La salinité de surface de la mer à partir de l espace. Un point de vue canadien

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1 La salinité de surface de la mer à partir de l espace Un point de vue canadien

2 La salinité de surface de la mer à partir de l espace: Un point de vue canadien Un rapport préparé par B. J. Topliss 1, J.F.R. Gower 2, J.A. Helbig 3, A. W. Isenor 1, and I. Rubinstein 4 pour L Agence Spatiale Canadienne Le programme d applications terrestres et environnementales Mars Institut océanographique de Bedford, Pêches et Océans Canada 2 Institut des sciences de la mer, Pêches et Océans Canada 3 Centre des pêches de l Atlantique nord-ouest, Pêches et Océans Canada 4 Université York/CRESTech ii

3 Quatre rapports ont été exécutés sur commande en 2001 portant sur divers aspects de la télédétection de la salinité de surface de la mer à partir de l espace (Borstad et Horniak, 2001; Rubinstein 2001; Seibert, 2001; et Simms, 2001). Un contrat (MPO numéro F JAH01) a été donné à E.L. Simms et A. Simms afin de compiler ces rapports pour produire l avant-projet du rapport actuel. iii

4 Résumé Dans le cadre de son programme d applications terrestres et environnementales, l Agence Spatiale Canadienne a fourni une aide financière aux auteurs de ce rapport pour leur permettre d étudier le développement de la télédétection de la salinité de surface de la mer (SSM) à partir de l espace. Les buts généraux de ce projet sont de préciser les intérêts canadiens qui se rapportent aux diverses propositions relatives aux satellites qui mesurent la salinité, d'identifier les avantages potentiels pour le Canada, et de favoriser la participation canadienne dans tous les aspects de la surveillance de la SSM. Les objectifs particuliers visent à fournir le contexte scientifique nécessaire pour permettre aux canadiens d anticiper et donc de participer à la planification de la télédétection de la salinité et d'identifier des possibilités de collaboration et de faciliter la participation de l industrie canadienne au programme spatial canadien. Ce premier rapport vise à passer en revue les développements récents en télédétection de la salinité et de placer ces développements dans un contexte canadien. De cette manière, un certain nombre de questions sont abordées, incluant : Quelle est la signification de la télédétection de routine de la SSM dans le cadre de la gestion canadienne de la science et des ressources? Quelles questions particulières doivent être abordées vis-à-vis la télédétection de la SSM dans les eaux canadiennes, qui sont généralement froides, sont alimentées par l'écoulement d'estuaire de faible salinité et sont parfois couvertes de glace? Qu est ce que le Canada peut contribuer à la communauté scientifique dans le domaine de l océanographie physique/biologique et de télédétection? La salinité et la température de l océan ont été mesurées dès les premières campagnes océanographiques de recherche et ce sont les deux variables physiques les plus fondamentales de l océanographie qui décrivent l état de l océan. Au cours des 30 dernières années, la température de surface de la mer (TSM) a été mesurée d une manière opérationnelle à partir de l espace sans aucune capacité concomitante de mesurer la salinité de surface de la mer (SSM). Ceci est une lacune critique parce qu il n existe aucune donnée de salinité pour approximativement 40% des régions de 1 de latitude par 1 de longitude qui constituent la surface de l océan du globe. La capacité de mesurer la SSM à partir de l'espace existe maintenant. En fait, les propositions pour un satellite à micro-onde passif sont actuellement devant ESA et NOAA avec le but de surveiller la SSM et/ou sa contrepartie terrestre, l'humidité du sol (SM). Ces propositions prévoient un lancement en D un point de vue océanographique, la salinité est importante parce que : Avec la température, elle détermine la densité de l'eau et est donc intimement liée à la circulation horizontale de l'océan. Elle détermine la profondeur à laquelle l'eau, qui est refroidie en surface l hiver, peut descendre vers le fond. C'est-à-dire, c'est une composante importante de la circulation thermohaline et est donc directement liée à la dynamique du climat de la terre. iv

5 À cause de son effet sur la densité, elle contrôle partiellement la stabilité de la couche supérieure mélangée de l'océan. Ceci a des conséquences physiques et écologiques importantes. Elle est un des déterminants principaux de l'environnement où vivent les poissons et toute autre faune et flore marine. Elle module l'interaction air-mer y compris l'échange de gaz et de chaleur. Dans le cadre des applications, la salinité de surface de la mer est importante pour un grand nombre de secteurs y compris: la dynamique et la prévision du climat, la modélisation océan-atmosphère à l échelle globale, la modélisation océan-atmosphère à l échelle régionale, la gestion des pêches, et le monitorage environnemental. Des anomalies de salinité de surface à long terme et sur grande surface, ayant des effets significatifs sur la circulation océanique, le climat et la pêche, ont été observées dans l Atlantique Nord. Les observations de la "Grande Anomalie de Salinité (GAS)", qui a eu lieu entre 1965 et 1980, ont été surtout mesurées dans le cadre du programme des navires météo, qui a été abandonné depuis. Des événements semblables sont probablement non détectés aujourd hui dans l Atlantique Nord et dans d autres bassins océaniques, qui ont toujours été moins surveillés. Les missions satellitaires proposées fournissent une bonne correspondance avec les échelles d espace et de temps de la GAS. La mesure de la SSM à partir de l espace devrait fournir des avantages significatifs au Canada. D'un point de vue scientifique, elle devrait fournir des renseignements importants aux études du climat, en termes de données qui pourraient être assimilées dans des modèles numériques et aussi pour fournir des observations dans les régions où, historiquement, la couverture de données est médiocre. Des considérations similaires s'appliquent aussi à la modélisation régionale. Du même coup, les avantages s'accroîtront dans les secteurs de la gestion des pêches et du monitorage environnemental puisque les travailleurs pourront avoir accès aux données à l'année longue, ce qui n était pas possible auparavant. Ceci permettra, par exemple, d obtenir de meilleures estimations de la profondeur de la couche mélangée qui est importante dans les modèles écologiques. De même, les travailleurs pourront mieux mesurer la distribution de l'eau douce due au débit des estuaires. Les signaux de la salinité de surface de la mer dans les eaux canadiennes sont forts, spatialement en termes des gradients horizontaux et temporellement à des échelles de temps saisonnières et interannuelles. Par conséquent, le Canada devrait pouvoir exploiter de façon utile la SSM mesurée à partir de l espace. La précision des capteurs satellitaires proposés est d à peu près 0.4 unités de salinité pratique (usp) pour un pixel, observation à une seule passe et d à peu près 0.1 usp pour les résultats standardisés (200 km et 10 jours) produits en calculant la moyenne spatiale et temporelle des données. La variation de salinité d un côté à l autre des plates-formes continentales de l Atlantique et du Pacifique au Canada est d au moins 1 usp, une valeur qui est au moins deux fois plus grande que la v

6 plus grande des erreurs prévues. Dans le même ordre d idée, l'amplitude du cycle saisonnier excède 1 usp dans un grand nombre de régions. Les variations d une année à l autre sont généralement plus petites, mais excèdent souvent 0.5 usp. La télédétection de la salinité exploite la dépendance relativement faible de l'émissivité de l'eau de mer sur la salinité aux fréquences de micro-onde (bande-l). À ces fréquences, l'atmosphère est essentiellement transparente, de sorte que la contamination atmosphérique du signal est minimale. Cependant, une erreur significative peut être introduite par le rayonnement galactique reflété et la lumière du soleil aussi bien que par des changements dans l'émissivité apparente dus à la rugosité et à la mousse de la surface de mer. La température de surface de la mer doit également être connue, parce que l'émissivité dépend de la température. Il y a deux problèmes d'importance particulière au Canada associés avec la télédétection de la SSM, l eau froide et la glace. L émissivité ne varie pas avec la salinité autant en eau froide qu en eau plus chaude, ce qui réduit alors la sensibilité de la sonde. Dans le même ordre d idée, puisque la glace a une signature micro-onde qui est différente de celle de l eau de mer, les pixels qui sont partiellement couverts de glace présenteront un défi informatique. D'autre part, la communauté scientifique canadienne a une expérience considérable avec ces questions et est particulièrement bien préparée pour les aborder. vi

7 Table des matières RÉSUMÉ... IV LISTE DES FIGURES... IX LISTE DES TABLEAUX...XII 1.0 INTRODUCTION POURQUOI LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER? TÉLÉDÉTECTION DE LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER ÉMISSION MICRO-ONDE PROVENANT DE L OCÉAN RADIOMÉTRIE MICRO-ONDE PASSIVE Considérations environnementales qui ont un effet sur T B Contributions spatiales et solaires Interactions atmosphériques Effets de l état de la mer: vagues, vagues déferlantes et écume REVUE DES EXPÉRIENCES SPATIALES ET AÉROPORTÉES La télédétection de la salinité de surface de la mer au Canada Expériences spatiales Expériences aéroportées SYSTÈMES PROPOSÉS POUR MESURER LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER BANQUES DE DONNÉES DE SALINITÉ BANQUES GLOBALES DE DONNÉES Le centre national de données océanographiques des États-Unis Banque de données de profils océanographiques en ligne Banque mondiale de données océaniques 1998 Version2 (WOD98) Atlas des océans du monde 1998 (WOA98) Atlas des océans du monde 1998 (WOA98F) Atlas des océans du monde 1994 (LEVITUS94) Service des données sur le milieu marin (SDMM) BANQUES RÉGIONALES CANADIENNES DE DONNÉES Région atlantique Région pacifique LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER DANS LES EAUX CANADIENNES DISTRIBUTIONS SPATIALES DE LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER Atlantique Nord Ouest Pacifique Nord Est DISTRIBUTION TEMPORELLE DE LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER Atlantique Nord Ouest Pacifique Nord Est Stations de phare Station Papa BESOINS SCIENTIFIQUES APPLICATIONS EN COURS DE LA SALINITÉ DE SURFACE DE LA MER RESSOURCES DES PÊCHES AU CANADA Côte ouest PROPRIÉTÉS OPTIQUES DE L EAU EFFETS DE LA GLACE DE MER SUR LA TÉLÉDÉTECTION DE LA SSM vii

8 7.1 CARACTÉRISTIQUES RADIOMÉTRIQUES EN BANDE-L DE LA GLACE DE MER Saumure Glace de première année et glace pluriannuelle Bassins d eau de fonte sur la glace consolidée EFFETS DE LA GLACE SUR LE CHAMP DE VUE MOT DE LA FIN RÉFÉRENCES RÉFÉRENCES CITÉES SITES WEB D INTÉRÊT CORRESPONDANCE viii

9 Liste des figures Figure 1. Les termes ρ/ T et ρ/ S en fonction de T et S. Les lignes continues représentent les lignes de densité constante. Les lignes discontinues représentent les courbes de niveau de ρ/ T ou de ρ/ S... 4 Figure 2. Profils horizontaux de la température de surface, salinité de surface, densité de surface et des changements de densité causés par les changements en T et S entre les stations du transect Bonavista en novembre La variable σ t (ρ )/1000. La figure 1 indique que la densité est presque indépendante de la température à basse température... 4 Figure 3. Facteur de perte diélectrique de l eau de mer et de l eau pure en fonction de la fréquence, pour T=0 C et 20 C (Ulaby et al., 1986)... 7 Figure 4. Variation spectrale de la sensibilité de la salinité à T=293K ou 20 C (Ulaby et al., 1986) Figure 5. Variation entre la température de brillance et la salinité pour des températures calculées avec le modèle de Klein et Swift (1977) Figure 6. Coefficients d'atténuation des nuages aqueux en fonction de la température. (Ulaby et.al, 1986) Figure 7. Coefficients d'atténuation des nuages glacés en fonction de la température. (Ulaby et.al, 1986) Figure 8. Température de brillance en fonction de la vitesse du vent de surface, pour une salinité de surface de 36 usp et une température de surface de 5 C. X indique la polarisation HH tandis que o indique VV. Paramètres de Hollinger et Lo (1981) Figure 9. Température de brillance du niveau supérieur de l atmosphère en fonction de la salinité de surface pour une vitesse de vent de 10m/s et une température de surface de 5 C, à 1.4 GHz. X indique la polarisation HH tandis que o indique VV. Modèle Goodberlet-Swift Figure 10. Profil vertical de salinité à une station au large des îles de la Reine Charlotte le 1 juillet Figure 11. Moyenne globale annuelle de la salinité de surface (EPS), provenant de la banque de données WOA98F Figure 12. Moyenne annuelle hivernale de la salinité de surface (EPS), provenant de la banque de données WOA98F Figure 13. Moyenne annuelle de la salinité de surface (EPS) dans l océan Pacifique, provenant de la banque de données WOA98F Figure 14. Moyenne globale à long terme de la salinité de surface (usp) provenant de LEVITUS Figure 15. Moyenne globale de la salinité de surface (usp) entre janvier et mars provenant de LEVITUS Figure 16. Moyenne annuelle de la salinité de surface dans l océan Pacifique, provenant de LEVITUS Figure 17. Moyenne annuelle de la salinité de surface dans le golfe de l Alaska provenant de LEVITUS ix

