliorer notre connaissance des incidences du climat et de son évolution sur la masse terrestre au Canada. Les observations par satellite constituent une source essentielle de données riches en informations sur l’état de l’environnement et la dynamique des écosystèmes. La présente activité a pour objet d’élaborer des méthodes qui permettront de transformer ces observations en données terrestres utiles et d’analyser les séries chronologiques à long terme afin de déterminer les tendances climatiques et l’impact du changement climatique sur les terres au Canada.

Leader: Alexander Trichtchenko

Le sujet

Les progrès récents de la technologie spatiale ont fourni aux chercheurs des moyens beaucoup plus efficaces de caractériser l’impact de la variabilité et de l’évolution du climat. Au cours de la dernière décennie, plusieurs missions nouvelles et continues aux caractéristiques techniques améliorées ont été lancées. La mission MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) (site en anglaise seulement) utilise le capteur le plus avancé pour les applications terrestres à grande échelle. Deux instruments MODIS se trouvent actuellement à bord des satellites TERRA et AQUA de la NASA. Chacun d’eux fournit une couverture globale tous les 1 à 2 jours et observe 36 bandes spectrales variant des longueurs d’ondes de la lumière visible à l’infrarouge. Sept de ces bandes (B1 à B7) servent précisément aux applications terrestres. Deux d’entre elles (B1 et B2) fournissent des images à pouvoir de résolution de 250 m (angle négatif), cinq autres (B3 à B7) donnent une résolution de 500 m, et les 29 autres donnent une résolution de 1 km.

Les chercheurs du Centre canadien de télédétection (CCT) ont mis au point une technologie d’accentuation d’image MODIS unique en son genre qui permet de générer des images du pays entier pour l’ensemble des bandes terrestres (B1-B7) à une résolution de 250 m. Cette technologie utilise des techniques spéciales de fusion d’image et de normalisation. Nous présentons à droite un exemple d’imagerie MODIS à résolution spatiale de 250 m pour le Canada à diverses saisons.

Les séries chronologiques satellitaires les plus longues disponibles sont celles produites par le radiomètre perfectionné à très haute résolution (AVHRR) dont sont équipés les satellites de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) (sites en anglaise seulement). Les capteurs AVHRR recueillent des données terrestres sur cinq bandes spectrales (deux optiques et trois thermiques) à une résolution spatiale de 1 km. On possède des séries chronologiques AVHRR/NOAA complètes pour le Canada à partir de 1985. La figure de droite présente un exemple d’images composites de l’ensemble du territoire canadien sous ciel dégagé correspondant à la période du 1er au 10 juillet pour 20 ans. Elle montre également les tendances de la couverture de glace dans la baie d’Hudson, laissant constater qu’au cours des récentes années, la fonte des glaces est survenue plus tôt au début de l’été.

Afin de quantifier les changements environnementaux aux fins des évaluations d’impact, la présente activité élabore des méthodes et des techniques de production de registres de données climatiques thématiques. Les capteurs assurent une couverture quotidienne du territoire canadien, mais les images doivent être traitées conformément aux normes prescrites par le Global Climate Observing System et par le Committee on Earth Observing Satellites (CEOS) (sites en anglaise seulement) pour fournir des données environnementales ou climatiques utiles et comparables à celles produites par d’autres pays.

Les recherches portent principalement sur la réflectance et l’albédo de la surface, la couverture terrestre, la cartographie des propriétés de la végétation et la phénologie de la glace de mer et de lac, soit les paramètres qui caractérisent les impacts possibles du climat sur les paysages et écosystèmes canadiens.

Résultats

La section suivante décrit certains des résultats obtenus jusqu’à maintenant dans le cadre de cette activité et fournit des renseignements sur les séries de données produites. Pour obtenir des informations et des données plus détaillées, prière de contacter Alexander Trichtchenko ou de visiter le site Web du Centre canadien de télédétection (CCT). Pour de plus amples explications concernant les termes et concepts techniques, voir le site Matériels éducatifs du CCT.

Certains des ensembles de données sont disponibles sur des serveurs FTP (ftp://), un protocole de transfert de fichiers sur réseaux. Pour accéder aux sites FTP par le biais de Windows Explorer, cliquer sur Page (en haut à droite de l’écran du navigateur), puis cliquer sur Ouvrir site FTP dans Windows Explorer.

