L`hydrologie vue de l`espace

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
(1) concepts
Conservation de la masse
∂W
= (P − E ) − Y
∂t
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 (WR, WG),
• enneigement (WS),
• écoulements (YG)
– 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 :
–altimétrie.
Mesures d’humidité du sol - radiométrie
AQUA (NASA), lancé en 2002
SMOS (Soil-Moisture and Ocean Salinity, ESA)
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
en surface ?
• Altimétrie,
• Radar basse fréquence et SAR
(Synthetic Aperture Radar),
• Radiométrie,
• Imagerie (détermination de
l’extension horizontale).
⇒ Calottes glacières…
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)
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).