Schneider, Raphael

Der findes, på globalt plan, ikke tilstrækkelige observationer af overfladevand og deres dynamikker til at kunne forvalte vandressourcerne. Samtidig er tilgængeligheden af data faldende, grundet manglende in-situ observationer og deling af eksisterende data. Satellitbaseret radarhøjdemåling, som oprindelig blev udviklet til at overvåge havvandstande, muliggør observationer af vandstande i floder og søer på et globalt plan. Da der fortsat igangsættes nye satellitmissioner og udvikles sensorer og databehandlingsmetoder er relevansen af satellithøjdemåling for det hydrologiske miljø stigende.CryoSat-2, som blev opsendt af det europæiske rumagentur (ESA) i 2010, er en af de nyere satellithøjdemålere. CryoSat-2 er unikt på to punkter. For det første kan højdemåleren, udover den konventionelle Low Resolution mode (LRM), opereres i Synthetic Aperture Radar (SAR) og Synthetic Aperture Radar Interferometric (SARIn) mode. Her opnås et reduceret footprint i ”along track” retningen ved hjælp af Doppler processering, som potentielt øger observationers nøjagtighed. For det andet bevæger CryoSat-2 sig i et kredsløb med en lang cyklus på 369 dage. Kredsløbet er derved forskelligt fra andre satellitter, hvis kredsløb har kortere cykler på mellem 10 og 35 dage.Det er i særdeleshed kredsløbsmønsteret, der giver en udfordring for anvendeligheden af CryoSat-2 data indenfor hydrologi. Kredsløb med kort cykler gør det muligt at udlede tidsserier på lokaliteter hvor satellittens jordbane krydser en flod gentagne gange (også kaldet virtuelle målestationer). På grund af CryoSat-2s lange cyklus har virtuelle målestationer en tidsopløsning på 369 dage, som er utilstrækkelig i de fleste hydrologiske sammenhænge. Der er derfor brug for nytænkning af databehandlingsmetoder for at gøre CryoSat-2 brugbar indenfor hydrologi og især til anvendelse i flodmodellering.Der er valgt to casestudier: Po floden i Italien og Brahmaputra floden i Sydasien. CryoSat-2 level 2 data, det vil sige punktobservationer af overfladehøjder, blev filtreret over højopløselige flodmasker fra Landsat-billeder. Dette resulterede i omtrent 340 observationer per år for Po floden og omtrent 1300 observationer per år for Brahmaputra floden. For Po floden blev CryoSat-2 observationerne valideret med in situ observationer. Den gennemsnitlige root mean square error (RMSE) mellem CryoSat-2 og in situ observationer var på 0,38 meter, hvilket er sammenligneligt med tidligere satellitmissioner.CryoSat-2 vandstandsobservationer blev herefter anvendt til at parametrisere en éndimensionel (1D) hydrodynamisk flodmodel. For Po floden, hvor opmålte tværsnit af flodlejet er tilgængelige, blev CryoSat-2 brugt til at kalibrere ruheden af flodlejet. Idet CryoSat-2 data er rumligt fordelt, var det muligt at kalibrere modellen med en højere rumlig opløsnings af flodlejets ruhed end med traditionelle in situ data. For Brahmaputra floden blev CryoSat-2 anvendt til at kalibrere datum og udformningen af syntetiske flodlejetværsnit. Med den kalibrerede model opnås en RMSE mellem observeret og simuleret CryoSat-2 vandstande på 1,24 meter. Modellen reproducerer forholdet mellem afstrømning og vandstand tilfredsstillende; uden brug af information om tværsnit af flodlejet.Endeligt blev potentialet for anvendelse af CryoSat-2 data til at opdatere hydrodynamiske modeller undersøgt med Brahmaputra floden som eksempel. En fleksibel data assimilering (DA) opsætning blev udviklet til at kunne assimilere data med enhver tids- og rumligopløsning med en DHI MIKE HYDRO River 1D hydrodynamisk model. DA har potentiale til at forbedre forvarslinger om oversvømmelser. Syntetiske forsøg viste et højt potentiale ved at forbedre modellerede afstrøms-prædiktioner, udtrykt ved en forbedring af Continuous Ranked Probability Score (CRPS) med op til 32 procent. Forsøg med faktiske data viste en tilsvarende forbedring på 10 procent. Derudover blev det undersøgt i hvilket omfang DA ydeevne påvirkes af øget observationsnøjagtighed og varierende observationsmønstre.Resultaterne fra dette arbejde fremhæver værdien af CryoSat-2 vandstandsmålinger, som tilvejebringer observationer af vandstand i floder med hidtil uset høj rumlig opløsning. Arbejdet præsenterer metoder til at håndtere den særegne tidslige og rumlige opløsning af CryoSat-2 data og anvender succesfyldt data hinsides de konventionelle virtuelle målestationer. Denne fleksibilitet åbner for nye muligheder for anvendelse af telemåling i hydrologi, som hidtil ikke har været muligt.The global coverage of in situ observations of surface water dynamics is insufficient to effectively manage water resources. Moreover, the availability of these data is decreasing, due to the lack of