Le réseau de recherche se concentre sur ces grandes questions : Où et quand la fonte du pergélisol se produit-elle au Canada et quels sont les risques découlant de ce changement?
La recherche est organisée en cinq thèmes interreliés nécessitant une masse critique et une expertise diversifiée qu’aucun groupe de recherche ou organisme gouvernemental ne possède à lui seul.
Contexte et objectifs
La surveillance du pergélisol est essentielle à la planification et à la prise de décision dans le nord du Canada et doit fournir des informations précises sur les changements du pergélisol à des échelles spatiales et temporelles pertinentes pour les parties prenantes. Cela nécessite des techniques permettant de distinguer les cycles annuels, les variations interannuelles, les tendances à long terme et les changements anormaux rapides.
La surveillance du pergélisol fournit des indicateurs précoces essentiels d’évolutions défavorables, éclaire la planification des infrastructures et l’adaptation à l’aide de données fiables, soutient les évaluations nationales et mondiales et est nécessaire pour évaluer la précision des modèles de prévision, tels que ceux développés dans le thème 3.
L’objectif du thème 2 est d’utiliser la surveillance pour révéler et quantifier le changement du pergélisol au Canada et comprendre ses différents taux et expressions à la surface du sol..
La surveillance du pergélisol est effectuée dans le nord du Canada depuis plus de 30 ans par des organisations gouvernementales et des particuliers. Une grande partie de ces efforts se concentrent sur deux variables climatiques essentielles (VCE) : l’état thermique du pergélisol et l’épaisseur de la couche active. Il est vital de continuer à surveiller ces VCE. Les chercheurs du réseau PermafrostNet CRSNG s’attaquent également aux défis que posent le dégel rapide du pergélisol et l’évolution des écosystèmes terrestres pergélisolés en élaborant des pratiques de surveillance qui appuient le développement responsable et l’évaluation des changements climatiques.
Défi 1 - une surveillance accrue, sur un site particulier, de l’augmentation de la température du sol et de la perte de glace de sol lorsque le dégel est en cours est nécessaire pour détecter les tendances au réchauffement dans un pergélisol proche de 0 °C.
Défi 2 - aller au-delà des observations propres aux sites pour quantifier les changements induits par le dégel à l’échelle du paysage afin de dresser un tableau national de plus en plus précis du dégel du pergélisol.
Le thème culminera avec une synthèse transversale qui s’appuie sur les données et les résultats de tous les projets.
Trevor Lantz
Le thème 2 est dirigé conjointement par Trevor Lantz (Université de Victoria) et Antoni Lewkowicz (Université d’Ottawa). Trevor est un expert de la cartographie et de la compréhension des répercussions écologiques du thermokarst. Il a beaucoup travaillé avec des organisations nordiques pour élaborer des initiatives communautaires de surveillance environnementale. Antoni est un ancien président de l’Association canadienne du pergélisol et de l’International Permafrost Association. Ses recherches portent sur les répercussions du changement climatique sur la distribution et l’état thermique du pergélisol. Ils travaillent ensemble pour s’assurer que les projets sont liés à la recherche dans d’autres thèmes et assurent la liaison avec les partenaires concernant la recherche et les résultats. Six chercheurs seront formés dans le cadre du thème 2, soit 2 MSc, 4 Ph. D., 1 postdoctorant.
Antoni Lewkowicz
Les chercheurs du thème 2 sont des spécialistes de la télédétection ainsi que des scientifiques spécialisés dans le domaine du pergélisol et des données.
Bernhard Rabus fournit une expertise en matière de radar à synthèse d’ouverture (SAR), d’InSAR et de télédétection optique.
Stephan Gruber fournit une expertise en matière de science des données et de modélisation du pergélisol.
Recherche sur les sous-thèmes
Notre approche comprend la surveillance sur le terrain, l’engagement avec les groupes autochtones et les communautés nordiques, la télédétection et la synthèse des données et des idées créées par l’équipe diversifiée. Deux sous-thèmes permettent de relever ces défis, le sous-thème 2.1 : mesurer ou déduire, et le sous-thème 2.2 : synthèse.
