Soil moisture-runoff relation at the catchment scale as observed with coarse resolution microwave remote sensing

International audienceMicrowave remote sensing offers emerging capabilities to monitor global hydrological processes. Instruments like the two dedicated soil moisture missions SMOS and HYDROS or the Advanced Scatterometer onboard METOP will provide a flow of coarse resolution microwave data, suited for macro-scale applications. Only recently, the scatterometer onboard of the European Remote Sensing Satellite, which is the precursor instrument of the Advanced Scatterometer, has been used successfully to derive soil moisture information at global scale with a spatial resolution of 50 km. Concepts of how to integrate macro-scale soil moisture data in hydrologic models are however still vague. In fact, the coarse resolution of the data provided by microwave radiometers and scatterometers is often considered to impede hydrological applications. Nevertheless, even if most hydrologic models are run at much finer scales, radiometers and scatterometers allow monitoring of atmosphere-induced changes in regional soil moisture patterns. This may prove to be valuable information for modelling hydrological processes in large river basins (>10 000 km2. In this paper, ERS scatterometer derived soil moisture products are compared to measured runoff of the Zambezi River in south-eastern Africa for several years (1992?2000). This comparison serves as one of the first demonstrations that there is hydrologic relevant information in coarse resolution satellite data. The observed high correlations between basin-averaged soil moisture and runoff time series (R2>0.85) demonstrate that the seasonal change from low runoff during the dry season to high runoff during the wet season is well captured by the ERS scatterometer. It can be expected that the high correlations are to a certain degree predetermined by the pronounced inter-annual cycle observed in the discharge behaviour of the Zambezi. To quantify this effect, time series of anomalies have been compared. This analysis showed that differences in runoff from year to year could, to some extent, be explained by soil moisture anomalies

Improving root zone soil moisture estimation from surface remote sensing measurements

Satellite soil moisture provides a wider range of spatial data than in-situ observations. Satellites are sensitive to measuring soil moisture in a few centimetres of the soil layer. However, root zone soil moisture is more important, especially in vegetated areas. Therefore, it is necessary to invert the near-surface soil moisture collected by satellite missions to estimate root zone soil moisture. This study quantified the association between near-surface and root zone soil moisture using in-situ data from the REMEDHUS network in Spain and Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS) mission from 2014-2018, comparing SMOS with in-situ observations based on an exponential filter approach, optimizing an optimal characteristic time length (Topt) by computing the correlation coefficients (R) of the filtered satellite time series with in-situ time series. The results show that the exponential filter's main factor T is sensitive to soil moisture and varies depending on the climate. When using this method to infer root zone soil moisture, the eight stations' average R-value reached 0.71, meeting the "Strong correlation" standard. The root zone soil moisture obtained by SMOS surface inversion is compared with in situ soil moisture. The mean R-value of soil moisture in the root zone based on SMOS is 0.58, which is approximate to the "baseline error (0.6)" -- the accuracy of the surface soil moisture estimated by SMOS. However, attention should be paid to the effects of soil moisture season and soil texture on the experimental results

Assimilation de données satellitaires pour le suivi des ressources en eau dans la zone Euro-Méditerranée

