Détection de la stratigraphie en milieu de neige sèche à l'aide d'un radar à onde continue modulé en fréquence (FMCW) de 24 GHz

Abstract

Considérant l’augmentation en popularité des activités hivernales dans l’arrière-pays, il est important de s’assurer qu’elles puissent être pratiquée en toute sécurité. Il devient alors impératif de mieux comprendre le rôle des interfaces de neige problématiques menant à des instabilités qui influence le danger d’avalanche. La cueillette des données géophysiques de la neige en terrain avalancheux demeure toutefois restreinte due aux contraintes logistiques, temporelles et financières limitant l’accès à l’immense territoire. L’objectif de ce mémoire est donc de développer une méthode automatisée et rapide de détection des interfaces à grand contraste de propriétés nivales pouvant potentiellement mener à de l’instabilité à l’aide d’un radar à onde continue modulée en fréquence (FMCW) de 24 GHz. Les vents forts, les événements de pluie-sur-neige, les évènements de gel-dégel hivernaux et les longues périodes de froid de la péninsule Gaspésienne entraînent souvent la formation d’un manteau neigeux complexe intéressant pour l’étude de ces interfaces instables. Ce projet de recherche se concentre sur le développement d’une méthode empirique de détection de ces interfaces à l’aide de données in-situ recueillies dans le territoire des Chic-Chocs au Québec. Les mesures radar ont suivi deux protocoles différents : 1) acquisition de données en mode mobile pour comprendre l’interaction et la sensibilité de l’onde radar avec la neige et ainsi optimiser les paramètres de l’instrument pour d’éventuelles études de variabilité spatiales, et 2) acquisition de données en mode fixe pour évaluer le potentiel du dispositif radar à étudier la variabilité temporelle de la stratigraphie du manteau neigeux et ainsi mieux comprendre la persistance des interfaces à grands contrastes et le rôle que joue la météorologie dans leur développement. Plus spécifiquement, le principe du radar est de quantifier le contraste diélectrique entre les différentes couches de neige. En établissant un seuil sur l’amplitude radar et en connaissant la vitesse de propagation du signal dans différentes strates de neige, il est possible de corréler la profondeur des pics d’amplitude avec les interfaces potentiellement instables. Les données de comparaison in-situ utilisées initialement pour bien comprendre la signature du signal radar proviennent de profils de neige manuels et d’un Snow Micro Penetrometer (SMP). Ces données ont aussi servi à la validation des résultats et à établir la performance du dispositif radar. Lors de la validation, les mesures radar ont démontré un bon potentiel pour l’étude de la variabilité spatiale et temporelle en détectant 80% des interfaces identifiées manuellement, et ce, avec une erreur de positionnement vertical de 3 cm.

Abstract : Considering the increased popularity for backcountry mountain recreation activities, problematic snowpack interfaces are currently of great interest given their impact on snow stability. As such, the identification of interface vertical locations in the snowpack and their spatial variability is essential for avalanche danger forecasting. The Gaspé Peninsula specific climate (strong winds, rain-on-snow events, winter thaw and prolonged very cold temperatures) often leads to a complex snowpack development, where the need of improved monitoring is important. The goal of this research is to asses an automated method to detect contrasted snow interfaces (i.e. contrasted layers) using a 24 GHz Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) portable radar. Based on different in-situ configurations (upward and downward looking), we compared the radar amplitude signals with in-situ snow geophysical measurements, including Snow Micro Penetrometer. Radar measurements have been done following two different protocols: 1) mobile radar looking-up and down in order to understand the radar-snow wave interactions and optimize its parameters for spatial variability assessment of contrasted snow layers and 2) fixed radar mounted on a tripod looking down to evaluate its potential to study snow stratigraphy temporal variability in one fixed location. Results show good agreements with compared validation data with 80% of manually identified interfaces detection and a vertical positioning error of 3 cm. The presented FMCW radar appears to have a good potential for spatial and temporal variability assessment of snowpack stratigraphy.