Illustration d'artiste du satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) de la NASA au-dessus du bassin amazonien. Les couleurs représentent les temps minimum estimés pour que les vagues de crue se déplacent en aval et atteignent l'océan, des données qui peuvent renseigner les exigences des satellites comme SWOT qui peuvent détecter les inondations. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Les crues des rivières sont l'une des catastrophes naturelles les plus courantes et les plus dévastatrices de la Terre. Dans la dernière décennie, les déluges des rivières ont tué des milliers de personnes chaque année dans le monde et causé des pertes de l'ordre de dizaines de milliards de dollars américains par an. Changement climatique, qui devrait augmenter les précipitations dans certaines régions de la planète, pourrait rendre les inondations fluviales dans ces endroits plus fréquentes et plus graves dans les décennies à venir.
Maintenant, une nouvelle étude menée par des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, analyse ce qu'il faudrait pour que les satellites d'observation des rivières deviennent un outil encore plus utile pour atténuer les dommages causés par les inondations et améliorer la gestion des réservoirs à l'échelle mondiale en temps quasi réel.
"Les systèmes d'alerte précoce aux crues dépendent traditionnellement de réseaux de jauges qui détectent les crues plus en amont du fleuve, mais les données de jauge se font de plus en plus rares, " a déclaré George Allen, auteur principal de la nouvelle recherche et hydrologue au JPL. "Notre étude montre qu'il y a de la place pour les satellites pour aider à combler le vide. Mais pour que les satellites informent en temps réel de l'atténuation des inondations, ils doivent fournir des données aux gestionnaires de l'eau dans un délai suffisamment court."
Les crues d'une rivière se produisent lorsqu'un canal se remplit d'eau au-delà de la capacité de ses berges, normalement en raison de fortes précipitations. L'inondation se déplace le long du cours de la rivière comme une vague, descendant plus vite que l'eau elle-même. Plusieurs missions satellitaires ont été en mesure de détecter les crues sous forme de changements soudains de la hauteur ou de la largeur des eaux fluviales. Une fois qu'une inondation est observée, il est relativement facile de prédire avec précision comment il descendra la rivière. Ces informations sont extrêmement utiles dans les systèmes d'alerte précoce aux inondations et d'autres applications de gestion des rivières en temps réel.
Pour étudier la vitesse à laquelle les crues se propagent dans les fleuves de la planète, Allen et ses collègues ont exécuté un modèle numérique simple des ondes d'écoulement qui utilisait des informations telles que la largeur, pente, la profondeur et la rugosité (la quantité de friction que l'eau subit lorsqu'elle se déplace le long d'une rivière) des rivières du monde entier. Après avoir analysé la vitesse des vagues à travers 11 millions de miles (17,7 millions de kilomètres) de rivières autour de la planète, les chercheurs ont découvert que les vagues de crue se déplaçant à leur vitesse maximale mettent un temps médian de trois jours pour atteindre le prochain barrage en aval, quatre jours pour arriver à la prochaine ville en aval et six jours pour quitter complètement le système fluvial.
L'équipe a comparé les résultats de leur modèle avec les enregistrements de décharge de plus de 20, 000 stations de jaugeage U.S. Geological Survey le long d'environ 40, 000 milles (64, 400 kilomètres) de systèmes fluviaux variés aux États-Unis. Ils ont constaté que le modèle estimait des vitesses de vagues plus rapides que les données de la jauge ne le montraient.
Carte mondiale du temps minimum nécessaire aux vagues de crue pour quitter le réseau fluvial mondial. Ces informations peuvent être utilisées pour développer des exigences de données pour les satellites capables de détecter les inondations, pour des applications dans la prise de décisions de gestion de rivière en temps réel. Crédit :NASA/JPL-Caltech
"C'était prévu, basé sur le fait que nous modélisons des vagues se déplaçant à des vitesses maximales, alors que les données de la jauge portent sur tous les types de vitesses des vagues :vitesses faibles, vitesses élevées, tout entre, " dit Allen. " De cette façon, notre étude estime le pire des scénarios de la vitesse à laquelle les inondations peuvent se déplacer le long des rivières. »
Les scientifiques ont ensuite utilisé leurs résultats sur la vitesse des vagues pour calculer la latence des données :à quelle vitesse les données satellitaires doivent être téléchargées, traitées et mises à la disposition du public pour être utiles pour les systèmes d'alerte précoce des inondations et d'autres stratégies d'atténuation des inondations en temps réel, ainsi que la gestion des réservoirs. En particulier, ils se sont concentrés sur les futures données de la prochaine mission de la NASA sur les eaux de surface et la topographie océanique (SWOT). BOSSER, lancement prévu en 2021, est spécialement conçu pour observer les rivières. C'est parce qu'il a une orbite de répétition de 21 jours et sera capable de détecter les vagues de crue, en particulier dans les grands fleuves de haute latitude. Les chercheurs ont découvert que la mise à disposition des données SWOT quelques jours après leur acquisition par le vaisseau spatial pourrait être utile pour l'atténuation des inondations en temps réel. Par rapport aux satellites passés ou actuels fournissant des informations sur les rivières et les crues, SWOT fournira des cartes inédites de la hauteur de la rivière, allowing for more reliable prediction of flood timing and magnitude.
If the data were to be processed in two days or less, Allen's team calculated, it would be ready for emergency managers before at least two-thirds of observed waves reached the next downstream city. For dams, the quick turnaround of satellite measurements would give advance notice to downstream reservoirs in at least half of the cases when SWOT detects a flood wave.
"There is a trade-off between data latency and data quality, " said Cédric David of JPL, who directed the new study and is a member of SWOT's science team. "Donc, do we want to wait to get the best data possible, or do we want to get a rough version of what's going on now, so we can provide actionable information? As we prepare for new satellite missions like SWOT, that's when we start asking these types of questions."
Satellite data that could inform flood early warning systems would be particularly useful for developing nations, where either there are insufficient river gauges or countries do not share gauge data with their downstream neighbors, dit Allen.
Results of the study are published in the journal Lettres de recherche géophysique .
