SWOT : Comprendre nos Fleuves, Lacs et Plaines Inondables

Statut de la Mission

La mission Surface Water Ocean Topography (SWOT) est le fruit d’un héritage de coopération de plus de trois décennies entre la NASA et le CNES. La première mission d’altimétrie en partenariat fut TOPEX/Poseidon en 1992, suivie des missions Jason-1/-2/-3, avant de lancer SWOT en décembre 2022, avec également une contribution des agences spatiales britannique (UKSA) et canadienne (ASC/CSA). En plus d’un altimètre nadir classique, SWOT embarque un radar interférométrique en bande Ka (KaRIn), imaginé par Ernesto Rodriguez du Jet Propulsion Laboratory (JPL), et représentant une véritable révolution technologique et scientifique. C’est par ailleurs la première mission satellite dont l’objectif principal est de cartographier les élévations de l’eau des surfaces océaniques et hydrologiques à l’échelle globale. Le satellite SWOT, en vol depuis maintenant plus de deux ans, a commencé à fournir des données de grand intérêt dès l’allumage de KaRIn. Après trois mois sur une orbite répétitive de calibration/validation (Cal/Val) (données disponibles entre le 30 mars et le 11 juillet 2023), il a commencé le 26 juillet 2023 sa mission nominale, dite “phase science”.  À ce jour, le satellite fonctionne dans les meilleures conditions.

Produits des Eaux Continentales

Les produits SWOT dédiés aux eaux continentales se déclinent sur plusieurs niveaux de complexité, décrits ci-dessous, selon les besoins et l’expertise de l’utilisateur. Des détails supplémentaires sont disponibles dans les documents de description des produits.

(1) Produit Single Look Complex : Pour chacune des deux antennes réceptrices de KaRIn, et pour chaque fauchée (droite et gauche), ce produit est le résultat du traitement temporel du radar à synthèse d’ouverture (SAR) des données de télémétrie HR commandées. Ces images radar complexes, dites “Single Look Complex” (SLC), sont fournies avec un échantillonnage tous les ~3 m le long de la trace, et entre ~70 m et ~10 m dans la direction transversale dans la fauchée nominale (entre 10 et 60 km de la trace nadir du satellite).

(2-1) Produit Pixel Cloud : La détection de l’eau, le déroulement de phase et de nombreux autres traitements appliqués aux données SLC aboutissent au produit nuage de pixels (PIXC). Il s’agit d’une représentation éparse du masque d’eau calculé (tous les ~22m), avec des hauteurs géolocalisées, des corrections géophysiques et des indicateurs de qualité. 

(2-2) Produit Pixel Cloud Vector : Le produit vectoriel nuage de pixels (PIXCVec) est un produit complémentaire au produit PIXC. Il contient des informations supplémentaires obtenues lors des traitements RiverSP et LakeSP (décrits ci-dessous), notamment des géolocalisations régularisées ainsi que des identifiants des fleuves (SWORD) et des lacs (PLD).

(3-1) Produits River Single Pass and Average : Les données PIXC à haute résolution sont agrégées en produits vectoriels distincts pour les fleuves et les lacs. Le produit fluvial en passage unique (RiverSP) fournit des mesures de l’élévation de la surface de l’eau (par rapport au géoïde EGM2008), de la largeur et de l’étendue pour des nœuds définis à intervalles d’environ 200 m, ainsi que pour des tronçons de fleuves de 5 à 20 km, le long des axes centraux fournis par la base de données SWORD. La pente des fleuves et des estimations de débit sont également calculées pour ces tronçons. Les produits RiverSP sont agrégés sur chaque cycle de 21 jours pour obtenir des produits moyens (RiverAvg).

(3-2) Produits Lake Single Pass and Average : De manière similaire, les produits des lacs en passage unique (LakeSP) sont obtenus en croisant toutes les surfaces détectées comme de l’eau (hors fleuves) identifiés dans les produits PIXC avec les polygones de lac de la Base de Données a priori des Lacs (PLD). Les produits sont organisés dans la PLD en trois catégories : Observé, A priori et Non attribué. Chaque produit contient l’élévation moyenne de la surface de l’eau (toujours par rapport au géoïde EGM2008), l’étendue de l’eau et des estimations dérivées des variations de stock pour certains lacs. Les produits des lacs moyens (LakeAvg) sont obtenus en agrégeant les produits LakeSP sur un cycle de 21 jours.

