Coastal Altimetry: A Promising Technology for the Coastal Oceanography Community

Satellite altimetry has been one of the most important implements for physical oceanographers. The conventional altimeter is best performed over open ocean surface, yet there are many attempts to exploit the potential of altimetry in coastal zone in the last decade. To achieve a high performance for coastal altimetry is a multi-fold effort: the more sophisticated instrument concepts, the smarter onboard trackers, the more expert data editing criteria, the more specific retracking algorithms, the more advanced error correction methods, etc. In this chapter, each of the above aspects is described in detail, and some representative works in the altimetry community are reviewed. Particularly, the coastal altimetry offshore Hong Kong is addressed as a case study to demonstrate the potential of the new technology. In the conclusive session, some prospects for the coastal oceanography community are presented

Improving the precision of sea level data from satellite altimetry with high-frequency and regional Sea State Bias corrections

The sea state bias (SSB) is a large source of uncertainty in the estimation of sea level from satellite altimetry. It is still unclear to what extent it depends on errors in parameter estimations (numerical source) or to the wave physics (physical source). By improving the application of this correction we compute 20-Hz sea level anomalies that are about 30% more precise (i.e. less noisy) than the current standards. The improvement is two-fold: _rst we prove that the SSB correction should be applied directly to the 20-Hz data (12 to 19% noise decrease); secondly, we show that by recomputing a regional SSB model (based on the 20-Hz estimations) even a simple parametric relation is su_cient to further improve the correction (further 15 to 19% noise decrease). We test our methodology using range, wave height and wind speed estimated with two retrackers applied to Jason-1 waveform data: the MLE4 retracked-data available in the Sensor Geophysical Data Records of the mission and the ALES retracked-data available in the OpenADB repository (https://openadb.dg_.tum.de/). The regional SSB models are computed parametrically by means of a crossover analysis in the Mediterranean Sea and North Sea. Correcting the high-rate data for the SSB reduces the correlation between retracked parameters. Regional variations in the proposed models might be due to di_erences in wave climate and remaining sea-state dependent residual errors. The variations in the empirical model with respect to the retracker used recall the need for a speci_c SSB correction for any retracker. This study, while providing a signi_cantly more precise solution to exploit high-rate sea level data, calls for a re-thinking of the SSB correction in both its physical and numerical component, gives robustness to previous theories and provides an immediate improvement for the application of satellite altimetry in the regions of study

Ensuring that the Sentinel-3A altimeter provides climate-quality data

Sentinel-3A, launched in February 2016, is part of ESA's long-term commitment to climate monitoring from space. Its suite of instruments for measuring surface topography includes a Microwave Radiometer (MWR) and SRAL, the first delay-Doppler instrument to provide global coverage. SRAL promises fine spatial resolution and reduced noise levels that should together lead to improved performance over all Earth surfaces. The Sentinel-3 Mission Performance Centre (S3MPC) has been developing the methodology to evaluate the accuracy of retrievals, monitor any changes and develop solutions to known problems. The S3MPC monitors internal temperatures, path delays and the shape of the generated pulses to assess the instruments health. The MWR records over known reference surfaces are compared with those from other spaceborne instruments. Over the ocean the SRAL's return pulses are analysed to give range to the sea surface, wave height and signal strength (which can be interpreted as wind speed). The metocean data are regularly contrasted with records from in situ measurements and the output from meteorological models, which rapidly highlights the effects of any changes in processing. Range information is used to give surface elevation, which is assessed in three ways. First, flights over a dedicated radar transponder provide an estimate of path delay to within ~10 mm (r.m.s.). Second, measurements are compared to GPS- levelled surfaces near Corsica and over Lake Issyk-kul. Third, there are consistency checks between ascending and descending passes and with other missions. Further waveform analysis techniques are being developed to improve the retrieval of information over sea-ice, land-ice and inland waters