L’objectif du sous-thème 2.1 est de mesurer ou déduire l’évolution du pergélisol à l’aide de la télédétection et des connaissances traditionnelles et locales, de manière à pouvoir discerner les schémas spatiaux et les tendances temporelles. La mise au point d’outils de surveillance correspondants débouchera sur les prochaines pratiques de détection de l’ampleur et du rythme des changements associés au dégel du pergélisol.
L’objectif du sous-thème 2.2 est de synthétiser et de concilier les résultats des différents modes de surveillance du pergélisol afin qu’ils puissent soutenir la prise de décision locale ainsi qu’une synthèse nationale cohérente.
Dans ce sous-thème, nous utilisons des indicateurs existants et en développons de nouveaux qui peuvent être mesurés à différentes échelles spatiales, comme la température du pergélisol et le déplacement du terrain. Les chercheurs du réseau s’appuient sur les efforts déployés de longue date par les partenaires en installant la plupart de nos sites d’essai sur leurs sites de surveillance. Nous utilisons le travail en laboratoire pour relier la résistivité électrique pour différents types de sol et conditions de salinité dans une large gamme de températures.
Pour améliorer notre capacité à détecter les changements à plus grande échelle, nous explorons de nouvelles méthodes de traitement et d’analyse des données de télédétection. Ces travaux portent sur des données provenant de divers capteurs et s’appuient sur les méthodes de détection des changements mises au point par les membres du réseau. La co-localisation de ces études avec les projets terrestres du réseau nous permet de déduire les changements du paysage du pergélisol, tels que l’affaissement du sol, les effondrements du sol, le drainage catastrophique des lacs ou la dégradation des coins de glace, à l’aide de la télédétection.
Nous utilisons les archives Landsat, la détection des changements et les méthodes géostatistiques pour cartographier les principales perturbations du paysage associées au dégel du pergélisol : les bassins en coin de glace, les détachements de la couche active et les effondrements rétrogressifs dus au dégel. Nous utilisons également l’InSAR aéroporté et spatial pour détecter et surveiller les changements d’élévation du terrain et nous nous concentrons sur la résolution des composantes d’erreur par comparaison avec les mesures au sol de la subsidence et de la couverture neigeuse. Les sites importants pour nos partenaires et pour lesquels des changements rapides sont attendus, par exemple les incendies récents, sont prioritaires pour ce travail. Pour inventorier les phénomènes de surface indicatifs du dégel du pergélisol dans les communautés, nous travaillons avec la Commission géologique du Canada (CGC) et la Commission géologique des Territoires du Nord-Ouest (CGTNO) pour mettre en œuvre des procédures de cartographie manuelles et semi-automatiques. Cette démarche est complétée par l’élaboration de protocoles de surveillance visant à faire participer les résidents du Nord et les organisations locales qui observent les changements dans les paysages de pergélisol au cours de leurs activités sur le terrain (chasseurs, trappeurs, pêcheurs, inspecteurs et équipes d’entretien des infrastructures, Rangers canadiens, etc.)
Emma Street (T2-PhD2)
Titre: Les connaissances des Inuvialuit et des Gwich’in sur les systèmes de pergélisol.
Superviseurs: Trevor Lantz avec Erika Hille, Amy Amos et Vernon Amos.
Dans le cadre de ce projet, Emma travaille avec des utilisateurs des terres des communautés Inuvialuit et Gwich’in de l’Arctique occidental pour documenter les connaissances traditionnelles sur le pergélisol et les changements liés au pergélisol. Caractériser la gamme historique de variation des conditions du pergélisol et documenter les observations locales de changement ou de conditions anormales. Emma mènera des entretiens semi-structurés avec des experts des communautés de la région du delta de Beaufort. Cette recherche sera poursuivie en collaboration avec le Conseil Inuvialuit de gestion du gibier et le Conseil des ressources renouvelables des Gwich’in. Emma travaillera également avec des organisations partenaires pour accéder à des entretiens enregistrés précédemment et les analyser, qui pourraient contenir des observations liées au pergélisol. En étroite collaboration avec les organisations locales des communautés partenaires, Emma élaborera également un protocole de cartographie à haute résolution qui utilise les meilleures informations disponibles (Sentinel, WorldView-3, DEM LiDAR, orthomosaïques et DEMS UAV) pour inventorier les risques liés au pergélisol (drainage des lacs, accumulation de glace, effondrements, glissements de terrain, etc.). Ce travail soutiendra la recherche de Bingqian Zhang (T3-PhD3) sur la délimitation des types de terrain en fournissant des données pour former et valider ce travail. Ces travaux sont menés en partenariat avec trois communautés situées sur le transect ouest (Dawson City, Aklavik et Sachs Harbour). La co-élaboration d’un protocole de cartographie avec les communautés partenaires créera une capacité durable de suivi du changement et aboutira à une technique pertinente pour toute la région circumpolaire. Emma explorera également d’autres méthodes de collecte de données (groupes de discussion, photographie participative) qui peuvent être utilisées pour trianguler les perspectives qui émergent de la cartographie et de l’analyse des données d’entretien.
