Problèmes connus - Fonctionnement des plateformes. Virginie Thierry Réunion Argo-France Brest, 14 15 mai 2009

Contrôle qualité des données Argo Problèmes connus - Fonctionnement des plateformes Virginie Thierry Réunion Argo-France Brest, 14 15 mai 2009

Données temps différés dans les centres de données (DAC)

Plateformes PROVOR: T, FSI, CTS2, CTS3, CTS3+iridium, CTS3+capteurs,ARVOR APEX: plusieurs versions, contrôleur APF8/APF9 SOLO: WHOI/FSI, WHOI/SBE, SIO Focus sur les flotteurs PROVOR, APEX + quelques mots sur les SOLO

Température Capteur de température considéré comme stable Pas de problème majeur détecté jusqu à présent Contrôle des données en vérifiant les flags de qualité, les profils, les diagrammes θ/s, la comparaison avec les données voisines via les analyses objectives, etc Il faut rester vigilant!

PRESSION: mesure de la pression de surface capteurs de pression et offset de pression

Pression Mesure nécessaire pour le positionnement du flotteur et pour l estimation de la salinité Mesure de pression faite en surface avant chaque plongée = Psurf Vérification du capteur de pression en comparant Psurf à la pression de surface considérée comme nulle. Hypothèse: un offset de pression à la même valeur en surface et à 2000 m downtime uptime A D C B telemetry period

Mesure de la pression de surface (Psurf): PROVOR Mesure Psurf juste avant de plonger La valeur de Psurf est prise en compte pendant le cycle suivant (10 jours en g al ) avant qu une nouvelle mesure soit faite o Psurf est simplement soustrait des valeurs de pression mesurées pour les PROVOR CTF et CTS2 o Un reset du capteur de pression est fait pour les CTS3 et les ARVOR o Les valeurs sont tronquées (-0.3 0; 0.6 0 ) et transmises avec une résolution de 1dbar pour les CTF, CTS3, CTS3 et ARVOR o Les valeurs sont transmises avec une précision de 1 cbar lorsque la transmission se fait par Iridum Ces différences ne sont pas anodines!

A Pression de surface pour les APEX At A, at the end of the uptime, just before the float descends for the next profile, a pressure measurement is taken, P SURFACE. For APEX floats that use APF8 controllers, if P SURFACE happens to be negative, then it is substituted by 0. Finally, a +5 dbar offset is added. For APEX floats that use APF8 controllers, if P SURFACE is not modified, the resulting value is stored in memory and is transmitted during the next telemetry period. This is the parameter called Surface Pressure. Hence Surface Pressure reported in APEX floats with APF8 controllers will never be less than 5 dbar.

Pression de surface pour les APEX downtime uptime A D C B telemetry period

B At B, at the end of downtime and at the beginning of uptime, the float begins to ascend. The ascension is controlled by a buoyancy pump that pumps oil into a bladder. C At C, when pressure measures P = P SURFACE + 5 dbar, or P = 4 dbar, whichever is greater, the CTD is stopped. This design is to safeguard the CTD from being contaminated by surface water, which is usually polluted. Then 25cc of oil is pumped into the bladder for extra buoyancy, so that the float can reach the surface. D At D, after the last 25cc of oil is pumped into the bladder, the float assumes that it has reached the surface. Telemetry begins.

In the ideal situation, when the float is sitting on the sea surface, and the pressure sensor has no calibration offset, then Surface Pressure = 0 (or Surface Pressure = 5 dbar for APF8 controllers) However, there are many possibilities why Surface Pressure 0 (or 5 for APF8 controllers). For example, the float can be stuck in sediments!!

If a float is stuck in sediment downtime uptime A e.g. Float is stuck here at 670 dbar in mud!!! telemetry period The float does not know that it is stuck, and assumes that it is still descending/ascending. After downtime has elapsed, the float assumes it has reached the surface. The telemetry period starts but no messages can be transmitted. So there is a missing cycle. Then at A, at the end of uptime, the float assumes it will start descending, so it takes a pressure measurement before downtime begins, P SURFACE = 670 dbar!! The value of Surface Pressure = 675 dbar is stored.