Réflectance et albédo de la surface

La réflectance est un paramètre essentiel de la télédétection; elle nous renseigne sur la mesure dans laquelle le rayonnement (par exemple, la lumière) se réfléchit sur une surface. Les divers éléments qui composent la surface de la Terre reflètent le rayonnement de diverses façons. Les informations sur les caractéristiques de la réflectance, la quantité de rayonnement réfléchi et les variations du rayonnement nous renseignent sur la cible à l’origine de la réflexion.

La présente activité conduite à l’appui du Programme canadien de l’Année polaire internationale (API) avec la collaboration de l’Agence spatiale canadienne par le biais du Programme d’Initiatives gouvernementales en observation de la Terre (IGOT) est à l’origine des premières mosaïques circumpolaires sous ciel dégagé jamais produites à partir des données du satellite MODIS/TERRA à une résolution spatiale de 250 m. Nous présentons ci-dessous des exemples de telles mosaïques produites pour la fin de l’été, de 2000 à 2008. Il convient de noter la réduction frappante de la surface de glace de mer observée en 2007 et 2008 comparativement aux années antérieures. Les données sont disponibles à l’adresse suivante : ftp://ftp.ccrs.nrcan.gc.ca/ad/CircumpolarMap.

Images composites MODIS/Terra sous ciel dégagé de la région circumpolaire de l’Arctique à la fin de l’été (2000-2008) à résolution spatiale de 250 m (Trishchenko, Luo, Khlopenkov, Park et Wang, 2009)

D’autres images composites sous ciel dégagé des bandes terrestres MODIS à résolution spatiale de 250 m englobant le Canada et les régions circumpolaires de l’Arctique ont également été produites pour la période de mars 2000 à décembre 2008 à l’aide d’une technique améliorée de traitement des données (Luo, Trishchenko et Khlopenkov, 2008). Étant donné l’important volume de données qu’elles contiennent, les nouvelles mosaïques MODIS du Canada et de l’Arctique ne sont plus versées au domaine public; elles sont toutefois disponibles sur demande auprès d’Alexander Trichtchenko. La version antérieure est disponible à l’adresse http://geogratis.cgdi.gc.ca/geogratis/fr/collection/detail.do;jsessionid=29E78FAB4A48C8D3729319D923BDF22D?id=32545.
Les données sur la réflectance bidirectionnelle des surfaces terrestres au Canada dérivées des observations multispectrales MODIS pour la période de mars 2000 à mars 2006 sont disponibles à l’adresse http://geogratis.cgdi.gc.ca/geogratis/fr/collection/detail.do?id=25509.

Depuis le début des années 1980, les observations par satellite des terres du Canada sont obtenues par le capteur AVHRR. Les progrès du traitement des données nous permettent par ailleurs de tirer plus d’informations des données historiques. Une cinquième génération du système de traitement AVHRR est en voie d’élaboration; elle utilise des données d’archives canadiennes AVHRR à résolution de 1 km retraitées avec géolocalisation des pixels (site en anglaise seulement) et étalonnage radiométrique améliorés. Ce nouveau système porte le nom de CAPS (Canadian AVHRR Processing System) (Kjhlopenkov, Trishchenko, Luo et Komarov, 2009). Étant donné l’important volume de données qu’ils contiennent, les ensembles de données AVHRR ne sont pas versés au domaine public; ils sont toutefois disponibles sur demande auprès d’Alexander Trichtchenko.

État de la couverture de glace dans le passage du Nord-Ouest au début de septembre, d’après des séries chronologiques AVHRR-MODIS combinées. Les images laissent constater un recul de la couche de glace dans le passage du Nord-Ouest au cours des récentes années.

L’albédo est le rapport de l’énergie solaire incidente qui est réfléchie par la surface de la Terre; il s’agit d’un concept important en études du climat. L’albédo détermine la quantité d’énergie absorbée par le sol, et donc la quantité d’énergie disponible pour évaporer l’eau et réchauffer le sol et la couche inférieure de l’atmosphère. La comparaison des résultats de 17 modèles climatiques mondiaux (MCM) (site en anglaise seulement) tirés des archives de données du Quatrième rapport d’évaluation du Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) et des tendances de l’albédo observées par satellite laisse conclure à une tendance significative à un albédo négatif au cours des mois d’été tandis que la plupart des MCM laissent conclure à une tendance neutre. Une tendance à un albédo négatif conduit à un réchauffement de l’Arctique puisqu’une portion plus importante du rayonnement solaire est absorbée par la surface terrestre. Le forçage radiatif total estimé s’établit à ~3-5 W/m-2 pendant 15 ans, dépassant ainsi la valeur totale due à l’accumulation de gaz à effet de serre (GES) (2,5 W/m-2) sur les 150 dernières années. Cet effet risque par ailleurs d’être renforcé à cause d’une rétroaction positive. Aucun des MCM actuels ne prend en compte cet effet d’albédo négatif (Wang, Trishchenko, Khlopenkov, Davidson, JGR, 2006).

