Le projet WSOA : petite révolution dans l’altimétrie

Le projet WSOA : petite révolution dans l’altimétrie

Le projet WSOA (Wide Swath Ocean Altimeter), évoqué dès 2001 (Rodriguez et Pollard, 2001), repose sur une nouvelle technologie de mesure de la hauteur de la mer par interférométrie.

Principe de la mesure 

La mesure par interférométrie repose sur l’analyse de la différence de phase entre les signaux reçus par chacune des antennes de l’instrument .

Chaque antenne envoie successivement une onde radar ver le sol, l’onde réfléchie étant reçue par les deux antennes. La géométrie de l’instrument, notamment la distance entre les deux antennes, permet de lier la différence de phase mesurée à bord à la hauteur de la mer en un point de la fauchée. Cette technique permet au satellite de mesurer le hauteur de la mer non plus seulement le long du nadir (projection au sol de la trajectoire du satellite), comme dans le cas de l’altimétrie classique, mais sur une fauchée d’environ 200 km centrée sur le nadir. Le principe de la mesure a été décrit par Fu (2003), et étudié très précisément par Vivien Enjolras au cours de sa thèse (Enjolras et al., 2006). Plusieurs configurations concernant la taille des pixels en sortie y sont décrites. Une première configuration avec des pixels de 16*14 km (16 km le long de la trace, 14 perpendiculairement) est a priori la moins fine, mais présente le moins d’erreurs de mesure, 8 cm au maximum. A l’inverse, la configuration 16*1 km a un budget d’erreur beaucoup plus élevé, jusqu’à 22 cm en bout de fauchée.

Capacité de mesure

Ce type d’instrument permet théoriquement d’élargir le spectre des phénomènes observables par l’altimétrie à la méso échelle océanique du large et de la côte (Cf. Figure B.2). En effet, dans le cas de l’altimétrie classique, la succession des points d’observation donne accès à une mesure quasi-instantanée de la hauteur de la mer uniquement le long de la trace du satellite. Un altimètre à fauchée permet de mesurer en plus la hauteur de la mer dans la direction perpendiculaire au satellite, donnant alors accès à cette valeur dans les deux directions. La connaissance des courants géostrophiques nécessitant la mesure de la pente de surface, un tel instrument améliorera sans aucun doute la mesure des courants. De plus les zones de recouvrement de la trace du satellite d’un passage à l’autre sont beaucoup plus larges. Ainsi, selon la latitude, certaines zones sont mesurées plusieurs fois au cours d’un cycle du satellite.

Limitations de la mesure et sources d’erreur

L’interféromètre utilise des ondes radar qui sont, comme les ondes radar d’un altimètre classique, perturbées par l’environnement le long du trajet de l’onde. Il s’agit essentiellement de perturbations liées à l’ionosphère et à la troposphère humide. L’ionosphère ralentit l’onde émise par l’altimètre. Ce délai est proportionnel au contenu en électrons libres de l’ionosphère, et au carré de la fréquence émise. L’utilisation de deux fréquences d’émission permet d’accéder à la correction due aux électrons seuls. Cette mesure est effectuée par l’altimètre classique situé sur le corps du satellite et effectuant des mesures au nadir. Les deux fréquences de mesure utilisées sont la bande C (13,3 GHz) et la bande Ku (5,3 GHz) (Fu, 2003). De même la présence d’eau en suspension ralentit l’onde lors du passage de la troposphère. Un radiomètre micro-ondes est spécialement dédié à la mesure de ce délai, en mesurant la température de brillance au sol, à trois fréquences différentes (Fu, 2003). Les corrections à apporter dues à l’ionosphère et à la troposphère humide sont, on l’a vu, mesurées au nadir, et non le long de toute la fauchée. Les perturbations ionosphériques sont généralement de longueur d’ondes de l’ordre de 1000 km et une correction sur toute la fauchée n’apparaît pas indispensable. Néanmoins on peut utiliser les cartes globales et quotidiennes de l’ionosphère, issues des mesures du réseau GPS, si l’on souhaite effectuer des corrections différentes de celles du nadir sur la fauchée (Enjolras, 2006). Pour le cas de la troposphère humide, il n’existe pas de telle carte de mesure globale, et seule la mesure faite au nadir est prise en compte. Il en résulte une incertitude, liée au contenu de la troposphère humide, qui va en s’accroissant en s’éloignant du nadir.

