How will radar layover impact SWOT measurements of water surface elevation and slope, and estimates of river discharge?

Water surface elevation (WSE), slope and width measurements from the forthcoming Surface Water and Ocean Topography (SWOT) mission will enable spaceborne estimates of global river discharge. WSE will be measured by interferometric synthetic aperture radar (InSAR). InSAR measurements are vulnerable to contamination from layover, a phenomenon wherein radar returns from multiple locations arrive at the sensor simultaneously, rendering them indistinguishable. This study assesses whether layover will significantly impact the precision of SWOT estimates of global river discharge. We present a theoretical river layover uncertainty model at the scale of nodes and reaches, which constitute nominal 200 m and 10 km averages, respectively, along river centerlines. The model is calibrated using high-resolution simulations of SWOT radar interaction with topography covering a total of 41,233 node observations, across a wide range of near-river topographic features. We find that height uncertainty increases to a maximum value at relatively low values of topographic standard deviation and varies strongly with position in the swath. When applied at global scale, the calibrated model shows that layover causes expected height uncertainty to increase by only a modest amount (from 9.4 to 10.4 cm at the 68th percentile). The 68th percentile of the slope uncertainty increases more significantly, from 10 to 17 mm/km. Nonetheless, the 68th percentile discharge uncertainty increases only marginally. We find that the impact of layover on SWOT river discharge is expected to be small in most environments

MONITORING CHANGE IN LAKE WATER STORAGE OVER TIME WITH SATELLITE IMAGERY AND CITIZEN SCIENCE

Despite lakes being key part of the global water cycle and a crucial water resource, there is limited understanding of how water storage in small lakes varies over time. Here, we study change in lake water storage over time in clusters of small natural lakes in North Carolina, Washington, Illinois, and Wisconsin, using lake level measurements gathered by citizen scientists and lake surface area measurements taken from optical satellite imagery. We compare the change in lake water storage between pairs of lakes within regional clusters. On average, water storage variations in lakes across all study regions are moderately positively correlated (rho = 0.49) with substantial spread in the degree of correlation. Overall, there is a weak, but statistically significant, negative relationship between distance and paired lake correlations. This study addresses a gap in understanding about small lakes and provides a baseline about regional patterns of change in lake water storage.Master of Scienc

Potential of SWOT for Monitoring Water Volumes in Sahelian Ponds and Lakes

International audienceSmall water bodies play a pivotal role in Sahel, as a critical source of water for livestock and people, and providers of important ecosystems services. Monitoring, modelling and better understanding their hydrological behaviour is therefore a key issue. The future Surface Water and Ocean Topography (SWOT) satellite mission will bring a resolution and spatial coverage breakthrough, allowing the estimation of water levels and volumes in small water bodies worldwide. This study assesses the potential of SWOT for monitoring water volumes in Sahelian ponds and lakes. This is done by analysing SWOT-like synthetic data produced using a SWOT simulator developed by NASA-JPL. For the Agoufou lake, water levels were retrieved with an accuracy better than 4 cm, while slightly worst results were obtained for the Zalam-Zalam lake, that has a more elongated shape. In addition, data from the Global Precipitation Mission Dual-frequency Precipitation Radar have been also employed to investigate the backscattering coefficient variability in the same radar frequency band (Ka-band) as SWOT. We have found that, in the study region, the contrast between water and land, dependent on soil type, soil moisture, and wind conditions, is sometime quite small which can be challenging for water masks estimation. Overall, the first application of the SWOT simulator over the Sahel has shown the good potential of SWOT for monitoring the seasonal variability of water levels and volumes in this region

Apport de l'altimétrie radar (SWOT) pour la modélisation hydrologique à l'aide du modèle WRF-Hydro