Coastal altimetry products in the Strait of Gibraltar

This paper analyzes the availability and accuracy of coastal altimetry sea level products in the Strait of Gibraltar. All possible repeats of two sections of the Envisat and AltiKa ground-tracks were used in the eastern and western portions of the strait. For Envisat, along-track sea level anomalies (SLAs) at 18-Hz posting rate were computed using ranges from two sources, namely, the official Sensor Geophysical Data Records (SGDRs) and the outputs of a coastal waveform retracker, the Adaptive Leading Edge Subwaveform (ALES) retracker; in addition, SLAs at 1 Hz were obtained from the Centre for Topographic studies of the Ocean and Hydrosphere (CTOH). For AltiKa, along-track SLA at 40 Hz was also computed both from SGDR and ALES ranges. The sea state bias correction was recomputed for the ALES-retracked Envisat SLA. The quality of these altimeter products was validated using two tide gauges located on the southern coast of Spain. For Envisat, the availability of data close to the coast depends crucially on the strategy followed for data screening. Most of the rejected data were due to the radar instrument operating in a low-precision nonocean mode. We observed an improvement of about 20% in the accuracy of the Envisat SLAs from ALES compared to the standard (SGDR) and the reprocessed CTOH data sets. AltiKa shows higher accuracy, with no significant differences between SGDR and ALES. The use of products from both missions allows longer times series, leading to a better understanding of the hydrodynamic processes in the study area

Monitoring inland surface water level from Sentinel-3 data

Inland surface water bodies (e.g. lakes and rivers) are very important to the nature and human society. To monitor the water level of inland water bodies, gauge stations were built since 19th century, but the amount of the stations is declining since the 1970s because of lack of maintenance. An accurate and continuous monitoring of lakes and rivers is available because of the satellite altimetry missions launched, e.g. Jason-2 and ENVISAT. These satellites can provide water level with proper spatial and temporal resolution. In the recent past, researchers have used different satellite mission observations to generate time series of inland water level in order for monitoring the water bodies. In this thesis, we use the new designed satellite mission Sentinel-3, which carries different sensors, to generate the water level time series of Dongting Lake and Poyang Lake in China. Initially, we combine the altimetry measurements with satellite images to determine virtual station. We choose Sentinel-3 Ku band data and on-board Ocean tracker to generate the water level time series. Afterwards, we apply different waveform retracking algorithms (5β-parameter and OCOG) to compare the results with on-board tracker. We also validate the results with the other database, then investigate the waveforms of each sampling date. The comparisons show the three tracking methods we used are capable to Quasi-Specular waveforms, and OCOG shows the best result to flat patch waveforms. Furthermore, some suggestions for improvements are also discussed in the last chapter

Estimation of water resources on continental surfaces by multi-sensor microwave remote sensing

