Spatial Altimetry, GNSS Reflectometry and Marine Surcotes

Altimétrie Spatiale, Réflectométrie GNSS et Surcotes Marines

Phuong-Lan Vu (1)

1 GET - Géosciences Environnement Toulouse

The objective of this PhD thesis was to develop an innovative remote sensing methodology, based on existing platforms, to monitor the main factors influencing coastal dynamics. We propose monitoring based on a classic tool i.e. satellite altimetry but with a focus on new space missions (SARAL, Sentinel-3). Whose contributions will be evaluated, particularly in the coastal zone, which is the most critical from a socio-economic point of view? I have focused my attention on the French Atlantic coast between La Rochelle and Bayonne. We will also rely on an original technique based on the reflection of GNSS positioning satellites (technical known as GNSS-R). These tools will allow us to precisely monitor the various tidal waves, but they have also allowed us to detect more unusual phenomena such as the extreme event of 2010: the storm Xynthia that affected the coasts of southern Europe. These tools demonstrate that it is also possible will also be able to see to monitor the coastal dynamics related to swell variations and its impact on coastal erosion, and even the effects of the strong atmospheric depression associated with Xynthia, which has had a measurable impact on the local sea level of the Atlantic Ocean. My thesis is focused on two complementary approaches based on two scales of study: the first one is global and used satellite altimetry, the second one is more local and focused on the extreme event detection and it is based on the GNSS reflectometry. The first study, which I carried out, relies on different satellite altimetry missions (ERS-2, Jason- 1/2/3, ENVISAT, SARAL) which allowed us to follow the sea level variations (SSH) from the French Atlantic coast to the south of the Bay of Biscay during the 1995-2015 period. SARAL data, including a footprint of around 6 km, show that it is now possible to approach the coastal fringe up to ~ 10 km with a great precision (RMSE ~ 20 cm). The second application is based on the GNSS-R methodology that we used to track SSH in the inner part of the bay of Saint Jean de Luz – Socoa during the storm Xynthia. Here again the results are exceptional since they allowed us to follow the impact of the storm Xynthia on the local level of the ocean. I thus highlighted that it was possible with only one instrument to follow the effects of the tides, and even the effects of the marine surges which associated to the impact of the atmospheric pressure on the sea level give a good correlation (R = 0.77 between the RC3 component and the surge, and R = 0.73 with the atmospheric pressure) during storm. Finally we also looked at what is happening in the transition between continental and oceanic waters for the deltas of the Red River and Mekong in Vietnam. And, even if the time series are rather short or truncated (Red River) the results are more than encouraging since they allowed us to follow the flooding events associated with two tropical storms (Mirinae and Nida) and to measure the delay between the rain falls and the propagation of the flood wave which shows in this case a delay of 48 h for Nida. With the deployment of permanent GNSS networks in many countries, this technique can be applied when a permanent GNSS station is located near the shore. The GNSS-R approach can be used to monitor sea level variations but also the effect of extreme events. For that we used 3 months of recordings (January-March 2010) from the Socoa GNSS station to determine the tidal components in the GNSS-R signals and to identify the Xynthia storm. This study is the first example of the use of GNSS-R to detect overcoats and storms using signal decomposition techniques in the form of singular spectral analysis (SSA) and continuous wavelet transformation. One of the modes of decomposition of the SSA was related to temporal variations in surcharges and atmospheric fluctuations across the inverted barometer. My work shows that new altimetry mission and GNSS-R are a powerful alternative and a significant complement technique for managing water resource and monitoring SLR near the coastal area. The GNSS-R technique have also a great advantage based on an already developed and sustainable GNSS satellite networks which has recorded continuous and large time series shall exceed 15 years. These quite long time series are necessary to have a good estimation of the effects of the global warming on the sea level height.

