ALTIMETRIE COTIERE. 1 Principe de l'altimétrie

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1 ALTIMETRIE COTIERE L'utilisation de l'atimétrie est devenue essentielle pour l'observation des océans. Elle permet un suivi quasi continu de l'évolution du relief de la surface océanique et fournit, à la verticale du satellite, une mesure du niveau de la mer avec une précision subdécimétrique. L'altimétrie côtière est actuellement développée au LEGOS/CTOH. Il s'agit de modifications apportées aux traitements classiques pour mieux traiter et récupérer plus de données près des côtes. Toutefois, l'analyse des résultats a permis de démontrer que ces modifications permettent également de récupérer un certain nombre de données valides éliminées abusivement au large, du fait de critères d'édition mal adaptés. Les traitements "côtiers" ont donc été appliqués à l'ensemble des données, côtières ou hauturières. 1 Principe de l'altimétrie Un radar altimètre embarqué à bord d'un satellite émet un signal à très haute fréquence (plus de 1700 impulsions par seconde) à la verticale de celui ci en direction du sol et reçoit en retour l'écho réfléchi par la surface de la mer. L'analyse de l'écho permet d'extraire une mesure très précise du temps de trajet aller retour entre le satellite et la surface de la mer, mais aussi de la hauteur des vagues et de la vitesse du vent. Ce temps est ensuite transformé en distance par simple multiplication par la vitesse de la lumière, vitesse à laquelle se propagent les ondes électromagnétiques émises. En moyennant sur une seconde les distances estimées, on obtient une mesure très précise de la distance satelliteocéan. Toutefois les ondes électromagnétiques peuvent être ralenties pendant leur traversée dans l'atmosphère, cet effet étant lié au taux d'humidité, et au taux d'ionisation. Une fois appliquées les corrections nécessaires pour prendre en compte ces phénomènes physiques, la distance finale (distance R) est estimée avec une précision instantannée de l'ordre de 5 centimètres pour des satellites comme T/P ou Jason. L'objectif final étant de mesurer le niveau de la mer par rapport à un référentiel terrestre, il est nécessaire de connaître de manière indépendante la trajectoire du satellite sur son orbite, soit sa position en latitude, longitude, et son altitude exacte

2 2 Les corrections altimétriques standards La SSH (Sea Surface Height) de l'océan est déduite de la distance satellite surface océanique qui est mesurée par l'altimétre. Cette distance est déduite du temps allerretour de l'onde radar. Toutefois, la détermination de la vitesse de propagation de l'onde est essentielle : en première approximation, il s'agit de la vitesse de la lumière, mais l'atmosphère terrestre étant un milieu d'indice de réfraction supérieur à 1, l'onde est ralentie pendant la traversée de l'atmosphère terrestre. C'est pourquoi des corrections prenant en compte les retards de propagation subits par l'onde radar sont nécessaires pour une bonne évaluation de la distance surface océanique satellite à partir du temps aller retour de propagation de l'onde. Les corrections sont de différents types : Correction des erreurs instrumentales, intrisèques au radar. Correction de biais d'état de la mer. Cette correction est ajoutée à la mesure de SSH pour prendre en compte la perturbation du signal altimétrique due au fait que les creux des vagues sont plus réfléchissants que les crêtes (biais électromagnétique). Corrections atmosphériques liées à la traversée de l'atmosphère : correction de troposphère humide : la présence d'eau dans l'atmosphère retarde la propagation de l'onde. Ce retard présente une grande variabilité spatio temporelle et correspond à une correction de SSH de 5 à 30 cm. Cette correction est calculée à partir de mesures de température de brillance faites par un radiomètre micro onde embarqué à bord du satellite. Correction de troposphère sèche : les gaz permanents de l'atmosphère (oxygène, azote), ralentissent l'onde radar, provoquant une erreur sur la mesure altimétrique de l'ordre de 2,30 m. La valeur de la correction est déterminée en fonction de la pression atmosphérique, fournie par un modèle météorologique.