L'estimació dels recursos hídrics de les superfícies continentals a escala regional i global és fonamental per a una bona gestió dels recursos hídrics. Aquesta estimació cobreix una àmplia gamma de temes i camps, incloent-hi la caracterització dels sòls i dels recursos hídrics a l’escala de la conca, la modelització hidrològica i la predicció i la cartografia d'inundacions. En aquest context, la caracterització dels estats de la superfície continental, per a obtenir millors paràmetres d’entrada als models hidrològics, és essencial per millorar la precisió en la simulació de cabals, sequeres i inundacions. L’estimació del contingut d’aigua en el sistema, incloses les diferents masses d’aigua i l’aigua lliure en el sòl, és especialment necessària per a una descripció precisa dels processos hidrològics i, en general, del cicle de l’aigua a les superfícies continentals. Per caracteritzar millor els processos hidrològics, les intervencions antropogèniques no es poden negligir. L'home influeix en el cicle de l'aigua, principalment mitjançant el reg i la construcció de preses, fet que s’ha de quantificar correctament. L’objectiu de la tesi és la millora de l’estimació remota dels recursos hídrics, incloent-hi la quantificació dels factors antròpics, mitjançant l’ús de diversos sensors llançats recentment, aprofitant recents desenvolupaments en la tecnologia de teledetecció. Amb l'arribada de les constel·lacions Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disposem de millors eines per estimar els recursos hídrics, incloent-hi els impactes humans, amb una major precisió i cobertura. Aquest treball de tesi consta principalment de dues línies de recerca on s’estimen les intervencions humanes en el cicle hidrològic: la cartografia del reg (com a aplicació en humitat del sòl), i el forçament d’embassaments en simulacions hidrològiques (com a aplicació de l’altimetria). En la primera linia s’estima la humitat del sòl a partir de l’anàlisi estadística de les dades SAR de Sentinel-1. Es desenvolupen dues metodologies per obtenir la humitat del sòl amb una resolució espacial de 100 m basant-se en la interpretació de les dades de Sentinel-1 obtingudes amb la polarització VV (vertical-vertical), que es combina amb dades òptiques Sentinel-2 per a l'anàlisi dels efectes de la vegetació. Com aplicació de la humitat del sòl, es cartografia el reg en diverses condicions meteorològiques, i amb una alta resolució espacial i temporal. Es proposa una metodologia per a la cartografia del reg mitjançant dades SAR obtingudes en polaritzacions VV (vertical-vertical) i VH (vertical-horitzontal). A partir de la sèrie temporal Sentinel-1, s’analitzen diferents estadístiques i mètriques, incloent-hi el valor mitjà, la variància del senyal, la longitud de la correlació i la dimensió fractal, a partir dels quals es classifiquen els arbres irrigats, els cultius irrigats i els cultius no irrigats. En la segona línia, s’estima el nivell dels embassaments a partir de les dades d’altimetria de Sentinel-3, amb l’altímetre SAR (SRAL), basant-se en diferents algorismes per millorar la precisió. Aquest estudi presenta tres algorismes especialitzats o retrackers destinats a obtenir el nivell de la superfície dels cossos d’aigua estudiats, minimitzant la contaminació de les formes d’ona degut al sòl que els envolta. Es compara el rendiment del mètode proposat de selecció de la porció d’ona amb tres retrackers, és a dir, un retracker de llindar, el retracker del centre de gravetat (OCOG) i un retracker de base física de dos passos. S’obtenen sèries temporals del nivell de la làmina d’aigua d’embassaments situats a la conca del riu Ebre (Espanya). Com aplicació, les sèries de nivell dels embassaments obtingudes s’utilitzen per a forçar els embassaments en simulacions hidrològiques.La estimación de los recursos hídricos de las superficies continentales a escala regional y global es fundamental para una buena gestión de los recursos hídricos. Esta estimación cubre una amplia gama de temas y campos, incluyendo la caracterización de los suelos y de los recursos hídricos a escala de cuenca, la modelización hidrológica y la predicción y la cartografía de inundaciones. En este contexto, la caracterización de los estados de la superficie continental, para obtener mejores parámetros de entrada para los modelos hidrológicos, es esencial para mejorar la precisión en la simulación de caudales, sequías e inundaciones. La estimación del contenido de agua en el sistema, incluidas las diferentes masas de agua y el agua libre en el suelo, es especialmente necesaria para una descripción precisa de los procesos hidrológicos y, en general, del ciclo del agua en las superficies continentales. Una caracterización precisa de los procesos hidrológicos requiere no descuidar las intervenciones humanas. El hombre influye en el ciclo del agua, principalmente mediante el riego y la construcción de embalses, lo que se debe cuantificar correctamente. El objetivo de la tesis es la mejora de la estimación remota de los recursos hídricos, incluyendo la cuantificación de los factores humanos, mediante el uso de varios sensores lanzados recientemente, aprovechando recientes desarrollos en la tecnología de teledetección. Con la llegada de las constelaciones Sentinel (Sentinel-1, 2, 3), disponemos de mejores herramientas para estimar los recursos hídricos, incluyendo los impactos humanos, con una mayor precisión y cobertura. Este trabajo de tesis consta principalmente en dos ejes de investigación donde se estiman las intervenciones humanas