L hydrologie vue de l espace

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1 L hydrologie vue de l espace Jean-Paul Boy Module d hydrogéophysique Workshop on Hydrology from Space Toulouse, 29/09-01/

2 Cycle de l eau aux échelles régionales et continentales

3 Que peut-on observer depuis l espace? Spectre d absorption de l atmosphère

4 L hydrologie vue de l espace Teneur en eau de l atmosphère mesures de radiance Altimétrie radar Océans, Lacs, fleuves, etc. Calottes glaciaires, Apport de l altimétrie laser. Réservoirs continentaux Modèles hydrologiques, Mesures d humidité du sol. Apport de la gravimétrie spatiale

5 Observation du contenu en eau de l atmosphère Mesures classiques : Données de surface : température, humidité relative, précipitation, vents Ballons sonde : température, humidité spécifique, vents Mesures spatiales : Mesures spatiales : Satellites géostationnaires (type METEOSAT) Satellites polaires (mesures de radiance, etc.)

6 Répartition spatiale données conventionnelles / satellites Nbres de données assimilées (par jour) : Surface : (1.84%) ; Avion : (5.50%) ; Ballons sonde : (2.06%) Radiance : (81.34%) ; Vents : (3.75%) ; etc.

7 Lien entre radiance, température et humidité HIRS AIRS (1/10) ( ν ) = ( ν, T ( z), q( z) ) K( z)dz L B 0 AMSUA Channel 5 (53GHz) HIRS Channel 12 (6.7 micron)

8 L hydrologie vue de l espace Teneur en eau de l atmosphère mesures de radiance Altimétrie radar Océans, Lacs, fleuves, etc. Calottes glaciaires, Apport de l altimétrie laser. Réservoirs continentaux Modèles hydrologiques, Mesures d humidité du sol. Apport de la gravimétrie spatiale

9 Observations des océans Altimétrie radar

10 Altimétrie radar (Topex( Topex/Poseidon) ) : quelques exemples océaniques Niveau moyen des mers El Niño / La Niña

11 Altimétrie radar (Topex( Topex/Poseidon) ) : mesures des niveaux des lacs Exemple de la Mer d Aral

12 Altimétrie radar (Topex( Topex/Poseidon) ) : mesures des niveaux des fleuves Détermination du débit à Juatarana à partir de T/P (rouge) et de mesures in-situ (bleu)

13 Suivi opérationnel des niveaux des grands lacs et fleuves earth.esa..esa.int/riverandlake

14 Altimétrie laser (ICESat( ICESat) Altimétrie radar : insensible aux conditions météorologiques (nuages) footprint de plusieurs kilomètres de diamètre Altimétrie laser footprint de l ordre de la centaine de mètres Sensible à la couverture nuageuse d après Spinhirne et al., Cloud and aerosol measurements from GLAS: Overview and initial results, Geophys. Res. Lett., 32, doi: /2005gl023507, 2005.

15 Altimétrie laser (ICESat( ICESat) Carabajal & Harding, ICESat Laser SRTM C-Band and ICESat Laser Altimetry Elevation Comparisons as a Function of Tree Cover and Relief, Am. Soc. Photogram. Rem. Sens., SRTM Topical Issue, 2006.

16 Mesures de niveaux de lacs et de fleuves (altimétrie laser) Birkett et al., 2005.

17 Observation du barrage des Trois- Gorges par altimétrie laser L2A L2B L3A L3B L3C L3D L3E

18 Observation du remplissage du barrage par altimétrie laser

19 Observation des calottes polaires par altimétrie radar

20 Observation des calottes polaires par interférométrie radar d après Rignot et al. (2002)

21 L hydrologie vue de l espace Teneur en eau de l atmosphère mesures de radiance Altimétrie radar Océans, Lacs, fleuves, etc. Calottes glaciaires, Apport de l altimétrie laser. Réservoirs continentaux Modèles hydrologiques, Mesures d humidité du sol. Apport de la gravimétrie spatiale

22 Et maintenant, sur les continents Qu est-ce qu un modèle hydrologique? Équation de continuité : Localement, les variations temporelles d eau dans le sol s écrivent : précipitation (P), évaporation (E), etc. Conservation de l énergie : température, chaleur latente de fusion, radiations, etc. Milly & Shmakin, Global modeling of land water and energy balances. Part I: The land dynamics (LaD) model. Journal of Hydrometeorology, 3, , 2002.

23 Paramètres du modèle et forçage Modèle de sol : Porosité, temps de résidence, etc. Modèle de végétation : évapotranspiration, etc. Forçage des modèles : modèles atmosphériques, assimilation.

