Soutenance mémoire
Méthodes de mesures de la salinité de surface
Mesures in situ
Aujourd’hui la plupart des mesures in situ de la salinité repose sur la mesure de la conductivité de l’eau de mer. De nouvelles méthodes basées sur la diffraction de l’eau existent [Malardé et al., 2009] mais ne sont pas largement utilisées. Je m’intéresserai dans cette section uniquement à la salinité de surface acquise entre 0 m et 10 m de profondeur. [Henocq, 2009] présente une étude détaillée des différentes mesures in situ de la salinité de surface ainsi que de la stratification verticale de la salinité dans les 10 premiers mètres. Ces mesures peuvent se scinder en plusieurs catégories que je regroupe en fonction de l’échantillonnage spatio-temporel.
CTD, XCTD et prélèvement fournissent des données ponctuelles de salinités et de températures à différentes profondeurs. CTD (Conductivity, Temperature, Depth), les sondes jetables XCTD (eXpendable CTD) fournissent des profils en fonction de la profondeur. Ces instruments sont utilisés par des navires océanographiques (CTD, XCTD et prélèvement) ou par des navires d’opportunités (XCTD, prélèvement).
Gliders et Wave-Gliders fournissent des données le long d’une trajectoire prédéfinie. Les gliders oscillent entre la surface et une certaine profondeur à l’aide d’une vessie gonflable. Les wave-gliders restent en surface et tirent leur énergie de celle des vagues. Ce sont des instruments autonomes qui sont déployés pour des périodes allant jusqu’à plusieurs mois. À chaque remonté en surface la trajectoire du glider peut être reprogrammée.
Bouées, profileurs dérivants et éléphants de mer fournissent des données selon leur dérive/trajectoire pour des périodes allant du mois à plus d’une année. Les bouées sont conçues pour mesurer une salinité à une profondeur donnée (environ 50 cm pour les Pacificgyre et Meteocean, 28 cm, 17 cm et 4 cm pour respectivement les Surfact, Surplas et Surpact [Reverdin et al., 2010, Reverdin et al., 2013b]). Les profileurs (réseau ARGO [Riser et al., 2008]) échantillonnent la surface tous les 10 jours et lors de leurs remontés arrêtent de pomper l’eau dans la cellule de conductivité vers 5 m. Récemment des profileurs ARGO-STS (Surface Temperature Salinity) permettant d’échantillonner les premiers cm de la surface océanique ont été développés (31 déploiements au printemps 2012, [Riser, workshop Aquarius 2012]). Les éléphants de mer fournissent des données essentiellement sur les zones de prédations (front, plateau antarctique, . . . ).
TSG fournissent des données le long des trajectoires des navires océanographiques ou marchands. Les TSG (ThermoSalinoGraph) mesurent la salinité d’une eau pompée généralement entre 3 m et 5 m. Les TSG placés sur les navires marchands permettent d’acquérir des données régulières sur de longues périodes (annuelles) le long de traversées régulières.
Mouillages et bouées fixes fournissent des données d’un point fixe sur de longues périodes (mensuelles à multi-annuelles par exemple pour les réseaux TAO, PIRATA, RAMA) avec une haute résolution temporelle (généralement horaire).
Principe de la mesure en radiométrie
Un radiomètre est un instrument passif qui mesure le flux électromagnétique reçu par une antenne. Le flux mesuré provient, dans notre cas, du rayonnement (émission) du milieu naturel (atmosphère, surface de l’océan), du rayonnement extra-terrestre (soleil, galaxie), mais aussi de sources anthropiques que l’on appelle interférence radiofréquence (RFI — RadioFrequency Interference) ˚ . Dans cette section, je commencerai par introduire deux grandeurs courantes en radiométrie hyperfréquence, la température de brillance, notée Tb et la température d’antenne, notée TA. Ces grandeurs représentent malgré leur dénomination des “puissances”, s’expriment en Kelvin K et sont des grandeurs extensives . Je poursuivrai avec l’introduction des notions de polarisation et de paramètres de Stokes et terminerai avec une description des particularités de la bande-L.
Température de Brillance (Tb)
D’après la théorie du corps noir, un corps noir est un objet qui absorbe tout le rayonnement incident à sa surface. Ce corps émet une puissance qui dépend de sa température. La puissance reçue par unité d’angle solide et de surface d’un capteur est appelée luminance (radiance en anglais) ou brillance (B) en hyperfréquence et s’exprime en W.m−2.sr−1.