Lingcao Huang (T2-PhD3)
Titre: Surveillance spatiale des changements du pergélisol à l’aide de Landsat.
Superviseurs: Trevor Trevor Lantz avec Antoni Lewkowicz et Steve Kokelj; stage au Centre canadien de cartographie et d’observation de la terre (Robert Fraser).
Dans de nombreuses régions de pergélisol, la fréquence des perturbations liées au dégel augmente si rapidement que le maintien d’inventaires précis représente un défi important. Pour relever ce défi, nous mènerons des enquêtes à l'aide d'indicateurs dérivés des archives Landsat pour cartographier les perturbations du terrain associées au dégel du pergélisol et pour interpréter leurs processus sous-jacents dans un contexte géomorphologique et climatique. Des procédures de cartographie semi-automatiques et manuelles seront développées pour les indicateurs établis des phénomènes de dégel du pergélisol. 1) Dégradation des coins de glace : Lingcao explorera le potentiel des archives Planet/Cubesat pour détecter le développement récent des bassins de fonte des coins de glace sur des échelles décennales. 2) Détachements de couches actives : Lingcao dirigera le développement de l'utilisation de Sentinel InSAR pour identifier les détachements de couches actives. 3) Synthèse des liens entre les processus de dégel et les modèles spatiaux : Lingcao poursuivra ses travaux en vue d'élaborer une carte à l'échelle circumpolaire des effondrements dus au dégel (et d'autres caractéristiques de l'érosion massive).
Allison Plourde (T2-MSc1)
Titre: Mesure du déplacement de la surface à l’aide du SAR hivernal.
Superviseurs: Bernhard Rabus avec Stephan Gruber et Peter Morse; stage avec la Commission géologique des Territoires du Nord-Ouest.
SAR et InSAR sont deux méthodes de télédétection radar qui peuvent être utilisées pour détecter les déplacements de la surface du sol. Ces déplacements résultent du gel et du dégel saisonniers et à long terme et d’autres processus tels que la fluctuation du niveau des eaux souterraines. Bien que les données SAR soient de meilleure qualité en hiver (en raison de l’absence d’eau liquide) qu’en été, les méthodes InSAR existantes pour mesurer le déplacement de surface à long terme ne peuvent utiliser que les données SAR d’été. Pour surmonter cette limitation, des recherches explorant l’incidence de la couverture neigeuse sur le signal InSAR sont nécessaires. C’est important, car cela améliorera la capacité à suivre la subsidence de la surface, l’une des répercussions les plus omniprésentes du dégel du pergélisol, avec plus de précision sur de longues durées. Allison utilisera la mesure et la manipulation expérimentale de l’accumulation de neige sur des sites adjacents à la route Inuvik-Tuktoyaktuk pour répondre à deux questions : (1) Les modèles physiques existants du signal de neige sèche InSAR sont-ils corrects? (2) La signature de la neige dans les données InSAR d’hiver peut-elle être supprimée pour permettre une mesure précise du soulèvement dû au regel hivernal de la couche active? Allison mettra en place des instruments de terrain pour mesurer simultanément la variation de l’épaisseur de la neige (accumulation et redéposition par le vent) et le gel de la couche active, et évaluera leurs contributions aux mesures de déplacement InSAR dans le voisinage immédiat des instruments. L’instrumentation devrait comprendre deux capteurs au sol : un capteur de mouvement du pergélisol (enregistreur d’inclinaison), un sondeur de hauteur de neige, ainsi que deux cibles à réflecteur polyédrique pour les mesures de déplacement basées sur InSAR, un réflecteur polyédrique profondément ancré comme référence stable, un autre flottant sur un radeau à la surface du sol et surélevé pour mesurer uniquement le déplacement et non le changement de profondeur de la neige.