(4) Produit Raster: Étant donné que PIXC et PIXCVec sont des nuages de points avec des espacements irréguliers en latitude/longitude, un produit supplémentaire est généré pour faciliter leurs utilisations, au détriment de la résolution. Le produit raster fournit des données telles que l’élévation de la surface de l’eau, la fraction d’eau, la surface, etc., sur des grilles régulières avec un espacement de 100 ou 250 m. 

Statut des traitements des produits

Chaque jour, le segment sol produit environ 20 TB de données, mises à disposition publiquement moins de 5 jours après la mesure à bord. La première version des données SWOT utilisables a été mise en ligne par la NASA et le CNES en mars 2024 (version C). En juin 2024, l’Équipe Scientifique SWOT a confirmé que les données disponibles depuis février 2024 pouvaient être considérées comme valides. Les algorithmes et données auxiliaires qui permettent de générer les différents produits SWOT ne cessent de s’améliorer. En octobre 2024, la version PIC2 des produits a été mise en production, prenant le relais de la version PIC0. Un lot encore plus important d’améliorations sera mis en production prochainement (version PID0/PGD0). Cette nouvelle version plus précise sera disponible au fil de l’eau, et un retraitement complet des données au niveau “D0” depuis le début de la mission sera effectué pour être mis à disposition des utilisateurs à l’automne 2025 dans les portails d’accès aux données. Un document décrivant les principales améliorations sera diffusé prochainement. Il y a une refonte importante de la SWOT River Database (SWORD, version 17), avec en particulier une re-numérotation complète des tronçons et nœuds des rivières, que les utilisateurs doivent prendre en compte. 

Concernant la production de données “au fil de l’eau”, une partie significative des produits HR n’ont pas été générés entre mi-octobre 2024 et début janvier 2025, en raison d’un problème d’infrastructure au sein du centre mission. Un masque de production réduit a été mis en place pour privilégier notamment les sites Cal/Val. Les données manquantes seront traitées lors de campagnes de retraitement 2025. La campagne de retraitement 2024 (version PGC0), concernant les données de fin mars 2023 à  janvier 2024, a été terminée. La campagne de retraitement 2025 (version PGD0), couvrant la période de fin mars 2023 à février 2025, démarre sous peu, en commençant par la période Cal/Val. Ces produits HR améliorés seront rendus disponibles au fur et à mesure, typiquement à partir du mois de mai 2025.  Malgré quelques difficultés occasionnelles dues à la complexité et au volume de données traitées, le segment sol, quant à lui, assure globalement sa mission avec succès. 

Validation et campagnes de mesures

L’interféromètre Karin embarqué par SWOT est un instrument innovant conçu pour mesurer la topographie des surfaces en eau à une résolution spatiale sans précédent. Cependant, la détection des bords des corps en eau reste incertaine, les erreurs de mesure d’altitude peuvent être localement élevées. Ainsi, la validation des données altimétriques issues de traitements de la mesure radar reste cruciale. D’importants travaux de calibration-validation ont été entrepris sur la base de mesures hydrométriques in situ réalisées spécialement dans le cadre de la mission SWOT, sur des sites choisis, couvrant une grande variété d’environnements et climats, des berges de la Garonne aux lacs gelés canadiens en passant par le fleuve Amazone.

Des efforts de validation ont par exemple été effectués avec la nappe de calibration géodésique tractée par bateau sur les plaines d’inondation du Lago Curuai en Amazonie au Brésil comme illustré dans la figure ci-jointe (crédits SGB/IRD/CNES).

Les mesures collectées permettent de valider les hauteurs d’eau et les pentes des fleuves, la signature du géoïde sur les grands lacs, de quantifier les erreurs de mesure et de mieux comprendre leur origine. Elles révèlent également la remarquable précision des données SWOT comme montré par un profil sur une portion du Rhin canalisé en Alsace.