Comparaison des tendances de l’albédo de la surface en été, au Canada, dérivée d’observations par satellite et de modèles climatiques (albédo annuel moyen en fonction de l’année). Contrairement aux résultats des modèles, les observations par satellite montrent une nette tendance à l’obscurcissement vraisemblablement attribuable à l’impact du réchauffement climatique sur la végétation et la cryosphère (Wang, Trishchenko, Khlopenkov et Davidson, 2006).

Couverture terrestre

Les intervenants de secteurs tels que la foresterie, l’agriculture et l’aménagement des paysages s’intéressent à la cartographie de la couverture terrestre qui leur permet de quantifier les ressources existantes et favorise la prise de décisions éclairées pour une utilisation viable des ressources du Canada. Les progrès réalisés en cette matière avec la participation du programme « Comprendre l'évolution du territoire canadien et de la masse côtière à partir de l'espace » du Secteur des sciences de la terre (SST) comprennent notamment :

• La production de données sur la couverture terrestre pour la période 1985-2005 par intervalles de cinq ans à l’aide des données satellitaires des capteurs AVHRR et SPOT VEGETATION, disponibles à l’adresse suivante : ftp://ftp.ccrs.nrcan.gc.ca/ad/NLCCLandCover/LandcoverCanada1985_2005_1KM

Nous présentons ci-dessous des exemples de séries chronologiques de la couverture terrestre pour le Canada de 1985 à 2000.

Exemples de séries chronologiques de la couverture terrestre au Canada pour la période 1985-2000.

• L’élaboration, avec la collaboration de la United States Geological Survey (USGS), d’une carte de la couverture terrestre de l’Amérique du Nord à résolution de 1 km qui a servi au projet sur la couverture végétale mondiale en 2000 (Global Land Cover 2000) du Centre commun de recherche de la Commission européenne. Les données de ce projet sont disponibles à l’adresse suivante : ftp://ftp.ccrs.nrcan.gc.ca/ad/EMS/Landcover2000/.

Couverture terrestre de l’Amérique du Nord et de l’Amérique centrale en 2000, produite dans le cadre du projet sur la couverture végétale mondiale en 2000 (Global Land Cover 2000) du Centre commun de recherche de la Commission européenne. Larger image

Cartographie des propriétés de la végétation

La fraction du rayonnement photosynthétiquement actif (FRPA) est une mesure de l’activité photosynthétique des plantes qui nous renseigne sur la présence et la productivité de la végétation. La cartographie de la FRPA nous renseigne sur la capacité et l’emplacement des puits de carbone terrestres, ce qui est utile pour évaluer les émissions nettes de carbone au Canada. La FRPA ne peut être mesurée directement par les capteurs des satellites; pour l’obtenir, il faut donc intégrer les données du modèle EALCO (Ecological Assimilation of Land and Climate Observations) — un modèle qui simule les interactions entre les écosystèmes et les processus climatiques (voir Développement d'outils de modélisation des écosystèmes basés sur l'Observation de la Terre (OT) pour l'évaluation des incidences des changements climatiques) — à celles des observations par satellite.

Les valeurs de la FRPA ont été raffinées grâce à l’amélioration de la qualité des données d’observations par satellite et de celles du modèle EALCO. Elles sont calculées à partir des observations par satellite depuis 1985 et sont validées à l’aide de mesures effectuées sur le terrain.

L’indice de surface foliaire (ISF) est un paramètre biologique important puisqu’il représente la surface terrestre responsable de l’absorption du carbone et fournit un signal de télédétection en interagissant avec le rayonnement solaire. De nouvelles méthodes non destructives ont été élaborées pour extraire cet indice des données satellitaires et en surveiller l’évolution sur le terrain à l’aide de caméras hémisphériques numériques et de radiomètres manuels. La cartographie de l’ISF s’effectue avec la collaboration du programme « Comprendre l'évolution du territoire canadien et de la masse côtière à partir de l'espace » du Secteur des sciences de la terre (SST).