Usman Iqbal (T2-PhD4)
Titre: InSAR aéroporté pour surveiller le dégel du pergélisol près des infrastructures linéaires.
Superviseurs: Bernhard Rabus et Fabrice Calmels; stage auprès du ministère des Infrastructures du gouvernement des Territoires du Nord-Ouest (GTNO).
La déformation du terrain associée au dégel du pergélisol augmentera le coût de la gestion des infrastructures linéaires dans le nord. L’InSAR temporel peut surveiller le déplacement du terrain dans les environnements de pergélisol, mais actuellement, la résolution grossière de la plupart des InSAR est insuffisante pour détecter les changements pertinents pour les gestionnaires d’infrastructures. En effet, à des distances appropriées pour les infrastructures linéaires, souvent de 100 à 250 km, les bandes d’images spatiales courantes produisent des gradients de déplacement avec une résolution spatiale beaucoup plus grossière que 10 m. De plus, les satellites SAR existants fonctionnent sur des orbites qui posent des problèmes opérationnels pour la surveillance des infrastructures orientées est-ouest. Dans ce cas, le système InSAR aéroporté temporel présente une solution rentable pour la surveillance des infrastructures linéaires telles que les routes, les pipelines et les littoraux. L’InSAR aéroporté peut également résoudre séparément les déplacements verticaux et horizontaux, et générer des champs spatiaux de déformation et de contrainte à des échelles suffisamment fines (0,5 à 1 m) pour l’analyse des infrastructures. Usman développera les techniques de traitement requises pour utiliser le système InSAR aéroporté temporel afin de créer des cartes pertinentes pour la surveillance des contraintes exercées sur les infrastructures linéaires par le dégel du pergélisol. Les produits les plus évidents sont les cartes de changement de pergélisol (basées sur la cohérence et l’amplitude) et de subsidence (entrée : phase InSAR), et les cartes d’eau stagnante (entrée : cohérence InSAR et/ou rétrodiffusion SAR); les produits plus élaborés sont des cartes de gradient de déplacement (déformation) rentables de haute qualité pour évaluer l’intégrité des infrastructures. Tous les produits peuvent contribuer à l’évaluation du risque de dommages pour les infrastructures linéaires dans les terrains éloignés du pergélisol, liés au soulèvement par le gel ou à l’affaissement par le dégel (liens avec les projets du Theme 5: T5-PhD1, T5-PhD2, T5-MSc7).
Les cartes d’eau stagnante produites par ce projet seront également utilisées par le projet T3-PhD2 du thème 3 (avec d’autres données de terrain et de télédétection) pour travailler à la modélisation du développement des thermokarsts de plaine. Pour quantifier la qualité des cartes d’intégrité des infrastructures réalisables avec le système aéroporté, Usman comparera la précision des déplacements mesurés par : 1) des données InSAR spatiales à résolution moyenne, 2) des données InSAR spatiales à haute résolution et 3) des données InSAR aéroportées temporelles. Usman testera et optimisera également différents algorithmes de compensation de mouvement. Les travaux sont menés en partenariat avec la Direction de l’ingénierie des transports du gouvernement du Yukon le long de la route de l’Alaska et en collaboration avec d’autres utilisateurs finaux potentiels tels que le MI-GTNO. Les segments d’essai seront sélectionnés en collaboration avec les partenaires du réseau afin de créer une synergie avec les sites d’essai préexistants et avec les problèmes d’infrastructure documentés liés au pergélisol. Usman participera à la planification et à l’exécution de deux campagnes de printemps et d’automne du capteur aéroporté SlimSAR basé à Kluane-Silvercity. Les campagnes donneront lieu à l’acquisition de jeux de données InSAR appropriés (bidirectionnels) acquis le long de la route de l’Alaska. Des synergies avec le projet T5-PhD1 (Gestion des risques liés aux infrastructures linéaires dans les zones reculées de pergélisol) pourraient se créer au fur et à mesure du développement des projets.