L’objectif de ce travail a été de développer une méthodologie de télédétection novatrice, s’appuyant sur des plateformes existantes, de suivi des principaux facteurs influençant la dyna-mique côtière. Lors de mon étude j’ai développé des suivis basés sur un outil classique: l'altimétrie satellitaire. Mon approche s’est appuié sur les nouvelles missions spatiales dont j’ai évalué l’apport sur la zone côtière qui est la plus critique qui est la plus critique du point de vue socio-économique. J’ai plus spécifiquement regardé la façade atlantique entre La Rochelle et Bayonne. Je me suis ensuite intéressée à une technique originale basée sur la réflexion des ondes GNSS (GNSS-R). Ces outils nous permettent de surveiller précisément les diverses ondes de marée et de détecter des phénomènes plus singuliers comme la tempête Xynthia (2010) qui a affectée le Sud de l’Europe. Ces outils démontrent qu’il est possible aussi de suivre la dynamique côtière liée aux variations de houle et son impact sur l'érosion côtière, et même les effets de la forte dépression atmosphérique associée à Xynthia et qui a eu un impact visible sur le niveau local de l’océan atlantique. Ma thèse repose sur deux approches complémentaires basées sur deux échelles d’analyse, l’une globale associée à l’altimétrie satellitaire l’autre plus locale, dédiée à la détection des évènements extrêmes et basée sur le réflectométrie. La première étude s’appuie sur différentes missions altimétriques et nous a permis de suivre les variations du niveau de la mer de la côte atlantique française au Sud du golfe de Gascogne durant la période de 1995-2015. Les données SARAL, dont l’empreinte au sol au de l’ordre de 6 km, montrent qu’il est maintenant possible de s’approcher de la bande côtière jusqu’à ~10km avec une grande précision (~20cm). La seconde application repose sur le GNSS-R que nous avons utilisé pour suivre la partie protégée de la baie de Saint Jean de Luz. Là encore les résultats sont exceptionnels puisqu’ils nous ont permis de suivre l’impact de la tempête Xynthia. J’ai ainsi mis en évidence qu’il était possible avec un seul instrument de suivre les effets des marées, et les effets des surcotes marines qui, associées à l’impact de la pression atmosphérique, donnent une bonne corrélation (R=0.8 entre la composante RC3 et les surcôtes, et R=0.72 avec la pression atmosphérique) durant la tempête. Enfin nous avons aussi regardé ce qui se passe lors de la transition eaux continentales/océaniques pour les deltas du Fleuve Rouge et du Mékong (Vietnam). Et mêmes si les séries temporelles sont assez courtes, les résultats sont plus qu’encourageant puisqu’ils nous ont permis de de suivre les épisodes de crues associées à deux tempêtes tropicales (Mirinae et Nida) et de mesurer le retard entre les chutes de pluies et la propagation de l’onde crue qui montre dans le cas présent un délai de de 48h pour Nida. Grâce au déploiement dans de nombreux pays de réseaux GNSS permanents, cette technique peut être appliquée lorsqu'une station GNSS permanente est située près du rivage. L’approche GNSS-R peut être alors utilisée pour le suivi des variations du niveau de la mer mais aussi l’impact d’évènements extrêmes. Pour cela nous avons utilisé 3 mois d'enregistrements (janv-mars 2010) de la station GNSS de Socoa, pour déterminer les composantes, court terme, de la marée dans les signaux GNSS-R et pour identifier la tempête Xynthia. Cette étude est le premier exemple de l’utilisation du GNSS-R pour détecter les surcotes, les tempêtes par des techniques de décomposition du signal sous forme d’analyse spectrale singulière (SSA) et de transformation en ondelettes continues. L’un des modes de décomposition du SSA était lié aux variations temporelles de surcotes et des fluctuations atmosphériques à travers le baromètre inversé. Mes travaux montrent que l’altimétrie satellitaire et GNSS-R constituent une alternative très intéressante aux techniques classiques de mesure in situ surtout pour les zones côtières et estuariennes et la surveillance de l'élévation globale du niveau de la mer. Les techniques basées sur l’altimétrie spatiale montrent leur efficacité pour le suivi des niveaux marins en haute mer mais les nouvelles missions montrent qu’il est possible de s’approcher de plus en plus des côtes tout en conservant une très bonne qualité de mesure. Le GNSS-R présente, quant à lui, l’avantage de s’appuyer sur des réseaux nationaux/internationaux et d’avoir de longues chroniques temporelles (>10ans). Autre point fondamental il peut suivre la dynamique côtière et des deltas.

Mots clés: Surge Storm; Sea Surface Height; Coastal altimetry; Tide gauge; Singular Spectrum Analysis; Continuous Wavelet Transform; Inverted barometer

Mots clés: Hauteur de la surface de la mer; GNSS-R; SNR; altimétrie côtière; marégraphe; validation; analyse spectrale singulière; transformation en ondelettes continues; baromètre inversé; onde de tempête

Domaines: Sciences de la Terre; Interfaces continentales, environnement

Phuong-Lan Vu. Spatial Altimetry, GNSS Reflectometry and Marine Surcotes. Earth Sciences. Université Toulouse III Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier), 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02167814⟩