GOCE: La boîte à outils utilisateurs

GOCE: La boîte à outils utilisateurs M.-H. Rio 1 et le consortium GUT(S) 2 1 CLS, Toulouse, France 2 AWI, Allemagne; DNSC, Danemark; IFREMER, France; NERSC, Norvège; POL, Angleterre; NOCS, Angleterre; TUM, Allemagne; UCPH, Danemark; UHH, Allemagne; UST, Allemagne; UR, Angleterre GOCE - Applications et Outils pour la Terre Solide 20 Juin 2007 Paris

GOCE: La boîte à outils utilisateurs GOCE = Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer Produits de niveau 2 GOCE: - Jeu de coefficients d harmoniques sphériques - Matrice de covariance d erreur des coefficients - Carte de hauteur de géoïde à la résolution maximale Pas de produits océanographiques! Besoin clairement identifié (à l occasion des Workshops utilisateurs GOCE organisés par l ESA) de logiciels permettant à des utilisateurs peu familiers des routines de traitement des champs de gravité, de prétraiter ces champs, en conjonction avec d autres données (auxiliaires) pour des applications dans les domaines de la Terre Solide, de l océanographie et de l hydrologie, en global et/ou en régional

SMO Illustration du besoin en océanographie La théorie - Géoïde = TDM TDA = SLA + TDM -Accès aux vitesses des courants géostrophiques -Analyses océanographiques - Assimilation dans des systèmes de prévision opérationnels (Mercator)

SMO Illustration du besoin en océanographie La pratique exemple n 1 Besoin de filtrage de SMO-Géoïde - Géoïde = TDM Filtre Gaussien Rc=200 km Rc=400 km Rc=300 km

Illustration du besoin en océanographie La pratique exemple n 2 Différences de hauteur entre les ellipsoïdes TOPEX et GRIM Besoin de cohérence dans les prétraitements de la SMO et du géoïde Différence de hauteur entre les systèmes de référence TIDE FREE et MEAN TIDE Impact en terme de courants et en terme de champ de masse lors de l assimilation dans les modèles. Importance de traiter correctement les données de hauteur de géoïde avant combinaison avec l altimétrie

Illustration du besoin en océanographie La pratique exemple n 3 GRACE «GOCE» Besoin de combinaison avec des données in-situ haute résolution CMDT RIO05 TDMS Méditerranée 1/8 (~12 km) TDM Méditerranée 1 (~90 km) Pelops Ierapetra Mersa-Matruh Shikmona

: Projet ESA en deux phases: 1) Consolidation des besoins utilisateurs et définition des fonctionnalités requises dans le but d écrire les spécifications de la boîte à outils et proposer une solution d architecture (Janvier 2006 à Janvier 2007) -Un document décrivant les besoins utilisateurs et la spécification des entrées/sorties de la boîte à outils. - Un document de spécification des fonctionnalités et des algorithmes de la boîte à outils. - Un document de description logique de l architecture de la boîte à outils et des flux de données. -Un tutorial 2) Implémentation de la boîte à outils basée sur les spécifications issues de la première phase (projet de un an, démarrage dans les prochains mois).

: Projet ESA en deux phases: 1) Consolidation des besoins utilisateurs et définition des fonctionnalités requises dans le but d écrire les spécifications de la boîte à outils et proposer une solution d architecture (Janvier 2006 à Janvier 2007) - un certain nombre de fonctionnalités ont été identifiées comme indispensables/prioritaires et divisées en plusieurs «workflows» - Récupération de programmes existants, essentiellement en Fortran ex: GRAVSOFT package (Tscherning et al, 1992-1994) - Possibilité d étendre facilement les fonctionnalités existantes en ajoutant de nouveaux modules C ou Fortran. Ceci afin de permettre une utilisation flexible de la boîte à outils et son développement par la communauté scientifique.

