Quantification de la variabilité saisonnière des vitesses d’écoulement des glaciers à partir de données satellitaires.

Contexte

La fonte des glaciers, en réponse au changement climatique, a contribué à environ un quart de l’augmentation du niveau des mers entre 2000 et 2019 (Hugonnet et al., 2021). Cette fonte, en modifiant l’amplitude et la saisonnalité des débits hydrologiques, a aussi un impact sur la disponibilité des ressources en eau et la gestion des risques naturels. Dans ce contexte, il est particulièrement important d’étudier l’écoulement de surface des glaciers afin de mieux comprendre l’impact du changement climatique. En effet, cet écoulement dicte la redistribution de masse d’un glacier, il est contrôlé par l’apport de neige et de glace en amont. Il s’agit d’une variable nécessaire pour modéliser l’évolution future des glaciers. L’écoulement de surface peut être calculé de manière automatique, sur l’intégralité du globe, en utilisant des méthodes de corrélation d’images satellitaires. En filtrant et moyennant ces mesures, il a été possible de déterminer l’écoulement moyen annuel des glaciers (Dehecq et al., 2019, Millan et al., 2019). Ceci a notamment permis de mieux modéliser l’épaisseur des glaciers (Millan et al., 2022). Cependant, l’écoulement glaciaire est beaucoup plus difficile à étudier sur des échelles de temps inférieures à l’année, le rapport signal sur bruit étant moins important. Pourtant, la variation saisonnière de l’écoulement fournit des informations importantes sur les conditions à la base des glaciers. Ces dernières sont encore mal connues et restent une source d’incertitude pour modéliser l’évolution sur le long terme des glaciers et calottes polaires (Gimbert et al., 2021 ; Gilbert et al., 2023).

Ainsi, ce stage s’intéressera à la saisonnalité de l’écoulement glaciaire observé en surface. Nous distinguerons les zones pour lesquelles l’écoulement est homogène tout au long de l’année, des zones où l’écoulement a une composante saisonnière. L’écoulement peut être saisonnier lorsque le glacier est tempéré, c’est-à-dire lorsque la glace est à la température du point de fusion. De l’eau peut alors s’écouler à l’interface entre la base du glacier et le socle rocheux. Ceci modifie la pression à l’interface glace/substrat, ce qui provoque un glissement basal, et une accélération de l’écoulement du glacier. Les vitesses en surface suivent alors une saisonnalité qui dépend de la quantité d’eau à la base du glacier, et du développement des réseaux hydrographiques sous-glaciaires (Armstrong et al.,2017). En revanche, dans un glacier dit froid, la température de la glace est en dessous du point de fusion, et il n’y a pas d’eau liquide à la base du glacier, laquelle est collée au socle sous-jacent. De ce fait, les vitesses d’écoulement des glaciers froids ne montrent pas très peu de variabilité saisonnière. Ainsi, la saisonnalité des vitesses observées en surface donne des informations sur l’influence des conditions basales, notamment de l’hydrologie sous-glaciaire, sur la dynamique glaciaire.

La quantité de mesures d’écoulement disponible et l’émergence de méthodes de post-traitement robustes (Charrier et al., 2022a ; Charrier et al., 2022b) permettent aujourd’hui d’envisager de distinguer les zones des glaciers sujettes ou non à des variations saisonnières des vitesses d’écoulement.

Objectif

Les objectifs du stage seront plus précisément 1) de post-traiter les mesures de vitesses calculées par l’IGE à partir d’images Sentinel-2 et Pléiades (Rabatel et al., 2023) en utilisant une méthode basée sur l’inversion en série temporelle (Charrier et al., 2022a ; Charrier et al., 2022b) ; et 2) de déterminer si les séries temporelles obtenues possèdent une saisonnalité significative. La zone d’étude sera le Massif du Mont-Blanc. Nous nous concentrerons plus particulièrement sur les glaciers d’Argentière, de Taconnaz et des Bossons.

Méthodes

Le stage se découpera en plusieurs parties :

• Validation de la méthode de post-traitement sur le glacier d’Argentière. Les séries temporelles de vitesses obtenues à partir d’images Sentinel-2 seront comparées aux vitesses obtenues à partir d’images Pléiades. Cette méthode de post-traitement est déjà maîtrisée à l’IGE, mais la qualité des mesures peut nécessiter l’ajout de termes de régularisation additionnels dans l’inversion.
• Application de la méthode de post-traitement aux glaciers de Taconnaz et des Bossons.
• Caractérisation de la saisonnalité observée à l’aide, par exemple, des Transformés de Fourier discrète, des décompositions en ondelette ou du coefficient de variation.
• Test d’hypothèse afin de déterminer si le signal saisonnier isolé est significatif en chaque pixel, ou chaque groupement de pixels (Walter et al., 1977)
• Comparaison avec des sorties de modèles (Gilbert et al., 2023)

Les résultats du stage s’inscriront dans un projet à plus long terme, ayant pour but de caractériser l’écoulement saisonnier des glaciers sur de larges échelles spatiales, dans les Alpes et les Hautes Montagne d’Asie.

