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Le radar courantométrique : un moyen d’observation synoptique des courants de surface en zone côtière
La zone côtière est le siège de phénomènes physiques ayant des échelles de variabilité spatiale et temporelle qu’il est difficile de résoudre avec des moyens conventionnels d’observation. Les instruments de mesure in situ (e.g. flotteurs de surface ou ARGO, ADCP, mouillage, glider) permettent d’obtenir une fréquence temporelle d’échantillonnage élevée mais ne peuvent pas être positionnés simultanément en tous points de l’océan. Les observations réalisées par télédétection satellitales, permettent d’obtenir une mesure quasi-instantanée à haute résolution spatiale des paramètres de surface de l’océan. Cependant elles présentent une trop basse résolution temporelle pour résoudre des phénomènes de méso-échelle. De plus la résolution de la plupart des capteurs embarqués actuels ne permet pas d’obtenir des informations fiables, en particulier dans la bande côtière .
Dans ce contexte, les radars courantométriques côtiers permettent d’apporter des informations là où les autres instruments n’en ont pas la capacité. Installés sur les côtes, ils permettent notamment d’effectuer des mesures des courants de surface en continu sur une zone étendue, avec des portées pouvant dépasser 100 km. Ils fournissent des observations ayant des résolutions spatiales relativement fines (O(100m − 1km)) avec un échantillonnage temporel haute fréquence (jusqu’à une carte toutes les 20 minutes). Ces performances ont largement été exploitées afin de décrire des phénomènes allant de la subméso-échelle à l’échelle synoptique dans la zone côtière (récemment, Kaplan and Largier, 2006; Shay et al., 2007; Yoshikawa et al., 2007; Shadden et al., 2009; Parks et al., 2009; Molcard et al., 2009; Allou et al., 2010; Kim, 2010; Sentchev et al., 2011; Guihou et al., 2013).
Généralités sur les radars courantométriques
Principe de la mesure des courants par radar
La mesure du courant de surface à l’aide des radars courantométriques côtiers repose sur le principe de la diffraction de Bragg cohérente. Le principe de l’interaction entre les ondes électromagnétiques (EM) et les vagues a été montré expérimentalement par Crombie (1955) qui, le premier, a envisagé le radar HF comme un instrument de mesure du champ de vagues. L’étude des spectres Doppler, qui rendent compte du décalage fréquentiel entre les signaux émis et reçus par un HFR pendant la durée de la mesure, présentent des caractéristiques particulières (Fig.1.1). Ils consistent en deux pics d’énergie, disposés de part et d’autre de la fréquence porteuse f0 de l’onde EM émise par le HFR, entourés d’un continuum ayant une énergie beaucoup plus faible. Crombie a montré que ces pics provenaient de deux sources distinctes se déplaçant à vitesse constante.
Ainsi, tous les trains de vague présents à la surface de la mer contribuent à la diffraction de l’onde EM émise par le radar, mais les trains de vague qui diffusent le maximum d’énergie dans la direction du radar sont ceux dont la longueur d’onde mesure la moitié de celle émise par le radar et se déplaçant vers lui (fréquence Doppler positive) ou en direction opposée (fréquence Doppler négative). Cet effet est connu comme la diffraction de Bragg. Par extension, nous parlerons de raies de Bragg, pour parler des deux pics créés par les vagues de Bragg.
La théorie de ce mécanisme a été développée dans différentes études (Rice, 1951; Barrick and Peake, 1967; Barrick, 1968, 1972). Il apparaît que le spectre de puissance Doppler consiste en deux raies discrètes, qualifiées d’échos du premier ordre . Le continuum d’énergie, apparaissant sur le spectre, est associé à des phénomènes d’ordres supérieurs et sera qualifié de second ordre. Il a été prouvé expérimentalement que ces échos du second ordre sont principalement dus aux échos de mer plutôt qu’à du bruit dans le système de mesure (Barrick, 1978). Le second ordre n’est pas utilisé en courantométrie mais pourra se confondre avec les pics du premier ordre en cas de présence de houles longues ou d’états de mer importants.
L’observation de positions expérimentales des pics de Bragg montre que celles-ci sont décalées d’une fréquence ∆fB par rapport à fB (Fig.1.1). Ce décalage est dû au transport des vagues par les courants sous-jacents (Stewart and Joy, 1974). Les radars permettent ainsi de mesurer la composante du courant dans la direction radiale, définie comme la direction de propagation des vagues de Bragg. Soit er, un vecteur unitaire de cette direction radiale orienté vers le radar. Dans le cas monostatique, c’est à dire quand l’émetteur et le récepteur sont colocalisés, la direction radiale correspond également à la direction de visée du HFR qui représente les normales aux cercles dont le HFR est au centre. Dans le cas bistatique, c’est-à dire quand l’émetteur et le récepteur sont distants, ces directions radiales correspondent aux directions normales aux ellipses qui représentent les lieux tels que la distance totale parcourue par l’onde EM entre l’émetteur et le récepteur, représentant les foyers de ces ellipses, soit constante .