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25 Quels paramètres peut-on observer? La présence d eau dans le sol fait décroître l émissivité du sol, et donc modifie l émission des radiations micro-ondes de la surface de la Terre (température de brillance). Il suffit donc d enregistrer les radiations émises par la Terre, pour en déduire les variations de la teneur en eau du sol. Pour limiter les effets induits par la végétation et l atmosphère, ainsi que pour avoir des résolutions spatiales décentes (on mesure à plusieurs centaines de kilomètres d altitude), il est nécessaire de mesurer les radiations aux très hautes fréquences (GHz). => Problème : on n image que les premiers centimètres du sol!

26 Mesures spatiales de l humidité du sol AQUA (NASA), lancé en 2002 SMOS (Soil-Moisture and Ocean Salinity, ESA)

27 AQUA (AMSR-E) (Advance Microwave Scanning Radiometer) Que mesure-t-on vraiment? Level-2A Brightness Temperatures Near Real Time Ingest from RSS L2B Ocean (1/2-orbit) Level-2B Brightness Temperatures (with Metadata and QA files) L2B RainL2B Soil Moist. (1/2-orbit) (1/2-orbit) Product Generation Scheduling ~ 29 times per day L3 Ocean (Daily) L3 Sea Ice (Daily, 3 Res) L3 Snow (Daily) L3 Soil Moist. (Daily) Once per day L3 Snow (5-day) Once every five days L3 Ocean (Weekly) Once per week L3 Ocean (Monthly) L3 Snow (Monthly) L3 Rain (Monthly) Once per month Ocean = SST, oceanic integ. cloud water, water vapor, surface wind speed Snow = snow water equiv. Sea Ice = ice concentration., temp., & snow depth on ice

28 Exemple de mesures d humidité du sol depuis l espace Extension des crues en mars 2004 mesurée par le capteur AMSR-E (Aqua)

29 Comparaison entre mesures in-situ et spatiales

30 Mesures directes du cycle de l eau Conclusion (1) Jeu de données partiel et très incomplet! Humidité du sol : Imagerie de la très proche surface (quelques centimètres), Neige et glace: Extension spatiale et hauteur, Lacs et fleuves : Données pour les plus grands réservoirs, Nappes phréatiques : Aucune mesure.

31 Mesures directes du cycle de l eau Conclusion (2) Équations fondamentales : conservation de la masse. Or, on mesure le volume : variation de la densité de l eau, en fonction de la température (océan, lacs, etc.), variation de la densité de la glace, en fonction de la compaction. Peut-on mesurer la masse?

32 L hydrologie vue de l espace Teneur en eau de l atmosphère mesures de radiance Altimétrie radar Océans, Lacs, fleuves, etc. Calottes glaciaires, Apport de l altimétrie laser. Réservoirs continentaux Modèles hydrologiques, Mesures d humidité du sol. Apport de la gravimétrie spatiale

33 Détermination des variations de masse d eau aux grandes échelles spatiales

34 Variations de gravité et hydrologie globale C S Principe : On déduit des variations temporelles du champ de gravité V(θ,λ,t), les variations de hauteur d eau équivalente h(θ,λ,t). V ( θ, λ, t) = m n m n () t () t = 3ρW 4πρ n= 0 m= 0 T n ( m() m() ) m C t cos mλ + S t sin mλ P ( cosθ ) n ' 1+ kn 2n + 1 cos mλ h( θ, λ, t) P sin mλ n m n n ( cosθ )ds

35 Swenson et al., Estimated accuracies of regional water storage variations inferred from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), Water Resour. Res., 39, Résolution spatiale : étude théorique de différents bassins Þ On peut théoriquement retrouver les variations d eau avec une précision de l ordre du centimètre pour des bassins de superficie de l ordre de km 2.

36 Exemples de variations de hauteurs d eau déduites de GRACE

37 Comparaison de l altimétrie et de la gravimétrie (calottes glaciaires) Gravimétrie spatiale d après Ramillien et al. (2006) Altimétrie Radar d après Wingham et al. (1998)

38 Conclusion Champ de gravité terrestre : observation des variations de masse : effets dus à la compaction de la neige, en complément des mesures altimétriques, bilans de masse pour les grands bassins hydrologiques (Mississippi, etc.), observation des grandes longueurs d onde (supérieures à 500 km) des variations d hydrologie continentale, on ne peut pas séparer les différents réservoirs (nappes phréatiques, humidité du sol, etc.), seul moyen d avoir accès aux variations des nappes phréatiques, => Il faut encore améliorer les solutions de GRACE (autres contributions mal modélisées).

39 Pour en savoir plus Workshop on Hydrology from Space (Toulouse, 29/09-01/10/2003) : ENVISAT Summer School (Frascati, 31/07 11/08/2006) : Suivi du niveaux des lacs et fleuves : Observation des océans par altimétrie radar Mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Modèle hydrologique opérationnel (Land Data Assimilation System) :