Candidature

Nous recherchons une candidate ou un candidat enthousiaste en deuxième année de Master ou dernière année d’école d’ingénieure dont le cursus comprend une ou plusieurs de ces thématiques : traitement d’image, traitement du signal, télédétection, géophysique, géomatique ou/et géostatistiques. Des connaissances en science de la Terre sont un plus. Le stage devra durer environ 6 mois et commencer entre janvier et avril 2024.

Critères de sélection

Bon niveau en maths et physique
Bon niveau en analyse de données et programmation (Python, Matlab, R)
Une expérience ou des connaissances en science de la Terre et/ou dans l’utilisation des Systèmes d’Information Géographiques (ex. QGIS) est un plus.
Veuillez nous envoyer un CV et une lettre de motivation.

Contacts

Laurane Charrier <laurane.charrier univ-grenoble-alpes.fr>
Antoine Rabatel <antoine.rabatel univ-grenoble-alpes.fr>
Amaury Dehecq <amaury.dehecq univ-grenoble-alpes.fr>

Références

Armstrong, W. H., Anderson, R. S., & Fahnestock, M. A. (2017). Spatial Patterns of Summer Speedup on South Central Alaska Glaciers. Geophysical Research Letters, 44(18), 9379‑9388. https://doi.org/10.1002/2017GL074370
Dehecq, A., Gourmelen, N., Gardner, A. S., Brun, F., Goldberg, D., Nienow, P. W., Berthier, E., Vincent, C., Wagnon, P., & Trouvé, E. (2019). Twenty-first century glacier slowdown driven by mass loss in High Mountain Asia. Nature Geoscience, 12(1), 22‑27. https://doi.org/10.1038/s41561-018-0271-9
Charrier, L., Yan, Y., Koeniguer, E. C., Leinss, S., & Trouve, E. (2022a). Extraction of velocity time series with an optimal temporal sampling from displacement observation networks. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 60, 1‑10. https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3128289
Charrier, L., Yan, Y., Koeniguer, E. C., Mouginot, J., Millan, R., & Trouve, E. (2022b). Fusion of multi-temporal and multi-sensor ice velocity observations. International Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03602685
Gilbert, A., Gimbert, F., Gagliardini, O., & Vincent, C. (2023). Inferring the basal friction law from long term changes of glacier length, thickness and velocity on an alpine glacier. Geophysical Research Letters, 50(16), e2023GL104503.
Gimbert, F., Gilbert, A., Gagliardini, O., Vincent, C., & Moreau, L. (2021). Do Existing Theories Explain Seasonal to Multi-Decadal Changes in Glacier Basal Sliding Speed ? Geophysical Research Letters, 48(15), e2021GL092858. https://doi.org/10.1029/2021GL092858
Hugonnet, R., McNabb, R., Berthier, E., Menounos, B., Nuth, C., Girod, L., Farinotti, D., Huss, M., Dussaillant, I., Brun, F., & Kääb, A. (2021). Accelerated global glacier mass loss in the early twenty-first century. Nature, 592(7856), 726‑731.
Millan, R., Mouginot, J., Rabatel, A., Jeong, S., Cusicanqui, D., Derkacheva, A., & Chekki, M. (2019). Mapping Surface Flow Velocity of Glaciers at Regional Scale Using a Multiple Sensors Approach. Remote Sensing, 11(21), 2498. https://doi.org/10.3390/rs11212498
Millan, R., Mouginot, J., Rabatel, A., & Morlighem, M. (2022). Ice velocity and thickness of the world’s glaciers. Nature Geoscience, 15(2), 124‑129. https://doi.org/10.1038/s41561-021-00885-z
Rabatel, A., Ducasse, E., Millan, R., & Mouginot, J. (2023). Satellite-Derived Annual Glacier Surface Flow Velocity Products for the European Alps, 2015–2021. Data, 8(4), 66.
Walter, S. D. (1977). The power of a test for seasonality. Journal of Epidemiology & Community Health, 31(2), 137-140.