Workflow principal I- Manipulation des données GOCE L2 II- Calcul de TDM (SMO-Géoïde) III- Calcul de TDM Combinée (haute résolution)

I- Manipulation des données d harmoniques sphériques 1- Choix des paramètres d entrée: -fichier de coefficients d harmoniques sphériques -degré d expansion -ellipsoïde de référence -système de marée 3- Choix de la grille de sortie: -R e/w/n/s: Zone d interêt (défaut: 79.75/- 79.75/0.25/359.75) -I dx/dy: pas de grille (défaut: 0.25/0.25) -Gg grid_definition_file_x/grid_definition_file_y: choix d une grille irrégulière 2- Choix du champ en sortie: -Fg: calcul de hauteur de géoïde (par défaut) -Fa: calcul d anomalies de gravité -Fd: calcul de déflexion de la vertical 4- Autres options: -H digital_terrain_model: utilisation du modèle de terrain spécifié par digital_terrain_model pour référencer le champ de gravité.(défaut: l ellipsoïde de référence est utilisée). -Ma: la valeur moyenne est calculée pour chaque cellule de la grille. Par défaut, le champ est calculée au point de grille (valeur ponctuelle).

I- Manipulation des données d harmoniques sphériques Exemple: Calcul de la hauteur de géoïde sur une grille à une résolution donnée Options: Grille de sortie : régulière, ½ de résolution Données d entrée: Coefficients d harmoniques sphériques du modèle EIGEN-GL04S1 (ellipsoïde de référence=grim Système de marée = TIDE FREE ) Ellipsoïde de référence en sortie: TP Système de marée en sortie: Mean Tide Degré d expansion en harmoniques sphériques: 40 Sortie m

I- Calcul des erreurs La boîte à outils utilisateurs Phase 1 1- Choix des paramètres d entrée: -matrice de covariance des coefficients d harmoniques sphériques -degré d expansion -ellipsoïde de référence -système de marée 2- Choix du champ d erreur en sortie: -Fg: erreur sur la hauteur de géoïde (par défaut) -Fa: erreur sur les anomalies de gravité -Fd: erreur sur la déflexion de la vertical - A l issue de GUTS: seul le champ de variance d erreur au degré maximal d expansion en harmonique sphérique fourni par le HPF est pris en compte par la boîte à outils - Pas de manipulation de la matrice de covariance (problème de taille / stockage) - Etude spécifique à ce sujet prévue dans la phase 2 du projet

I- Manipulation des données d harmoniques sphériques Exemple: Erreur de hauteur de géoïde sur une grille à une résolution donnée Options: Grille de sortie : régulière, ½ de résolution Données d entrée: Coefficients d harmoniques sphériques du modèle EIGEN-GL04S1 (ellipsoïde de référence=grim Système de marée = TIDE FREE ) Ellipsoïde de référence en sortie: TP Système de marée en sortie: Mean Tide Degré d expansion en harmoniques sphériques: 50 Sortie

II- Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne Domaine spatial - Workflow 1- Choix des géoïde et Surface Moyenne Océanique d entrée 2- Calcul du géoïde et de la SMO sur une même grille et dans les mêmes systèmes de référence (ellipsoïde et système de marée) 3- Choix du type de filtre et de la fréquence de coupure

II- Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne Exemple: Calcul d une TDM à 400 km de résolution basée sur les données GRACE Options: Type de filtre: Gaussien Largeur du filtre=400 km Données d entrée: SMO CLS01 Géoïde EIGEN GL04S GRACE Output cm + my_filter_matrix.fic

II- Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne Domaine fréquentiel - Workflow 1- Calcul des coefficients HS de la SMO 2- Calcul des coefficients HS de la TDM 3- Filtrage dans le domaine fréquentiel et conversion des coefficients HS en hauteur

II- Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne Domaine fréquentiel Exemple: Calcul d une TDM à 400km de résolution basée sur les données GRACE GUT_WF3b Fj400 O my_filter_matrix.fic MSSCLS01 GGM02S_SH160_coef.fic MSSCLS01_EIGENGL4S_fj400_grid.fic MSSCLS01_coef.fic Données d entrée: -SMO CLS01 - Coefficients d HS du modèle GGM02S Sortie Options: - Type de filtre: Jekeli - Largeur du filtre= 400 km cm + my_filter_matrix.fic + MSSCLS01_coef.fic

