Cartographier les îlots de chaleur urbains avec les observations combinées de Sentinel-2 et Sentinel-3
En attendant que les données de température de surface terrestre (LST) de Sentinel-3 soient mises à disposition par Terrascope un peu plus tard cette année, nous partageons un exemple d'application qui combine ces données LST de Sentinel-3 avec les données de réflectance de Sentinel-2 pour améliorer la résolution LST de 1 km à 20 m. Ces données fournissent des informations précieuses et détaillées sur l'effet d'îlot de chaleur urbain et contribuent à la modélisation de l'évapotranspiration. Découvrez plus sur ces données LST à haute résolution, avec un exemple de Bruxelles le 19 juillet 2022 où une chaleur extrême a été observée.
La température de la surface terrestre en zone urbaine
La détermination de la température de la surface terrestre (TST) à partir d'observations thermiques par satellite se fait depuis plusieurs décennies (par exemple, sur la base de Landsat et MODIS) et est principalement appliquée à l'agriculture, par exemple pour estimer l'évapotranspiration (ET) et pour pouvoir déterminer rapidement les déficits d'humidité des cultures afin d'irriguer plus rapidement et plus précisément. Une autre application intéressante consiste à mieux comprendre l'évolution diurne et nocturne de la LST dans les zones urbaines.
En raison de l'augmentation de la fréquence des vagues de chaleur dans le cadre du changement climatique, ces zones urbaines deviennent plus sensibles aux températures extrêmes, tant le jour que la nuit. Cela entraîne des problèmes de santé, tels que le manque de sommeil, la surchauffe et les problèmes respiratoires (surtout en combinaison avec une mauvaise qualité de l'air). Les données LST à haute résolution contiennent des informations précieuses pour les urbanistes et les modélisateurs climatiques, qui peuvent ainsi comprendre quelles sont les zones urbaines les plus sensibles aux températures extrêmes et comment atténuer ces effets.
Les îlots de chaleur urbains (ICU) sont causés par les nombreuses routes, trottoirs et bâtiments en béton. Ceux-ci absorbent le rayonnement solaire entrant plus qu'ils ne le reflètent. La chaleur résiduelle des activités humaines vient ensuite s'ajouter à cette chaleur. Contrairement aux villes, les zones rurales environnantes contiennent beaucoup de végétation, qui non seulement absorbe moins le rayonnement solaire entrant, mais refroidit également l'air par évaporation.
Par conséquent, la température dans un centre-ville peut être supérieure de plusieurs degrés à celle des zones environnantes, de jour comme de nuit (voir la figure de droite), ce qui peut entraîner de graves problèmes de santé pendant les journées d'été très chaudes, surtout si la chaleur dure plusieurs jours et qu'il n'y a pas de vent important.
Ces données fournissent des informations précieuses pour les urbanistes et les modélisateurs climatiques
Utilisation des réflectances de surface de Sentinel-2 pour améliorer la résolution des LST de Sentinel-3
Augmentation de la résolution des LST
La base de l'amélioration de la résolution LST est une méthode développée par Gao et al. (2012), (2012), dans laquelle les réflectances visuelle (VIS) et proche infrarouge (NIR) de Landsat ont été utilisées pour améliorer la résolution spatiale de 90 m à 15 m. Leur méthode génère des régressions linéaires de la réflectance par rapport à la température de brillance pour différents canaux spectraux. Ces régressions, en combinaison avec les angles de vue et d'exposition et les données du modèle numérique d'élévation (MNE), sont ensuite utilisées pour obtenir le LST à haute résolution.
Réflectance de surface de Sentinel-2
Dans notre approche, nous avons utilisé les réflectances de surface Sentinel-2 mesurées entre les longueurs d'onde bleues et infrarouges à ondes courtes (SWIR). Tout d'abord, des composites de réflectance de surface Sentinel-2 sans nuage sur 10 jours ont été produits, qui sont ensuite utilisés pour générer la réflectance de surface linéaire par rapport aux régressions LST. Par la suite, la méthode de Gao et al (2012) a été utilisée pour affiner le Sentinel-3 LST original de 1 km à 20 m.
Sentinel-3 LST à 20 m
Le Sentinel-3 LST à 20 m est un paramètre d'entrée important pour les modèles d’ET, car cette estimation LST à grain fin permet une initialisation plus détaillée du modèle ET en termes de calculs de flux turbulents. De plus, la LST haute résolution permet d'autres applications intéressantes, telles que les analyses UHI.
Ci-dessous, nous montrons les premiers résultats du LST haute résolution sur la région métropolitaine de Bruxelles pendant la chaleur extrême du 19 juillet 2022, lorsque les températures maximales aux Pays-Bas et en Belgique ont approché les 40 °C, tandis qu’au Royaume-Uni, en France et en Espagne, elles sont même dépassées cette valeur de quelques degrés.
