Merci à Mussa Kachunga Stanis d'avoir traduit cet article volontairement.

Récemment, en juillet 2021, des inondations destructrices et meurtrières se sont produites en Europe occidentale. Les pertes assurées estimées uniquement en Allemagne pourraient approcher les 5 milliards d'euros (AIR Worldwide, 2021). Cependant, le montant total des dommages n'est actuellement pas prévisible en raison de la variété et de la complexité des schémas de dommages et de l'ampleur incroyable de la catastrophe. Il semble que les pertes socio-économiques vont considérablement augmenter et battre un nouveau record dans le secteur de l'assurance après avoir évalué le dossier complet des rapports de dommages (voir la figure 1). Le nombre de morts en Allemagne est passé à plus de 135, ce qui est irréparable (Bild 2021 ; Landesregierung Rheinland-Pfalz 2021).

Malgré les développements récents de la gestion des crues, l'homme ne parvient pas à contrôler et à prévoir avec précision ce phénomène pour prévenir divers dommages ultérieurs. En outre, le changement climatique a entraîné une augmentation du nombre, de la fréquence et de l'intensité des inondations et des fortes pluies (Seneviratne et al. 2012). Après les récentes inondations, la présidente de la Commission européenne, Ursula von der Leyen, a également mentionné : "L'intensité et la durée des conditions météorologiques extrêmes sont une indication claire de la crise" (Bloomberg Quicktake, 2021). Cela exige un plan d'urgence pour utiliser des technologies nouvelles et innovantes.

Surveillance par satellite des événements extrêmes

L'un des principaux problèmes liés aux inondations et à la prévision météorologique est l'insuffisance des jauges de mesure des paramètres hydrométéorologiques tels que les précipitations et le débit de décharge. L'exploitation et l'entretien de ces stations d'observation sont coûteux. De plus, il est impossible de couvrir toutes les régions d'un pays en raison des différents climats comme les déserts ou les endroits à haute altitude sans routes d'accès sûres. De plus, généralement, les villes ont pour priorité d'être protégées contre les événements extrêmes, et par conséquent, la densité des réseaux d'observation est plus élevée à proximité des zones peuplées. Les capteurs spatiaux peuvent être considérés comme une alternative pratique pour fournir des données et des informations. Néanmoins, les radars et les produits optiques de télédétection (RS) ont leurs propres limites, en particulier lors d'événements extrêmes (Oberstadler, Hönsch et Huth 1997 ; Rajabi, Nahavandchi et Hoseini 2020).

Le système mondial de navigation par satellite (GNSS) est principalement conçu pour le positionnement, la navigation et la synchronisation. Après avoir été réfléchis par la surface de la Terre, les signaux GNSS peuvent également fournir des informations sur la surface réfléchissante. La réflectométrie du système mondial de navigation par satellite (GNSS-R) est une technique innovante et rentable avec une résolution spatio-temporelle élevée visant à dériver des paramètres géophysiques en analysant les signaux réfléchis GNSS à partir de différents composants du système terrestre. Cette idée a été utilisée dans des sujets de recherche distincts, tels que la gestion des inondations, l'humidité du sol et le cycle de l'eau (Chew, Reager et Small 2018 ; Wan et al. 2019 ; Rajabi, Nahavandchi et Hoseini 2020). De nombreux satellites GNSS, dont le système de positionnement global (GPS), Galileo, GLONASS et BeiDou, transmettent actuellement des signaux de navigation basés sur la technologie à spectre étalé. Une constellation de petits satellites GNSS-R, comme le Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) récemment lancé, a des coûts de production et de maintenance inférieurs à ceux des satellites d'observation de la Terre. De plus, les capteurs de CYGNSS surmontent les limitations des capteurs optiques telles que la couverture nuageuse et le manque de vision nocturne. Par conséquent, ils représentent un outil RS efficace, qui peut fournir des temps de revisite beaucoup plus courts (ESA 2020 ; 2021a). Contrairement à la plupart des satellites EO, CYGNSS est en orbite dans le LEO et a donc un temps de revisite plus court. La constellation se compose de huit microsatellites qui se correspondent parfaitement pour couvrir -35 à 35 degrés de la Terre (ESA 2020). CYGNSS a en moyenne 4 heures de temps de revisite. Chaque satellite a une masse de seulement 25 kg, ce qui en fait une constellation de microsatellites (Ruf et al. 2016). Même si d'autres missions satellitaires comme Flock 1 sont des nanosatellites avec un temps de revisite plus court (ESA 2021b), CYGNSS a une résolution temporelle élevée utilisant des réflexions de signaux GNSS pour collecter des paramètres météorologiques et cycloniques, une idée nouvelle dans les sciences spatiales. Deux paramètres, la vapeur d'eau intégrée (IWV) et le rapport signal sur bruit (SNR) peuvent être obtenus à partir du GPS et du CYGNSS et seront traités ci-dessous :