10 Figure 18. Emplacements des profils de température et de salinité pour l océan à l échelle globale, acquis par SSDM en L échelle de couleur indique le nombre d observations Figure 19. La distribution et le nombre d échantillons de salinité de surface archivés dans l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest 33 Figure 20. La distribution et le nombre d échantillons recueillis en mai entre 1900 et Figure 21. Carte de la côte de la Colombie-Britannique montrant l emplacement des stations de phare Figure 22. Emplacements géographiques généraux des stations le long de la ligne P Figure 23. Cycle annuel de la salinité de surface depuis 1956 jusqu'à aujourd hui Figure 24. Moyenne de salinité sur toutes les années provenant de l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest Figure 25. Distribution horizontale de la salinité de surface au-dessus des Grands Bancs de Terre-Neuve et de la partie nord-est de la plate-forme de Terre-Neuve entre août et novembre (Figure provenant de E.B. Colbourne, Centre des pêches de l'atlantique nord-ouest, MPO) Figure 26. Distribution horizontale des anomalies de salinité de surface au-dessus des Grands Bancs de Terre-Neuve et du nord-est de la plate-forme de Terre-Neuve entre août et novembre (Figure provenant de E.B. Colbourne, Centre des pêches de l'atlantique nord-ouest, MPO) Figure 27. Le détroit de Georgie et les îles Gulf; données de salinité et de chlorophylle recueillies par un traversier le 23 mars Figure 28. Profil horizontal de salinité provenant du navire de recherche océanographique Tully, février Figure 29. Profils horizontaux de la côte nord-ouest de l île de Vancouver, en Figure 30. Stations où le cycle saisonnier de la SSM a été calculé Figure 31. Panneau supérieur: Le cycle saisonnier de la salinité de surface à la station 27. (Voir Figure 25 pour l emplacement). Les barres verticales dénotent la variabilité autour de la moyenne à long terme. Panneau inférieur: Les anomalies de salinité de surface en août à la station 27. Les anomalies sont calculées relatives à la moyenne entre 1971 et Figure 32. Salinité de surface à la station océanographique météorologique Bravo dans l'atlantique Nord Figure 33. Le trajet de la Grande anomalie de salinité (provenant de Belkin, et al., 1998) Figure 34. Détroit de Georgie, cycles annuels de la moyenne mensuelle de salinité Figure 35. Pointe Amphitrite, cycle annuel de la moyenne mensuelle de salinité Figure 36. Île Langara, cycle annuel de la moyenne mensuelle de salinité Figure 37. Pointe Amphitrite, moyenne mensuelle des anomalies de salinité de surface Figure 38. Île Langara, moyenne mensuelle des anomalies de salinité de surface Figure 39. Salinité de surface près de la station Papa entre 1956 et Figure 40. Cycle annuel de la salinité de surface à la station Papa provenant des données de la figure x

11 Figure 41. Anomalies résiduelles des données de salinité de surface à la station Papa, entre 1956 et Figure 42. Anomalies mensuelles de salinité de surface à la station Papa, entre 1980 et Figure 43. Indice d'oscillation australe entre 1979 et Figure 44. Anomalie de salinité de surface à la station Papa, où la tendance temporelle a été éliminée, tracée avec l indice d'oscillation australe Figure 45. Lien entre la concentration de matière organique dissoute (DO350) et la salinité de surface dans le bassin de Barkley, avril Figure 46. Correlation entre Gelboff (DO400) et la salinité de surface de la mer dans la rivière Atchafalaya, mars Figure 47. Cartes de la distribution de la salinité de surface de la mer estimée à partir des données de couleur de l eau SeaWiFs acquises le 24 février, Figure 48. Salinité de la saumure dans la glace de mer en fonction de la température négative. (Ulaby et al., 1986) Figure 49. Constante diélectrique de la saumure liquide en fonction de la fréquence Figure 50. Profondeur de pénétration calculée pour la glace pure et pour la glace de première année et la glace pluriannuelle. (Ulaby et al., 1986) Figure 51. Évolution de la température de brillance à partir de l eau libre jusqu'à une épaisseur de glace de 15 cm. Angle nadir=50. Juste avant la 20 ième heure, les valeurs supérieures de brillance sont atteintes lorsque la glace est optiquement épaisse, avec la bande-l la glace était alors de 4 à 5 cm d épaisseur (Grenfell et al., 1998) Figure 52. Température de brillance en bande-l en fonction de l épaisseur de glace (Ulaby et al., 1986, paramètres de glace de mer utilisés pour la simulation; modèle CRESTech de simulation de radiomètre) Figure 53. Simulation de la température de brillance en bande-l pour un océan couvert de glace, en tenant pour acquis que la fraction océanique peut avoir une salinité variable xi

12 Liste des tableaux Tableau 1. Contribution typique de la température de brillance à partir de l espace et de l atmosphère, pour les observations nadir. (Blume et al., 1978) Tableau 2. Radiomètres micro-onde aéroportés et leurs caractéristiques Tableau 3. Déploiements aéroportés qui ont utilisé des capteurs passifs en bande-l et bande-s Tableau 4. Résumé des activités et des publications liées aux missions spatiales en télédétection micro-onde passive pour mesurer la salinité de surface de la mer Tableau 5. Spécifications techniques et de performance des missions satellitaires de radiométrie passive en cours. Sources: site web HYDROS - HYDROS; AQUARIUS - Koblinsky et al. (2001); SMOS - Kerr (1998) Tableau 6. Résultats de recherche pour les profils océanographiques dans le Pacifique nord-est entre 1980 et Tableau 7. Exemple de données de la moyenne annuelle de salinité (usp) provenant de LEVITUS Tableau 8. Statistiques des données de salinité de surface de la mer Tableau 9. Statistiques de séries temporelles pour certaines stations du littoral est canadien Tableau 10. Statistiques de séries temporelles pour trois stations de phare en Colombie- Britannique et Station Papa Tableau 11. Aperçu des besoins scientifiques pour l étude des modèles de circulation de surface xii

13 1.0 Introduction La salinité et la température de l océan ont été mesurées dès les premières campagnes océanographiques de recherche du 19 ième siècle et ce sont les deux variables physiques les plus fondamentales de l océanographie qui décrivent l état de l océan. Au cours des 30 dernières années, la température de surface de la mer (TSM) a été mesurée d une manière opérationnelle à partir de l espace sans aucune capacité concomitante de mesurer la salinité de surface de la mer (SSM). Ceci est une lacune critique. En effet, la SSM (ainsi que la salinité sous-marine) n a jamais été observée pour 42% de l'océan mondial (par référence à la surface et une grille d observation de 1 de latitude par 1 de longitude) et a été observée moins de quatre fois au cours des 125 dernières années pour 88% de l océan mondial. (Levitus et al., 1998). Par contre, la possibilité de mesurer la SSM avec les radiomètres à micro-onde passif en bande-l est bien connue et a été démontrée au cours des années 70s et 80s dans des expériences aéroportées et spatiales (Skylab). En fait, les propositions pour un satellite à micro-onde passif sont devant ESA et NOAA avec le but de mesurer la SSM et/ou sa contrepartie terrestre, l'humidité du sol (SM). Ces propositions prévoient un lancement en Dans le cadre de son programme d applications terrestres et environnementales, l Agence Spatiale Canadienne a fourni une aide financière aux auteurs de ce rapport pour leur permettre d étudier le développement de la télédétection de la salinité de surface de la mer (SSM) à partir de l espace. Les buts généraux de ce projet visent à préciser les intérêts canadiens qui se rapportent aux diverses propositions relatives aux satellites qui mesurent la salinité et à identifier et à promouvoir toutes les possibilités de participation et bénéfices pour le Canada dans le contexte de la mesure de la salinité à partir de l espace. Les objectifs particuliers sont de fournir le contexte scientifique nécessaire pour permettre aux canadiens de participer à la planification des systèmes de sonde de salinité et d'identifier des possibilités de collaboration et de faciliter la participation de l industrie canadienne au programme spatial canadien. Ce premier rapport vise à passer en revue les développements récents en télédétection de la salinité et de placer ces développements dans un contexte canadien. De cette manière, un certain nombre de questions sont abordées, incluant: Quelle est l importance de la télédétection régulière de la SSM dans le cadre de la gestion canadienne de la science et des ressources? Quelles questions particulières doivent être abordées vis-à-vis la télédétection de la SSM dans les eaux canadiennes, qui sont généralement froides, sont alimentées par l'écoulement d'estuaire de faible salinité et sont parfois couvertes de glace? Qu est ce que le Canada peut contribuer à la communauté scientifique dans le domaine de l océanographie physique/biologique et de télédétection? Dans le cadre de ce document, il est utile de diviser l océan en deux zones : zone côtière et zone au large des côtes. Dans la zone atlantique canadienne, la zone côtière est définie de façon pratique comme la zone entre la côte et la pente continentale, couvrant une 1

14 distance de 100 à 400 km. Dans le Pacifique, où la plate-forme continentale est étroite, la zone côtière est définie comme étant cette région dans laquelle les effets de l écoulement des grands fleuves (par exemple le Fraser et la Colombie) sont significatifs, i.e. jusqu à environ 200 km de la côte. Presque toute la documentation existante appuyant les missions satellitaires de salinité se rapporte aux régions au large des côtes et sur les processus océanographiques en eaux profondes incluant le climat. 1.1 Pourquoi la salinité de surface de la mer? D un point de vue océanographique, la salinité est importante parce que : Avec la température, elle détermine la densité de l'eau et est donc intimement liée à la circulation horizontale de l'océan. Elle détermine la profondeur à laquelle l'eau, refroidie en surface au cours de l hiver, peut descendre vers le fond. C'est-à-dire, c'est une composante importante de la circulation thermohaline et est donc directement liée à la dynamique du climat de la terre. À cause de son effet sur la densité, elle contrôle partiellement la stabilité de la couche supérieure mélangée de l'océan. Ceci a des conséquences physiques et écologiques importantes. Elle est un des déterminants principaux de l'environnement où vivent les poissons et toute autre faune et flore marine. Elle module l'interaction air-mer y compris l'échange de gaz et de chaleur. Nous allons maintenant examiner ces points en détail. La densité de l eau de mer est un paramètre important pour au moins trois raisons. Premièrement, les variations horizontales de densité produisent des courants océaniques. Deuxièmement, la distribution verticale de la densité détermine la stabilité verticale de l océan et contrôle l effet du forçage du vent et du réchauffement et refroidissement à la surface de la mer sur les eaux sous-marines. Troisièmement, la distribution verticale de la densité détermine aussi la profondeur à laquelle la convection due au refroidissement peut se produire. La densité de l eau de mer est déterminée par la température et la salinité en fonction de l équation d état. Dans la zone tempérée au large des côtes (approximativement de 50 à l équateur), la température est de loin la plus importante variable. Cependant la salinité est significative et peut même être plus importante que la température dans les eaux côtières qui ont de forts débits d eau douce ou dans les eaux froides. Ces conditions sont typiques des eaux canadiennes et n ont pas été souvent discutées dans les documents qui appuient les missions satellitaires de la SSM. Pour mettre en évidence l effet de la salinité sur la densité, examinez la figure 1 qui montre que la densité (ρ) dépend à la fois de la température (T) et de la salinité (S) et ce en fonction de T et S. À basse température, ρ est presque indépendant de T ; par contre ρ/ S ne dépend que faiblement de la température. 2