3 Correction d'ionosphère : L'ionosphère est une partie peu dense de l'atmosphère située entre 70 et 2000 km d'altitude. Cette couche atmosphérique est caractérisée par la présence d' électrons libres issus de l'ionisation des molécules atmosphériques par le rayonnement solaire. Ces électrons libres ralentissent l'onde, provoquant une erreur sur la mesure altimétrique de l'ordre de 0 à 30 cm. La valeur de cette correction est déterminée par combinaison des distances altimétriques mesurées à deux fréquences différentes (en bande C et Ku pour T/P et S et Ku pour Envisat) car elle est inversement proportionnelle au carré de la fréquence. La bande Ku correspond à la bande de fréquence comprise entre 10.9 et 22 Ghz. La propagation de l'onde radar dans l'ionosphère est fortement atténuée dans cette bande. Ce n'est pas le cas de la bande C qui correspond à l'intervalle 4,2 5,75 Ghz et de la bande S correspondant à l'intervalle 1,55 4,20 Ghz. La précision de la correction bi fréquence est de l'ordre de 0,5 cm. Corrections géophysiques : ces corrections correspondent aux phénomènes océaniques non résolus par la fréquence d'échantillonage des mesures altimétriques : marée (corrigée dans notre cas par le modèle FES Finite Element Solution ) et des phénomènes baromètres inverses (phénomènes atmosphériques de haute fréquence : variations de pression et de vent corrigés dans notre cas par le modèle MOG2D Modèle d'onde de Gravité 2D ) 3 Altimétrie côtière Dès que l'on s'approche des côtes, les mesures altimétriques peuvent devenir aberrantes, notamment car le signal réfléchi par la surface terrestre est différent de celui réfléchi par la surface de l'océan. Différentes modifications des traitements de données altimétriques doivent donc être appliquées pour mieux traiter les données près des côtes. Ces traitements sont appliqués

4 à l'ensemble des données, et pas seulement aux données côtières. Le faisceau altimétrique a un diamètre au sol de l'ordre de 2 3 km. Toutefois, on analyse des mesures a 1Hz (qui proviennent du moyennage de 20 mesures succesives), ce qui fait que virtuellement, la presence de terre émergée fausse la mesure plus loin que les 2 3 km initiaux. Finalement, la distance de pollution de la terre sur la mesure altimétrique est d'environ 10 km. Pour une distance inférieure à cette distance de pollution terrestre, la mesure est faussée car les algorithmes du signal reçu sont alors invalides. La première étape pour améliorer les données près des côtes est donc la définition d'un masque terre plus précis dans la zone d'intérêt. Toutefois, les données situées à moins de 10 km des côtes restent invalides. Toutefois, pour accéder aux mesures à moins de 10 km, il existe deux solutions. La première est d'analyser des mesures plus haute frequence (les analyses faites par Jerome Bouffard ont montrées qu'on peut recupérer du signal jusque 3 4 Hz en s'approchant plus de la côte, au delà, les mesures sont trop bruitées pour être utilisées). La deuxième solution est d'utiliser un modèle de forme d'onde adapté aux zones de transition terre mer au lieu du modèle actuel, adapté à un signal réfléchi par la mer uniquement. La correction de troposphère humide se calcule avec les mesures d'un radiomètre embarqué dont le faisceau au sol a un diamètre d'envirion 50 km. Les algorithmes de correction sont donc non valides jusqu'à une cinquantaine de km des côtes car l'émissivité de la surface terrestre biaise la correction. Pour remédier à cela, une extrapolation à la côte de la correction à 50km issue du radiomètre est utilisée et permet de récupérer les données situées entre 10 et 50 km de la côte. En région côtière, les structures topographiques ne sont pas lisses et présentent de fortes variations à de faibles échelles spatiales. Les modèles standards de corrections géophysiques ont une trop faible résolution pour prendre en compte la topographie complexe de la zone et les échelles de la dynamique qui en résultent. Pour y remédier, le calcul des corrections géophysiques en altimétrie côtière est issu d'une nouvelle génération de modèles (avec une résolution améliorée en rgion côtière) récemment développés au LEGOS. Pour retenir une donnée altimétrique, il faut que tous les paramètres mesurés et et utilisés au cours du traitement standard soient valides. Or certains d'entre eux sont définis comme paramètres d'édition (corrections, coefficient de rétrodiffusionn...) et doivent être compris dans des intervalles réalistes pour que la mesure soit valide. Toutefois, ces intervalles ont été définis pour l'océan hauturier et ne sont en général pas adaptés aux zones de transitions comme les zones côtières. Dans le traitement côtier, les paramètres d'édition ont été redéfinis (Roblou 2004). Une réinterpolation des corrections manquantes à partir des corrections valides permet de récupérer plus de données et moins d'erreur que dans les produits

5 standards (Roblou 2004). La MSSH est calculée par une méthode d'inversion ce qui permet un calcul de SLA plus réaliste (les produits existants de MSSH sont relativement lisses). 4 Premiers résultats pour le Pacifique Sud Ouest perso/angelique/html/altimetry.html 5 Liens mip.fr/fr/observations/ctoh/ mip.fr/fr/