Une estimation plus précise de l'état des variables des surfaces terrestres est requise afin d'améliorer notre capacité à comprendre, suivre et prévoir le cycle hydrologique terrestre dans diverses régions du monde. En particulier, les zones méditerranéennes sont souvent caractérisées par un déficit en eau du sol affectant la croissance de la végétation. Les dernières simulations du GIEC (Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) indiquent qu'une augmentation de la fréquence des sécheresses et des vagues de chaleur dans la région Euro-Méditerranée est probable. Il est donc crucial d'améliorer les outils et l'utilisation des observations permettant de caractériser la dynamique des processus des surfaces terrestres de cette région. Les modèles des surfaces terrestres ou LSMs (Land Surface Models) ont été développés dans le but de représenter ces processus à diverses échelles spatiales. Ils sont habituellement forçés par des données horaires de variables atmosphériques en point de grille, telles que la température et l'humidité de l'air, le rayonnement solaire et les précipitations. Alors que les LSMs sont des outils efficaces pour suivre de façon continue les conditions de surface, ils présentent encore des défauts provoqués par les erreurs dans les données de forçages, dans les valeurs des paramètres du modèle, par l'absence de représentation de certains processus, et par la mauvaise représentation des processus dans certaines régions et certaines saisons. Il est aussi possible de suivre les conditions de surface depuis l'espace et la modélisation des variables des surfaces terrestres peut être améliorée grâce à l'intégration dynamique de ces observations dans les LSMs. La télédétection spatiale micro-ondes à basse fréquence est particulièrement utile dans le contexte du suivi de ces variables à l'échelle globale ou continentale. Elle a l'avantage de pouvoir fournir des observations par tout-temps, de jour comme de nuit. Plusieurs produits utiles pour le suivi de la végétation et du cycle hydrologique sont déjà disponibles. Ils sont issus de radars en bande C tels que ASCAT (Advanced Scatterometer) ou Sentinel-1. L'assimilation de ces données dans un LSM permet leur intégration de façon cohérente avec la représentation des processus. Les résultats obtenus à partir de l'intégration de données satellitaires fournissent une estimation de l'état des variables des surfaces terrestres qui sont généralement de meilleure qualité que les simulations sans assimilation de données et que les données satellitaires elles-mêmes. L'objectif principal de ce travail de thèse a été d'améliorer la représentation des variables des surfaces terrestres reliées aux cycles de l'eau et du carbone dans le modèle ISBA grâce à l'assimilation d'observations de rétrodiffusion radar (sigma°) provenant de l'instrument ASCAT. Un opérateur d'observation capable de représenter les sigma° ASCAT à partir de variables simulées par le modèle ISBA a été développé. Une version du WCM (water cloud model) a été mise en œuvre avec succès sur la zone Euro-Méditerranée. Les valeurs simulées ont été comparées avec les observations satellitaires. Une quantification plus détaillée de l'impact de divers facteurs sur le signal a été faite sur le sud-ouest de la France. L'étude de l'impact de la tempête Klaus sur la forêt des Landes a montré que le WCM est capable de représenter un changement brutal de biomasse de la végétation. Le WCM est peu efficace sur les zones karstiques et sur les surfaces agricoles produisant du blé. Dans ce dernier cas, le problème semble provenir d'un décalage temporel entre l'épaisseur optique micro-ondes de la végétation et l'indice de surface foliaire de la végétation. Enfin, l'assimilation directe des sigma° ASCAT a été évaluée sur le sud-ouest de la France.More accurate estimates of land surface conditions are important for enhancing our ability to understand, monitor, and predict key variables of the terrestrial water cycle in various parts of the globe. In particular, the Mediterranean area is frequently characterized by a marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) simulations indicate that occurrence of droughts and warm spells in the Euro-Mediterranean region are likely to increase. It is therefore crucial to improve the ways of understanding, observing and simulating the dynamics of the land surface processes in the Euro-Mediterranean region. Land surface models (LSMs) have been developed for the purpose of representing the land surface processes at various spatial scales. They are usually forced by hourly gridded atmospheric variables such as air temperature, air humidity, solar radiation, precipitation, and are used to simulate land surface states and fluxes. While LSMs can provide a continuous monitoring of land surface conditions, they still show discrepancies due to forcing and parameter errors, missing processes and inadequate model physics for particular areas or seasons. It is also possible to observe the land surface conditions from space. The modelling of land surface variables can be improved through the dynamical integration of these observations into LSMs. Remote sensing observations are particularly useful in this context because they are able to address global and continental scales. Low frequency microwave remote sensing has advantages because it can provide regular observations in all-weather conditions and at either daytime or night-time. A number of satellite-derived products relevant to the hydrological and vegetation cycles are already available from C-band radars such as the Advanced Scatterometer (ASCAT) or Sentinel-1. Assimilating these data into LSMs permits their integration in the process representation in a consistent way. The results obtained from assimilating satellites products provide land surface variables estimates that are generally superior to the model estimates or satellite observations alone. The main objective of this thesis was to improve the representation of land surface variables linked to the terrestrial water and carbon cycles in the ISBA LSM through the assimilation of ASCAT backscatter (sigma°) observations. An observation operator capable of representing the ASCAT sigma° from the ISBA simulated variables was developed. A version of the water cloud model (WCM) was successfully implemented over the Euro-Mediterranean area. The simulated values were compared with those observed from space. A more detailed quantification of the influence of various factors on the signal was made over southwestern France. Focusing on the Klaus storm event in the Landes forest, it was shown that the WCM was able to represent abrupt changes in vegetation biomass. It was also found that the WCM had shortcomings over karstic areas and over wheat croplands. It was shown that the latter was related to a discrepancy between the seasonal cycle of microwave vegetation optical depth (VOD) and leaf area index (LAI). Finally, the direct assimilation of ASCAT sigma° observations was assessed over southwestern France