15 La figure 2 souligne l importance de la salinité. Voici un exemple de la zone atlantique canadienne. Les 3 panneaux supérieurs montrent les profils horizontaux de la température, salinité et densité de surface [variable σ t (ρ )/1000] mesurés en novembre 2001 le long du transect Bonavista (réferez à la figure 25 pour l emplacement). Le panneau d en bas montre le changement de densité entre les stations dû aux changements respectifs de température et de salinité. Il est évident que la salinité joue un rôle important dans la détermination du gradient horizontal de densité et donc dans le forçage de la circulation horizontale au-dessus la plate-forme. Par l entremise de son effet sur la densité, la salinité de surface détermine aussi indirectement la profondeur de convection pénétrante en hautes latitudes. En automne et en hiver, quand les eaux de surface se refroidissent jusqu au point d être quasi-gelées, la salinité contrôle la densité finale et détermine donc la profondeur à laquelle elle s enfoncera. À ce titre, la SSM joue un rôle indispensable dans la formation des masses d eau intermédiaires et profondes de l océan qui alimentent la bande transporteuse thermohaline; la SSM est alors directement liée au cycle climatique. Dans l'atlantique Nord sub-polaire, les variations interannuelles de la SSM modulent la circulation thermohaline, et les intrusions d eau de faible salinité peuvent empêcher la formation de l'eau profonde (voir la discussion de la grande anomalie de salinité dans la section 4.2.1). Du même coup, la salinité est un des déterminants principaux de l écosystème où vivent les poissons et autres espèces marines, et elle est identifiée comme facteur significatif dans la gestion des pêches et la prévision des stocks. Également, les variations annuelles et interannuelles de salinité de la mer représentent des variables importantes dans les modèles de prévision de la productivité de l océan, particulièrement car elles affectent la profondeur et la stabilité de la couche mélangée de surface. Le cycle annuel de la productivité primaire dans la plupart des eaux canadiennes est directement lié à l apport de nutriments de l eau plus profonde vers la couche mélangée généralement pauvre en nutriments. Si la salinité est relativement faible, la couche mélangée sera plus stable, et l apport de nutriments peut être partiellement bloqué, ce qui peut réduire la productivité ou retarder le début de l efflorescence du phytoplancton au printemps et en automne. Finalement, la salinité joue un rôle potentiellement important en terme de l'échange des gaz à l interface air-mer. Dans l'océan tropical, la forte précipitation peut créer des bassins d eau relativement douce qui augmentent localement la stabilité de la couche supérieure et causent des taux de transfert de gaz significativement réduits à travers la pycnocline (i.e. la base de la couche mélangée). De même, les modèles atmosphériques de circulation utilisés actuellement dans les études climatiques à l échelle globale et régionale ignorent l'influence de la salinité sur la pression de vapeur de saturation de l'eau de mer. Cependant, le SSM peut avoir une influence mesurable sur le gradient d'humidité de surface spécifique, affectant alors les taux d'évaporation calculés. 3

16 Figure 1. Les termes ρ/ T et ρ/ S en fonction de T et S. Les lignes continues représentent les lignes de densité constante.les lignes discontinues représentent les courbes de niveau de ρ/ T ou de ρ/ S. Figure 2. Profils horizontaux de la température de surface, salinité de surface, densité de surface et des changements de densité causés par les changements en T et S entre les stations du transect Bonavista en novembre La variable σ t (ρ )/1000. La figure 1 indique que la densité est presque indépendante de la température à basse température. 4

17 2.0 Télédétection de la salinité de surface de la mer Cette section présente les principes de la télédétection de la salinité de surface de la mer. En particulier, les expériences aéroportées et spatiales portant sur la récupération des données de salinité de surface de la mer sont inclues. Des renseignements actuellement disponibles au sujet de la conception et de l état des missions de salinité de surface de la mer proposées sont aussi présentés. 2.1 Émission micro-onde provenant de l océan Toute matière émet un rayonnement électromagnétique causé par le mouvement aléatoire d origine thermique des atomes. Un corps noir est un objet qui absorbe et émet parfaitement le rayonnement électromagnétique à toutes les fréquences. La loi de Planck qui définit la brillance spectrale B νbb (Wm -2 sr -1 Hz -1 ) émise par un corps noir est : B νbb =2hν 3 c -2 [1/(e hν/kt -1)] (1) où h est la constante de Planck (6.63 x J s), ν est la fréquence (Hz), k est la constante de Boltzmann (1.38 x J K -1 ), T est la température absolue (K), et c est la vitesse de la lumière (3 x 10 8 m s -1 ). La plupart du temps, la région micro-onde est définie par l intervalle entre environ 1 et 300 GHz (ce qui correspond aux longueurs d onde entre 20 et 0.1 cm). Les fréquences micro-onde de l océan sont de T > 270 K et donc hν << kt. Dans le domaine de fréquence qui nous intéresse, la loi de Planck peut être approximée par la formule de Rayleigh-Jeans (Kraus, 1966) : B νbb =2ν 2 kc -2 T (2) Cette approximation est utile parce qu elle nous permet d exprimer le signal mesuré par un radiomètre en terme de la température physique de la scène observée. Cependant, la plupart des objets naturels ne sont pas des corps noir parfaits. Le rapport entre la brillance spectrale d un objet et celle d un corps noir à la même température définit l émissivité ε de ce corps : ε = B ν / B νbb (3) L émissivité dépend des propriétés diélectriques de la surface, de la composition, de la forme de l objet et de la rugosité de la surface. Pour des "corps gris", la température de brillance T B est définie par : 5

18 B ν = ε B νbb = 2ν 2 kc -2 T B (4) Notez que T B est toujours inférieure à la température physique de l objet. La détection des variations dans les températures de brillance des corps à la même température physique nous permet de différencier entre les types de matériaux tels que l eau douce et salée ou les surfaces de terre et d océan. En considérant la température de brillance de l eau de mer, l émissivité varie avec la salinité, la température et la texture de surface (rugosité, présence d écume). Une surface lisse d océan peut être représentée par un demi-espace plat infini. D après cette approximation, l émissivité est calculée par : ε H,V = 1 R H,V (5) Ici les indices inférieurs H et V indiquent la polarisation horizontale ou verticale du rayonnement tandis que R H,V sont les coefficients de réflexion Fresnel : R H = {[cosθ i -(ε-sin 2 θ i ) 1/2 ] / [cosθ i +(ε-sin 2 θ i ) 1/2 ]} 2, et (6) R H = {[εcosθ i -(ε-sin 2 θ i ) 1/2 ] / [εcosθ i +(ε-sin 2 θ i ) 1/2 ]} 2, (7) où: ε est la constante diélectrique complexe (dans ce cas, de l eau de mer), et θ I est l angle d incidence. L équation de Debye (1929) assure la précision de ε, ε = ε +(ε s ε )/(1+iωτ)-iσ/ωε 0 = [ε +(ε s ε )/(1+ω 2 τ 2 )] i [σ/ωε 0 + (ε s ε ωτ)/(1+ω 2 τ 2 )] (8) où ω= 2πν est la fréquence en radian, ε est la constante diélectrique à fréquence infinie, ε s est la constante diélectrique statique, τ est le temps de relaxation, σ est la conductivité ionique, et ε 0 est la permitivité du vide. On peut voir que la partie imaginaire de la constante diélectrique complexe contient un terme directement proportionnel à la conductivité et par conséquent dépend fortement de la salinité. Cependant, le rapport est effectivement plus complexe parce que ε s, σ et τ sont fonction de la température et de la salinité. Pour des valeurs données de salinité et de température, l'émissivité de l'eau de mer peut être calculée en utilisant le modèle de Klein et Swift (1977). La figure 3 met en évidence que la perte diélectrique de l eau de mer et 6

19 de l eau pure sont presque identiques aux fréquences au-dessus de 5 GHz à une température de surface de 0 C, et au-dessus de 11 GHz à une température de surface de 40 C. La figure 4 montre que la température de brillance pour le rayonnement polarisé verticalement est significativement plus sensible aux variations de salinité que pour le rayonnement polarisé horizontalement. La figure 5 montre la dépendance de la température de brillance sur la salinité pour différentes températures et pour deux fréquences (bande-l à 1.43 GHz et bande-s à 2.65 GHz). La dépendance est essentiellement linéaire et est clairement beaucoup plus grande à plus basse fréquence. Partant de ces considérations, Ulaby et al. (1986) ont conclu que le rayonnement verticalement polarisé aux fréquences de moins de 5 GHz est la meilleure méthode à utiliser pour la télédétection de la salinité. Figure 3. Facteur de perte diélectrique de l eau de mer et de l eau pure en fonction de la fréquence, pour T=0 C et 20 C (Ulaby et al., 1986). Figure 4. Variation spectrale de la sensibilité à la salinité à T=293K ou 20 C (Ulaby et al., 1986). 7

20 Figure 5 : Variation entre la température de brillance et la salinité pour des températures, calculée avec le modèle de Klein et Swift (1977). 2.2 Radiométrie micro-onde passive Les radiomètres sont des instruments qui mesurent l énergie électromagnétique d origine thermique. Un radiomètre typique est composé de 3 parties : 1) un sous-système d antenne recevant la radiation, 2) un sous système électronique dont la fonction est de détecter et d amplifier le signal reçu dans la bande de fréquence spécifique, et 8

21 3) un sous-système de contrôle et de traitement de données pour enregistrer et traiter les données radiométriques. L efficacité des radiomètres micro-ondes est mesurée en fonction de leur sensibilité aux différentes longueurs d ondes, stabilité du gain, précision absolue de l étalonnage, résolution angulaire, rendement du faisceau et stabilité de la vitesse de rotation propre de l instrument. Les propriétés d un radiomètre à micro-onde passive comprennent la résolution angulaire (9) et la résolution spatiale (10). Θ r λ/l (9) r = zθ r = λz/l (10) où: Θ est la résolution angulaire, λ est la longueur d onde, L est la longueur d antenne, r est la résolution spatiale, et z est l altitude au-dessus du niveau de la mer. Un radiomètre spatial pointé vers l océan mesure un champ de rayonnement qui comprend l énergie micro-onde émise par l océan, l énergie émise par l atmosphère et l énergie réfléchie par la surface de la mer. Pour une mer calme, l équation du transfert radiatif qui décrit le champ de rayonnement peut être donnée approximativement par : T B (θ) = ε t(θ) T s + sec(θ) 0 h T A (z) α(z) t(z,h,θ) dz où + (1- ε) t(θ) sec(θ) 0 h T A (z) α(z) t(θ,0,z) dz + (1 - ε) t 2 (θ) T ext (11) θ est l angle de prise de vue dans le plan vertical; b t(a,b, θ) = exp{- sec(θ) a α(s) ds} est la transmittance atmosphérique entre la hauteur a et la hauteur b; t(θ) = t(0,h,θ) est la transmittance atmosphérique totale entre la surface de la mer et le satellite; α(z) est l atténuation atmosphérique dû à l absorption et la diffusion; (1 - ε) est la réflectance de surface de la mer; T B est la température de brillance mesurée par le radiomètre; T A (z) est la température de l atmosphère en fonction de l altitude; T s est la température de surface de la mer; et T ext est le rayonnement extérieur à partir de l espace. Les termes respectifs de (11) représentent le rayonnement émis par l océan et atténué par l absorption atmosphérique et la diffusion, le rayonnement remontant l atmosphère, le rayonnement atmosphérique reflété par la surface de la mer et le rayonnement extérieur reflété par la surface de la mer et atténué en descendant et en remontant. 9

