Deriving surface water level and discharge from improved nadir- and early SWOT altimetry observations

Abstract

Reliable observations of river water levels and discharge are essential for water security, flood and drought risk management, and inland navigation. However, in-situ gauge networks are often sparse, unevenly distributed, and affected by delays in data availability. In particular, the declining number of terrestrial gauge measurements of water level and river discharge in main repositories, such as the Global Runoff data Center (GRDC) poses a major problem. At the same time, increasing hydrological variability is creating demand for observational systems that are robust and scalable across political borders and remote basins. <br/>

Satellite radar altimetry has evolved from its origins in oceanography into an important technique for monitoring inland water levels. Advances in Synthetic Aperture Radar (SAR) modes, including Delay-Doppler and Fully Focused SAR (FFSAR) processing, have significantly improved along-track resolution and measurement quality over hydrologically complex environments such as narrow and braided rivers. These techniques are now operationally implemented on missions including Sentinel-3 and Sentinel-6. Furthermore, the SWOT mission introduces wide-swath interferometric techniques, enabling two-dimensional mapping of water elevation, extent, and slope. These observations offer unprecedented potential for consistent, high-frequency monitoring of river systems from regional to global scales. <br/>

This thesis has two primary objectives. First, it focuses on the development, implementation, and assessment of SAR altimetry processing methods tailored to inland water bodies for the accurate estimation of water surface elevation and time-varying river slope. Second, it develops and evaluates a joint framework for estimating river discharge by combining multi-altimetry data from both nadir altimetry and SWOT, Sentinel-1 imagery, and supplementary information such as prior mean discharge or bathymetry. This integrated approach exploits complementary spatio-temporal sampling to advance hydrological monitoring across diverse river systems. <br/>

For the first objective, a refined frequency-domain Omega–Kappa FFSAR Level-1B processor is developed and implemented for Sentinel-3A, Sentinel-3B, and Sentinel-6A. The resulting FFSAR waveforms are then processed using the SAMOSA+ retracker, and the water level estimates are further improved by considering prior water masks and a constant slope derived from SWOT River Database (SWORD). In addition, an automated off-nadir processing method is introduced within the FFSAR radargram, enabling the retrieval of longitudinal water surface profiles and time-varying slopes in the cross-track direction beyond the limitations of nadir altimetry, thereby enabling spatiotemporal mapping of river profiles using nadir altimeters. Validation against in-situ data indicates that water levels derived from FFSAR exhibit improved accuracy compared to Hydroweb products, with off-nadir processing further reducing standard deviation of difference (STDD) to below 10 cm. Time-varying slope estimates achieve an accuracy of better than 1 cm/km. <br/>

As part of the second objective, four flow law parameter estimations (FLPEs) algorithms (Metro-Man, Momma, NeoBAM, and SIC4DVar) are evaluated under consistent preprocessing conditions to assess their performance in estimating unconstrained discharge from SWOT observations over European rivers. The biases are analyzed in relation to reach-scale depth characterization and Manning roughness parameterization. Furthermore, three complementary nadir-altimetry-based discharge estimation methods are developed to extend the temporal coverage of SWOT: (1) Manning-equation-based estimation combining FFSAR water levels with prior bathymetry; (2) rating curves calibrated using concurrent SWOT stage-discharge pairs and applied to FFSAR water levels; and (3) off-nadir discharge retrieval within the Confluence framework by integrating FFSAR river profiles and Sentinel-1-derived widths. Collectively, these approaches establish a consistent, multi-sensor discharge ensemble that advances reach-scale discharge estimation and improves applicability in sparsely gauged and ungauged basins.

Zuverlässige Beobachtungen von Flusswasserständen und Abflüssen sind entscheidend für die Wassersicherheit, das Management von Hochwasser- und Dürrerisiken sowie die Binnenschifffahrt. Allerdings sind stationäre Messnetze oft räumlich lückenhaft, ungleichmäßig verteilt und unterliegen Verzögerungen in der Datenverfügbarkeit. Insbesondere die abnehmende Anzahl terrestrischer Messungen von Wasserstand und Abfluss in zentralen Datenbanken wie dem GRDC stellt ein großes Problem dar. Gleichzeitig verschärft sich die hydrologische Variabilität, was die Nachfrage nach robusten und skalierbaren Beobachtungssystemen erhöht, die über politische Grenzen und entlegene Einzugsgebiete hinweg einsetzbar sind. <br/>