gauging stations and data sharing. Satellite radar altimetry, initially developed to monitor ocean water levels, also offers measurements of water levels of rivers and lakes on a global scale. Because of the continuous upstart of new missions, and sensor and processing innovations, the importance of satellite altimetry data for the hydrologic community is increasing.CryoSat-2, launched by the European Space Agency (ESA) in 2010, is one of the more recent additions to the set of satellite altimeters. It is unique due to two characteristics. First, its radar altimetry instrument provides, besides conventional observations in Low Resolution mode (LRM), observations in Synthetic Aperture Radar (SAR) and Synthetic Aperture Radar Interferometric (SARIn) mode. SAR and SARIn have reduced footprint size in the along-track direction owing to delay/Doppler processing, potentially increasing observation accuracy. Second, CryoSat-2 is placed on a unique long-repeat orbit with a cycle of 369 days. This is different from previous and current satellite altimetry missions, which are in short-repeat orbits with cycles of 10 to 35 days.The orbit configuration of CryoSat-2 is a challenge for hydrologic applications. Short-repeat missions allow deriving time series at locations where the satellite ground track repeatedly intersects with the river – the so-called virtual stations. Because of the long repeat cycle of CryoSat-2, its virtual station time series have a temporal resolution of 369 days, which is inadequate for most hydrologic applications. This requires rethinking some methods to process such data, distribute them to the hydrologic community and combine them with river models. However, the orbit configuration of CryoSat-2 also results in a small inter-track distance, providing measurements with unprecedented spatial resolution along rivers. These points were the main motivation for this PhD study.Two case studies were chosen; the Po River in Italy, and the Brahmaputra River in South Asia. CryoSat-2 level 2 data, i.e. point observations of surface height, were filtered over high resolution river masks derived from Landsat imagery. This yielded roughly 340 observations per year over the Po River, and roughly 1300 per year over the Brahmaputra River. The CryoSat-2 observations were validated against in situ observations along the Po River. The average root mean square error (RMSE) between CryoSat-2 and in situ observations was found to be 0.38 m, which is comparable to previous missions.The CryoSat-2 water level observations then were used to parameterize 1-dimensional (1D) hydrodynamic river models. For the Po River, where surveyed cross sections are available, CryoSat-2 was used to calibrate channel roughness. The distributed CryoSat-2 data allowed calibrating channel roughness with a higher spatial resolution than possible in a conventional approach using in situ data. Over the ungauged Brahmaputra River, CryoSat-2 data were used to calibrate shapes of synthetic cross sections. For the calibrated model, the RMSE between simulated and CryoSat-2 observed water levels is 1.24 m. It is assumed to accurately reproduce water level-discharge relationships; without relying on river cross section information.Finally, the potential of CryoSat-2 data for updating hydrodynamic models was evaluated based on the Brahmaputra River case study. A flexible Data Assimilation (DA) framework was developed, which can assimilate observations of river state with any spatio-temporal resolution to a DHI MIKE HYDRO River 1D hydrodynamic model. DA can, amongst others, improve flood forecasting. Synthetic tests showed a high potential of CryoSat-2, improving discharge predictions of the model in terms of Continuous Ranked Probability Score (CRPS) by up to 32 %, while real tests could improve the CRPS by up to 10 %. Also, synthetic experiments were conducted to evaluate the impact of increased observation accuracy and different sampling patterns.The results from this study highlight the value of CryoSat-2 altimetry data, which delivers water level observations with unprecedented spatial resolution along rivers. The study presented methods to cope with the distinct spatio-temporal distribution of the CryoSat-2 data and move beyond the common concept of virtual stations. Potentially, this flexibility opens up new opportunities for the use of remote sensing data in the hydrologic community

Online Research Database In Technology

CryoSat-2 satellite radar altimetry for river analysis and modelling

http://orbit.dtu.dk/ws/files/137683748/WWW_Version.pdf

CryoSat-2 satellite radar altimetry for river analysis and modelling

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology