Lake studies from satellite radar altimetry

Abstract

For more than 10 years, satellite radar altimetry has been a successful technique for monitoring the variation in elevation of continental surface water, such as inland seas, lakes, rivers, and more recently wetland zones. The surface water level is measured within a terrestrial reference frame with a repeatability varying from 10 to 35 days depending on the orbit cycle of the satellite. With several decades of technique refinement, current data processing can be fairly simple or complex depending on the mission and the instrument tracking methods. Data acquisition is not affected by weather conditions, but the technique can have a number of limitations. Rapidly varying topography or complex terrain may inhibit the retrieval of good elevation data. The instruments can only operate in a profiling mode and do not have a true global view. Stage accuracies are also dependent on target size and surface roughness, which will limit worldwide surveying and limnological applications. However, there is the scope for systematic continental scale monitoring and the provision of new stage information where gauge data is absent. The technique is sufficiently advanced to have enabled a number of inland water case studies. Focussing on the large lakes, the links between lake evolution and the local climate cycle on seasonal to interannual timescales have been explored, and water storage balance for water management has also been brought into focus. Typically altimetric stage measurements can range in accuracy from a few centimetres (e.g., Great Lakes, USA) to tens of centimetres (e.g., Lake Chad, Africa), depending on size and wind conditions. In the case of the Aral Sea, contributing E-P (1.5 km³ yr⁻¹), river run-off (3.0 km³ yr⁻¹) and altimetry (1.5 km³ yr⁻¹) errors combine to give a ∼3.5 km³ yr⁻¹ water mass balance error. Of particular interest are those lakes in arid and semi-arid regions where water is an essential economical resource. Anthropogenic influences (irrigation and the construction of dams) may strongly affect lake and inland sea evolution or affect the global water cycle in general, noting the worldwide development of large reservoirs over the last 50 years. With regards to societal and economic issues then, this article reviews several of the case studies focussing on the Aral and Caspian Seas, and Lakes Issykkul and Chad. To cite this article: J.-F. Crétaux, C. Birkett, C. R. Geoscience 338 (2006). Depuis plus de 10 ans, l'altimétrie satellitaire est une technique utilisée pour le suivi des variations de niveau des eaux continentales, telles que les lacs, les rivières, ou encore les zones inondées. Le niveau d'eau est mesuré avec une répétitivité de 10 à 35 jours selon le type d'orbite utilisé, et il est exprimé dans un système de référence terrestre ellipsoïdal. En fonction du type de la mission et du mode de fonctionnement des instruments en orbite, le traitement des mesures altimétriques est plus ou moins compliqué. Si la technique présente de nombreux avantages, entre autres de ne pas être affectée par les conditions météorologiques, comme dans le cas, par exemple, de l'imagerie satellitaire optique, elle peut toutefois présenter un certain nombre de limitations. Une topographie de surface aux alentours de la zone à étudier qui serait trop irrégulière peut, par exemple, restreindre fortement le nombre de mesures de qualité satisfaisante. Par ailleurs, les altimètres fournissant une mesure exactement au nadir du satellite, leur couverture spatiale dépend de l'espacement entre deux traces au sol, et ils ne permettent pas une vue d'ensemble de la Terre. Pour ces raisons, la précision des mesures effectuées par le biais de l'altimétrie satellitaire n'est pas homogène, et dépend, dans une large mesure, de la dimension des objets ciblés, de la rugosité de surface, limitant ainsi une surveillance globale de la Terre. Toutefois, cette technique est suffisamment avancée aujourd'hui et offre un potentiel intéressant pour le suivi systématique de l'eau de surface à l'échelle continentale, en particulier dans les nombreux cas d'objets non mesurés par des instruments au sol. Par exemple, les liens entre l'évolution des grands lacs et les effets climatiques à différentes échelles spatio-temporelles ont été étudiés, ainsi que des bilans hydrologiques dans certains cas spécifiques. À titre d'exemple, l'altimétrie permet un suivi régulier des grands lacs américains, avec une précision de l'ordre de quelques centimètres. Pour d'autres lacs, comme le lac Tchad, la précision obtenue à travers diverses études est de l'ordre de 10 cm. Dans un autre cas, celui de la mer d'Aral, de telles précisions ont permis d'établir, de façon assez précise, le bilan hydrologique au cours de la dernière décennie, et de faire un bilan d'erreur détaillé (en combinant les valeurs suivantes : évaporation moins précipitations, 1,5 km³ an⁻¹, débit des fleuves, 3 km³ an⁻¹, altimétrie, 3 km³ an⁻¹, on obtient une précision de l'ordre de 3,5 km³ an⁻¹ du bilan hydrologique total). Pour des régions extrêmement arides, comme l'Asie centrale, ce type l'évaluation des ressources en eaux est d'une importance capitale. Par ailleurs, les activités humaines ont une grande influence...