Preparing the assimilation of SWOT waters levels within a regional scale hydrometeorological modelling framework

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.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