Les différents systèmes de radar courantométrique
Le développement des systèmes d’observation HFR n’a commencé que dans les années 1970 avec le développement aux Etats-unis par la NOAA du système CODAR (Barrick, 1977), un système compact dont le SeaSonde (Paduan and Rosenfeld, 1996) est l’aboutissement commercial. Mais ce principe a été également été repris au Royaume-Uni avec l’OSCR (Prandle and Ryder, 1985) ou en Allemagne (Gurgel et al., 1986). D’autres systèmes ont également été développés comme le COSMER (Broche et al., 1987) en France principalement utilisé en VHF, le C-CORE (Ponsford et al., 2001) au Canada, le PISCES (Shearman and Moorhead, 1988) au RoyaumeUni, le WERA (Gurgel et al., 1999a) en Allemagne, le COSRAD (Heron, 1985) en Australie, l’OSMAR (Hou et al., 1997) en Chine et d’autres systèmes ont également été développés au Japon. Récemment, Fujii et al. (2013) ont présenté une revue des différents réseaux HFR en activité en Asie et en Océanie. Notons qu’aux Etats-Unis, l’Université de Hawaï développe un système de type WERA (http://www.satlab.hawaii.edu/wiki/) principalement destiné aux pays émergents grâce à son faible coût de construction.
L’utilisation des HFR embarqués à bord des navires a également été réalisée pour la mesure des courants de surface (Gurgel and Essen, 2000). Ces systèmes se distinguent principalement par le type d’antennes de réception utilisé (quadripôle, antenne boucle ou réseau linéaire d’antennes), le type de signal émis (principalement « Continuous Wave » (CW), « Frequency Modulated Constinuous Wave » (FMCW)) et les traitements effectués sur les signaux. Ces caractéristiques permettent notamment de définir les résolutions angulaires et radiales des vitesses mesurées par les radars. Gurgel et al. (1999b) effectue une étude présentant les limitations imposées par les traitements utilisés par ces systèmes radar.
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Table des matières
Introduction
I Observation et modélisation de la circulation côtière en Mer Méditerranée Nord Occidentale
1 Le radar courantométrique : un moyen d’observation synoptique des courants de surface en zone côtière
1.1 Généralités sur les radars courantométriques
1.1.1 Principe de la mesure des courants par radar
1.1.2 Les différents systèmes de radar courantométrique
1.1.3 Liens entre le traitement des signaux mesurés par radar et la résolution des vitesses radiales
1.1.4 Principales applications des radars courantométriques
1.1.5 Répartition des radars courantométriques à travers le monde
1.1.6 Implication des radars courantométriques pour l’étude de la circulation le long des côtes françaises
1.2 Traitement et validation des courants de surface mesurés par radar HF au large des côtes varoises
1.2.1 Le système d’observation par radar HF sur les côtes varoises
1.2.2 Campagnes de mesure in situ au large des côtes varoises
1.2.3 Traitement des vitesses radiales : du contrôle qualité à la validation des vitesses vectorielles
1.3 Caractérisation des propriétés du courant de surface à partir des mesures d’une station radar unique (Marmain et al., 2011)
2 La modélisation numérique : un outil de simulation de la circulation côtière
2.1 Configurations régionales de la Mer Méditerranée Nord Occidentale
2.1.1 NEMO – GLAZUR64
2.1.2 ROMS – RGLAZUR12
2.2 Forçages
2.2.1 Forçages atmosphériques
2.2.2 Forçages océaniques
2.3 Validation des outils de simulation
2.3.1 Validation des courants de surface
2.3.2 Validation des températures de surface
2.3.3 Représentation des masses d’eau sur la verticale
2.3.4 Validation des simulations de vent sur les côtes varoises
II Caractéristiques de la circulation côtière sur les côtes varoises à partir des données de radar HF
3 Caractéristiques de la circulation côtière sur les côtes varoises à partir des données de radar HF
3.1 Phénomènes périodiques identifiés par l’analyse spectrale des données de la station radar de Peyras
3.1.1 Données
3.1.2 Correspondance des spectres de vitesses radiales et vectorielles
3.1.3 Identification de phénomènes périodiques à partir des séries longues de vitesse radiale issues du radar PEY
3.1.4 Conclusion partielle
3.2 Variabilité du Courant Nord au large des côtes varoises à partir des vitesses de surface radar HF (2010-2012)
3.2.1 Méthodologies d’identification du CN
3.2.2 Variabilité des caractéristiques de la veine de CN
3.2.3 Conclusion partielle
3.3 Analyse d’un événement de méso-échelle (Guihou et al., 2013)
III Assimilation de vitesses de surface mesurées par radar HF
4 Généralités sur l’assimilation de données
4.1 Définitions des variables et des erreurs associées
4.2 Méthodes stochastiques d’assimilation de données
4.2.1 Estimation de l’état optimal : la méthode BLUE
4.2.2 Filtres de Kalman de rang plein
4.2.3 Filtres de Kalman de rang réduit
4.3 Autres méthodes d’assimilation de données
4.3.1 Méthodes variationnelles
4.3.2 Nudging
4.4 État de l’art de l’assimilation des vitesses de surfaces issues des radars courantométriques
4.5 L’assimilation de données pour le contrôle des forçages
4.5.1 Contrôle du vent
4.5.2 Contrôle des OBC
4.6 Conclusion
5 Estimation optimale des forçages par assimilation de vitesses de surface mesurées par radar HF
5.1 Caractérisation de l’erreur du modèle avec les méthodes d’ensemble
5.1.1 Génération de l’ensemble
5.1.2 Analyse des erreurs du modèle
5.2 Assimilation de courants de surface mesurés par radar HF pour l’optimisation de forçages en Méditerranée Nord Occidentale (Marmain et al., en révision)
Conclusion
