The new satellite altimetry mission SWOT for lake level monitoring: a preliminary analysis of the potential and challenges from observations on Italian and Swiss lakes

The present thesis is developed in the context of water resource monitoring, a key target of the United Nations' 2030 Agenda for Sustainable Development. The study aims to assess the potential and challenges of the SWOT (Surface Water and Ocean Topography) satellite mission, developed in the frame of a collaboration between NASA and Centre National D’Etudes Spatiales (CNES), with contributions from the Canadian Space Agency (CSA) and United Kingdom Space Agency (UKSA). One of the goals of the SWOT mission is to monitor the inland surface water reservoir levels; in this work the case studies of four lakes located in Italy and Switzerland (Lake Bodensee, Garda, Léman and Maggiore) are addressed, being this choice driven by the availability of independent hydrometric data for these lakes. The analysis involves a comparison between satellite altimetry data and in situ measurements from hydrometric stations, considered as reference values. Particular attention was given to the methodologies applied to analyse both the hydrometric and satellite data. For the hydrometric data, the analysis has been devoted to assessing the correlation structure and the noise level of the time series through the application of spline interpolation, while for the SWOT satellite data, the automated acquisition process and subsequent processing were adapted to handle the presence of outliers, in terms of suitable detection and filtering. Lake Maggiore was excluded from the final comparison, due to significant fluctuations in the hydrometric time series that prevented a straight-forward application of the spline interpolation. The time series extracted from SWOT data and used for the final comparison includes 70 observations for Lake Bodensee, 46 for Lake Garda, 111 for Lake Léman. The comparison revealed SWOT’s ability to detect altimetric variations in water levels with an average precision of about 5.8 centimeters, although a residual bias of about 42.5 centimeters compared to hydrometric data was observed, the origin of which has not yet been fully identified. One of the causes of this error may be due to differences in the height reference frames adopted by SWOT and by the hydrometric stations used. Further investigations will be required to address these discrepancies in future applications. The correlation between satellite and hydrometric data reached an average of 92%. Overall, the SWOT mission shows great potential in acquiring significant inland water level observations, which can be of high importance in environmental and logistic contexts where in situ measurements are not feasible, thus providing a valuable alternative for inland water reservoir levels and, more widely, water resource monitoring.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto del monitoraggio delle risorse idriche, un obiettivo chiave dell'Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Sostenibile. Lo studio si propone di analizzare le potenzialità e le criticità della missione satellitare SWOT (Surface Water and Ocean Topography) sviluppata nell'ambito di una collaborazione tra la NASA e il Centre National d’Études Spatiales (CNES), con contributi dall'Agenzia Spaziale Canadese (CSA) e dall'Agenzia Spaziale del Regno Unito (UKSA). Uno degli obiettivi della missione SWOT è monitorare i livelli corpi idrici interni; in questo lavoro si considerano i casi di studio di quattro laghi situati in Italia e Svizzera (Lago di Bodensee, Garda, Léman e Maggiore), scelta motivata dalla disponibilità di dati idrometrici indipendenti per questi laghi. L'analisi prevede un confronto tra i dati altimetrici satellitari e le misure in situ raccolte presso stazioni idrometriche, considerate come valori di riferimento. Particolare attenzione è stata dedicata alle metodologie applicate per l’analisi sia dei dati idrometrici che di quelli satellitari. Per i dati idrometrici, l'analisi si è concentrata sulla valutazione della struttura di correlazione e del livello del rumore delle serie temporali tramite l'applicazione di un'interpolazione spline, mentre per i dati SWOT, il processo di acquisizione automatizzata e la successiva elaborazione sono stati adattati per gestire la presenza di outliers attraverso adeguate tecniche di rilevamento e filtraggio. Il Lago Maggiore è stato escluso dal confronto finale, a causa di brusche variazioni presenti nella serie temporale dei dati idrometrici che hanno impedito un'applicazione diretta dell'interpolazione spline. La serie temporale estratta dai dati SWOT e utilizzata nel confronto finale comprende 70 osservazioni per il Lago Bodensee, 46 per Garda, 111 per Léman. Il confronto ha evidenziato la capacità della missione SWOT di rilevare variazioni altimetriche del livello idrico con una precisione media di circa 5.8 centimetri. Tuttavia, è stato osservato un bias residuo di circa 42.5 centimetri rispetto ai dati idrometrici, la cui origine non è stata ancora pienamente identificata. Una delle cause di questo errore potrebbe essere dovuta alle differenze nei sistemi di riferimento altimetrici adottati da SWOT e dalle stazioni idrometriche utilizzate. Saranno necessarie ulteriori indagini per affrontare queste discrepanze nelle applicazioni future. Il coefficiente di correlazione tra i dati satellitari e quelli idrometrici ha raggiunto un valore medio del 92%. Complessivamente, la missione SWOT dimostra un grande potenziale nell'acquisizione di osservazioni significative sui livelli delle acque interne, che può essere di elevata importanza in contesti ambientali e logistici dove le misurazioni in situ non sono praticabili, offrendo una preziosa alternativa per il monitoraggio dei livelli dei corpi idrici interni e, in senso più ampio, delle risorse idriche.