Débits des fleuves 

Le débit d’une rivière varie de manière complexe, non linéaire, en fonction de sa profondeur et donc aussi des altitudes de la surface d’eau qui sont mesurées, de sa largeur, de sa pente et d’autres paramètres non mesurables. Estimer les débits à partir d’observations altimétriques est un véritable défi , d’autant plus sans connaître les autres paramètres décrivant la rivière elle-même et la physique locale de l’écoulement (dissipations d’énergie dues à la forme et la nature du fond de la rivière). L’Équipe Scientifique de la mission SWOT, notamment le Discharge Algorithm Working Group (DAWG), a développé des approches pour estimer le débit sur des portions de cours d’eau. Ces méthodes, basées sur des modèles hydrauliques, estiment le produit débit SWOT. Une plateforme  de calcul, nommée “Confluence”, permet de faire tourner ces approches à l’échelle globale pour estimer les paramètres nécessaires pour le calcul du produit officiel débit de la mission. Ce produit offre une densité spatiale sans précédent permettant d’étudier les caractéristiques spatiales des débits des fleuves. La qualité des estimations de débit obtenues dépend de tout un ensemble de facteurs :  précision de moyennes locales des débits provenant de modèles hydrologiques globaux, erreurs d’observation, caractéristiques des rivières (ex: largeur, pente), etc. Les recherches continuent pour améliorer tant les méthodes de traitement des données que les algorithmes d’estimation des débits. 

Afin d’obtenir des séries temporelles journalières complètes, il est possible de densifier les observations dans le temps et dans l’espace. Un ensemble d’approches ont été implémentées. Parmi elles, l’assimilation de ces observations dans un modèle hydraulique (ou de routage) permet de simuler un état du système plus complet en prenant en compte la dynamique d’écoulement dans le réseau de rivière. Des systèmes couplés de modèles hydrauliques ou de routage avec des modèles hydrologiques ont été mis en place avec l’intégration des méthodes d’assimilation de données afin de reconstituer une représentation des dynamiques manquantes dans le temps et l’espace à partir de données SWOT et des dynamiques modélisées. Un ensemble de systèmes couplés existe et a été validé dans le cadre d’expériences contrôlées à l’échelle d’un bassin complet (MGB/SMASH-HiVDI par HydroMatters/INSA/INRAE et SIC-RAPID par INRAE/JPL) ou globale (ex CTRIP-HyDAS par Météo France), afin de produire prochainement les premières réanalyses hydrologiques à partir de SWOT.   

Volumes d’eau des lacs

SWOT fournit pour la première fois non seulement un inventaire quasi global de tous les lacs et réservoirs d’au moins 250mx250m (voire bien plus petit en fonction des conditions d’observation), mais aussi de la dynamique temporelle de leur variation de volume. En effet, grâce aux observables SWOT (cote d’eau et masque d’eau à la date du passage du satellite) acquis lors des passages successifs du satellite et en faisant l’approximation d’une bathymétrie simplifiée, il est possible d’estimer les variations de volume de chaque lac par rapport à une date de référence. Cette estimation va être fournie directement dans le produit SWOT LakeSP, dans une future version de ce produit. La qualité de cette estimation est évidemment dépendante de celle de toutes les observables SWOT, notamment celle du masque d’eau. Plusieurs pistes sont à l’étude pour améliorer ces estimations. Dans le produit LakeSP, la variation de volume de lacs sera calculée selon les deux options avec des équations adaptées à chacune, ce qui laisse le choix aux utilisateurs de considérer l’une ou l’autre. Dans la plupart des cas, cela ne présente pas de grandes différences, comme l’ont démontré des simulations faites au CNES avant le lancement du satellite.

Accès et Usages des Données : Bonnes Pratiques

Plusieurs points d’accès entièrement ouverts et gratuits sont disponibles pour les données SWOT hydrologiques, en fonction des profils et des besoins des utilisateurs :

• Portail hydroweb.next : Ce portail, géré par le pôle DataTerra|Theia, est destiné aux hydrologues. Il permet de télécharger (via interface web ou API) les données de niveau 2 SWOT-HR, ainsi que d’autres données hydrologiques. Il offre également des outils de visualisation, incluant des cartes interactives et des graphiques des séries temporelles pour les lacs et les segments de fleuves. Pour accéder à toutes les collections de produits SWOT, il suffit de saisir « SWOT » dans la barre de recherche.
• Portail NASA/JPL/PO.DAAC : Ce portail permet de télécharger les données SWOT de niveau 1b et 2 SWOT-HR via interface web ou API. Une API supplémentaire, hydrocron, est également disponible pour l’extraction de séries temporelles SWOT pour des lacs ou segments de fleuves spécifiques.
• Portail SWOTViz : Développé par le consortium CUAHSI (universités américaines), ce portail permet la visualisation graphique des séries temporelles des données SWOT pour les lacs et les segments de fleuves. Il a été conçu spécifiquement pour ce type d’analyse et est destiné aux hydrologues.
• HAWK : Pour les utilisateurs les plus avancés, le CNES propose cet espace d’expertise, accessible sur demande à tous les membres de la science team SWOT ainsi qu’aux projets en collaborations avec le CNES. Cet environnement offre une large gamme d’outils et tutoriels dédiés à l’analyse et à l’exploitation des données SWOT.  Une base de données de produits SWOT rivières, lacs et in-situ facilite la recherche, le traitement et la validation des produits à l’échelle globale.