La mission satellitaire Surface Water Ocean Topography (SWOT), dont le lancement est prévu en décembre 2022, offrira la possibilité de mesurer les changements affectant les bilans hydriques des stocks d’eau (250m × 250m) y compris les zones où l’on dispose peu d’informations. L’objectif principal de ce projet est d’évaluer la plus-value du futur satellite SWOT pour l’étude du bilan hydrique du réservoir Eastmain-1 à l’aide du modèle spatialisé Weather Research and Forecasting hydrological model (WRF-Hydro) qui combine les données météorologiques et hydrologiques. La démarche de travail du présent projet comprend trois étapes. La première étape consiste à la mise en œuvre du modèle hydrologique WRF-Hydro sur le bassin versant de la rivière Eastmain-1, qui se situe dans le nord du Québec, Canada avec une superficie de 25 850 km². Ce bassin versant est occupé par un réservoir (Eastmain-1) de 603 km² utilisé pour la production hydroélectrique. La deuxième étape consiste à générer les produits synthétiques à l’aide du simulateur SWOT-LS et à analyser le biais entre celles-ci et les niveaux d’eau observés par les limnimètres. La troisième étape de l’approche sert à intégrer les données du simulateur au modèle WRF-Hydro par insertion directe, afin d’améliorer l’estimation du bilan hydrique du réservoir Eastmain-1. Les résultats ont montré que le modèle WRF-Hydro est capable de simuler les débits naturels du bassin versant étudié et de fermer le bilan hydrique du réservoir. Les résultats synthétiques du simulateur SWOT-LS respectent le requis en précision verticale pour les niveaux d’eau. Le biais calculé sur les niveaux d’eau simulés se situe dans l’enveloppe de 1 cm et ne dépasse pas une valeur maximale de 4 cm. L’insertion directe des niveaux et des étendues d’eau, aux dates des passages orbitaux du satellite SWOT, est capable d’améliorer l’estimation du bilan hydrique calculé par le modèle WRF-Hydro. L’insertion directe des niveaux d’eau a généré des résultats satisfaisants. L’insertion des niveaux et des étendues d’eau apporte une valeur ajoutée quant à l’estimation du bilan hydrique. Toutefois, ce gain reste limité. L’insertion des superficies d’eau seule, sans les niveaux d’eau, génère des résultats non concluants. Les produits du satellite SWOT ne seront pas disponibles en temps réel, mais il y aura un temps de latence (délai entre l’acquisition et la disponibilité des données) de trois jours étant donné les traitements nécessaires. Des simulations ont été réalisées en tenant compte de ce temps de latence. Le temps de latence des images SWOT ajoute 3 mm à l’erreur quadratique moyenne calculée sur les niveaux d’eau simulés. Ainsi, l’intégration des données SWOT s’avère concluante pour améliorer le bilan hydrique du réservoir Eastmain-1 simulé avec le modèle WRF-Hydro

Détermination de la plus-value de la télédétection pour le suivi des niveaux d’eau et du bilan hydrique : Application au réservoir Eastmain-1

Le nouvel altimètre radar SWOT va permettre de produire des cartographies à haute résolution des niveaux des eaux de surface à partir de 2021. L’objectif du projet est de déterminer en quoi ce satellite à haute-résolution peut être comparé avec les stations de mesures de niveaux d’eau in situ dans le but d’améliorer la couverture spatio-temporelle de l’estimation des niveaux d’eau des réservoirs et lacs jaugés ou non. De plus, il sera question d’évaluer la qualité du bilan hydrique estimée par le satellite. Pour y arriver, le réservoir Eastmain-1 a été modélisé par éléments finis à l’aide du modèle hydrodynamique TELEMAC. Des images synthétiques de SWOT ont été constituées à l’aide des simulateurs SWOT-HR créé par le JPL (Jet Propulsion Laboratory) pour évaluer les erreurs de classification du terrain et SWOT-LS créé par le CNES (Centre National d’Études Spatiales) pour générer des images synthétiques de niveaux d’eaux à partir de ceux calculés par TELEMAC. Il a été démontré que pour un réservoir de la taille d’Eastmain-1, les images SWOT synthétiques cumulées sur une période de 5 mois ont une erreur quadratique moyenne sur l’estimation du niveau moyen de l’eau de l’ordre d’environ 1,5 cm. Sur le long terme, il a été montré que les niveaux d’eau simulés SWOT semblent avoir un léger biais de -3 mm par rapport aux niveaux du modèle TELEMAC. Le volume au réservoir et une estimation des apports calculés à partir d’images synthétiques SWOT donnent des séries temporelles relativement peu bruitées