EPS/Metop-SG Scatterometer Mission Science Plan

89 pages, figures, tablesThis Science Plan describes the heritage, background, processing and control of C-band scatterometer data and its remaining exploitation challenges in view of SCA on EPS/MetOp-SGPeer reviewe

Désagrégation de l'humidité du sol issue des produits satellitaires micro-ondes passives et exploration de son utilisation pour l'amélioration de la modélisation et la prévision hydrologique

De plus en plus de produits satellitaires en micro-ondes passives sont disponibles. Cependant, leur large résolution spatiale (25-50 km) n’en font pas un outil adéquat pour des applications hydrologiques à une échelle locale telles que la modélisation et la prévision hydrologiques. Dans de nombreuses études, une désagrégation d’échelle de l’humidité du sol des produits satellites micro-ondes est faite puis validée avec des mesures in-situ. Toutefois, l’utilisation de ces données issues d’une désagrégation d’échelle n’a pas encore été pleinement étudiée pour des applications en hydrologie. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de désagrégation d’échelle de l’humidité du sol issue de données satellitaires en micro-ondes passives (Satellite Passive Microwave Active and Passive - SMAP) à différentes résolutions spatiales afin d’évaluer leur apport sur l’amélioration potentielle des modélisations et prévisions hydrologiques. À partir d’un modèle de forêt aléatoire, une désagrégation d’échelle de l’humidité du sol de SMAP l’amène de 36-km de résolution initialement à des produits finaux à 9-, 3- et 1-km de résolution. Les prédicteurs utilisés sont à haute résolution spatiale et de sources différentes telles que Sentinel-1A, MODIS et SRTM. L'humidité du sol issue de cette désagrégation d’échelle est ensuite assimilée dans un modèle hydrologique distribué à base physique pour tenter d’améliorer les sorties de débit. Ces expériences sont menées sur les bassins versants des rivières Susquehanna (de grande taille) et Upper-Susquehanna (en comparaison de petite taille), tous deux situés aux États-Unis. De plus, le modèle assimile aussi des données d’humidité du sol en profondeur issue d’une extrapolation verticale des données SMAP. Par ailleurs, les données d’humidité du sol SMAP et les mesures in-situ sont combinées par la technique de fusion conditionnelle. Ce produit de fusion SMAP/in-situ est assimilé dans le modèle hydrologique pour tenter d’améliorer la prévision hydrologique sur le bassin versant Au Saumon situé au Québec. Les résultats montrent que l'utilisation de l’humidité du sol à fine résolution spatiale issue de la désagrégation d’échelle améliore la représentation de la variabilité spatiale de l’humidité du sol. En effet, le produit à 1- km de résolution fournit plus de détails que les produits à 3- et 9-km ou que le produit SMAP de base à 36-km de résolution. De même, l’utilisation du produit de fusion SMAP/ in-situ améliore la qualité et la représentation spatiale de l’humidité du sol. Sur le bassin versant Susquehanna, la modélisation hydrologique s’améliore avec l’assimilation du produit de désagrégation d’échelle à 9-km, sans avoir recours à des résolutions plus fines. En revanche, sur le bassin versant Upper-Susquehanna, c’est le produit avec la résolution spatiale la plus fine à 1- km qui offre les meilleurs résultats de modélisation hydrologique. L’assimilation de l’humidité du sol en profondeur issue de l’extrapolation verticale des données SMAP n’améliore que peu la qualité du modèle hydrologique. Par contre, l’assimilation du produit de fusion SMAP/in-situ sur le bassin versant Au Saumon améliore la qualité de la prévision du débit, même si celle-ci n’est pas très significative.Abstract: The availability of satellite passive microwave soil moisture is increasing, yet its spatial resolution (i.e., 25-50 km) is too coarse to use for local scale hydrological applications such as streamflow simulation and forecasting. Many studies have attempted to downscale satellite passive microwave soil moisture products for their validation with in-situ soil moisture measurements. However, their use for hydrological applications has not yet been fully explored. Thus, the objective of this thesis is to downscale the satellite passive microwave soil moisture (i.e., Satellite Microwave Active and Passive - SMAP) to a range of spatial resolutions and explore its value in improving streamflow simulation and forecasting. The random forest machine learning technique was used to downscale the SMAP soil moisture from 36-km to 9-, 3- and 1-km spatial resolutions. A combination of host of high-resolution predictors derived from different sources including Sentinel-1A, MODIS and SRTM were used for downscaling. The downscaled SMAP soil moisture was then assimilated into a physically-based distributed hydrological model for improving streamflow simulation for Susquehanna (larger in size) and Upper Susquehanna (relatively smaller in size) watersheds, located in the United States. In addition, the vertically extrapolated SMAP soil moisture was assimilated into the model. On the other hand, the SMAP and in-situ soil moisture were merged using the conditional merging technique and the merged SMAP/in-situ soil moisture was then assimilated into the model to improve streamflow forecast over the au Saumon watershed. The results show that the downscaling improved the spatial variability of soil moisture. Indeed, the 1-km downscaled SMAP soil moisture presented a higher spatial detail of soil moisture than the 3-, 9- or original resolution (36-km) SMAP product. Similarly, the merging of SMAP and in-situ soil moisture improved the accuracy as well as spatial representation soil moisture. Interestingly, the assimilation of the 9-km downscaled SMAP soil moisture significantly improved the accuracy of streamflow simulation for the Susquehanna watershed without the need of going to higher spatial resolution, whereas for the Upper Susquehanna watershed the 1-km downscaled SMAP showed better results than the coarser resolutions. The assimilation of vertically extrapolated SMAP soil moisture only slightly further improved the accuracy of the streamflow simulation. On the other hand, the assimilation of merged SMAP/in-situ soil moisture for the au Saumon watershed improved the accuracy of streamflow forecast, yet the improvement was not that significant. Overall, this study demonstrated the potential of satellite passive microwave soil moisture for streamflow simulation and forecasting

