à propos

Les températures de surface

La température de la surface terrestre est une température estimée à la surface d'un élément (bâtiment, arbre, parking, champ, ...). Elle est estimée à partir de mesures infrarouges thermiques acquises à l'aide de capteur dédié (Smartphone, caméra, drone, satellite, ...). Cette température est considérée comme une variable fondamentale pour appréhender les échanges d'énergie entre la surface terrestre et l'atmosphère [Global Climate Observing System (GCOS)] qui permettent de comprendre l'évolution du climat actuel et futur (Reiners et al, 2023). Dans le contexte du réchauffement climatique, elle représente un enjeu majeur pour analyser et comprendre les phénomènes des vagues de chaleur et canicules récurrents qui impactent aussi bien la santé, les activités humaines que la biodiversité (Williams, J. J., & Newbold, T. (2020); Cheng, J. et al., (2014); NOAA).

Méthodologie

Les températures de surfaces présentées sur la plateforme de l'observatoire thermique sont issues de données infrarouges thermiques acquises par la constellation satellitaire Landsat. Les satellites Landsat sont opérés par l'agence spatiale américaine (NASA) depuis 1972, dans ce cadre, ils fournissent des données thermiques à une résolution de 100m (1 pixel de l'image représente 100m*100m au sol) avant 2013, puis 30m à partir de 2013. Ces données permettent une estimation globale et cohérente de la température de surface peu importe le contexte du territoire.

L'expertise d'Alkante intervient pour dériver les températures de surfaces de données thermiques acquises par les satellites Landsat. Des méthodes robustes et établies depuis plusieurs années dans la littérature scientifique ont été utilisées et réadaptées afin d'optimiser et d'automatiser les processus. Pour les données avant 2013, une approche dite RTE "Radiation Transfer Equation" (Sekertekin, 2019; Sobrino et al., 2004) a été utilisée et complétée par l'utilisation d'un modèle de corrections des effets atmosphériques "Libradtran" (Vanhellemont, 2020). Cette approche repose sur l'utilisation d'une seule bande thermique (disponibilité des images Landsat avant 2013).

Après 2013, une approche dite SWA - "Split-Window Algorithm" ( Rozenstein et al., 2014; Wang et al., 2019) a été utilisée et complétée par l'utilisation du modèle "Libradtran". Cette approche permet de fournir des images de températures de surfaces plus robustes, car elle combine l'utilisation de deux bandes thermiques permettant de limiter les erreurs de mesures.

Comprendre

Les températures de surfaces présentées dans l'observatoire thermique sont une information qu'il faut dissocier de la température de l'air.

La température de l'air est représentée, de manière générale, comme une température à 2m au-dessus du sol. Cette température récupérée à partir de capteurs météorologiques, à l'avantage d’être facilement corrélée au ressenti humain (température ressentie) et à l'impact qu’elle engendre sur la santé.

La température de surface, quant à elle, représente une température du sol, d’un objet. Elle est récupérée à partir de capteurs dédiés, tel que des images satellites qui sont utilisées dans l’observatoire thermique. L’avantage de la température de surface estimée par satellite repose sur la mise en place de processus cohérents à l’échelle nationale. Toutefois, il est a noter que l'information représentée dans l'observatoire thermique possède une résolution de 30 à 100m (suivant l'année) qui suivant le contexte du territoire peut représenter un ensemble d'éléments apportant une information mixée et peut donc varier de mesures de températures de surfaces in situ (réalisées avec des caméras ou encore des drones).

En ce sens, la température de l’air et de surface apporte des informations différentes mais souvent complémentaires qui vont évoluer de paire ou de manière différenciée au cours d’une journée et suivant l’occupation du sol.

Indicateurs

Dans le cadre de l’observatoire thermique, des indicateurs synthétiques ont été établis afin de fournir une expertise claire et explicite de l'impact des températures de surfaces sur un territoire. Cet impact se matérialise par 3 enjeux :

• L’évolution actuelle et passée de la température de surface illustrée par des indicateurs comparatifs. L’objectif est de comparer l’évolution des températures de surface d’une commune par rapport à ces communes adjacentes. Pour ce faire deux indicateurs ont été établis :

  • un premier comparant la température maximale d’une commune par rapport à celles de ses voisines sur la dernière année ;

  • un deuxième illustrant l’évolution temporelle de cette température maximale des années 1980 à aujourd’hui.

• L’impact des températures de surface sur les populations en lien avec les problématiques de surchauffe urbaine et d’anomalies thermiques. Pour ce faire des indicateurs dits « points chauds » ont été établis. Les points chauds représentent une anomalie thermique au sein d’une commune, c'est-à-dire un objet ou ensemble d’objets dont le comportement thermique est différent de son environnement. Ces points chauds ont été identifiés séparément pour chacune des communes métropolitaines à partir d'un algorithme de détection automatique.

  Ils sont synthétisés par deux indicateurs, un indicateur illustrant le nombre de points chauds par commune et un autre identifiant le nombre d’habitants dans un rayon de 300m autour de ces points chauds.

  Dans ce contexte, certaines communes ne contiennent pas de points chauds sur les images présentées dans le cadre de l'observatoire thermique en raison d'une homogénéité des gammes de valeurs thermiques. On peut citer en exemple les communes de Brest et Perpignan.

  

  Températures de surface à Brest en été 2023

  

  Températures de surface à Perpignan en été 2023

• L'influence de facteurs externes sur les dynamiques de température de surface présentée par l’indicateur d’occupation du sol. Cet indicateur, issu des données d'occupation du sol à grande échelle (OCS GE) de l’Institut national de l'information géographique et forestière (IGN), synthétise l’occupation du sol en six classes et permet d’identifier l’influence de l’occupation du sol sur les températures de surface.

Références

Reiners, P., Sobrino, J., & Kuenzer, C. (2023). Satellite-derived land surface temperature dynamics in the context of global change—A review. Remote Sensing, 15(7), 1857.

Climate Change: Global Temperature NOAA Climate.Gov.

Williams, J. J., & Newbold, T. (2020). Local climatic changes affect biodiversity responses to land use: A review. Diversity and Distributions, 26(1), 76-92.

Cheng, J., Xu, Z., Zhu, R., Wang, X., Jin, L., Song, J., & Su, H. (2014). Impact of diurnal temperature range on human health: a systematic review. International journal of biometeorology, 58(9), 2011-2024.

Vanhellemont, Q. (2020). Combined land surface emissivity and temperature estimation from Landsat 8 OLI and TIRS. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 166, 390-402.

Rozenstein, O., Qin, Z., Derimian, Y., & Karnieli, A. (2014). Derivation of land surface temperature for Landsat-8 TIRS using a split window algorithm. Sensors, 14(4), 5768-5780.

Wang, L., Lu, Y., & Yao, Y. (2019). Comparison of three algorithms for the retrieval of land surface temperature from Landsat 8 images. Sensors, 19(22), 5049.

Sekertekin, A. (2019). Validation of physical radiative transfer equation-based land surface temperature using Landsat 8 satellite imagery and SURFRAD in-situ measurements. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 196, 105161.

Sobrino, J. A., Jiménez-Muñoz, J. C., & Paolini, L. (2004). Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM 5. Remote Sensing of environment, 90(4), 434-440.