Enfin, un ensemble d’outils et de tutoriels en open-source est disponible pour aider les utilisateurs dans l’utilisation des produits. Ces ressources peuvent être consultées sur GitHub SWOT-community et le site associé SWOT Hydrology Galleries.

Les collections de produits SWOT dédiées à l’hydrologie sont actuellement au nombre de 12. Chaque collection est conçue pour un type d’utilisateur spécifique, allant de l’expert en données satellitaires à l’hydrologue. Nous recommandons aux utilisateurs de consulter attentivement la documentation disponible sur les portails, notamment le SWOT data user handbook, afin de déterminer quelles collections correspondent le mieux à leurs besoins. La documentation précise également la manière correcte d’utiliser les produits, en détaillant les différentes variables géophysiques disponibles ainsi que les variables de qualité associées à chaque produit. En particulier, les utilisateurs non spécialistes en télédétection seront probablement plus intéressés par les produits SWOT moyennés le long d’un linéique de rivière (RiverSP) ou sur le polygone de l’étendue des lacs et réservoirs (LakeSP Prior, Observed et Unassigned) ou encore le produit grillé Raster. Cependant, il est plus difficile d’identifier les sources d’erreur sur les observables SWOT dans ces produits. Il ne faut pas en conclure directement que les données SWOT sont inexploitables pour cette date, mais il faut d’abord regarder les “flags” de qualité et éventuellement les produits moins intégrés (le nuage de point PixC).

SWOT et Education

Au-delà des implications scientifiques de SWOT, cette mission ouvre des opportunités significatives pour la collaboration entre la communauté scientifique et la communauté éducative, offrant un terrain fertile pour l’éducation au climat et  la promotion des sciences spatiales. Dans ce contexte, l’Office de l’Éducation du Climat (OCE), de par sa position institutionnelle privilégiée au cœur du dispositif des Nations Unies, propose des actions visant à promouvoir une éducation de qualité au changement climatique, notamment aux conséquences pour l’océan et aux eaux continentales au sein des écoles primaires et secondaires. Un guide pédagogique propose notamment aux enseignants une progression clé en main leur permettant d’étudier le rôle des océans dans la régulation du climat, les services écosystémiques rendus par les océans, les eaux continentales et la cryosphère, ainsi que les effets du changement climatique en ajoutant notamment une nouvelle séance sur l’observation des océans et eaux continentales par SWOT.

Premières publications scientifiques sur les eaux continentales après le lancement: 

Année : 2024

Fu LL, Pavelsky T, Cretaux JF, Morrow R, Farrar JT, Vaze P, Sengenes P, Vinogradova‐Shiffer N, Sylvestre‐Baron A, Picot N, Dibarboure G. The surface water and ocean topography mission: A breakthrough in radar remote sensing of the ocean and land surface water. Geophysical Research Letters. 2024 Feb 28;51(4):e2023GL107652.

Salameh, E., Desroches, D., Deloffre, J., Fjørtoft, R., Mendoza, E. T., Turki, I., Froideval, L., Levaillant, R., Déchamps, S., Picot, N., Laignel, B., Frappart, F. Evaluating SWOT’s interferometric capabilities for mapping intertidal topography, Remote Sensing of Environment, vol. 314, p. 114401, DOI: 10.1016/j.rse.2024.114401.

López Weibel, C., Walker, E., Szupiany, R., Venturini, V., Segura Ellis, J., Oberg, K., García, C.M., Diaz Lozada, J.M., Zaffaroni, P., Jobbagy, E., Minear, T. Evaluation of SWOT Water Surface Elevation Product Along the Middle Paraná River, 2024 IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON), San Nicolás de los Arroyos, Argentina, 2024, pp. 1-5, doi: 10.1109/ARGENCON62399.2024.10735715.