Notion de polarisation et paramètres de Stokes
La polarisation des ondes électromagnétiques est décrite par l’orientation du champ électrique à un point de l’espace sur une période d’oscillation. L’onde se propage dans la direction du vecteur de Poynting et oscille perpendiculairement à ce vecteur. Le champ électrique peut être orienté dans une seule direction de l’espace (polarisation linéaire) ou peut tourner le long de sa propagation (polarisation elliptique ou circulaire). Dans le cas de la polarisation linéaire, deux orientations orthogonales sont privilégiées, la verticale et l’horizontale . La polarisation verticale (V) est dans le plan défini par le vecteur de Poynting et la verticale locale (plan d’élévation ou plan d’incidence). La polarisation horizontale (H) est dans le plan défini par le vecteur de Poynting et l’horizontal local (plan azimutal).
Modèle direct de la Tb en bande-L
Comme présenté dans l’Équation (2.8) page 13, la température apparente arrivant à l’entrée de l’antenne correspond à la température de brillance de la surface de l’océan atténuée par la traversée de l’atmosphère plus des signaux naturels parasites. L’objectif de cette section est de présenter la modélisation de chacun des termes qui a été introduit dans cette équation tout en développant le terme T bmer en l’absence d’écume. T bmer se décompose comme la somme de la Tb émise par une mer plate T bplat plus d’un terme corrigeant l’influence de la rugosité de la surface T brug, soit :
T bmer = T bplat + T brug.
Le terme T bmer s’exprime en fonction de la SST et de l’émissivité :
T bmer = e.SST
Or l’émissivité est une grandeur complexe qui dépend des propriétés physique et chimique de l’eau (salinité et température), de la géométrie de la surface (rugosité), ainsi que d’autres paramètres comme l’angle d’incidence, la fréquence et la polarisation. Si on considère le système à l’équilibre thermodynamique (vrai à l’échelle temporelle de la mesure micro-ondes), la conservation de l’énergie permet de relier l’émissivité et la réflectivité [Peake, 1959] :
e(SSS, SST, rugosité, θ) = 1 – R(SSS, SST, rugosité, θ).
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Table des matières
1 Introduction
2 Méthodes de mesures de la SSS
2.1 Mesures in situ
2.2 Principe de la mesure en radiométrie
2.2.1 Température de Brillance (Tb)
2.2.2 Température d’Antenne (TA)
2.2.3 Notion de polarisation et paramètres de Stokes
2.2.4 Particularité de la bande-L
2.3 Modèle direct de la Tb en bande-L
2.3.1 Tb d’une mer plate
2.3.2 Tb induit par la rugosité de la surface de la mer
2.3.3 Émission et atténuation de l’atmosphère
2.3.4 Influence de la diffusion du signal céleste sur l’océan
2.3.5 TRAP (Terrestrial Radiometry Analysis Package)
2.4 Autres sources non modélisées
2.4.1 Impact et traitement des RFI
2.5 État de l’art de la mesure radiométrique en bande-L
2.6 Revue des études du liens actif/passif en microondes
2.6.1 Introduction
2.6.2 Théorie du lien actif/passif
3 Le radiomètre en bande-L CAROLS
3.1 Caractéristiques générales
3.2 Description du système
3.2.1 Antennes
3.2.2 Pertes : Antennes et Câbles
3.2.3 Calibration interne
3.2.4 Échantillonnage sous-harmonique
3.2.5 Performance de l’instrument
3.3 Traitement des données
3.3.1 Traitement des RFI et première moyenne
3.3.2 Sélection des données et moyenne finale
3.3.3 Bruit radiométrique
3.4 Modèles directs appliqués à CAROLS
3.4.1 Modèle de Tb d’une mer plate
3.4.2 Modèle de Tb induit par la rugosité
4 Le diffusiomètre en bande-C STORM
4.1 Présentation de l’instrument
4.2 Principe de la mesure
4.2.1 Coefficient de rétrodiffusion ou SERN
4.2.2 Modélisation du signal électromagnétique diffusé par la surface
4.3 Paramètres géophysiques
4.3.1 Étalonnage du diffusiomètre
4.3.2 Paramètres géophysiques après étalonnage
4.3.3 Décomposition des petites et grandes échelles
5 Les campagnes CAROLS
5.1 Campagne CAROLS 2009
5.2 Campagne CAROLS Novembre 2010
5.2.1 Description des vols
5.2.2 Description de la température et de la salinité de surface
5.2.3 Description des conditions de mer
6 Télédétection de la salinité
7 Influence de la rugosité sur la TA
7.1 Influence du vent sur la TA
7.1.1 TA,rug mesure et modèle
7.1.2 Analyse des résidus (mesures – modèles)
7.2 Influence de la mss sur la TA
7.2.1 TA,rug CAROLS vs. vitesse du vent et mss
7.2.2 Influence des moyennes et grandes échelles
7.3 Discussion
7.3.1 Sources d’incertitudes du modèle direct
7.3.2 Influence de la vitesse du vent
7.3.3 Influence de l’azimut du vent
7.3.4 Impact des différentes échelles de rugosité
8 Conclusions
