Note publique d'information : Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), dont le lancement est prévu
aux horizons 2020, observera la hauteur d'eau sur les cours d'eau de largeur supérieure
à 100 m, avec une répétitivité d'environ 5 jours sur la France, en repassant tous
les 21 jours au dessus du même point. Ces données serviront d'une part à valider les
modèles hydrologiques, et d'autre part à améliorer leur utilisation pour le suivi
hydrologique. La finalité des travaux réalisés est d'assimiler des données SWOT virtuelles
de hauteurs d'eau en rivière, en tenant compte de l'incertitude attendue des observations.
À partir des produits d'assimilation, l'enjeu final est d'optimiser les valeurs du
coefficient de rugosité du lit de la rivière, paramètre déterminant dans les modèles
hydrologiques pour la régulation des écoulements. Dans un premier temps, plusieurs
développements du modèle hydrométéorologique régional ISBA/MODCOU sont effectués.
Les objectifs principaux sont d'introduire la simulation de profondeurs d'eau pour
permettre une comparaison simple avec les futurs produits SWOT dans la suite des travaux,
mais aussi, de manière plus générale d'améliorer l'hydrodynamique du modèle, en particulier
les variations temporelles de vitesse d'écoulement en rivière. La prise en compte
d'une vitesse variable des écoulements en rivière permet d'améliorer de façon significative
la qualité des simulations, validées sur des stations de mesure in situ localisés
sur le réseau de rivières du bassin versant de la Garonne. La comparaison des sorties
ISBA/MODCOU avec celles des modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne aval montre
que le modèle simule plutôt bien les variations temporelles de hauteur d'eau, mais
n'est pas capable de renseigner localement de bonnes profondeurs (à cause de la forte
hétérogénéité spatiale de la géomorphologie non prise en compte dans ISBA/MODCOU).
Après avoir développé et évalué le modèle sur le bassin de la Garonne, la deuxième
étape est alors de mettre en place un schéma d'assimilation de données permettant
d'assimiler des produits synthétiques SWOT dans le modèle. Le système d'assimilation
utilisé repose sur la méthode du " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). Dans notre
cas, les données SWOT virtuelles servent à améliorer un paramètre hydrologique déterminant
dans ISBA/MODCOU : le coefficient de rugosité de la rivière. Etant donné que SWOT
n'est pas encore en orbite, il est nécessaire de simuler les observations que le satellite
fournira. Connaissant son orbite, il est possible de simuler la trace issue des repassages
du satellite au dessus du bassin de la Garonne. On peut ainsi déterminer sur un cycle
complet de 21 jours quelles rivières seront observées, et à quels instants. Une simulation
ISBA/MODCOU de référence a servi pour créer des observations virtuelles. On connaît
donc la réalité vers laquelle on souhaite tendre : ce type d'expérience est appelé
" expérience jumelle ". Le but est ainsi de partir volontairement d'un état perturbé
du modèle, et d'arriver à se rapprocher au cours des cycles d'assimilation vers notre
réalité connue. Les résultats montrent que le système d'assimilation permet de converger
vers la simulation de référence (± 1 Ks pour le coefficient de rugosité, ± 5 cm pour
la hauteur d'eau) sous certaines conditions. La fin des travaux est consacrée à la
prise en compte d'erreurs de mesures SWOT plus réalistes (liées à l'instrument embarqué
sur le satellite, à la déformation des ondes dans l'atmosphère, etc.), ainsi qu'à
l'assimilation de données de hauteurs d'eau issues de modèles hydrauliques détaillés
sur la Garonne avale. De plus, étant donné que SWOT n'observera pas des profondeurs
en rivières mais des élévations d'eau par rapport à un niveau de référence, l'assimilation
de variations temporelles de hauteurs d'eau dans ISBA/MODCOU est testée.
Note publique d'information : The SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission will provide free water surface
elevations, slopes and river widths for rivers wider than 100 m, with a repetitivity
of about 5 days and a revisit time of 21 days over France. These data will allow to
validate hydrological models and improve them to simulate the water cycle. The final
goal is to assimilate virtual water surface elevations measured by SWOT, by taking
into account the error of these measurements. By using these products, the goal is
to improve the values of the roughness coefficient in a hydrological model. This coefficient
is important because river flows are very sensitive to this parameter. First, several
developpements are set up in the regional hydrometeorological model ISBA/MODCOU. These
model improvements will make possible comparisons with the future SWOT products. The
principal objective is to simulate river depths in order to make an easy comparison
with the SWOT products in future works. This will also improve the hydrodynamics of
the model, in particular the simulation of temporal variations of flow velocities
in the river. The representation of a variable flow velocity significantly improves
the quality of the simulations which are validated over in situ river gauges located
in the Garonne catchment. The comparison of ISBA/MODCOU outputs with those of fine-scale
hydraulic models in the downstream Garonne river shows that the temporal river height
variations are well simulated, but that it is difficult to simulate locally the river
depth (because the high spatial heterogeneity of the geomorphology is not taken into
account in ISBA/MODCOU). After the developpement and evaluation of the model in the
Garonne catchement, the second step is to build a data assimilation scheme able to
assimilate synthetic SWOT data in the model. The data assimilation scheme is based
on the " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). In our case, virtual SWOT data are
used to improve an important hydrological parameter in ISBA/MODCOU : the roughness
coefficient of the river. Because SWOT is not yet in orbit, it is necessary to simulate
future satellite observations. By knowing the orbit, it is possible to simulate the
swath and revisit times of the satellite above the Garonne catchment. We can also
know over a complete cycle of 21 days which rivers will be observed and when. A reference
simulation of ISBA/MODCOU has been run to create virtual observations. In this way,
we know the reality to which we want to tender. This kind of experiment is called
" twin experiment ". The goal is to start volontary from a pertubed state of the model,
and then to converge in the assimilation cycles to the known reality. Results show
that the data assimilation system let to converge in the direction of the reference
simulation (± 1 Ks for the roughness coefficient, ± 5 cm for the river height). The
representation of more realistic SWOT errors is implemented at the end of the work
(linked to the instrument on board, the deformation of the waves in the atmosphere,
etc.), and also the data assimilation of river heights simulated by fine scale hydraulic
models in the downstream Garonne. Furthermore, the assimilation of temporal variations
of river depths in ISBA/MODCOU is tested, because SWOT will not observe river depths
but surface water elevations above a known reference level.
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data.idref.fr
Documentation