APEX float : Some possibilities of why Surface Pressure 0 (or 5 for APF8 controllers) 1. Stuck in sediment. 2. There is not enough buoyancy to reach the surface, e.g. trapped subsurface by a strong pycnocline. 3. A wave washes over the pressure sensor while the pressure measurement is being taken. (e.g. Surface Pressure ~ 1-10 dbar) 4. Simply erroneous. (e.g. Surface Pressure = 3048 dbar) 5. There is ice on the sea surface and the pressure sensor is frozen, measuring Surface Pressure ~ 1000 dbar. 6. The pressure sensor has a calibration offset. Note: any negative offsets in floats with APF8 controllers are permanently lost.

Psurf APEX- mesure en immersion Figures d J.P. Rannou M. Ollitrault

Psurf APEX- erreur de transmission Figures d J.P. Rannou M. Ollitrault

Offset de pression SIO SOLO TS9 Figures d J.P. Rannou M. Ollitrault

Offset de pression SIO SOLO TS9 Figures d J.P. Rannou M. Ollitrault

Les capteurs de pression capteurs Ametek et Paine Déployés avant 2003 Dérive positive de quelques dbar Programmation des PROVOR: transmission 1 dbar entre -32 et +31 SSP vs. profile number from JAMSTEC Argo Floats equipped with Ametek pressure sensors (Kobayashi and Johnson, 2007). SSP vs. profile number from JAMSTEC Argo Floats equipped with Paine pressure sensors (Kobayashi and Johnson, 2007).

Les capteurs de pression: capteur Druck snowflake problem Déployés depuis 2003 En général o variations de quelques cbar d un cycle à l autre o Dérive total inférieure à ± 1 dbar Druck Snowflakes o Court-circuit interne à cause de particules en suspension dans l huile du capteur o Les mesures de pression sont erratiques ou hors gamme (+3000 / -3000 dbar) o Problème résolu Problème peu détectable pour les Provor car P [-32 ; 31] dbar

Exemple de snowflake problem 66 flotteurs de la base Coriolis sont concernés

Les capteurs de pression: capteur Druck micro-leak problem Micro fuite d huile à l intérieur du capteur de pression Dépression de la membrane extérieure Dérive négative du capteur de pression (sous estimation de la pression)

Les capteurs de pression: capteur Druck micro-leak problem CTS2 Mesure Psurf Soustrait Psurf aux mesures de P Ne remet pas son capteur à 0 8% des CTS2 sont touchés par cette microfuite

Les capteurs de pression: capteur Druck micro-leak problem CTS3: Utilise la commande resetoffset Remet son capteur à 0 Transmission d un offset relatif avec 1 dbar resolution % inconnu de flotteurs affectés

Les capteurs de pression: capteur Druck micro-leak problem CTS3 Iridium Utilise la commande resetoffset Remet son capteur à 0 Transmission d un offset relatif avec 1 cbar resolution 66 % des flotteurs affectés

Druck pressure sensor microleak problem: détection du pb pour les APEX APF8 cf note Johnson and McTaggart Psurf Salinité sur une isotherme vs. numéro cycle snowflake problème après cyc 78 PSURF = 0 après cyc 44 PSURF probablement négative Dérive positive de la salinité : écart de l ordre de 0.03 psu vers le cycle 78 biais en pression de 75 ± 25 dbar 0.01 psu eq à 25 dbar

Druck pressure sensor microleak problem: détection du pb pour les APEX APF8 cf note Johnson and McTaggart Remontée des isopycnes Estimation d un écart de pression à partir de la profondeur des isothermes du flotteur et d isothermes climatologiques obtenus via une corrélation avec la SSH Ecart positif anomalie négative de pression.