Earth Observing System. Science and Mission Requirements, Volume 1, Part 1

The Earth Observing System (EOS) is a planned NASA program, which will carry the multidisciplinary Earth science studies employing a variety of remote sensing techniques in the 1990's, as a prime mission, using the Space Station polar platform. The scientific rationale, recommended observational needs, the broad system configuration and a recommended implementation strategy to achieve the stated mission goals are provided

Ground, Proximal, and Satellite Remote Sensing of Soil Moisture

Soil moisture (SM) is a key hydrologic state variable that is of significant importance for numerous Earth and environmental science applications that directly impact the global environment and human society. Potential applications include, but are not limited to, forecasting of weather and climate variability; prediction and monitoring of drought conditions; management and allocation of water resources; agricultural plant production and alleviation of famine; prevention of natural disasters such as wild fires, landslides, floods, and dust storms; or monitoring of ecosystem response to climate change. Because of the importance and wide‐ranging applicability of highly variable spatial and temporal SM information that links the water, energy, and carbon cycles, significant efforts and resources have been devoted in recent years to advance SM measurement and monitoring capabilities from the point to the global scales. This review encompasses recent advances and the state‐of‐the‐art of ground, proximal, and novel SM remote sensing techniques at various spatial and temporal scales and identifies critical future research needs and directions to further advance and optimize technology, analysis and retrieval methods, and the application of SM information to improve the understanding of critical zone moisture dynamics. Despite the impressive progress over the last decade, there are still many opportunities and needs to, for example, improve SM retrieval from remotely sensed optical, thermal, and microwave data and opportunities for novel applications of SM information for water resources management, sustainable environmental development, and food security