Contribution de la mission SWOT pour le suivi des étendues et niveaux d’eau dans les milieux humides boréaux

Il est estimé que les milieux humides constituent entre 5% à 8% du couvert terrestre. Ceux-ci sont d’une importance particulière puisqu’ils remplissent de nombreuses fonctions essentielles à la santé et prospérité de plusieurs espèces vivantes. Cependant, il est estimé que les milieux humides ont globalement perdu environ 21% de leur superficie depuis le début des années 1700. De nombreux efforts ont depuis été mis en place pour réduire et remédier à cette perte. Une saine gestion des milieux humides utilise donc plusieurs méthodes de surveillance, particulièrement pour les fluctuations des niveaux et étendues d’eau. La télédétection offre un grand éventail d’outils pour la détection des eaux en milieu humide. Les données optiques et radars à synthèse d’ouverture (RSO) permettent la délimitation des étendues d’eau et les missions altimétriques mesurent l’élévation de l’eau de façon relativement précise, mais avec une couverture spatiale limitée. La mission Surface Water and Ocean Topography (SWOT) regroupe ces deux types de mesures sous une seule mission et procurera des données d’élévation spatialisées pour plus de 90% de la Terre. Cette thèse porte sur le potentiel et les enjeux que SWOT pourrait rencontrer pour la détection des plans d’eau dans les milieux humides boréaux. Les objectifs principaux sont, d’abord, d’évaluer de multiples missions satellitaires pour la détection d’un évènement d’inondation extrême en milieu humide boréal afin de dégager le potentiel de SWOT et ensuite d’analyser l’impact de la végétation sur la capacité de SWOT à détecter les plans d’eaux. Brièvement, les simulateurs SWOT large échelle (SWOT-LS) et SWOT haute résolution (SWOT-HR) ont été utilisés pour simuler des données SWOT afin de répondre aux objectifs de recherche. D’abord, l’été 2020 a vu l’un des plus importants évènements d’inondations sur le delta des rivières de la Paix et Athabasca (PAD) depuis l’inondation de 1935. C’est une excellente opportunité d’évaluer la capacité d’une multitude de missions satellitaires ainsi que celle du satellite SWOT pour le suivi d’un tel évènement en milieux humides. Le chapitre 4, présenté sous la forme d’un article scientifique, se concentre donc sur l’utilisation de SWOT-LS pour simuler une série temporelle de données SWOT durant un épisode d’inondation extrême sur le PAD à l’été 2020. La détection de l’évolution des étendues d’eau est aussi évaluée pour les missions Sentinel-1, Sentinel-2, Landsat-8 et RADARSAT Constellation tandis que les niveaux d’eau sont évalués pour les missions Sentinel-3 et Jason-3. Ensuite, le chapitre 5, aussi présenté sous la forme d’un article scientifique, évalue l’impact de la végétation aquatique et émergente sur le signal SWOT à l’aide de SWOT-HR. Des données de coefficent de rétrodiffusion provenant de la mission AirSWOT lors d’un survol au-dessus du PAD en 2017 ont été utilisées comme données d’entrée afin d’avoir une meilleure représentation des valeurs attendues du signal SWOT dans un tel environnement. L’ensemble de ces résultats permet de brosser un portrait du potentiel et des enjeux du satellite SWOT pour la détection des plans d’eaux en milieux humides boréaux