Dans le sous-thème 2.2 (synthèse), nous combinons et réconcilions les résultats des diverses approches de surveillance afin qu’ils puissent soutenir la prise de décision à l’échelle locale et nationale. Ce sous-thème comprend trois projets qui se concentrent sur la synthèse à l’échelle nationale, en développant de nouvelles méthodes pour synthétiser les données thermiques et de subsidence de surface provenant de forages à travers le Canada.
Cette recherche est essentielle, car les méthodes existantes d’interprétation des données de température du sol reposent en grande partie sur des capteurs situés à des profondeurs uniques et ne tiennent pas compte des variations à l’échelle du paysage. Sous la direction du thème 1, nous travaillerons avec une série de parties prenantes pour concevoir et piloter un protocole normalisé qui permettra aux observateurs de l’ensemble du domaine d’étude de soumettre des observations sur les conditions du pergélisol et nous travaillerons avec nos partenaires du Consortium canadien pour l’interopérabilité des données sur l’Arctique (CCADI) pour piloter une interface en ligne afin de mettre à la disposition des partenaires et du public des données et des résultats sommaires des thèmes 2, 3 et 4. Ces efforts sont particulièrement importants, car la détermination rapide de changements anormaux dans le paysage nécessite des connaissances locales et traditionnelles.
Olivia Meier-Legault (T2-PhD5)
Titre: Interpréter la température et la subsidence du sol pour mieux quantifier les changements du pergélisol.
Superviseurs: Stephan Gruber avec Kumari Karunaratne et Derek Mueller.
La température du pergélisol est une mesure essentielle de l’évolution du pergélisol, mais les méthodes existantes pour son interprétation quantitative reposent pour la plupart sur des capteurs situés à des profondeurs uniques. De plus, la consommation de chaleur latente lors du dégel du pergélisol perturbe le signal de température du sol. Il peut donc être difficile de détecter les changements dans le pergélisol en se basant sur les tendances des séries chronologiques de la température du sol à une seule profondeur. De plus, la forte variation latérale de la température à l’échelle du paysage est souvent invisible dans les analyses qui n’utilisent qu’un petit sous-ensemble des données canadiennes.
En utilisant PINGO (thème 1), ce projet vise à développer et automatiser de nouvelles méthodes pour caractériser la variation spatio-temporelle de la température du sol et détecter des tendances. Pour ce faire, Fereshteh analysera toutes les données thermiques disponibles au Canada ainsi que les séries chronologiques de mouvements de surface situées au même endroit, afin de déterminer où et quand se produit le dégel du pergélisol et quels sont les modèles spatiaux au Canada. Tout enregistrement dans le profil qui peut être attribué à la perte de glace de sol sera complété par les tendances des gammes de températures annuelles à différentes profondeurs, fournissant un aperçu des effets thermiques de la perte de glace de sol. De plus, pour évaluer la performance de la méthode développée, les changements détectés induits par le dégel dans le profil seront testés en utilisant des données simulées basées sur GEOtop et FreeThaw1D.
L’analyse multisite utilisera des modèles statistiques pour séparer les modèles liés aux caractéristiques du site et au climat afin de mieux comprendre les moteurs des changements observés. Dans une dernière étape, Fereshteh développera et améliorera des produits adaptés à la communication des résultats sur les changements du pergélisol à des publics non spécialisés et fournira des méthodes clés et un aperçu des prototypes de services climatiques et des rapports de synthèse basés sur la surveillance de la température du pergélisol et de l’affaissement de la surface, qui pourraient déboucher sur des recommandations pour les futures stratégies de surveillance.
Pete Castillo (T2-MSc2)
Titre: Vers une plateforme d’observation du pergélisol.
Superviseurs: Trevor Lantz avec Pascale Roy-Léveillée et Erika Hille.
Niek Jesse Speetjens (T2-PDF1)
Titre: Synthétiser les observations pour développer un réseau de surveillance réactif.
Superviseurs: Trevor Lantz et Stephan Gruber
Collaborateurs et partenaires
- E. Hille
- S.V. Kokelj
- F. Calmels
- P. Lipovsky
- V. Amos
- A. Amos
- S.L. Smith
- P. Morse
- R. Fraser
Les résultats de la recherche sont répertoriés sur notre page Publications.