22 La température de brillance extérieure est composée de contributions parvenant du fond cosmique isotopique, du rayonnement galactique et du soleil, T ext = T cos + T gal + T sun. (12) Afin d extraire la température de brillance de surface de la mer, et donc d estimer la salinité de surface de la mer, il est nécessaire de prendre compte des autres contributions à T B. C est une tâche complexe qui nécessite des modèles pour les diverses composantes. La validation des ces modèles de simulation est critique parce que les capteurs spatiaux fournissent des observations pour des régions et des conditions météorologiques qui ne peuvent pas être vérifiées par des prélèvements aéroportés. Les données spatiales existantes devraient être utilisées pour extraire des informations au sujet des variables telles que l intensité de la précipitation et la vitesse du vent, pour ensuite prendre en compte l effet de ces variables sur les estimations de la salinité de surface de la mer Considérations environnementales qui ont un effet sur T B Contributions spatiales et solaires Le terme de rayonnement cosmique de (12) est isotopique et est représenté par une température de brillance constante de 2.7K (tableau 1). Comme elle est constante, elle ne modifie pas la précision des mesures. Le terme de rayonnement galactique de (12) est originaire de notre galaxie et est le plus fort dans la direction de la Voie Lactée. Sa magnitude est entre 0.8 et 16 K entre le pôle galactique et le centre. Pour les estimations du bilan dans le calcul de la température de brillance, la valeur moyenne du bruit galactique est généralement fixée à 0.98 K. Les contributions du bruit galactique peut être minimisées en choisissant une orbite satellitaire appropriée ou en mesurant les contributions du bruit galactique et corrigeant ainsi les mesures du radiomètre. Le terme de lueur du soleil de (12) peut dominer le rayonnement remontant de la surface de l océan et devrait donc être évité en utilisant une orbite bien choisie (e.g. synchrone avec le soleil du matin). Cependant, quand la surface de la mer est rugueuse, la lumière du soleil est dispersée dans toutes les directions. Ceci signale la nécessité d une orbite d aube ou de crépuscule Interactions atmosphériques Le rayonnement micro-onde est atténué par l absorption et la dispersion quand il se propage dans l atmosphère et son plan de polarisation tourne durant son interaction avec l ionosphère. L absorption et la dispersion prennent place surtout dans la basse atmosphère (troposphère) et sont dues principalement à l oxygène, à la vapeur d eau et 10

23 aux gouttes d eau. La concentration en oxygène de l atmosphère est approximativement constante et le coefficient d absorption est connu, donc c est relativement facile de corriger ces effets. D autre part, la vapeur d eau est présente dans l atmosphère en quantité très variable. Heureusement, l absorption par la vapeur de l eau est négligeable aux fréquences en bande-l. Il est plus difficile de corriger les effets de la dispersion par les gouttes d eau. Les données parvenant des observations en bande-l sont limitées surtout parce que les prélèvements aéroportés sont effectués quand les conditions météorologiques sont favorables. Pour les fréquences en bande-l, la théorie de Rayleigh peut être utilisée pour calculer la dispersion due aux nuages et aux hydrométéores. La figure 6 et la figure 7 montrent les coefficients d atténuation pour plusieurs valeurs de température des nuages associées respectivement aux nuages d eau et de glace. Tableau 1. Contribution typique de la température de brillance à partir de l espace et de l atmosphère, pour les observations nadir. (Blume et al., 1978). Source des contributions à la température de T brillance 2.65GHz (K) T 1.43GHz (K) Fond cosmique, T COS Rayonnement galactique, T GAL Température atmosphérique descendante, T DN Corrections - rendement du faisceau Corrections - vitesse du vent (rugosité de la surface) Opacité atmosphérique totale Correction typique totale Soleil (pas encore determinée) - - Le plan de polarisation du signal émis d une cible dans le champ de vue d un radiomètre subira une rotation par effet Faraday avant d atteindre le radiomètre. Le degré de rotation dépend des positions de l objet émettant et du radiomètre, ainsi que de l orientation du champ magnétique de la Terre. L amplitude de la rotation est estimée à 8.7 à une fréquence de 1.4 GHz (Hollinger and Lo, 1981 ; Skou, 2001). 11

24 Figure 6. Coefficients d atténuation des nuages aqueux en fonction de la température. (Ulaby et al., 1986). Figure 7. Coefficients d atténuation des nuages glacés en fonction de la température. (Ulaby et al., 1986). 12

25 Effets de l état de la mer: Vagues, vagues déferlantes et écume L émissivité d une surface lisse d océan peut être calculée à partir de (5) (8) en utilisant des équations additionnelles pour ε s,τ, et σ. Pour une surface agitée par le vent, on doit utiliser des rapports évalués de manière empirique. De plus, l émissivité de l écume à la surface devient plus importante lorsque la vitesse du vent est plus de 7 m s -1. La figure 8 présente les résultats de la modélisation du niveau supérieur de l atmosphère pour la température de brillance en bande-l en fonction de la vitesse du vent de surface, basée sur les paramètres de Hollinger and Lo, (1981). La figure 9 présente la simulation Goodberlet-Swift de la température de brillance du niveau supérieur de l atmosphère en fonction de la salinité de surface pour une vitesse de vent de 10 m s -1 et une température de surface de 5 C, à 1.4 GHz. Des observations simultanées faites avec un capteur optique, sensible aux moutons, aux bandes et taches d écume sont nécessaires pour corriger les effets du vent. Une autre solution est d utiliser un système de radiomètre bi-fréquence qui permet d enlever les effets du vent. Les capteurs spatiaux actuels tels que SSM/I, RADARSAT et ERS-SAR peuvent aussi être utilisés pour corriger les effets du vent. Un modèle d émissivité d écume de surface de la mer a été mis en place par Stogryn et Cardone (Ulaby et al., 1986). Des observations aéroportées ont été utilisées afin de dériver des équations qui déterminent le rapport entre la fraction de la couverture d écume de surface de la mer et la vitesse du vent de surface de la mer. Cependant, ces équations n ont pas été validées. Le Centre virtuel de salinité océanique satellitaire (CVSOS ; dont les membres de l exécutif sont les auteurs de ce rapport) sont en train de développer un modèle de simulation pour la température de brillance en bande-l fondé sur les codes de calcul de transfert radiatif développés par Hollinger (1971) et modifiés par Rubenstein (1996). Les effets des conditions météorologiques telles que la rugosité de surface de la mer due au vent et à l écume, ainsi que la précipitation seront représentés par certains modules du modèle de simulation. Le modèle de simulation sera utilisé pour établir l incertitude de la salinité de surface de la mer causée par les erreurs dans les données de la température de surface de la mer. De plus, les propriétés de réflectance de surface de la mer seront utilisées pour calculer la lueur du soleil et la contribution galactique à la radiance TOA. Le modèle de simulation comprendra les quatre modules suivants : L initialisation d un scénario permet l utilisateur de choisir les conditions météorologiques et les conditions d état de surface. Les variables et leur gamme de variabilité sont spécifiées. Par exemple, l utilisateur aura le choix de sélectionner la température de l air, la température de surface, la vitesse du vent et la direction du vent. La fraction d écume sera calculée à partir des informations de vitesse de vent. Le sous-programme réflectance spéculaire calculera la constante diélectrique pour une salinité et une température donnée selon le modèle de Klein et Swift (1977). 13

26 Le module de la réflectance spéculaire calculera aussi les coefficients de réflectivité horizontaux et verticaux de Fresnel. Le module de rugosité de surface et d écume estimera les effets de la rugosité en utilisant un modèle à deux échelles, et la contribution d émission de l écume de surface de la mer. Le module TSKY prendra compte des effets atmosphériques, spatiales et solaires. Il comprend les estimations des contributions galactiques, des effets de la lueur du soleil, d atténuation atmosphérique et de la température de brillance de l atmosphère. Figure 8. Température de brillance en fonction de la vitesse du vent de surface, pour une salinité de surface de 36 usp et une température de surface de 5 C. X indique la polarisation HH tandis que o indique VV. Paramètres de Hollinger et Lo. Figure 9. Température de brillance du niveau supérieur de l atmosphère en fonction de la salinité de surface pour une vitesse de vent de 10m/s et une température de surface de 5 C, à 1.4 GHz. X indique la polarisation HH tandis que o indique VV. Modèle Goodberlet-Swift. 14

27 2.3 Revue des expériences spatiales et aéroportées La télédétection à micro-ondes a d abord été utilisée dans les années 1930 par les radioastronomes pour observer et mesurer les sources extraterrestres d énergie électromagnétique. À la fin des années 1950, des radiomètres enregistrant dans le domaine des longueurs d onde de 4.3 cm (6.98 GHz) ont été conçus pour mesurer la température solaire et l atténuation atmosphérique. Ils étaient également utilisés pour observer des cibles terrestres telles que l herbe, l asphalte, et l eau. (Straiton et al., 1958) La télédétection de la salinité de surface de la mer au Canada Au Canada, les universités, les agences gouvernementales et le secteur privé effectuent de la recherche et du développement sur la télédétection de la salinité de surface de la mer. Actuellement, trois universités canadiennes accueillent des groupes de recherche en télédétection micro-onde passive. Les propriétés de la glace de mer et de la neige sont étudiées à l Université du Manitoba et à l Université de Sherbrooke. Les applications de la mesure de l humidité du sol sont en cours de développement à l Université de Guelph et à l Université de Sherbrooke. L Université de Guelph a formé, avec le Centre de recherche et de technologie spatiale et le Département d Agriculture, un groupe de recherche pour appuyer le développement de l algorithme d humidité du sol de RADARSAT. Les données de ces projets comprenaient des mesures in situ prises sur des sites agricoles de l Ontario avec un radiomètre sur rail en bande-l et avec un système radar en bande-l et en bande-c. Un prélèvement aérien a été fait afin de tester les capacités des capteurs micro-ondes à grande échelle. Ceci comprenait le déploiement du radiomètre à fréquence discrète, SLFMR, par-dessus les champs agricoles de l Ontario et du Québec. L imageur à balayage compact aéroporté, enregistrant dans le domaine de la lumière visible et proche infrarouge, était aussi monté sur l avion. Ceci a permit au groupe de recherche de tester la synergie entre les capteurs micro-ondes et les capteurs optiques et d évaluer les effets des différents types de surfaces terrestres sur les observations micro-ondes passives. Une analyse de données a indiqué que la récupération des données d humidité du sol peut être faite en utilisant la radiométrie en bande-l. Ces résultats ont été publiés par Xu et al. (1998). De plus, des expériences "dry-down" ont été conduites à l Université de Guelph durant l été de Malheureusement, due aux limitations de financement, la recherche sur la radiométrie en bande-l à l Université de Guelph a été abandonnée. Environnement Canada possède et fait fonctionner plusieurs radiomètres à très basses et hautes fréquences qui sont utilisés pour des campagnes in situ et aéroportées. Les radiomètres aux fréquences de 1.4 GHz et de 5 GHz ont été récemment acquis et les essais d étalonnage ne sont pas encore terminés. D autres senseurs enregistrent dans le domaine de fréquence entre 18 et 90 GHz et sont utilisés pour étudier les nuages, la glace de mer et la neige. Bien que la plupart de ces capteurs aient été acquis il y a entre 6 et 10 ans, en raison des problèmes d étalonnage ou d autres problèmes techniques, peu de renseignements sur l analyse des observations ont été publiés. 15