Les valeurs de l’ISF correspondant à la période 1998-2004 obtenues à l’aide du capteur SPOT/VGT sont disponibles à l’adresse suivante :
http://geogratis.cgdi.gc.ca/download/EO_Data/SPOTVGT_LAI/

Phénologie de la glace lacustre

Nous présentons à droite un exemple de l’évolution de la tendance affichée par le dégel de quatre lacs canadiens répartis dans l’espace du sud au nord. Ces résultats ont été obtenus à partir de données AVHRR traitées au Centre canadien de télédétection (CCT). Ils laissent constater une tendance généralement négative de l’évolution de la couche de glace, traduite par une fonte plus hâtive et une période de gel plus courte.

Tendance de la date de dégel de quatre lacs canadiens répartis dans l’espace du sud au nord (jour de l’année en fonction de l’année) (Latifovic et Pouliot, 2007).

Couverture nivale

Dans le cadre de la participation canadienne au programme de l’Année polaire internationale (API) (site en anglaise seulement), les chercheurs du CCT travaillent à la production de données quotidiennes historiques sur la couverture nivale à partir d’observations par satellite AVHRR afin d’en apprendre davantage sur l’évolution de la couverture nivale au fil du temps. Ils ont produit des cartes à résolution de 5 km de l’évolution quotidienne de la couverture nivale pour la région arctique de l’hémisphère Nord, de 1982 à 2004, à partir d’images composites AVHRR générées par le programme Polar Pathfinder de la NOAA/NASA (site en anglaise seulement). La cartographie de la couverture nivale dans l’hémisphère Nord occidental a été réalisée à résolution de 1 km pour la période 1983-2005.

On peut obtenir des estimations quotidiennes de la couverture nivale sur les terres de l’hémisphère Nord dérivées de l’imagerie satellitaire AVHRR du programme Polar Pathfinder de la NOAA pour la période 1982-2004 à l’adresse suivante : ftp://ftp.ccrs.nrcan.gc.ca/ad/IPY/snowapp (voir l’exemple à droite).

Donnes d’étude

Des liens conduisant aux ensembles de données disponibles sont fournis dans le texte ci-dessus et dans la page d’accueil du programme RRCC. Pour obtenir plus de données géospatiales du SST, prière de visiter le site Web de GéoGratis.

Publications

Veuillez noter qu’il faut être abonné pour consulter certains articles. Pour obtenir une copie des publications, ou pour tout autre renseignement, veuillez contacter Alexander Trichtchenko.

• Vérifiez les publications plus récentes en GEOSCAN, la base de données des publications de la Commission géologique du Canada et du Centre canadien de télédétection.

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Morisette, J.T., F.Baret, J.LPrivette, R.B.Myneni, J.E.Nickeson, S.Garrigues, N.V.Shabanov, M.Weiss, R.Fernandes, S.G.Leblanc, M.Kalacska, G.A.Sanchez-Azofeifa, M.Chubey, B.Rivard, P.Stenberg, M.Rautiainen, P.Voipio, T.Manninen, A.N.Pilant, T.E. Lewis, J.S.Iiames, R.Colombo, M.Meroni, L.Busetto, W.B.Cohen, D.P. Turner, E.D. Warner, G.W.Petersen, G.Seufert, R.Cook, 2006.  Validation of global moderate-resolution LAI products: a framework proposed within the CEOS land product validation subgroup. IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing, 44, 1804-1817.

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Données et informations supplémentaires (sites en anglaise seulement)

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GCOS, 2006: Systematic observation requirements for satellite-based products for climate. Supplemental details to the satellite-based component of the Implementation Plan for the Global Observing System for Climate in Support of the UNFCCC. GCOS-107, September 2006. Available at http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/Publications/gcos-107.pdf

Goodrum, G., Kidwell, K.B., Winston, W. (Eds), 2000: NOAA KLM User’s Guide. Revised. US Department of Commerce, NESDIS, NOAA, National Climatic Data Center, Satellite Data Services Division, Washington, DC, USA. Available at http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/index.htm