L hydrologie vue de l espace Workshop on Hydrology from Space Toulouse, 29/09-01/10 2003. http://gos.legos.free.fr/
L hydrologie vue de l espace Introduction de quoi s agit-il? Qu est ce qu un modèle d hydrologie global, ou régional? Comment mesurer directement les variations d eau continentale? Radiométrie, Altimétrie. Détermination indirecte : variations temporelles du champ de gravité. Conclusion
Cycle de l eau aux échelles continentales
Principaux réservoirs d eau continentale nappes phréatiques, humidité du sol, neige, eaux de surface (lacs, fleuves, etc.), glaciers, calottes glaciaires, etc. généralement absents des modèles d hydrologie globale, caractéristiques très différentes. gestion des ressources en eau, paramètre important pour la modélisation climatique à long terme (cycles saisonniers, changements climatiques).
Qu est ce qu un modèle d hydrologie régional & global? Grandes longueurs d onde spatiale : échelles régionales (quelques dizaines de kilomètres). Périodes supérieures à quelques jours : cycles météorologiques (anticyclone / dépression). Modélisation (simple) des différents réservoirs : humidité du sol, neige. Forcé par les modèles atmosphériques.
Exemple d un modèle global : LaD Conservation de la masse (1) concepts W t = ( P E) Y précipitation (P), évapotranspiration (E). Conservation de l énergie d après Milly & Shmakin, Journal of Hydrometeorology, 2002.
Exemple d un modèle global : LaD (2) paramètres Modèle de sol : Porosité, temps de résidence... Modèle de végétation : évapotranspiration... Forçage des modèles : modèles atmosphériques, assimilation.
Comment valider les modèles? Que peut-on mesurer? teneur en eau du sol (W R, W G ), enneigement (W S ), écoulements (Y G ) bilans sur des bassins, comparaison avec des flux de fleuves. Mesures in-situ et spatiales
Observations des variations d eau continentale depuis l espace Humidité du sol : radiométrie. Enneigement : imagerie, altimétrie, etc. Eaux de surface : Eaux de surface : altimétrie.
Mesures d humidité du sol - radiométrie AQUA (NASA), lancé en 2002 SMOS (Soil-Moisture and Ocean Salinity, ESA) Principe : Principe : La présence d eau fait décroître l émissivité du sol, et donc modifie l émission des radiations micro-ondes (GHz) de la surface de la Terre.
Exemple de mesures d humidité du sol Extension des crues en mars 2004 mesurée par le capteur AMSR-E (Aqua)
Comment mesurer les variations de neige Altimétrie, Radar basse fréquence et SAR (Synthetic Aperture Radar), Radiométrie, Imagerie (détermination de l extension horizontale). Calottes glacières en surface? LEGOS, Toulouse
Mesures altimétriques radar (principes)
Mesures de niveaux de lacs et de fleuves (altimétrie radar) Exemple de la Mer d Aral LEGOS, Toulouse.
Mesures de niveaux de lacs et de fleuves (altimétrie radar) Détermination du débit à Juatarana à partir de T/P (rouge) et de mesures in-situ (bleu) Exemple de l Amazone LEGOS, Toulouse.
Altimétrie laser (ICESat( ICESat) d après Carabajal et Harding, ASPRS Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2006.
Mesures de niveaux de lacs et de fleuves (altimétrie laser) Birkett et al., 2005.
Observations directes des variations d eau continentale Jeu de données partiel et très incomplet! Humidité du sol : imagerie de la très proche surface (quelques centimètres). Neige : extension spatiale et hauteur, effets dus à la compaction. Lacs et fleuves : données pour les plus grands réservoirs. Nappes phréatiques : aucune mesure.
Détermination des variations de masse d eau aux grandes échelles spatiales
Détectabilité des variations d eau continentale par GRACE Rodell & Famiglietti, Water Resources Research, 1999.
Détectabilité des variations d eau continentale par GRACE
Variations de hauteur d eau déduites de GRACE Amérique du Sud (1) Corrélation entre les solutions mascon (GSFC) et différents modèles hydrologiques (ECMWF & GLDAS) et océanique (ECCO). (2) Écart-type des variations de hauteur d eau. (1) (2)
Variations de hauteur d eau déduites de GRACE Amérique du Nord
Variations temporelles de hauteur d eau déduites de GRACE
Validation de GRACE (1) barrage des Trois-Gorges Effets induits par le remplissage du réservoir sur le géoide terrestre. D après Boy & Chao, Geophysical Research. Letters, 2002.
Validation de GRACE (2) comparaison aux mesures sol Résidus de gravité, et déplacement vertical (GPS) en Europe et à Tigo (Chili) et surcharges hydrologiques modélisées (GLDAS et ECMWF).
Validation de GRACE (2) comparaison aux mesures sol
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).