28 Une évaluation des publications liées à l état des applications de la radiométrie pour la surveillance de la salinité de l océan indique qu il existe seulement des versions préliminaires des algorithmes d extractions. Aussi, ces versions préliminaires sont spécifiques à leurs études respectives. Une méthode consistante d obtenir des dérivations précises de la salinité de surface de l océan doit être mise au point pour tester et évaluer la capacité des capteurs en bande-l. C est un sujet de recherche d intérêt particulier pour les réseaux d université canadienne tels que le Geomatics for Informed Decisions Network (GEOIDE), ainsi que pour les centres individuels de recherche. Plusieurs groupes industriels visent le développement de capteurs et la conception d antenne hyperfréquence. Par exemple, EMS construit une antenne en bande-l à ouverture synthétique et ComDev développe des capteurs spatiaux de communication à liaison descendante et à liaison montante. En plus, plusieurs agences canadiennes gouvernementales et privées se concentrent sur la construction et la mise en œuvre de stations de réception (par exemple, MDA, CCRS), le développement de méthodes pour le traitement du signal (par exemple, MDA, AUG Signals, RSI) et la planification de remise efficace de données à l utilisateur (par exemple, CCRS, RSI, MEDS) Expériences spatiales En 1962, le Mariner 2 a transporté le premier instrument micro-onde passive de l espace. Durant cette mission, des données furent enregistrées avec un radiomètre à deux canaux aux longueurs d onde de 1.35 cm (2.22 GHz) et de 1.9 cm (1.58 GHz). En 1968 et 1970, des observations de la Terre avec micro-onde passive ont été prises par quatre radiomètres sur les satellites russes Cosmos. En 1973 et 1974, un radiomètre à 1.4 GHz a été monté sur le Skylab-4 des Etats-Unis (Lerner and Hollinger, 1977). L acquisition des données Cosmos n a duré que quelques jours et ne fut pas suffisante pour évaluer la sensibilité du radiomètre aux variations de la température et de la salinité de surface de la mer. Des mesures radiométriques à partir de Skylab ont fourni des données confirmant la dépendance théorique de la température de brillance sur la température et la salinité de la surface de mer à la fréquence de 1.4 GHz. En 1978, une équipe de scientifiques américains a préparé un rapport décrivant les applications potentielles des systèmes spatiaux à micro-onde passive. L équipe a recommandé le développement d un radiomètre imageur passif multi-fréquence sensible entre 1.4 et 185 GHz. Ce radiomètre aurait une résolution spatiale d environ 5 km, un cycle orbital complet de 6 à 12 heures et une antenne de 3 à 4 m. Actuellement, aucun des radiomètres spatiaux à micro-onde passive n'a une antenne plus grande que 2 m, limitant ainsi les applications à une résolution de 100 km (longueur d onde de 21 cm). Les capteurs fonctionnant dans la gamme de fréquence entre 19 et 150 GHz permettent la surveillance des variables océaniques et atmosphériques incluant la vitesse du vent à la surface de l océan, la température de surface de la mer, le type et la concentration de la couverture de glace, la densité de gouttes d eau et la vapeur d eau atmosphérique et des profils de la température atmosphérique. Une des applications terrestres d intérêt pour les groupes d utilisateurs est la surveillance de l accumulation et 16

29 de la diminution de neige. Les activités les plus récentes de recherche et de développement dans le domaine de l application de la radiométrie micro-onde visent la mesure des taux de précipitation, la salinité de surface de l océan et l humidité du sol Expériences aéroportées Les observations aéroportées sont la source primaire des données utilisées dans l évaluation du potentiel des radiomètres à micro-onde passive pour l estimation de la salinité de surface de la mer. Les expériences ont débuté au commencement des années (Thomann 1973, 1976 ; Armand et al., 1979). Plus récemment, des expériences aéroportées continuent à différentes installations de recherche situées à l Université de Massachusetts à Amherst, aux laboratoires GSFC et JPL de NASA, ainsi qu aux laboratoires navals de recherche (tableau 2). Présentement, il n y a que quelques capteurs aéroportés de salinité qui soient utilisés ou développés pour les mesures de salinité. La plupart des applications ont été élaborées au cours des 7 dernières années (tableau 3), commençant avec le radiomètre micro-onde à balayage à basse fréquence (SLFMR) en service dans les régions de la Baie de Chesapeake et de la Baie de Delaware. La mission de SLFMR en 1996 a fait partie de l expérience "Chesapeake Outflow Plume" sous l égide de NOAA et NRL (Goodberlet et al., 1997), et a produit la première carte de la salinité de surface de la mer (Lagerloef, 1998 ; Miller et al., 1998)..Le SLFMR a aussi survolé le Port Charleston, Caroline du Sud et la zone côtière voisine. Miller (2000) a produit une carte de salinité du port Charleston à une résolution de 2 km avec des transects de salinité pour les eaux côtières au nord et au sud de Charleston. Les données de salinité récupérées demandent à être vérifiées avec des données in situ. Tableau 2. Radiomètres micro-onde aéroportés et leurs caractéristiques. Instrument ESTAR SLFMR PALS Développeur Configuration du système GSFC-NASA radiomètre à tableau aminci à balayage électronique Univ. de Massachusetts Quadrant Engineering Balayage à barrettes - JPL-NASA Région d intérêt Courant du Golfe côtier, Courant du Golfe Divers sites Spécifications techniques d intérêt Imagerie utilisant des techniques de classe ouverture synthétique; Radiomètre 2-canaux à corrélation connecté à 2 antennes mobiles montées sur un positionneur et fonctionnant comme un interféromètre à 2 éléments 3 faisceaux polarisés V 3 faisceaux polarisés H radiomètre à fréquence discrète utilisé par NOAA et NRL (Miller et al., 1998) Passif et actif Bande-L et bande-s 17

30 Tableau 3. Déploiements aéroportés qui ont utilisé des capteurs passifs en bande-l et bande-s. Capteur Régions survolées Date ESTAR Courant du Golfe 1999 PALS 1999 Expérience des Grandes Plaines du Sud (SGP99) juillet Expériences d humidité du sol en cours SLFMR Baie de Chesapeake et Baie de Delaware avril 1994 STAR-Light Radiomètres en bande-l et bande-c Port Charleston Planifié pour l étude d hydrologie des surfaces terrestres de l Arctique. 1 novembre Océan Arctique à partir de Thulé, Groenland juillet En 1999, des données de salinité et des données simultanées in situ ont été obtenues à l aide du radiomètre aéroporté ESTAR. Howden et LeVine présentent les résultats préliminaires de ces prélèvements dans Lagerloef (2000). PALS, un capteur actif/passif aéroporté à bande-l/s a été utilisé durant des vols d essai pour mesurer la salinité de surface. Les données parvenant de PALS et les données parvenant des routes de navire ont été enregistrées le même jour (malgré qu elles ont été enregistrées à une distance de 10 km). Les résultats de cette expérience sont présentés dans Lagerloef (1998). Plusieurs publications rendant compte des expériences aéroportées pour mesurer la salinité de surface de la mer n incluent pas les algorithmes d extraction. Alors, étant donné les informations fournies, il doit être présumé qu une procédure basée sur une table de recherche ou qu un ensemble d équations de régression ont été utilisés. Les températures de surface de mer sont toujours mesurées au cours de ces prélèvements et des valeurs théoriques sont utilisées pour tenir compte des contributions atmosphériques et des effets de la vitesse du vent. Ceci veut dire que la salinité de surface de la mer peut être dérivée en fonction de la température de brillance et de la température de surface de la mer. Cependant, un radiomètre bi-fréquence (1.4 GHz et 2.65 GHz) éliminera la nécessité d avoir des données simultanées de la température de surface, parce que les équations théoriques ou empiriques peuvent être utilisées pour dériver les valeurs de la salinité de surface (Blume et al., 1978). Des expériences en pleine mer ont été limitées au courant du Golfe, où NASA a déployé l'estar et le SLFMR en Le courant du Golfe représente une région de choix pour l'essai de la télédétection de la salinité de surface de mer, ceci parce que la variation de salinité peut excéder 20 usp sur une distance d'environ 300 kilomètres, entre les baies 18

31 côtières et la mer de Sargasso. Pour l'expérience en 1999, un avion P3 de NASA a survolé les eaux de la plate-forme continentale, les eaux de la pente continentale et le courant du Golfe, mesurant la température de brillance à 1.4 GHz avec ESTAR et SLFMR. De plus, l avion C130 de NASA portait des radiomètres prototype en bande-l et en bande-s construits par JPL. Les mesures aéroportées ont été validées en utilisant des mesures in situ parvenant des navires R/V Cape Henlopen, M/V Oleander, et trois dériveurs de surface. L aéronef a aussi transporté un pyromètre pour mesurer la température de surface de la mer et un diffusiomètre pour mesurer la vitesse du vent. Les résultats de ces expériences n'ont pas encore été présentés. 2.4 Systèmes proposés pour mesurer la salinité de surface de la mer Les résultats des expériences aéroportées les plus récentes avec ESTAR et SLFMR sont encourageants en ce qui concerne le potentiel pour les mesures spatiales. En effet, les expériences aéroportées indiquent que les mesures de la SSM à partir de l'espace pourraient approcher une précision de 0.1 usp en calculant la moyenne pour un mois à une résolution de 300 km. Ce niveau de précision serait utile pour les études du climat. Les résultats aéroportés encourageants ont incité les américains et les européens à planifier des programmes afin de mesurer la salinité à partir de l espace. Actuellement, le concept spatial est favorisé par les programmes HydroSphere et Aquarius aux Etats-Unis et par la mission d'humidité du sol et de salinité de l'océan (SMOS) en Europe. SMOS est à une étape de développement plus avancée avec une mission prévue pour un lancement de satellite en L'instrumentation liée à ces programmes spatiaux est également en cours de développement. Aux Etats-Unis, deux nouveaux instruments ont reçu un financement de NASA. Le premier système, OSIRIS, a été développé par JPL. OSIRIS est un système de grande antenne à treillis métallique qui vise à atteindre la mesure la plus précise possible de la SSM. Le système fonctionne avec un module de balayage conique, utilise des radiomètres en bande-l et en bande-s et enregistre les signaux polarisés H et V. De plus, un système de radar en bande-l est conçu pour enregistrer concurremment l'énergie rétrodiffusée par la surface. Cette dernière composante est censée collectionner des données pour la correction des effets du vent et de l état de la mer. Les études de la Préphase A se poursuivent avec le programme "Instrument Incubator" de NASA Le deuxième plan de conception d'instrument (pas encore nommé) sera mis en œuvre par le GSFC. Ce plan prévoit un système d'ouverture bidimensionnel pour mesurer l humidité du sol et la salinité de surface de la mer. Une vaste quantité d'information sur les avances les plus récentes en télédétection de la salinité de surface de la mer à partir de l espace est régulièrement assemblée dans des rapports d'atelier du groupe de travail de la salinité de la glace de mer (SSIWG). Le mandat de ce groupe de recherche est d évaluer le mérite scientifique et la praticabilité technique de mesurer la salinité de surface de la mer en utilisant une plateforme de 19