Vapeur d'eau intégrée

IWV montre le potentiel maximal de précipitations liquides ; par exemple, la figure 2 visualise la colonne mondiale IWV de juin à août de 1971 à 2001.

Cependant, la pluie dépend de plus de facteurs que la vapeur d'eau. Par conséquent, les précipitations réelles ne sont pas égales à l'IWV. Les précipitations totales pour la même période qu'à la figure 2 sont illustrées à la figure 3.

Si une valeur IWV élevée est corrélée à une humidité élevée du sol, les précipitations contribueront directement au ruissellement, car le sol n'a aucune capacité à retenir l'eau. Le suivi d'une résolution temporelle fine de l'IWV (horaire et infra-horaire) et d'une résolution spatiale d'un kilomètre carré (WMO 2021) aide les planificateurs et les autorités à avertir les zones vulnérables presque en temps réel (NRT). Cependant, les résultats ne peuvent pas être récupérés suffisamment à temps pour prendre des décisions vitales telles que l'évacuation des villes. Il est en outre possible de reconnaître un modèle d'évolution de l'IWV dans le temps et dans l'espace pour différentes saisons de l'année afin d'aider à une prédiction de l'IWV à court terme (Figure 4). Jusqu'à présent, en météorologie synoptique, la structure et le comportement de l'atmosphère réelle ont été étudiés avec différents outils. L'application des mesures GNSS peut aider à fournir de meilleurs résultats de prédiction en combinant les méthodes météorologiques actuelles.

Humidité du sol

Le deuxième paramètre qui peut être obtenu à partir des satellites CYGNSS via la réflectométrie GNSS est le SNR, un facteur fortement corrélé à l'humidité du sol (Morris et al. 2019). Le signal réfléchi par la surface de la Terre dépend de quelques paramètres, dont la plupart restent constants. Le seul paramètre qui montre une variation est l'humidité du sol. Étant donné que CYGNSS est une constellation de satellites et que les satellites individuels ont des angles de rayonnement différents, le SNR doit être calibré pour être homogénéisé sur toutes les sources de données satellitaires. CYGNSS fonctionne avec le reflet des quatre principaux GNSS, dont GPS, Galileo, GLONASS et BeiDou. Cela signifie que si nous voulons enquêter sur n'importe quel point de la zone de couverture, nous aurons au moins un de ces systèmes disponibles.
 

La combinaison des paramètres IWV et SNR peut aider à détecter les inondations et à les cartographier. Par la suite, il soutient la création de plans de défense contre les inondations. La figure 5A illustre les trajectoires des satellites au-dessus de la zone d'étude. Dans la figure 5B, les points rouges représentent les zones à forte concentration d'humidité du sol, ce qui signifie une inondation. On peut donc conclure dans quelles zones, le sol est complètement saturé. Toute nouvelle pluie devient directement du ruissellement et déclenche ou intensifie l'inondation.

Cartographie des inondations

Il est possible de calculer les superficies des régions inondées et d'estimer les pertes humaines, éco systémiques et financières. Cela permet également de recalculer le risque en modifiant les zones vulnérables (Modiri et Modiri 2016), qui ont été modifiées au cours des dernières décennies sous l'effet du changement climatique. De plus, ces cartes permettent de déterminer des sous-bassins qui réagissent spatialement simultanément, ce qui est un sujet récemment très débattu parmi les chercheurs analysant les inondations. Il existe deux formes actuellement classées comme réactions simultanées (Modiri et Bárdossy 2021) :

1. Les sous-bassins réagissent en même temps (simultanément) dans différentes zones non connectées aux flux. Si des inondations se sont produites au même moment dans le passé, on pourrait utiliser la Co-réaction pour alerter les régions à haut risque associées à l'avenir. Par exemple, dans des zones hydrologiquement éloignées les unes des autres (pas de liaison fluviale – deux affluents d'une rivière). Lors de la dernière inondation en Europe en 2021, des inondations sont enregistrées en Allemagne et en Belgique dans deux pays différents à grande échelle. Pour améliorer la défense contre les inondations, il est possible de déterminer certaines régions qui réagissent généralement de la même manière.
2. Les inondations se produisent par la suite avec un délai entre généralement moins d'un jour. C'est la forme de joindre les crues des sous-bassins en amont à la rivière principale et de mesurer les crues extrêmes dues aux précipitations à long terme ou à une combinaison de fonte des neiges et de précipitations intenses en aval.

