Cartographie de l’humidité du sol en Afrique de l’ouest^*

Soil moisture mapping over West Africa

LTHE Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (UMR 5564) BP 53 Domaine Universitaire, 38041, GRENOBLE cedex 9
Tél : +33 (0)4 76 51 43 46, email : thierry.pellarin@hmg.inpg.fr

Résumé

Dans cette étude, une méthode simple et originale est développée pour produire une cartographie de l’humidité du sol sur la bande sahélienne à une résolution spatiale et temporelle de 10 x 10 km² et 15 minutes. La méthode est basée sur l’utilisation d’une estimation satellite des précipitations et une cartographie micro-onde journalière en bande C (6.9 GHz). La motivation première de cette étude consiste à obtenir des cartes d’humidité du sol toutes les 15 minutes pour étudier l’influence potentielle de l’état hydrique des sols sur la convection en Afrique de l’ouest. Un produit satellite de précipitation basé sur des mesures de Meteosat est utilisé dans le modèle API (antecedent precipitation index) pour produire une cartographie de l’humidité du sol. L’incertitude sur l’estimation des précipitations se traduit par des erreurs sur les cartes d’humidité. Une technique d’assimilation utilise les mesures micro-ondes du capteur AMSR-E (NASA) en bande C et un modèle d’émission micro-onde. La démarche consiste à obtenir des températures de brillance qui s’approchent des observations satellites en ajustant le taux de précipitations entre deux mesures AMSR-E. L’estimation initiale de précipitation peut être modifiée par un facteur multiplicatif compris entre 0 et 7. La solution est donnée par le taux de pluie qui minimise la différence entre les températures de brillance simulées et observées. La méthode est évaluée à l’aide de mesures terrain d’humidité du sol obtenues sur trois sites de mesures au Niger, au Mali et au Bénin. Les résultats montrent une amélioration de l’estimation d’humidité du sol sur les trois sites.

Abstract

This paper provides an original and simple methodology to map surface soil moisture with a fine temporal and spatial resolution over large areas based on the use of a satellite-based rainfall accumulation product and soil microwave emission measurements at C-band. The first motivation of this study was to obtain high temporal frequency (15 or 30 minutes) in order to study the possible feedback mechanisms between soil moisture and convection in West Africa. The use of satellite measurements exclusively was not possible. A rainfall accumulation product based on MSG satellite measurements was used together with a simple Antecedent Precipitation Index (API) model to produce soil moisture map at the 10 x 10 km² and 15 minutes resolution. Due to uncertainties on the satellite-based rainfall accumulation product, derived soil moisture maps were found to be erroneous. An assimilation technique based on AMSR-E C-band measurements and a microwave emission model was developed. The assimilation technique described in this study consists on simulating brightness temperatures (TB) in agreement with observed TB by adjusting the rainfall accumulation estimate between two successive AMSR-E TB measurements. The initial rainfall accumulation estimate is modified using a multiplicative factor ranging from 0 to 7. The best solution is given by the rainfall rate which minimizes the difference between observed and simulated TB. Ground-based soil moisture measurements obtained at three sites in Niger, Mali and Benin were used to assess the methodology. The methodology was found to improve the soil moisture estimates over the three sites.