32 télédétection spatiale. En 1998, le premier atelier de SSIWG a établi des directives pour le développement des avenues de recherche (Lagerloef, 1998). Le deuxième atelier de SSIWG a visé la définition des besoins scientifiques pour mesurer la salinité de surface de la mer. Également, l'atelier a décrit l'appui technique disponible pour la collection de données in situ de salinité (Lagerloef, 1999). Le troisième rapport d'atelier (Lagerloef, 2000) fournit un aperçu des diverses expériences de collecte de données in situ de salinité entreprises en 1999 et conclut avec une série de besoins scientifiques. Actuellement, les activités de recherche sont dirigées vers l amélioration de la conception d antenne et des mécanismes de balayage. Aussi, la planification des missions satellitaires continue aux centres de recherche aux États-Unis et en Europe (voir le tableau 4). Aquarius est le programme de NASA le plus récent visant la télédétection de la salinité de surface de la mer. Tableau 4. Résumé des activités et des publications liées aux missions spatiales en télédétection micro-onde passive pour mesurer la salinité de surface de la mer. Année Promoteur (s) ou Auteur Activité 2005 ESA Lancement planifié de la mission SMOS , 28 fev. projet-pilote de l ASE NASA Conférence scientifique en océanographie. 2000, déc. JPL/NASA CASA planifie d avoir un modèle démonstrateur complet de MIRAS. La mission Aquarius La salinité de surface de la mer à partir de l espace. Conférence présentée par C. Koblinsky, NASA- GSFC. Développement d une proposition présentée au programme Earth System Science Pathfinder de NASA par HydroSphere. 2000, nov. Njoku et al., 2000 Article publié : A large-antenna Microwave Radiometer- Scatterometer Concept for Ocean Salinity and Soil Moisture Sensing. 2000, mars SSIWG Rapport du 3 ième atelier de travail; Lagerloef, , juillet USDA ARS Rapport par T.J. Jackson (1999) : NASA Post-2002 Land Surface Lab. Hydrologie Hydrology Mission: Soil Moisture Research Mission (EX-4) 1999, juin SSIWG Rapport du 2 ième atelier de travail; Lagerloef, , juin ASE et CNES MIRAS-SMOS phase A étude approuvée par l ASE 1999, mai 15 ASE Rapport par NERSC : Study of Critical Requirements for Ocean Salinity Retrieval using a Low Frequency Microwave Radiometer. (ESA report 98-S30) 1998, déc. SSIWG Rapport du 1 ier atelier de travail; Lagerloef, , nov. ASE and CNES Mission spatiale SMOS proposée à l ASE 1998 U. of Michigan, NASA-GSFC, -LRC, et autres. La mission spatiale HYDROSTAR rejetée par le programme ESSP de NASA 20

33 HYDROS AQUARIUS SMOS Application Humidité du sol SSM SSM et humidité du sol Université de Agence spatiale européenne et Agence Michigan et le le Centre Goddard Space National Flight Centre d Études Spatiales Lancement prévu Durée de vie prévue 3 années 2 années 3 années Orbite Instruments Fréquence du radiomètre Polarisation du radiomètre Type d antenne Hélio-synchrone à 670 km; noeud ascendant à 0600 heure locale; intervalle de survol de 3 jours radiomètre en bande-l; radar en bande-l Hélio-synchrone, noeud ascendant à 0600 heure locale intervalle de survol de 8 jours radiomètre en bande-l; diffusiomètre en bande-l Héliosynchrone à 755 km; noeud ascendant à 0600 heure local; intervalle de survol de 3 jours Interféromètre 2D en bande-l 1.4 GHz 1.4 GHz 1.4 GHz H, V H-H et V-V À balayage conique parabolique parabolique H-H et V-V ((mode de transpolarisatio n optionnel) Réseau aminci, Synthèse en 2 dimensions Angle d incidence constant , 33.7, Largeur de fauchée (km) to 1050 Résolution spatiale (km) to 50 Erreur parvenant 1.2 en mer d une seule 0.43 à la latitude moyenne chaude observation (usp) Tableau 5. Spécifications techniques et de performance des missions satellitaires de radiométrie passive en cours. Sources : site web HYDROS - HYDROS; AQUARIUS - Koblinsky et al. (2001); SMOS - Kerr (1998). 21

34 3.0 Banques de données de salinité L importance de la salinité dans le cadre océanographique a été établie dans les sections précédentes. Cependant, les données disponibles de salinité doivent aussi être considérées pour mettre en contexte les signaux de salinité de la mer d importance au Canada. Aussi, la contribution potentielle des mesures satellitaires de salinité aux archives mondiales de données devrait être établie pour dénoter l importance de telles mesures. 3.1 Banques globales de données Des banques globales de données contenant de l information sur la salinité de surface de la mer sont mises à jour par la Commission océanographique intergouvernementale (COI). La COI, une composante de UNESCO, co-ordonne un réseau de centres de données par l intermédiaire de l échange international de données océanographiques (connu sous l acronyme anglais IODE). IODE, composé de centres nationaux de données provenant des pays membres des Nations Unis, distribue la responsabilité régionale ou la responsabilité de type de données aux centres de données nationaux participants. De plus, IODE maintient le réseau de Centres mondiaux de données, une des plus grandes archives de données océaniques globales. Le Centre national de données océanographiques des États-Unis et le Service des données sur le milieu marin (SDMM) font partie du système IODE et sont particulièrement importants pour les données de salinité. Les centres nationaux de données des pays membres rassemblent des ensembles nationaux de données océanographiques. Ces centres transfèrent alors l'ensemble de données, en vertu des accords internationaux, aux centres de données du réseau IODE selon les responsabilités nationales afin d être intégrer au système IODE Le centre national de données océanographiques des États-Unis Le centre national de données océanographiques des États-Unis (CNDO) est un de trois centres de données environnementales de NOAA. Co-situé avec le Centre de données mondiales-a, CNDO est un centre d archivage et de diffusion pour les données globales océaniques. Le laboratoire du climat océanique, une division de CNDO, est mandaté par le programme "Climate and Global Change" de NOAA de maintenir des banques de données océanographiques soumises à un contrôle de qualité. Les données incluent les mesures historiques in situ de température, salinité, oxygène, phosphate, nitrate, silicate et chlorophylle. Les données du système IODE sont accessibles au public au moyen de diverses méthodes. Sous l égide du CNDO, les données sont disponibles en ligne et sur CD à différents niveaux de traitement. En termes de données de salinité, les produits en ligne appropriés du CNDO incluent la Banque de données de profils océanographiques. Les produits CD appropriés incluent la Banque mondiale de données océaniques 1998, l'atlas 22

35 des figures des océans du monde 1998, l'atlas des océans du monde 1998 et l'atlas des océans du monde LEVITUS Banque de données de profils océanographiques en ligne La banque de données de profils océanographiques est une interface pour localiser et rechercher des données de profils océanographiques provenant du CNDO. Les demandes d information faites à cette banque de données se font en deux étapes : Rechercher et produire un inventaire des stations, et Tracer et récupérer les données de l inventaire. Le système permet à l'utilisateur de rechercher les stations océanographiques, de tracer l emplacement des stations et de tracer des graphiques 2D à partir d'un choix de 26 variables, emplacement géographique et temps. Toutes les variables peuvent être tracées en tant que profils horizontaux ou verticaux. La recherche peut également être filtrée par la méthode de prélèvement. Par exemple, le filtrage basé sur les échantillons de bouteille ou sur des profils de Conductivité-Température-Profondeur (CTP). Les ensembles de données assemblés peuvent être téléchargés en utilisant FTP. Une session standard de demande de données à la banque de données de profil océanographique consiste à : 1) accéder à la banque de données, 2) faire des listes du nombre de fichiers contenant des données de salinité, 3) tracer une carte de l emplacement de la station, et 4) produire des profils verticaux. Figure 10 illustre un schéma vertical extrait à partir de la banque globale de données de profils océanographiques en ligne du CNDO pour la région des îles de la Reine Charlotte Banque mondiale de données océaniques 1998 Version2 (WOD98) La banque mondiale de données océaniques 1998 version 2 (WOD98) est la banque de données du CNDO qui contient des données brutes. Les fichiers disponibles sont interrogés en utilisant des filtres basés sur le type de donnée, la période de temps ou l année requise Atlas des océans du monde 1998 (WOA98) L atlas des océans du monde 1998 (WOA98) est un ensemble de données qui consiste de champs analysés. Les fichiers de données qui apparient le critère de sélection sont fournis en format "gz compressed" pour en accélérer le téléchargement. Ce site compréhensif permet de sélectionner les données de salinité selon: période de temps : annuelle, saisonnière où mensuelle, 23

36 grandeur de grille : 1 ou 5 degré, et type d analyse : distribution de données, moyenne climatologique définie de façon objective, moyenne observée moins la moyenne analysée, écart-type de la moyenne observée, erreur-type de la moyenne observée, ou la moyenne observée moins la moyenne annuelle. Figure 10. Profil vertical de salinité à une station au large des îles de la Reine Charlotte le 1 juillet Figure 11. Moyenne globale annuelle de la salinité de surface (EPS), provenant de la banque de données WOA98F. 24

37 Atlas des océans du monde 1998 (WOA98F) L Atlas des figures des océans du monde 1998 (WOA98F) est une banque de données consultable qui consiste de graphiques où les demandes d information sont basées sur : période de temps : annuelle, saisonnière où mensuelle, région d intérêt : globale ou régionale (Océan Atlantique, Pacifique ou Indien), et type d analyse : distribution de données, moyenne climatologique définie de façon objective, moyenne observée moins la moyenne analysée, écart-type de la moyenne observée, erreur-type de la moyenne observée, ou la moyenne observée moins la moyenne annuelle. Les ensembles de données sont affichés en divers formats de couleur pleine ou de courbe. Les courbes ont des intervalles fixés en fonction de la pleine gamme de salinité. La banque de données WOA98F produit des images cartographiques globales avec une résolution de 0.2 usp dans une gamme de salinité comprise entre 33.0 et 37.4 usp. La figure 11 et la figure 12 présentent des exemples des images globales de cette banque de données. La figure 11 montre la moyenne climatologique définie de façon objective de la salinité de surface pour toutes les données annuelles disponibles, alors que la figure 12 montre la moyenne annuelle hivernale (entre janvier et mars) de la salinité de surface. Des images cartographiques de la salinité régionale annuelle de surface peuvent être obtenues à partir du WOA98F pour trois régions géographiques prédéfinies: les océans Indien, Pacifique et Atlantique. La figure 13 présente un exemple de la moyenne annuelle de la salinité de surface (ESP) dans l océan Pacifique. Le CNDO maintient une banque globale de données de profils océanographiques qui est interrogée par l entremise de la Station Search Form, au moyen de laquelle des limites de latitude et de longitude définies par l'utilisateur sont employées pour choisir l'étendue géographique de l'extraction et la représentation des données. Des données filtrées dans le temps sont disponibles pour des périodes mensuelles ou annuelles en format MM/DD/YYYY. Une recherche de la région entre 140 et 124 W, 55 et 46 N pour la période continue entre 01/01/1980 et 01/01/2000 a renvoyé le sommaire présenté dans le tableau 6. 25

38 Figure 12. Moyenne annuelle hivernale de la salinité de surface (EPS), provenant de la banque de données WOA98F. Figure 13. Moyenne annuelle de la salinité de surface (EPS) dans l océan Pacifique, provenant de la banque de données WOA98F. 26

39 Tableau 6. Résultats de recherche pour les profils océanographiques dans le Pacifique nord-est entre 1980 et Variable Profils TEMP (Température) SAL (Salinité) DOXY (Oxygène dissous) 1293 PHOS (Phosphate inorganique) 101 SLCA (Silicate) 95 NTRA (Nitrate) 44 CHPL (Chlorophylle) 1722 NTRI (Nitrite) 44 TPHS (Phosphore total) 2 AMON (Ammonium) 5 LGT$ (Transmissivité de la lumière) 1671 NTRZ (concentration en nitrite + nitrate) 57 BEAC () 1672 LBSC () 1780 Alias du fichier Profils Station C100 C100 (Données des stations océaniques (NANSEN)) F022 (CTP/STP, À haute résolution) L303 (CTP) Total Atlas des océans du monde 1994 (LEVITUS94) L atlas des océans du monde 1994 (LEVITUS94) est un atlas qui contient des variables océaniques importantes analysées de façon objective et est une excellente ressource qui semble fournir les données de salinité les plus détaillées. Il comporte des données d archive multi-source entre les années 1900 et Les données globales ou régionales sont présentées sous forme tabulaire ou graphique. Le tableau 7 donne un exemple de la moyenne annuelle de salinité. Les options graphiques incluent la couleur, courbe et dessins au trait. Ces formes sont utiles pour fin d'illustration, mais elles montrent les courbes à très faible résolution. Des sommaires filtrés dans le temps peuvent être obtenus en accédant le site web à partir de trois points séparés : 27