La région métropolitaine de Bruxelles le 19 juillet 2022
La figure ci-dessous montre la LST originale de 1 km de Sentinel-3 (à gauche) et la LST haute résolution à 20 m (à droite) dans la région métropolitaine de Bruxelles le 19 juillet 2022 à 11:58 et 23:21 Central European Summer Time (CEST). Les zones blanches contiennent des nuages dans les données LST originales. Cet exemple montre que l'utilisation des réflexions de surface de Sentinel-2 pour affiner les images LST originales de Sentinel-3 révèle beaucoup plus de détails et de différences LST à petite échelle entre les zones.
En outre, la différence de température entre la ville et ses environs est frappante. A 11:58 CEST, la LST dans plusieurs parties du centre ville dépasse déjà 45°C, tandis que dans la forêt de Soignes au sud de Bruxelles, la LST est relativement fraîche à 30°C - 35°C. Il convient de noter que les observations de Sentinel-3 ont été effectuées 4 à 5 heures avant que la température maximale ne soit atteinte (la station météorologique d'Uccle a enregistré 38,1°C à 1,5 mètre), de sorte que dans certains endroits de Bruxelles, la LST aurait pu dépasser 50°C. Le soir (~1,5 heure après le coucher du soleil), la majeur partie de Bruxelles a encore des LST proches de 30°C, tandis que dans la campagne, les LST ont déjà chuté à 20°C – 25°C.
"Les données LST à haute résolution apportent une valeur ajoutée aux modélisateurs du climat urbain et aux urbanistes pour valider les modèles climatiques et obtenir des informations détaillées sur les zones urbaines les plus sujettes à la chaleur, pour finalement prendre des décisions objectives afin d'atténuer les effets de l'îlot de chaleur urbain."
Atténuer l'impact sanitaire de la chaleur extrême
Une méthode généralement acceptée pour estimer le stress thermique chez l'Homme est l'indice d'inconfort (DI, Thom, 1959). Elle est basée sur la température (en °C) et l'humidité relative (HR, en %) mesurées à 1,5 m de distance. Cet indice a été modifié pour remplacer la température de 1,5 m par la LST. Une DI < 21 n'indique aucun stress thermique, tandis qu'une DI > 32 indique un degré très élevé de stress thermique pour tout le monde ("urgence médicale"). Les figures ci-dessous montrent le DI du 19 juillet 2022 à 11:58 et 23:21 CEST, sur la base des valeurs de LST et d'HR à 20 m telles qu'observées à la station météorologique d’Uccle au sud de Bruxelles. Le 19 juillet 2022, pendant la journée, l'indice DI à Bruxelles était de 30 - 33, indiquant que tout le monde subissait au moins un stress thermique sévère, tandis que dans les zones extérieures, les valeurs DI étaient de 24 - 28, avec les valeurs les plus basses dans la forêt de Soignes. Dans la soirée, les valeurs DI ont diminué à 24 - 26 (plus de 50% des personnes subissent un stress thermique) à Bruxelles et à 19 - 22 (pas ou presque pas de stress thermique) dans les zones environnantes. Les valeurs DI du soir n'étaient pas extrêmes ce jour-là, car un vent d'ouest a progressivement apporté de l'air plus frais (le minimum nocturne à Uccle était de 17,3°C), mais des températures nocturnes bien supérieures à 20°C indiqueraient un DI plus élevé et donc un stress thermique plus important.
Les données LST à haute résolution sont très utiles aux urbanistes pour atténuer les effets négatifs de la chaleur extrême sur la santé. Ces données permettent de mieux comprendre les îlots de chaleur urbains et devraient conduire à des actions, par exemple en plantant de la végétation dans les zones urbaines où la couverture de béton est abondante. En outre, les modélisateurs du climat peuvent utiliser ces données à la fois pour la validation et pour améliorer l'initialisation des modèles. En plus des données LST de Sentinel-3 présentées ici, l'offre sera élargie avec des déterminations LST à une résolution d'environ 50 m, telles que celles provenant de l'ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station de la NASA (ECOSTRESS, voir un article récent sur la vague de chaleur européenne de juin 2022), de la mission ESA-Land Surface Temperature Mission (LSTM, lancement prévu en 2029) et de plusieurs constellations de microsatellites prévues. Tout cela permettra de réaliser des analyses détaillées des LST à une échelle (sub)quotidienne, afin de surveiller et de modéliser plus précisément les UHI et l'ET.
Produits et services
Sentinel-2
Les données de réflectance de surface de Sentinel-2 ont été utilisées pour améliorer la résolution de la LST de Sentinel-3 à 20 mètres.
Sentinel-3
Données Sentinel-3 sur la température de la surface terrestre utilisées comme données de base.
Virtual Machines
Les machines virtuelles Terrascope ont été utilisées pour mettre en œuvre la méthode d'affinage nécessaire pour générer les cartes LST à haute résolution.