en el ciclo hidrológico: la cartografía del riego (como aplicación en humedad del suelo), y el forzamiento de embalses en simulaciones hidrológicas (como aplicación de la altimetría). En relación al primer eje, se estima la humedad del suelo a partir del análisis estadístico de los datos SAR de Sentinel-1. Se desarrollan dos metodologías para obtener la humedad del suelo con una resolución espacial de 100 m basándose en la interpretación de los datos de Sentinel-1 obtenidas con la polarización VV (vertical-vertical), que se combina con datos ópticas Sentinel-2 para el análisis de los efectos de la vegetación. Como aplicación de la humedad del suelo, se cartografía el riego en diversas condiciones meteorológicas, y con una alta resolución espacial y temporal. Se propone una metodología para la cartografía del riego mediante datos SAR obtenidos en polarizaciones VV (vertical-vertical) y VH (vertical-horizontal). A partir de la serie temporal Sentinel-1, se analizan diferentes estadísticas y métricas, incluyendo el valor medio, la varianza de la señal, la longitud de la correlación y la dimensión fractal, a partir de los cuales se clasifican los árboles irrigados, los cultivos irrigados y los cultivos no irrigados. En el segundo eje, se estima el nivel de los embalses a partir de los datos de altimetría de Sentinel-3, con el altímetro SAR (SRAL), basándose en diferentes algoritmos para mejorar la precisión. Este estudio presenta tres algoritmos especializados o retrackers destinados a obtener el nivel de la superficie de los cuerpos de agua estudiados, minimizando la contaminación de las formas de onda debido al suelo que los rodea. Se compara el rendimiento del método propuesto de selección de la porción de onda con tres retrackers, es decir, un retracker de umbral, el retracker del centro de gravedad (OCOG) y un retracker de base física de dos pasos. Se obtienen series temporales del nivel de la lámina de agua de embalses situados en la cuenca del río Ebro (España). Como aplicación, las series de nivel de los embalses obtenidas se utilizan para forzar los embalses en simulaciones hidrológicas.The estimation of the water resources of the continental surfaces at a regional and global scale is fundamental for good water resources management. This estimation covers a wide range of topics and fields, including the characterisation of soils and water resources at the basin scale, hydrological modelling and flood prediction and mapping. In this context, the characterisation of the states of the continental surface, to obtain better input parameters for hydrological models, is essential to improve the precision in the simulation of flows, droughts, and floods. The estimation of the water content in the system, including the different water bodies and the free water in the soil, is especially necessary for a precise description of the hydrological processes and, in general, of the water cycle on the continental surfaces. To better characterise hydrological processes, human interventions cannot be neglected. Humans influence the water cycle, mainly through irrigation and the construction of reservoirs, which must be correctly quantified. The objective of the thesis is the improvement of the remote estimation of water resources, including the quantification of human factors, using several sensors recently launched, taking advantage of recent developments in remote sensing technology. With the arrival of the Sentinel constellations (Sentinel-1, 2, 3), we have better tools to estimate water resources, including human impacts, with greater precision and coverage. This thesis consists mainly of two parts where human interventions in the water cycle are considered: irrigation cartography (as an application of soil moisture), and the forcing of reservoirs in hydrological simulations (as an application of altimetry). Firstly, soil moisture is estimated from the statistical analysis of Sentinel-1 SAR data. Two methodologies are developed to obtain soil moisture with a spatial resolution of 100 m based on the interpretation of Sentinel-1 data collected with the VV polarization (vertical-vertical), which is combined with optical data of Sentinel-2 for the analysis of the effects of vegetation. Secondly, irrigation is mapped under various meteorological conditions, including high spatial and temporal resolution. A methodology for irrigation mapping is proposed using SAR data obtained in VV (vertical-vertical) and VH (vertical-horizontal) polarizations. With Sentinel-1 time series, different statistics and metrics are analysed, including the mean value, the variance of the signal, the correlation length and the fractal dimension, based on which the classification of irrigated trees, irrigated crops, and non-irrigated crops are derived. Finally, the level of the reservoirs is estimated from the Sentinel-3 altimetry data, with the SAR altimeter (SRAL), based on different algorithms to improve the accuracy. This study presents three specialised algorithms or retrackers designed to obtain the level of the surface of the studied inland bodies of water, minimising the contamination of the waveforms due to the surrounding soil. The performance of the selection method of the proposed wave portion is compared with three retrackers, that is, the centre of gravity retracker (OCOG) and the two-step physical-based retracker. Temporal series of the water level of reservoirs located in the basin of the Ebro River (Spain) are obtained. As an application, the level series of the reservoirs obtained