Les zones qui réagissent simultanément exigent d'avoir des plans d'action similaires pour gérer les inondations. Si une grave inondation se produit dans l'un de ces sous-bassins, le risque d'inondation dans d'autres augmentera et le risque de vulnérabilité augmentera. Par conséquent, la surveillance du SNR corrigé peut aider à fournir des cartes avec la capacité de mettre à jour la production d'informations résultante peu de temps avant, pendant et après les inondations. Parallèlement, des séries à long terme d'IWV peuvent prendre en charge la surveillance des inondations.

La figure 6A montre trois régions distinctes en Allemagne, qui ont été confrontées à de graves inondations en juillet 2021. Selon les dernières découvertes scientifiques, il est conseillé de réviser les réglementations de gestion des inondations pour se préparer à d'éventuels événements météorologiques extrêmes dans les années à venir. L'approche de regroupement appliquée dans la figure 6B illustre les régions où les inondations ont des modèles similaires. Ici, le comportement des crues suit principalement la topographie de la zone étudiée. En revanche, les principaux facteurs utilisés dans les régions à plus grande échelle comprennent à la fois la topographie et les modèles de circulation météorologique. De plus, des recherches récentes montrent que la saisonnalité des inondations à une relation avec les inondations simultanées et les clusters correspondants.

Un autre aspect à considérer dans le suivi des inondations est la relation possible entre les inondations et les vagues de chaleur observées. Une augmentation de la température de la surface de la Terre provoque plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère. En conséquence, des précipitations intenses et très fréquentes peuvent être attendues. Il est recommandé d'étudier plus en profondeur l'interaction possible.

Pour conclure, il convient de souligner que la surveillance et la gestion précise des inondations exigent une action d'urgence de la part des scientifiques et des organisations responsables. Déterminer un risque élevé d'inondation pour différents bassins versants et prévoir l'ampleur des inondations est une tâche scientifique pour les universitaires, qui peut éclairer le travail des institutions nationales et internationales qui mettent en œuvre les résultats de la recherche dans les systèmes de gestion des urgences.

Deux paramètres GNSS-R peuvent jouer un rôle essentiel dans la détection des inondations, en soutenant les schémas de gestion et en surmontant les restrictions causées par les nuages, les bassins non jaugés, les valeurs manquantes et le manque de lumière. Des valeurs manquantes peuvent survenir pour plusieurs raisons telles que : le point de mesure sur la rivière où le pont a été immergé dans l'eau, les appareils n'ont pas fonctionné correctement ou la personne responsable de la mesure dans les stations non automatiques n'a pas pu mesurer. Par conséquent, le GNSS-R joue un rôle important pour combler les lacunes dans l'enregistrement des données. Un court temps de revisite des pistes CYGNSS fournit des données temporelles fines. Cependant, l'empreinte ne couvre que les zones tropicales et subtropicales de 35° N à 35° S. Ce problème pourrait être résolu par de futures missions satellitaires. De plus, la résolution spatiale de CYGNSS, qui est d'environ 25*25 km, pourrait être affinée. Il est suffisant pour certaines évaluations hydrologiques lors d'événements extrêmes à grande échelle (Huang, Bárdossy et Zhang 2019). Cependant, il est préférable d'avoir une résolution spatiale plus fine. Le débit simulé s'améliore à mesure que la résolution spatiale augmente (Etchevers et al. 2001). En général, les précipitations sont un phénomène local et peuvent se produire dans de petites zones à écailles. Par exemple, si nous voulons enquêter sur une inondation dans un village ou un petit sous-bassin versant, il est exigé d'avoir la résolution la plus élevée pour exécuter un modèle hydrologique ou pour calculer les pertes possibles dans ces zones.