Spaceborne monitoring of the recent contribution of glaciers from the Andes to water resources and sea level rise

Les glaciers Andins présentent des taux de recul parmi les plus importants au monde, et contribuent à la hausse du niveau des mers. Ils constituent aussi des ressources en eau vitales pour les vastes zones semi-arides le long de la Cordillère des Andes (10°N-56°S), en alimentant les rivières lors des sécheresses. En dépit du retrait des glaciers Andins, les mesures directes des fluctuations glaciaires sont éparses, de court terme, incomplètes, et ne permettent donc pas une estimation précise de la perte de glace récente à l'échelle de la chaîne entière. Décrire quantitativement cette perte à différentes échelles spatio-temporelle est cruciale afin de mieux anticiper les impacts écologiques, économiques et sociaux. Premièrement, nous avons évalué la performance d'une méthode visant à calculer les changements de masse des glaciers Andins. Cette méthode utilise les séries temporelles des modèles numériques de terrain (DEM) produit par des images stéréoscopiques Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER). Sur la zone de validation de la méthode, le Champ de Glace Nord de Patagonie (NPI), nous avons observé un bilan de masse fortement négatif de -1.06 ± 0.14 m w.e. a-1 pour la période 2000-2012. Ces résultats sont cohérent avec les estimations faites précédemment, mais aussi avec une seconde estimation (-1.02 ± 0.21 m w.e. a-1) obtenue indépendamment par différentiation de DEMs de meilleur résolution, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) et Satellite pour l'Observation de la Terre 5 (SPOT5). Ce travail nous a permis de (i) valider la méthode appelée " ASTER monitoring Ice towards eXtinction " (ASTERIX) sur la totalité des Andes, (ii) confirmer l'absence de pénétration du signal radar SRTM dans la bande C sur la neige du NPI (sauf pour une petite région au dessus de 2900 m a.s.l) avec des effets négligeables sur le bilan de masse du NPI; et enfin (iii) fournir la base de travail pour une analyse des variations du bilan de masse du NPI durant différentes sous périodes entre 1975 et 2016, grâce à des DEMs supplémentaires. Ensuite, nous avons généré plus de 30000 DEMs ASTER afin de calculer la perte de l'intégralité des glaciers Andins, et ce pour les deux dernières décennies. La perte de masse à l'échelle des Andes s'élève ainsi à -22.9 ± 5.9 Gt a-1 (-0.72 ± 0.22 m w.e. a-1) pour la période d'étude entière, ou -26.0 ± 6.0 Gt a-1 en incluant les pertes subaquatiques. Toutes les régions affichent une diminution du volume de glace. Les taux les plus négatifs sont observés dans les Andes Patagoniennes (-0.78 ± 0.25 m w.e. a-1) et dans les Andes Tropicales (-0.42 ± 0.24 m w.e. a-1). Les pertes sont modérées dans les régions intermédiaires des Andes Arides (-0.28 ± 0.18 m w.e. a-1). Pour la première fois à l'échelle des Andes, une tendance inter-décennale de la perte volumique a été mise en évidence. Les taux d'amincissement des glaciers tropicaux et ceux situé sous 45°S sont négatifs et stables sur la période considérée. Cependant, alors que les glaciers des Andes arides sont proche de l'équilibre dans les années 2000, leur taux d'amincissement augmentent drastiquement à partir de 2010, coïncident ainsi avec une période de sécheresse intense depuis 2010. L'étude des contributions des pertes de masse décennales des glaciers aux débits des rivières révèle que la fonte de ces glaciers a en partie aidé à minimiser les impacts négatifs de cette sécheresse dans les Andes arides. Les résultats obtenus au cours de cette thèse apportent une meilleure compréhension des pertes récentes des glaciers Andins, localement et régionalement.Andean glaciers are amongst the fastest shrinking and the largest contributors to sea level rise in the world. They also represent crucial water resources in the vast semi-arid portions of this large Andes Cordillera (10°N-56°S), sustaining river runoff during dry periods and buffering the effects of droughts. Despite the widespread shrinkage of these glaciers, direct measurement of glacier fluctuations in the Andes are sparse, short-termed and in many cases incomplete, preventing the accurate quantification of recent ice loss for the entire mountain range. Comprehensively quantifying the magnitude of this loss at different special scales is crucial to better constrain future economical, ecological and social impacts. First, we evaluated the performance of a methodology to calculate glacier mass changes on Andean glaciers using time series of digital elevation models (DEMs) derived from Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) stereo images. Over our validation zone, the Northern Patagonian Icefield, we found strongly negative icefield-wide mass balance rates of -1.06 ± 0.14 m w.e. yr-1 for the period 2000-2012, in good agreement with estimates from earlier studies and with a second independent estimate (-1.02 ± 0.21 m w.e. yr-1) obtained by differencing the better resolved Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM with a Satellite pour l'Observation de la Terre 5 (SPOT5) DEM. Importantly, this work permitted us to (i) validate "ASTER monitoring Ice towards eXtinction" (ASTERIX) method over the Andes; (ii) confirm the lack of penetration of the C-band SRTM radar signal into the NPI snow and firn except for a small high altitude region (above 2900 m a.s.l.) with negligible effects on NPI-wide mass balance; and (iii) provide the basis for an analysis of NPI mass balance changes during different sub-periods between 1975 and 2016 using additional DEMs. Then, we processed more than 30000 ASTER DEMs to calculate the integrated volume of ice lost by Andean glaciers during the past two decades. Andes-wide mass loss amounts to -22.9 ± 5.9 Gt yr-1 (-0.72 ± 0.22 m w.e. yr-1) for the entire period (or -26.0 ± 6.0 Gt yr-1 including subaqueous losses). All regions show consistent glacier wastage, with the most negative mass balance rates in the Patagonian Andes (-0.78 ± 0.25 m w.e. yr-1) and Tropical Andes (-0.42 ± 0.24 m w.e. yr-1). Relatively moderate loss (-0.28 ± 0.18 m w.e. yr-1) is measured in the intermediate regions of the Dry Andes. The inter-decadal patterns of glacier mass loss is an important contribution of this work, observed for the first time at an Andes-wide scale. We observe steady thinning rates in the Tropics and south of 45°S. Conversely, glaciers from the Dry Andes were stable during the 2000s, shifting to drastic thinning rates during the 2010s, coinciding with conditions of sustained drought since 2010. The evaluation of the imbalanced glacier contribution to river discharge during these two decades revealed that glaciers partially helped to mitigate the negative impacts of this sustained drought in the Dry Andes. The results obtained in this thesis contribute to the understanding of recent Andean glacier evolution at a local, regional and Andes-wide scale. We provide a high-quality, multi-decadal dataset that will be useful to constrain the diversity of present 21st century Andes-wide mass loss estimates, in the pursuit of the good calibration of glaciological and hydrological models intended to project future glacier changes and to improve water resource management in the Andes