are used to force the reservoirs in hydrological simulations.L'estimation et le suivi des ressources en eau des surfaces continentales aux niveaux régional et global est essentielle pour la gestion du bilan hydrique, particulièrement dans le contexte des changements climatiques et anthropiques. Ils couvrent un large éventail de thèmes et de domaines, incluant la caractérisation des ressources en eau à l'échelle du bassin, la modélisation hydrologique ainsi que la prévision et la cartographie des inondations. Dans ce contexte, la caractérisation des états de surface, en tant que paramètres d’entrée dans les modèles hydrologiques, est essentielle pour obtenir une meilleure précision de la simulation, qui est liée à la précision prévisionnelle des débits des cours d’eau et le suivi des sécheresses et des inondations. L'estimation de la teneur en eau des surfaces continentales, incluant l’état hydrique du sol et les niveaux des surfaces couvertes d’eau, est particulièrement nécessaire pour une description précise des processus hydrologiques et plus généralement du cycle de l'eau sur les surfaces continentales. Afin de mieux comprendre les processus hydrologiques, l'influence humaine (l’effet anthropique) sur le cycle de l'eau nécessite une évaluation fine. Elle est particulièrement liée à la gestion de l’irrigation et la construction de barrages. L'objectif de la thèse était d'améliorer l'estimation des ressources en eau et une meilleure caractérisation des interventions anthropiques à travers l'utilisation de nouveaux capteurs satellitaires multi-configurations du programme européen Copernicus. Avec le développement de la technologie de télédétection spatiale, et plus particulièrement avec l’arrivée des constellations Sentinel (Sentinel-1, 2, 3) à haute résolution spatiale et temporelle, il existe un meilleur outil pour estimer les états des surfaces continentales. Ce travail de thèse comprend principalement deux priorités liées à des interventions humaines dans le cycle hydrologique:la cartographie de l'irrigation en tant que action humaine liée directement à l'humidité du sol et le forçage des barrages dans un modèle de simulation de rivière en tant qu'application liée à l’estimation du niveau de l'eau libre. Un premier axe de recherche a été basé sur une analyse statistique des données SAR Sentinel-1 pour caractériser l’état hydrique du sol. Deux méthodes ont été développées pour estimer ce paramètre avec une résolution spatiale de 100 m. Elles sont basées sur des approches de détection de changement à partir des données Sentinel-1 acquises en polarisation VV (verticale-verticale), combinées aux données optiques Sentinel-2 pour corriger les effets de la végétation. L’application consistait à cartographier l'irrigation, avec des résolutions spatiale et temporelle élevées. Une méthodologie de cartographie de l'irrigation utilisant des données SAR Sentinel-1 a été proposée. Elle estbasée sur les acquisitions en polarisations VV (vertical-vertical) et VH (vertical-horizontal). A partir de la série temporelle des mesures Sentinel-1, des paramètres statistiques tel que la valeur moyenne, la variance du signal, la longueur de corrélation temporelle et la dimension fractale, sont analysées, en fonction du type de culture; cultures annuelles irriguées, arbres irrigués et cultures pluviales. Des classifications supervisées utilisant les approches Random Forest et SVM sont testées. En deuxième axe, l'estimation de la hauteur de la surface de l'eau à partir des données altimétriques de Sentinel-3 avec l’altimètre SAR (SRAL) a été réalisée à l'aide de différents algorithmes afin d'améliorer la précision sur des petites surfaces. Cette étude présente trois algorithmes spécialisés (ou retrackers) dédiées à la minimisation de la contamination des sols par les formes d’ondes permettant de récupérer les niveaux d’eau à partir de données altimétriques SAR sur des masses d’eaux intérieures. Les performances de la méthode de sélection de portion de forme d'onde proposée avec trois retrackers, à savoir, le retracker à seuil, le retracker à centre de gravité décalé (OCOG) et le retracker à base physique à 2 étapes, sont comparées. Des séries chronologiques de niveaux d'eau sont extraites pour les masses d'eau du bassin de l'Èbre (Espagne). Une application des produits altimétriques est proposée. Le produit de niveau d’eau a été utilisé comme paramètre d’entrée pour analyser l’effet tampon des barrages dans les simulations de débits fluviaux

Comparison of sea-ice freeboard distributions from aircraft data and cryosat-2

The only remote sensing technique capable of obtain- ing sea-ice thickness on basin-scale are satellite altime- ter missions, such as the 2010 launched CryoSat-2. It is equipped with a Ku-Band radar altimeter, which mea- sures the height of the ice surface above the sea level. This method requires highly accurate range measure- ments. During the CryoSat Validation Experiment (Cry- oVEx) 2011 in the Lincoln Sea, Cryosat-2 underpasses were accomplished with two aircraft, which carried an airborne laser-scanner, a radar altimeter and an electro- magnetic induction device for direct sea-ice thickness re- trieval. Both aircraft flew in close formation at the same time of a CryoSat-2 overpass. This is a study about the comparison of the sea-ice freeboard and thickness dis- tribution of airborne validation and CryoSat-2 measure- ments within the multi-year sea-ice region of the Lincoln Sea in spring, with respect to the penetration of the Ku- Band signal into the snow