III- Calcul d une Topographie Dynamique Moyenne Combinée Domaine spatial - Workflow 1- Choix d une TDM à- priori 2- Interpolation de la TDM à priori et de la TDMS GUT sur une même grille TDMS calculée précédemment 3- Extraction des petites échelles spatiales de la TDM à priori 4- Calcul de la TDM haute résolution

III- Calcul d une TDM Combinée Domaine spatial Exemple: Calcul d une TDM combinée dans la zone du Gulfstream GUT_WF4a Niiler_MDT.fic R -79.75/-29.75/30.25/49.75 I 0.5/0.5 MSSCLS01_EIGENGL04S_fg400_grid.fic MDTC_niiler_grid.fic Données d entrée: -TDM (Niiler et al, 2003) -TDMS EIGEN-GL04S1 (filtrée à 400 km) - Caractéristiques de la grille de TDMS : Résolution ½ LonMin=-79.75 E, LonMax -29.75 E LatMin=29.75 N, LatMax=49.75 N Sortie

III- Calcul des vitesses géostrophiques GUT_WF6 (GUT_FA13) ADT_June_7th_2006.fic AbsGeosVel_June_7th_2006.fic Donnée d entrée: Grille de Topographie Dynamique absolue pour la journée du 7 juin 2006 (SLA+MDTC) dans la zone du Gulfstream Sortie

Il est recommendé que la boîte à outils soit conçue de façon à être utilisée à des niveaux différents selon l expérience et le beoin de l utilisateur. I- L approche intégrée Besoin utilisateur: Calculer une TDM sur une grille régulière au ¼ à 100 km de résolution (HS200) à partir du géoïde GOCE et d une SMO dans le domaine fréquentiel Workflow 3b de la boîte à outils II- L approche modulaire Besoin utilisateur : Interpoler la grille de hauteur de géoïde GOCE le long d une trace altimétrique Utiliser le module d interpolation de la boîte à outils III- L approche pas à pas Besoin utilisateur : Calculer la différence entre la grille de hauteur de géoïde GOCE (produit de niveau 2) avec une grille de hauteur de géoïde GRACE Calcul en quatre étapes: 1- Calculer le géoïde GOCE par rapport au même ellipsoïde de référence que le géoïde fourni par l utilisateur. 2- Calculer le géoïde GOCE dans le même système de marée que le géoïde fourni par l utilisateur 3- Interpoler le géoïde GOCE sur la même grille que le géoïde fourni par l utilisateur 4- Calculer la différence entre les deux géoïdes

L approche modulaire - Exemple Données d entrée: -SMOCLS01_EIGENGL04S_fg400.fic -Caractéristiques de la grille d entrée LonMin=-180 E LonMax=180 E LatMin=90 S LatMax=90 N résolution ½ - Liste de points où effectuer l interpolation: 292.75000-55.50000 292.87500-55.75000 293.00000-56.00000 293.12500-56.25000 293.25000-56.50000 296.87500-63.75000 297.00000-64.00000 297.12500-64.25000 L approche pas à pas - Exemple

Conclusions Projet GUTS: Spécifier les besoins utilisateur en terme de boîte à outils pour les données de la mission GOCE, identifier les outils existants et non, et proposer une solution d architecture Projet GUT: Construire la boîte à outils + étude pour la future ingestion et manipulation de la matrice de covariance d erreur des coefficients Lancement GOCE février 2008 Une partie des fonctionnalités (Manipulation des données L2) s adresse à plusieurs communautés (Terre solide, océanographie, géodésie). Les autres fonctionnalités répondent plus spécifiquement aux besoin des océanographes (moins familiers à la manipulation des données géogésiques) Recommendation issue du 3ème Workshop utilisateurs GOCE quant au choix d un modèle de terrain/bathymétrie et quant à l implication de la communauté Terre solide dans la seconde phase du projet afin que les futurs développements de la boîte à outils prennent en considération leurs besoins.