Hydrologie par satellite

context scientifique et perspectives

Hydrologie par satellite context scientifique

Avant de se déverser dans l'océan, l'eau issue des précipitations et de la fonte des glaciers, passe à travers divers systèmes lacustres. Le volume d'eau stockée dans un ensemble de lacs dans une même région est très sensible aux changements de conditions hydro climatiques : précipitations, évaporation, infiltration souterraines. Cela explique pourquoi les lacs, peuvent être utilisés en tant qu'indicateurs des changements climatiques. En outre, les changements des stocks d'eau vont refléter non seulement les changements climatiques, mais également les prélèvements d'eaux effectuées en amont pour diverses activités humaines qui peuvent avoir des effets dévastateurs.

bateau, Zhalanash en Kazakhstan, autheur Zhanat Kulenov

Effets dévastateurs des activités humaines

La mer d'Aral est un ancien lac d'eau salée d'Asie centrale partagée entre le Kazakhstan et l'Ouzbékistan. Dans les années 1960, alimenté par des fleuves puissants, la mer d'Aral formait la quatrième étendue lacustre du monde, avec une superficie de 66 458 km2. 50 ans plus tard, après des décennies de surexploitation la mer d'Aral a perdu 90% de son volume. Outre des dommages économiques et sanitaires considérables dans la région, l'assèchement de la mer d'Aral a aussi augmenté la salinité de l'eau, ce qui a tué quasiment toute forme de vie aquatique. Le Lac Poopó en Bolivie a vécu une histoire similaire. Ce lac salé, endoréique, situé sur l'Altiplano Bolivien s'est asséché en espace de trois ans, en perdant la totalité de ses 2400 km2. Cet assèchement s'est répété durant trois étés consécutifs 2009, 2010 et 2011, après lesquels le lac a retrouvé son état d'équilibre. Pour expliquer son assèchement plusieurs facteurs sont avancés : l'utilisation pour l'irrigation, le prélèvement massif dans les eaux souterraines, mais aussi les changements climatiques.

mesures insitu nivellement gps

Techniques de mesures in-situ

Il devient donc évident que pour suivre l'impact des activités humaines, ou pour suivre les changements climatiques à l'échelle régionale ou globale il faut avoir une bonne estimation du bilan hydrologique des lacs. Ce savoir est aussi nécessaire pour pouvoir discriminer l'impact des activités humaines, des changements climatiques régionaux ou globaux. Ces derniers étant responsables principalement des changements observés à long terme. Pour que les études des changements puissent être réalisées, plusieurs paramètres "clés" tels que la surface et le niveau des lacs doivent être connus à l'échelle de plusieurs années, voire plusieurs dizaines d'années. Au niveau mondial différents réseaux de mesures in-situ ont été mis en place afin de surveiller les débits des fleuves et les niveaux des lacs (e.g. Global Runoff Data Centre, Hydrolare). Cependant, même les meilleurs mesures in-situ ne sont pas uniformes, ni spatialement, ni temporellement. Le coût de maintenance élevé et la couverture spatiale très localisée font que ces réseaux sont en déclin depuis plusieurs années.

terre vue de l'espace

Observations spatiales

Les mesures satellitaires peuvent être utilisées pour compléter, et même remplacer les informations fournies par les stations in-situ. De plus, les techniques d'observation de la Terre offrent l'opportunité d'étudier à l'échelle mondiale les surfaces continentales sans restrictions ni interruptions. Cependant, la surveillance des changements ayant lieu dans les milieux naturels nécessite l'utilisation de plusieurs techniques différentes. Il s'agit principalement des techniques d'imagerie et d'altimétrie, qui utilisées conjointement permettent d'obtenir les informations les plus cruciales d'un point de vue de l'hydrologie: les débits de rivières et la variation les stocks d'eau dans les lacs et des plaines inondées.

Jusqu'à présent – c'est-à-dire durant les 30 dernières années - on avait la possibilité d'observer les lacs à l'aide des altimètres radar nadir grâce aux missions satellites telles que : Topex–Poseidon (1992–2005), GFO (2000–2008), ERS-2 (1995–2003), Jason-1 (2001–2013), Jason-2 (2008–?) et Envisat (2002–2011). L'intérêt principal de cette technique repose sur sa couverture globale et sur la répétitivité des mesures (de 10 à 35 jours selon les satellites). De nombreuses études ont démontré dans le passé le potentiel de cette technique pour le suivie des hauteurs des lacs et des rivières [1,2,3,4,5]. Cependant, dans le domaine continental plusieurs contraintes existent : couverture spatiale très limitée avec des distances entre traces allant jusqu'au 80-90 km à l'équateur, problèmes d'acquisition liés aux modes de tracking et surtout, la restitution des hauteurs erronées allant à 40 m voir plus dans certains cas très défavorables. Pourtant, les océanographes arrivent à calculer l'augmentation globale du niveau de la mer avec une précision millimétrique.

Malheureusement, ce qui est possible dans le domaine océanique ne l'est pas forcément dans le domaine continental. Cela peut s'expliquer par le fait, que jusqu'à présent les satellites altimétriques ont été conçus pour offrir les meilleures performances sur les océans. Les applications en hydrologie continentale se sont développées en profitant seulement du fait, que dans certaines configurations les altimètres radar fournissent aussi des mesures valides sur les lacs et les rivières. Dans le cas de très grands lacs, l'altimétrie radar (nadir) est capable de fournir des informations sur le niveau d'eau avec une précision verticale de 3-5 cm [6,7,8], et pour les rivières avec une précision de 12-40 cm [9]. Dans certains cas, cette précision théorique est illusoire, car dans les régions montagneuses comme Los Lagos au Chili ou l'Altiplano Bolivien très peu des mesures valides existent. Malgré le fait, que dans ces régions certains lacs possèdent une couverture altimétrique, la grande majorité des mesures est inexploitable, car les altimètres nadir ont été conçus pour fonctionner dans un milieu dépourvu de topographie. Par conséquent, les hauteurs restituées par les altimètres au-dessus des régions montagneuses sont très pollués par les bruits indésirables.

swot

Hydrologie par satellite perspectives SWOT

De nos jours, les progrès dans le domaine technique et algorithmique ont permis d'observer le niveau d'eau depuis l'espace. Durant les 30 dernières années il était possible d'observer les lacs seulement à l'aide des altimètres radar nadir. Depuis peu, on a la possibilité d'examiner les données de Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat) – premier altimètre laser lancé en 2003, Cryosat-2 – premier altimètre équipé de deux antennes intégrant le traitement SAR-Doppler, lancé en 2012, ou de Satellite with ARgos and ALtiKa (Saral) – premier altimètre opérant dans la bande Ka lancé en 2013. Dans le futur on aura aussi la possibilité d'exploiter les données de Surface Water Ocean Topography Satellite (SWOT) – premier altimètre à large fauchée, opérant sur le principe d'interférométrie radar. La mission SWOT dont le lancement est prévue en 2020, permettra une observation à grande échelle et haute résolution des fleuves, des plaines d'inondations et des lacs.

Références

Postée le 20 Septembre, 2016 à 14:00

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