Une limitation de l’altimétrie classique tient à la présence de terre au sol. Celle-ci entache la mesure de correction troposphérique radar de l’altimètre dans un rayon d’environ 30 km autour d’un point de terre. L’interféromètre subit aussi l’effet de la terre lorsque sa fauchée intercepte celle-ci. Si la fauchée intercepte la terre perpendiculairement à celle-ci, c’est l’ensemble de la rangée de pixels constituant une fauchée qui n’est pas valide. En revanche, si l’altimètre intercepte la terre en suivant le trait de cote, seuls les pixels survolant la terre seront rejetés (Cf. Figure B.3). Enfin, l’altimètre à fauchée est un instrument beaucoup plus sensible au comportement de la plateforme qu’un altimètre classique. Premièrement, les lacets effectués par le satellite pour, par exemple, orienter ses panneaux solaires, diminue l’extension de la fauchée dans la direction transverse, alors qu’un altimètre classique ne changera pas sa trace au sol. Surtout, l’interféromètre est très sensible au roulis (Cf. Figure B.4). En effet, l’erreur de mesure due au roulis est proportionnelle à l’angle de roulis et la distance de la mesure au nadir du satellite δh=xδθ. Ainsi un angle de roulis, même très faible, induit en bout de fauchée, c’est-à-dire pour x grand, un écart sur la hauteur mesurée qui peut rapidement devenir problématique : un angle de 1 arcsec de la plateforme entraîne une erreur en hauteur de mer de 50 cm en bout de  fauchée. L’altimètre nadir classique ne subit pas ce type d’erreur. Dans le cas d’un altimètre nadir classique, le roulis peut théoriquement entraîner une déviation de la tache au sol telle que celle-ci ne contient plus le point à la verticale du satellite, correspondant à la hauteur mesurée. Ceci n’est possible que pour des angles de roulis supérieurs à ceux considérés ici. Notre étude va porter sur ces erreurs de roulis. En effet, les autres sources d’erreur (instrumentales, liées à l’atmosphère…) ont déjà été prises en compte dans les études précédentes (Mourre et al., 2004, 2006). Ces erreurs présentent un caractère aléatoire, et sont alors considérées comme indépendantes les unes des autres. En revanche, un angle de roulis affecte l’ensemble de la fauchée de façon cohérente, et l’évolution du roulis au cours du temps lie les erreurs le long de la trace. Dès lors ces erreurs ne sont plus indépendantes entre elles, et leur représentation dans le schéma d’assimilation de données ainsi que leur impact sur les performances deviennent des questions non triviales auxquelles nous allons essayer de répondre.

Futur de ce type de mission

L’instrument de démonstration WSOA était à l’origine prévu pour être installé en démonstrateur sur le satellite Jason 2 pour un lancement prévu en 2008. Les études préliminaires (Enjolras, 2006, Mourre, 2005, cette étude, et d’autres…) ont donc été effectuées pour ce type de plateforme. Au printemps 2005 il a été décidé que WSOA ne serait pas embarqué sur Jason 2 pour des questions de coût. Déception chez les océanographes qui avaient misé sur cet instrument (et stupeur pour moi, dont la thèse reposait sur cette mission) ! L’enthousiasme soulevé par ces premiers travaux a permis au projet d’un altimètre à fauchée de ne pas sombrer en même temps que la mission WSOA sur Jason 2. Un projet de mission dédiée à l’océanographie et à l’hydrologie continentale, basée sur l’utilisation, comme instrument principal, d’un interféromètre a vu le jour au lendemain de l’abandon de WSOA. Il s’agit de la mission WATER HM (Water And Terrestrial Elevation Recovery Hydrosphere Mapper), soutenue par le CNES (Cf. Figure B.5). Le satellite dédié à cette mission ne devrait pas voler avant 2013. Ainsi les études préliminaires portant sur ce type d’altimètre, en océanographie et en hydrologie, vont pouvoir continuer.

Simulation de la physique barotrope de la Mer du Nord

Afin d’étudier les performances de l’altimètre à fauchée en tenant compte des erreurs dues au roulis, nous reprenons la configuration de l’étude de Baptiste Mourre utilisant le modèle MOG2D (Modèle aux Ondes de Gravité à 2 Dimensions). Ce modèle est implémenté sur le plateau européen en décembre 1998. Nous nous penchons sur les erreurs de ce modèle dues aux incertitudes sur la bathymétrie. Ces erreurs ont été décrites précisément par Baptiste Mourre durant sa thèse. Nous reprenons dans le reste de ce chapitre certains résultats et figures tirés du travail de Baptiste (thèse et articles) pertinents pour notre étude, dans la mesure où ils permettent de comprendre les erreurs du modèle, que nous chercherons à contraindre grâce à des données simulées de l’altimètre à fauchée .