Die Satelliten-Radaraltimetrie hat sich von einem ozeanographischen Werkzeug zu einer wichtigen Technik für die Überwachung von Binnenwasserständen entwickelt. Fortschritte in SAR-Verfahren, einschließlich der Delay-Doppler- und FFSAR-Prozessierung, haben die Entlang-der-Bahn-Auflösung und Messqualität in hydrologisch komplexen Umgebungen wie schmalen und verzweigten Flüssen erheblich verbessert. Diese Techniken werden operationell auf Missionen wie Sentinel-3 und Sentinel-6 eingesetzt. Darüber hinaus führt die SWOT-Mission weitstreifige interferometrische Verfahren ein, die eine zweidimensionale Kartierung von Wasserhöhe, Überflutungsausdehnung und Gefälle ermöglichen. Diese Beobachtungen bieten ein bisher unerreichtes Potenzial für konsistente, Beobachtung mit hoher zeitlicher Auflösung von Flusssystemen auf regionaler bis globaler Skala. <br/>

Diese Arbeit verfolgt zwei Hauptziele. Erstens konzentriert sie sich auf die Entwicklung, Implementierung und Bewertung von SAR-Altimetrie-Verfahren, die für Binnengewässer angepasst sind, um die Wasseroberflächenhöhe und zeitlich variable Flussgefälle genau zu bestimmen. Zweitens implementiert und evaluiert sie einen gemeinsamen Rahmen zur Schätzung von Abfluss durch die Kombination von Altimetriedaten aus verschiedenen Missionen (sowohl von Nadir-Altimetrie als auch SWOT), Sentinel-1-Bilddaten und Zusatzinformationen wie vorherigen mittleren Abflusswerten oder Bathymetrie. Dieser integrierte Ansatz nutzt komplementäre räumlich-zeitliche Abtastung, um die hydrologische Überwachungsfähigkeit in verschiedenen Flusssystemen zu verbessern. <br/>

Für das erste Ziel wurde ein verbesserter Omega–Kappa-FFSAR-Level-1B-Prozessor im Frequenzbereich für Sentinel-3A/-3B und Sentinel-6A entwickelt und implementiert. Die resultierenden FFSAR-Wellenformen werden mit dem SAMOSA+-Retracker verarbeitet, und die Wasserstandsschätzungen werden weiter verbessert, indem vorherige Wassermasken und ein konstantes, aus SWORD abgeleitetes Gefälle berücksichtigt werden. Zusätzlich wird eine automatisierte Off-Nadir-Prozessierungsmethode innerhalb des FFSAR-Radargramms eingeführt. Diese ermöglicht die Erfassung longitudinaler Wasseroberflächenprofile sowie zeitlich variabler Gefälle in Querspurrichtung über die bisherigen Grenzen der Nadir-Altimetrie hinaus und so die räumlich-zeitliche Profilkartierung von Flüssen mit Nadir-Altimetern erlaubt. Validierungen gegen In-situ-Daten zeigen, dass aus FFSAR abgeleitete Wasserstände eine bessere Genauigkeit aufweisen, vergleichbar mit Hydroweb-Produkten, wobei die Off-Nadir-Prozessierung die STDD auf unter 10 cm reduziert. Schätzungen des zeitlich variablen Gefälles erreichen eine Genauigkeit von besser als 1 cm/km. <br/>

Im Rahmen des zweiten Ziels werden vier FLPEs-Algorithmen (MetroMan, Momma, NeoBAM und SIC4DVar) unter konsistenten Vorverarbeitungsbedingungen zunächst evaluiert, um ihre Leistung bei der Schätzung von unkalibriertem Abfluss aus SWOT-Beobachtungen in europäischen Flüssen zu bewerten; die systematischen Fehler werden durch Charakterisierung der Wassertiefe auf Abschnittsebene und Manning-Rauigkeitsparametrisierung analysiert. Des Weiteren werden drei komplementäre, auf Nadir-Altimetrie basierende methoden zur Abflussschätzung entwickelt, um die zeitliche Abdeckung von SWOT zu erweitern: (1) auf der Manning-Gleichung basierende Schätzung, die FFSAR-Wasserstände mit vorheriger Bathymetrie kombiniert; (2) Pegel-Abfluss-Beziehungen, kalibriert mit gleichzeitigen SWOT-Pegel-Abfluss-Paaren und angewendet auf FFSAR-Wasserstände; und (3) Off-Nadir-Abflussbestimmung innerhalb des Confluence-Rahmens durch Integration von FFSAR-Flussprofilen und Sentinel-1-abgeleiteten Breiten. Gemeinsam bilden diese Ansätze ein konsistentes, multisensorisches Abfluss-Ensemble, das die Abflussschätzung auf der Ebene von Flussabschnitten voranbringt und die Anwendbarkeit in spärlich beobachteten und unbeobachteten Einzugsgebieten verbessert.