40 ANNUEL - LEVITUS94 ANNUEL MENSUEL - LEVITUS94 MENSUEL SAISONIER - LEVITUS94 SAISONNIER Trois caractéristiques uniques d affichage permettent à l utilisateur d adapter son schéma de données : fenêtres géographiques, qui peuvent être employées comme filtres permettant l utilisateur de faire un zoom sur le centre d'intérêt, gammes sélectionnables de salinité, qui permettent d afficher seulement les données parvenant de la région d'intérêt, et option de dessin de ligne, qui est unique et très utile pour l'affichage d'un profil de salinité le long des lignes générales de latitude ou de longitude. La figure 14 et la figure 15 sont des exemples de cartes annuelles et saisonnières de salinité. Les graphiques en couleur sont instructifs du fait que les régions avec une forte variabilité de salinité sont facilement mises en évidence. La résolution de la courbe de salinité dépend de la gamme de salinité sélectionnée, car les courbes sont affichées avec seulement 10 intervalles. Par exemple, si l'utilisateur choisit une gamme de salinité entre 32 et 34 usp, chaque ligne de courbe représentera un intervalle de 0.2 usp. Les rapports de cartes régionales annuelles de la SSM à partir de LEVITUS94 sont disponibles pour des régions géographiques variables, dont les étendues sont définies par des limites de latitude et de longitude choisies par l'utilisateur. Des exemples pour l'océan Pacifique et le golfe de l'alaska sont présentés dans la figure 16 et la figure 17. Tableau 7. Exemple de données de la moyenne annuelle de salinité (usp) provenant de LEVITUS94. 28

41 Salinité [u.s.p.] Figure 14. Moyenne globale à long terme de la salinité de surface (usp) provenant de LEVITUS94. < > Salinité [u.s.p.] Figure 15. Moyenne globale de la salinité de surface (usp) entre janvier et mars provenant de LEVITUS94. 29

42 Figure 16. Moyenne annuelle de la salinité de surface (usp) dans l océan Pacifique, provenant de LEVITUS94. Figure 17. Moyenne annuelle de la salinité de surface (usp) dans le golfe de l Alaska provenant de LEVITUS94. 30

43 3.1.2 Service des données sur le milieu marin (SDMM) SDMM est le Centre national canadien de données océanographiques et fait partie du Ministère des Pêches et des Océans (MPO). Son mandat est : 1) d archiver les données océaniques recueillies par le MPO ainsi que celles obtenues dans le cadre des programmes nationaux et internationaux effectués dans les zones océaniques situées à proximité du Canada, et 2) de diffuser les données et d offrir des produits et des services de données en respectant les politiques du Ministère Dans le cadre du système IODE, le SDMM fait office de centre responsable pour les données thermiques de l océan supérieur. Dans ce cadre, SDMM collectionne et exploite les données de température et de salinité de l océan supérieur à l échelle du globe dans le cadre du programme conjoint international du Projet profil de la température et de la salinité à l échelle du globe (connu sous l acronyme anglas GTSPP) (voir Le but principal de ce projet est de recueillir toutes les données pertinentes à l océan supérieur et de maintenir les banques de données nécessaires pour appuyer ce processus. Le SDMM acquiert les données par l'intermédiaire de deux flux distincts de données. Le premier, nommé le flux de données en temps réel, utilise le système global de télécommunication (GTS) pour fournir des profils réduits (ou à plus basse résolution) de données à de nombreux clients comprenant le SDMM. Le SDMM contrôle la qualité des données en temps réel et les archive dans leur cadre de gestion de bout en bout. Sur une base annuelle, le SDMM acquiert approximativement 60,000 profils océanographiques des océans du monde par l'intermédiaire du GTS. Comme contribuant au système IODE, le SDMM expédie les données acquises de profil au Centre de données mondiales-a trois fois par semaine. La banque de données en temps réel (située à contient les mesures océaniques globales de la température et de la salinité qui sont régulièrement collectionnées par des observateurs à bord des navires ou par des instruments automatisés tels que des bouées. La banque de données permet à l'opérateur de sélectionner un mois et de : 1) voir le sommaire du fichier de données, 2) voir le schéma de l emplacement (typiquement itinéraires de bateau), et 3) télécharger l'ensemble de données en format de fichier ASCII du SDMM. Les ensembles de données en temps réel provenant du GTSPP fournissent des données mensuelles de janvier 2000 jusqu au présent. Toutes les données en temps réel sont acquises par le SDMM sous forme de profils ou "messages" (par exemple points d'inflexion du profil) réduits. Le message en temps réel peut être relié seulement à un profil de température ou à un profil de température-salinité (TS). La figure 18 montre le nombre de profils de TS recueillis en temps réel par le 31

44 SDMM en 1998, au-dessus de l'océan global. Le manque général de données au-dessus de l'océan global est évident. SDMM reçoit aussi les profils de données à plein pouvoir de résolution 1 à 4 années après le flux en temps réel. Ceci constitue le flux de données en mode différé (une résolution plus haute). À la réception, SDMM contrôle la qualité de l'ensemble de données et mets à jour la banque de données de bout en bout avec l'ensemble de données le plus courant et le plus complet. Dans le cadre du système GTSPP, l'ensemble de données mis à jour devient une partie de la banque de données Best Copy. Cette banque de données est assemblée pour fournir l'ensemble de données le plus complet sans duplication (voir /gtspp-bc.html). Des profils en temps réel sont contenus dans le fichier si les profils à plus haute résolution et de mode différée n'ont pas été remplacés par les centres collaborateurs de données. Les dossiers disponibles sont arrangés en segments trimestriels. Le GTSPP a incorporé les drapeaux du centre scientifique de la World Ocean Circulation Experiment (WOCE) Upper Ocean Thermal (UOT)), et continue donc la coopération entre les programmes de science et la communauté de la gestion des données. Les données sont disponibles au téléchargement, mais le seul produit graphique disponible est celui des routes de navire. Les fichiers sont généralement fournis par les navires auxiliaires occasionnels et couvrent donc les routes principales de l'océan Pacifique, Atlantique et Indien. La banque de données "Best Copy" est complète et ne peut pas être filtrée en ligne. Donc, le client doit extraire des variables spécifiques telles que la salinité de surface. De plus, les fichiers de données sont disponibles seulement pour des périodes trimestrielles. Figure 18. Emplacements des profils de température et de salinité pour l océan à l échelle globale, acquis par SSDM en L échelle de couleur indique le nombre d observations. 32

45 3.2 Banques régionales canadiennes de données Région atlantique La banque de données climatiques à l institut océanographique de Bedford (IOB) se compose d ensembles de données historiques de bouteille et de CTP qui ont été recueillis en utilisant les procédures normales de la qualité de contrôle (Petrie et al., 1996). Les données compilées pendant l'hiver et l'été sont utilisées pour calculer les moyennes de température, de salinité et de densité. Ces données sont interpolées sur une grille afin de les fournir en format utile pour la modélisation numérique et pour les études de processus. L IOB maintient également l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest (Yashayaev 1999a et b). Cet atlas contient toutes les données disponibles de températuresalinité entre 1900 et 1997 et inclut des données de l archive du SDMM, des données russes prélevées dans le cadre du programme "SECTIONS", des données des archives de l IOB y inclus des données provenant des croisières WOCE qui n ont jamais été publiées, ainsi que des données contribuées par des collaborateurs, et provenant de WOA98F. La plupart (90%) des données utilisées dans l'atlas proviennent des prélèvements de bouteille, tandis que les données restantes ont été rassemblées ces dernières années avec l'équipement moderne tel que des sondes de CTP et des courantomètres. Les données de la version existante de l'atlas ont passé l'étape initiale de contrôle. Quelques profils incorrects et données bruitées existent, mais ceux-ci affectent seulement les statistiques dans les régions où le prélèvement est limité. Des demandes simples permettent à l utilisateur de visualiser la distribution des données, d afficher des courbes de salinité et de produire des séries temporelles pour un point ou une région. Figure 19. La distribution et le nombre d échantillons de salinité de surface archivés dans l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest. 33

46 Figure 20. La distribution et le nombre d échantillons recueillis en mai entre 1900 et L'atlas couvre l'atlantique Nord-Ouest comprenant le Golfe du Saint-Laurent, les Grands Bancs, la plate-forme Scotian, et la baie de Fundy. Les images de distribution de données ont une résolution de 0.5 x 0.5 de latitude et longitude. La figure 19 illustre la distribution spatiale et le nombre d'échantillons pour toute la période de collecte de données. La banque de données contient plus de 750,000 échantillons de bouteille et 82,000 fichiers de CTP. Les comptes de données les plus élevés sont trouvés dans la baie de Fundy avec plus de 600 observations par unité de superficie. La plate-forme Scotian a des comptes de plus de 500 par unité de superficie, alors que les Grands Bancs montrent des comptes de 300 à 400 observations par unité de superficie dans quelques endroits. La figure 20 montre la distribution de données de surface en mai et mets en évidence qu'une grande partie de la zone atlantique n est pas abondamment prélevée. En fait, un grand pourcentage de la région présentée n'a aucune observation de surface en mai pour la période entière de 97 années. 34

47 3.2.2 Région pacifique Trois banques de données maintenues par l'institut des sciences de la mer (ISM) pour la région du Pacifique sont importantes dans le cadre des études reliées à la salinité: la banque de données des stations littorales de la Colombie-Britannique, la banque de données de la ligne océanique P, et la banque de données de la station Papa. La banque de données des stations littorales de la Colombie-Britannique contient les données de la salinité de surface de la mer provenant des stations de phare de la Colombie-Britannique. Les données, un certain nombre disponible depuis les années 1910, ont une précision rapportée de 0.1 usp. La figure 21 montre l emplacement des stations de phare le long de la côte de la Colombie-Britannique. Malheureusement, la nature même de l'ensemble de données le place près de la rive et il n est pas très utile pour les études au large des côtes aux échelles comparables aux ensembles de données satellitaires proposés. La ligne P est une série de stations océanographiques exploitée par l ISM. Elle a une étendue d approximativement 1500 km à partir de l entrée du détroit de Juan de Fuca au sud de l île de Vancouver jusqu à la station océanographique Papa qui est située à 50 N 145 O dans l océan Pacifique. La figure 22 montre les 13 stations originales. En 1981 le nombre de stations a augmenté jusqu'à 26. Les emplacements et l'histoire de la ligne P sont également disponibles en ligne. L'ISM a archivé les données enregistrées à la station Papa depuis Ces données incluent des profils CTP de la colonne d'eau. La figure 23 montre le cycle annuel de la salinité de surface ; la moyenne a été calculée à partir de toutes les données recueillies depuis 1956 jusqu au présent le long de la ligne P. La variation maximale de la salinité se produit à moins de 100 kilomètres de la côte et les gradients sont plus forts pendant les mois pluvieux d'hiver. Figure 21. Carte de la côte de la Colombie-Britannique montrant l emplacement des stations de phare. 35

48 Figure 22. Emplacements géographiques généraux des stations le long de la ligne P. Figure 23. Cycle annuel de la salinité de surface depuis 1956 jusqu'à aujourd hui. 36