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE 1 : ETUDE DE L’APPORT D’UN ALTIMETRE A FAUCHEE POUR LA CONTRAINTE DE LA PHYSIQUE BAROTROPE EN MER DU NORD EN TENANT COMPTE DES ERREURS DE ROULIS
INTRODUCTION
CHAPITRE B : MER DU NORD : CONTEXTE DE L’ETUDE
B.1 Le projet WSOA : petite révolution dans l’altimétrie
B.1.1 Principe de la mesure
B.1.2 Capacité de mesure
B.1.3 Limitations de la mesure et sources d’erreur
B.1.4 Futur de ce type de mission
B.2 Simulation de la physique barotrope de la Mer du Nord
B.2.1 Le modèle MOG2D
B.2.1.1 Equations du modèle
B.2.1.2 Les termes de forçage
B.2.1.3 Les termes dissipatifs
B.2.1.4 Les conditions aux limites et initiales
B.2.2 La simulation de référence
B.2.2.1 Conditions atmosphériques
B.2.2.2 Réponse océanique
B.2.3 Incertitudes liées à la bathymétrie
B.2.3.1 Caractérisation des erreurs de bathymétrie
B.2.3.2 Modélisation stochastique
CHAPITRE C : MER DU NORD : RESULTATS ET ANALYSE
Abstract
C.1 Introduction
C.2 Impact assessment configuration
C.2.1 The model
C.2.2 Stochastic modelling and ensemble spread statistics
C.2.3 The assimilation system
C.2.4 The simplified measurement model
C.3 Characterization and modelling of the wide swath altimeter errors
C.3.1 Errors of the nadir altimeter
C.3.2 Errors of the interferometer
C.4 Impact of cross-track measurements
C.4.1 The study configurations
C.4.2 Spatial impact of XTS measurements
C.4.3 Temporal impact
C.4.4 Global error reduction
C.5 Conclusion
Acknowledgments
CONCLUSION
PARTIE 2 : ANALYSE DE RESEAUX D’OBSERVATION PAR LA METHODE RMS ET APPLICATION A UN MODELE 3D DU GOLFE DE GASCOGNE
INTRODUCTION
CHAPITRE D : GOLFE DE GASCOGNE : CONTEXTE DE L’ETUDE
D.1 Physique du Golfe de Gascogne
D.1.1 Bathymétrie
D.1.2 Hydrographie
D.1.3 Dynamique
D.1.3.1 Dynamique moyenne
D.1.3.2 Courant de pente
D.1.3.3 Tourbillons
D.1.3.4 Dynamique de plateau
D.1.4 Upwelling
D.1.5 Conditions de l’étude
D.2 Le modèle
D.2.1 Equations du modèle
D.2.2 Forçage sur le fond et en surface
D.2.3 Forçage aux frontières latérales ouvertes
D.2.4 Représentation des fleuves
D.2.5 Grille verticale
D.2.6 Conditions initiales
D.2.7 Sorties temporelles
D.3 Les conditions météorologiques de la simulation de référence
D.3.1 La période d’étude
D.3.1.1 Conditions atmosphériques moyennes
D.3.1.2 Variabilité temporelle
D.3.2 Les coups de vent de l’étude
D.3.2.1 Le coup de vent du 8 juillet
D.3.2.2 Le coup de vent du 12 août
D.3.2.3 Le coup de vent du 18 août
D.4 Réponse océanique
D.4.1 Etat moyen
D.4.1.1 En surface
D.4.1.2 Sur la verticale
D.4.2 Variations temporelles
D.4.2.1 En surface
D.4.2.2 Sur la verticale
D.4.3 Quelques épisodes particuliers
D.4.3.1 Episode de vent du 8 juillet
D.4.3.2 Episode de vent du 12 août
D.4.3.3 Upwelling de Galice
D.5 Validation du modèle
D.5.1 En surface
D.5.1.1 SST AVHRR
D.5.1.2 Elévation de surface Topex et Jason 1
D.5.1.3 Elévation de surface à la côte par les marégraphes
D.5.1.4 Données de couleur de l’eau
D.5.2 Sur la verticale
D.5.2.1 Relevés AXBT de la campagne Mouton 2004
D.5.2.2 Relevés de flotteurs Argo
CHAPITRE E : GOLFE DE GASCOGNE : RESULTATS ET ANALYSE
Abstract
E.1 Introduction
E.2 The RMS technique
E.2.1 Theory
E.2.2 Example
E.3 Application to a 3D coastal model of the Bay of Biscay
E.3.1 Model implementation
E.3.2 Validation
E.3.3 Ensemble strategy
E.3.4 The error subspace
E.3.5 Comparison of altimetry networks
E.3.6 In situ array design
E.4 Conclusion
Appendix
Acknowledgments
CHAPITRE F : GOLFE DE GASCOGNE : RESULTATS COMPLEMENTAIRES
F.1 Modélisation stochastique
F.1.1 Perturbation du vent de surface
F.1.2 Perturbation des conditions hydrographiques initiales
F.2 Analyse des sous espaces d’erreur
F.2.1 Evolution temporelle comparée sur la plaine abyssale et le plateau
F.2.2 Evolution à la surface
F.2.2.1 Elévation de surface
F.2.2.2 Température de surface
F.2.2.3 Salinité de surface
F.2.2.4 Courants de surface
F.2.3 Evolution sur la verticale
F.2.3.1 Température
F.2.3.2 Salinité
F.2.3.3 Courants zonaux
F.2.4 Conclusion
F.3 Analyse de réseaux d’observation
F.3.1 Réseau altimétrique
F.3.2 Impact du roulis
F.3.3 Réseau in situ sur le plateau des Landes
CHAPITRE G : GOLFE DE GASCOGNE : ETUDE DES PROCESSUS HAUTE FREQUENCE
G.1 Simulation avec sorties toutes les 2 heures
G.1.1 Description
G.1.2 Validation
G.2 Analyse du sous espace d’erreur avec sorties à 2 heures
G.3 Réseau marégraphique haute fréquence
CHAPITRE H : CONCLUSION
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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