Hamoudzadeh A, Ravanelli R, Crespi M. SWOT Level 2 Lake Single-Pass Product: The L2_HR_LakeSP Data Preliminary Analysis for Water Level Monitoring. Remote Sensing. 2024 Mar 31;16(7):1244.

Yu, L., Zhang, H., Gong, W. and Ma, X., 2024. Validation of Mainland Water Level Elevation Products from SWOT Satellite. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.

Normandin, C., Frappart, F., Baghdadi, N., Bourrel, L., Peña Luque, S., Ygorra, B., Kitambo, B., Papa, F., Riazanoff, S. and Wigneron, J.P., 2024. First results of the surface water ocean topography (SWOT) observations to rivers elevation profiles in the Cuvette Centrale of the Congo Basin. Frontiers in Remote Sensing, 5, p.1466695.

Getirana, A., Kumar, S., Bates, P., Boone, A., Lettenmaier, D. and Munier, S., 2024. The SWOT mission will reshape our understanding of the global terrestrial water cycle. Nature Water, 2(12), pp.1139-1142

Année : 2025

Laipelt, L., de Paiva, R.C., Fan, F.M., Collischonn, W., Papa, F. and Ruhoff, A., 2025. SWOT reveals how the 2024 disastrous flood in South Brazil was intensified by increased water slope and wind forcing. Geophysical Research Letters, 52(2), p.e2024GL111287.

Konstantinos M. Andreadis, Steve P. Coss, Michael Durand, Colin J. Gleason, Travis T. Simmons, Nikki Tebaldi, David M. Bjerklie, Craig Brinkerhoff, Robert W. Dudley, Igor Gejadze, Kevin Larnier, Pierre-Olivier Malaterre, Hind Oubanas, George H. Allen, Paul D. Bates, Cédric H. David, Alessio Domeneghetti, Omid Elmi, Luciana Fenoglio Marc, Renato Prate de Moraes Frasson, Elisa Friedmann, Pierre-André Garambois, Jaclyn Gehring, Augusto Getirana, Marissa Hughes, Jonghyun Lee, Pascal Matte, J. Toby Minear, Jérôme Monnier, Aggrey Muhebwa, Mohammad J. Tourian, Tamlin M. Pavelsky, Ryan M. Riggs, Ernesto Rodríguez, Md Safat Sikder, Laurence C. Smith, Cassie Stuurman, Jay Taneja, Angelica Tarpanelli, Jida Wang, Brent A. Williams, Bidhyananda Yadav, “A first look at river discharge estimation from SWOT satellite observations”. Manuscript under review Geophysical Research Letters.

Han X., Zhang G., Crétaux J.-F., Wang J., Schwatke C., Peng M., Allen G. H., Wang X., Shum C. K., Woolway R. I., Ke Y., Zhou T., Xu F. Reconstructing small lake dynamics on the Tibetan Plateau using gap-filled SWOT data. (In preparation).

Membres de l’équipe scientifique de SWOT

France : 

Etats-Unis : 

International : 

Contacts

Produits débit des fleuves et volumes d’eau : 

• Questions sur le produit débit des fleuves : Pierre-Olivier Malaterre (pierre-olivier.malaterre@inrae.fr) et Kévin Larnier (kevin.larnier@hydro-matters.fr)
• Questions sur le produit des volumes d’eau : Jean-François Cretaux (Jean-Francois.Cretaux@cnes.fr) et Claire Potier (Claire.Pottier@cnes.fr)

Accès aux données : 

• Support THEIA : exp.hysope2@cnes.fr.
• Support CNES : Mathilde Simeon et Julien Petiton,  swot_ce@cnes.fr 

Liens utiles : 

• SWOT Data User Handbook : https://archive.podaac.earthdata.nasa.gov/podaac-ops-cumulus-docs/web-misc/swot_mission_docs/D-109532_SWOT_UserHandbook_20240502.pdf
• PO.DAAC Cookbook : https://podaac.github.io/tutorials/quarto_text/SWOT.html
• Hydrocron : https://podaac.github.io/hydrocron/intro.html

Contributeurs :