49 4.0 La salinité de surface de la mer dans les eaux canadiennes 4.1 Distributions spatiales de la salinité de surface de la mer Atlantique Nord Ouest La figure 24 a été produite en utilisant des données obtenues à partir de l Atlas informatisé de l'atlantique Nord-Ouest et montre la moyenne de salinité de toutes les années pour l Atlantique Nord. La moyenne de la SSM est de usp avec un écarttype de 1.78 usp. La figure 25 présente une vue plus locale et a été produite en utilisant des données fournies par le SDMM. Elle montre la distribution horizontale de la salinité de surface audessus des Grands Bancs de Terre-Neuve. Plusieurs caractéristiques sont évidentes y compris l'augmentation générale de la salinité loin de la terre vers la pleine mer. Audessus de la plate-forme continentale, la gamme de salinité s étend de 31 à 33 usp. Si la figure s étendait jusqu aux eaux plus profondes de la mer du Labrador, la salinité augmenterait d un autre 2 usp jusqu à environ 35 usp. Cependant, la figure ne s étend pas plus loin parce que les données suffisantes pour la zone au-delà de la plate-forme n'existent pas. Les données utilisées dans cette figure ont été rassemblées par le MPO pendant une série de croisières océanographiques de recherche et d évaluation annuelle des ressources halieutiques qui ont pris place durant l automne (août à novembre) et de telles croisières ne se prolongent pas au-delà de l isobathe de 2000 m. L'océanographie de cette région est dominée en très grande partie par le courant du Labrador, qui est alimenté par l'eau arctique s'écoulant de la Baie de Baffin et du détroit d Hudson ainsi que par le courant du Groenland Ouest. Le bras principal du courant du Labrador est piégé le long de la pente continentale (600 à 2000 m) ; ce qui produit une séparation entre les eaux de la plate-forme et les eaux plus chaudes et plus salines de la mer du Labrador. Un bras intérieur et plus faible du courant du Labrador est bloqué le long de la côte. Le ressaut de la salinité de surface à travers le bras extérieur d une largeur d environ 80 km est environ de 0.5 usp, semblable à celui à travers le bras intérieur d une largeur d environ 50 km. La figure 26 montre la distribution horizontale des anomalies de salinité de surface en automne Ce champ a été calculé en soustrayant la moyenne spatiale entre 1971 et 2000 du champ montré dans la figure 25. Malgré que certaines caractéristiques semblent suspectes probablement parce que les données ont été recueillies au cours d une période de quatre mois, un certain nombre de caractéristiques, cohérentes dans l espace et avec des amplitudes aussi grandes que 0.75 usp, sont apparentes.. 37

50 Figure 24. Moyenne de salinité sur toutes les années provenant de l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest. 38

51 Figure 25. Distribution horizontale de la salinité de surface au-dessus des Grands Bancs de Terre-Neuve et de la partie nord-est de la plate-forme de Terre-Neuve entre août et novembre (Figure provenant de E.B. Colbourne, Centre des pêches de l'atlantique nord-ouest, MPO). 39

52 Figure 26. Distribution horizontale des anomalies de salinité de surface au-dessus des Grands Bancs de Terre-Neuve et du nord-est de la plate-forme de Terre-Neuve entre août et novembre (Figure provenant de E.B. Colbourne, Centre des pêches de l'atlantique nord-ouest, MPO). 40

53 4.1.2 Pacifique Nord Est Le MPO utilise parfois les traversiers de la Colombie-Britannique pour recueillir des mesures de salinité et de fluorescence chlorophyllienne in vivo. La figure 27 présente des mesures de salinité (ligne épaisse, axe gauche) et de fluorescence chlorophyllienne (ligne fine, axe droit) enregistrées par le traversier Spirit of Vancouver Island, durant son voyage aller-retour entre la baie Swartz et Tsawwassen le 23 mars La distance totale du profil représente le voyage aller-retour, avec le commencement et la fin correspondant à la baie Swartz et le milieu correspondant aux environs de Tsawwassen. Les deux baisses de salinité, visible sur la figure, correspondent au passage à travers le panache saumâtre du fleuve Fraser, où des niveaux élevés de chlorophylle ont aussi été enregistrés. Une petite tache d eau haute en chlorophylle a été mesurée juste après avoir laisser la baie Swartz, mais n'a pas été apparente au voyage de retour. La figure 28 présente les valeurs de salinité enregistrées par le navire de recherche océanographique Tully en février 2001, entre Victoria et le début de la ligne P. L enregistrement commence au sud de Victoria à W, continue le long du détroit de Juan de Fuca jusqu à son entrée à W, et traverse la plate-forme continentale jusqu à l eau profonde à 126 W. La profondeur de l eau des données parvenant du Tully est d environ 3 m. L eau de surface plus douce à l entrée du détroit de Juan de Fuca montre une baisse de salinité d'environ 1 usp. L'eau douce à la limite de la plate-forme continentale cause une baisse d'environ 0.7 usp. Un autre exemple, beaucoup plus vieux, de profils horizontaux continus de la salinité de surface vient d'un navire auxiliaire occasionnel dirigé en 1979 par Seakem Oceanography (Borstad et al., 1980). La figure 29 montre les profils horizontaux de salinité, de température, de fluorescence in vivo et de zooplancton, mesurés à partir d'une prise à 1 m de profondeur. La plateforme pour la collecte de données était un remorqueur commercial voyageant entre la baie Howe, au nord de Vancouver, et la baie Nootka sur la côte nordouest de l'île de Vancouver. Les enregistrements entre la baie Howe et la pointe Est indiquent que l'eau est relativement douce, ce qui correspond au détroit de Géorgie. Entre la pointe Est au-delà de la pointe Sheringham, le navire traversait l eau froide, bien mélangée et de haute salinité du détroit de Juan de Fuca. Le long de la côte sud-ouest de l'île de Vancouver, au-delà de la pointe Carmanah, le navire a traversé une région ayant une salinité légèrement plus faible. La salinité a augmenté vers le nord en passant le cap Beale, l'île d'amphitrite et l'île de Lennard. La salinité est légèrement inférieure et constante au-delà de la pointe Estevan, jusqu'à ce qu'une diminution marquée se soit produite comme le navire est entré la baie Nootka, à la fin de l enregistrement. Les valeurs de salinité avaient une tendance à changer concurremment avec les mesures des trois autres variables biophysiques - température, fluorescence et zooplancton - quand le navire traversait les différentes masses d'eau qui avaient des caractéristiques variables. Notamment, les eaux douces dans le sud du détroit de Géorgie sont plus chaudes, ont une fluorescence planctonique plus élevée et une plus grande abondance de zooplancton, que les eaux de Juan de Fuca. 41

54 Figure 27. Le détroit de Georgie et les îles Gulf ; données de salinité et de chlorophylle recueillies par un traversier le 23 mars Figure 28. Profil horizontal de salinité provenant du navire de recherche océanographique Tully, février

55 Figure 29. Profils horizontaux de la côte nord-ouest de l île de Vancouver, en Distribution temporelle de la salinité de surface de la mer Des séries chronologiques pour le littoral est canadien ont été extraites à partir des données de l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest et sont présentées dans cette section, ainsi que des séries chronologiques pour la région du Pacifique (les stations de phare de la Colombie-Britannique et la station Papa) Atlantique Nord Ouest Seibert (2001) a calculé un certain nombre de statistiques de la SSM en utilisant des données de l Atlas informatisé de l'atlantique du Nord-Ouest. Des moyennes mensuelles basées sur tous les profils disponibles de la région géographique entre 42 et 70 N et 40 et 68 W ont été calculées. Le tableau 8 présente les moyennes mensuelles et les écartstype de la salinité de surface de la mer ainsi que le nombre de stations. Tableau 8. Statistiques des données de salinité de surface de la mer. Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juillet Août Sept Oct Nov Déc Année Moyenne(usp) Écart-type Nombre d échantillons

56 Les données ont été analysées afin d estimer le cycle saisonnier de la SSM (harmonique annuelle) à sept différents endroits du littoral est canadien (figure 30). Le tableau 9 présente les résultats de ces analyses. La phase indique le nombre de jours après le 1 janvier où la SSM atteint son minimum. La moyenne quadratique totale (RMS) indique l'écart-type de l ensemble à chaque station tandis que la moyenne quadratique résiduelle se rapporte à la variance inexpliquée par l'harmonique annuelle et inclut la variabilité à haute fréquence et la variabilité interannuelle. Le tableau indique que la variabilité interannuelle et à haute fréquence peut être entre 58 et 95% du signal total. Cependant, une recherche plus détaillée afin de séparer les masses d'eau (y compris le déplacement des tourbillons) employant l'analyse typologique (Yashayeav, 2000) indique que la variance est divisée à environ 50% entre le signal saisonnier et interannuel pour la salinité près de la surface. La figure 31 montre des informations semblables pour la station 27, qui est près de St. John s à Terre-Neuve (voir la figure 25 pour l emplacement). Cette station a été prélevée régulièrement depuis Le signal annuel moyen a une amplitude de presque 1.3 usp (panneau supérieur), bien que les variations durant une seule année puissent être beaucoup plus grandes. Les variations interannuelles sont considérablement plus petites (panneau inférieur) avec un écart-type de 0.42 usp. Tableau 9. Statistiques de séries temporelles pour certaines stations du littoral est canadien. Emplacement Plate-forme Scotian Golfe du St. Laurent ouest Grands Bancs Plateau Continental du Labrador Mer du Labrador Baie de Baffin Sud Baie de Baffin Nord Latitude ( N) Longitude ( W) Nombre d échantillons Phase (jours) Amplitude (usp) Moyenne quadratique totale (usp) Moyenne quadratique résiduelle (usp) Rapport A-à-R Variance inexpliquée par l harmonique annuelle (%)

57 Groenland M Labrador M Figure 30. Stations où le cycle saisonnier de la SSM a été calculé. 45

58 Figure 31. Panneau supérieur : Le cycle saisonnier de la salinité de surface à la station 27. (Voir figure 25 pour l emplacement). Les barres verticales dénotent la variabilité autour de la moyenne à long terme. Panneau inférieur : Les anomalies de salinité de surface en août à la station 27. Les anomalies sont calculées relatives à la moyenne entre 1971 et L'exemple le plus frappant de la variabilité interannuelle est fourni par la grande anomalie de salinité (GAS ; Dickson et al., 1988) qui fut observable dans l'atlantique Nord d environ 1969 jusqu à Il est utile de discuter la GAS du point de vue des données disponibles. Commençant en 1964, un effort international a été lancé afin de recueillir des données météorologiques améliorées à partir des stations océaniques. La station météorologique Bravo dans la mer du Labrador a été occupée entre 1964 et 1974, et la figure 32 montre la salinité de surface recueillie là entre 1964 et Entre 1964 et 1967, le cycle annuel régulier est d'environ 0.3 usp de crête à crête (l'eau plus douce en fin d'été due à la fonte de glace). Entre 1969 et 1972 une baisse significative d'environ 0.5 usp s'est produite, après quoi le cycle annuel a augmenté jusqu'à environ 0.5 usp. La baisse correspond au passage de la GAS et représente un volume d'eau de surface jusqu'à 1 usp plus douce que la normale, d environ 500 à 800 m d épaisseur, et couvrant une région d'environ 100,000 km carrés. La GSA a aussi été détectée au-dessus de la plate- 46

59 forme continentale canadienne ; son effet à la station 27 (figure 31) est évident au début des années 70. Cette anomalie a pu être tracée autour de la circulation subpolaire atlantique pendant plus de 14 années à partir de son origine au nord d Islande dans les années 60 jusqu'à son retour vers la mer du Groenland en La figure 33 montre la trajectoire de la GAS basée sur des données de Belkin et al. (1998). La grande anomalie de salinité aurait pu avoir un impact profond sur la formation d'eau profonde et donc sur la variabilité climatique, mais notre capacité à détecter de telles anomalies a diminué depuis la cession des stations météorologiques océaniques. 47

60 Figure 32. Salinité de surface à la station océanographique météorologique Bravo dans l Atlantique Nord. Figure 33. Le trajet de la Grande anomalie de salinité (provenant de Belkin, et al., 1998). 48

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