Les capteurs de pression: capteur Druck micro-leak problem Problème découvert lorsque les APEX ont commencé à transmettre des valeurs négatives de Psurf (APF9) et qui s est aggravé récemment Problème suffisamment important pour que Seabird recommande de stopper les déploiements des flotteurs Argo Nécessité de reconsidérer le QC des flotteurs qui ont une dérive négative de Psurf ou des APEX équipés d un contrôleur APF8 pour lesquels Psurf =0. Qui s en charge? Besoin de connaître la liste des APEX APF8 du DAC Coriolis.

Inertie thermique de la cellule de conductivité

Problème d inertie thermique Johnson et al JAOT 2007 Temperature Sensor lag For SBE-41 & SBE-41CP: Nominally 0.50 & 0.53 s Heat diffusion & boundary layer Conductivity Sensor lag Nominally 0.05 s & 0.17 s Cell flushing & boundary layer Physical Separation of te & co Nominally 0.06 & 0.20 s Flow rate & boundary layer Conductivity Cell Thermal Inertia Nominally 10 s (pumped) Heat diffusion & boundary layer

Where is the SBE-41 Error Visible? Not in thermohaline staircases (vertical sampling too coarse) Not in ascending/descending profiles (only sample ascending) Look for S spike at the base of deepening mixed layers WMO #4900137 Profile #47 54.68N 178.26W 27 Sep 2002

Where is the SBE-41 Error Visible?

What is the Error in Cell TM Correction? Correction requires: the float rise rate and the vertical temperature gradient Float rise rate for Apex APF-8 s is only known to 33% (0.09 ± 0.03 dbar s -1 ) The correction time scale equates in pressure to About 2 dbar for the SBE-41 About 0.5 dbar for the SBE-41CP These scales are much finer than the reported intervals for float data Correction uncertain correction error should be set equal in magnitude to the correction Correction still useful ameliorates unstable density spikes at the mixed layer base removes a fresh bias in strong thermoclines Vitesse de remontée d un flotteur APEX

Correct for Cell Thermal Mass Error E-mail Gregory.C.Johnson@noaa.gov To get most recent code To get on a list for notification of revisions I will send celltm_sbe41.m [salt_cor] = celltm_sbe41(salt,temp,pres,e_time,alpha,tau); salt, temp, press are raw temperature, salinity and pressure Input must be sorted from first collected to last collected e_time is elapsed time from first data collected to last in seconds Estimated from float data and/or float ascent rate model alpha and tau depend on CTD model and use salt_cor is corrected salinity ordered as input For most float data: sensor response salinity error is probably about salt_corsalt.

Conclusion At PMEL we use the following sequence for APEX APF-8 floats with SBE-41 CTD 1. Correct pressures for offset error 2. Correct salinity for pressure offset error 3. Apply sensor response correction (cell thermal lag) to salinity 4. Check for conductivity sensor drift and correct if necessary Assume thermal mass and calibration errors are independent

Inertie thermique pour les PROVORS Stage en 2008 (C. Gac, F. Gaillard) pour modéliser la fonction de transfertassociéàceproblèmed inertiethermique finalisation en septembre 2009 Besoin de tester la routine disponible sur des profils pour vérifier que la correction est satisfaisante Vitesse de remontée des flotteurs Constante de temps Appliquer la routine sur les profils: en routine sur tous les profils ou au cas par cas?

Salinité : offset et dérive du capteur de conductivité

PROVOR FSI: offset due à la collerette PROVOR FSI (CTF2) de l expérience Gyroscope La position de la collerette anti-pilonnement induit un biais négatif (diminution de la salinité) de 0.025 psu. A faire: Récupérer les numéros et mettre la liste à disposition

Capteur de conductivité Dérive capteur de conductivité : problème majeur au début du projet Argo Dérives, biais, sauts très importants Détection relativement facile on pensait que des méthodes quasi automatique permettraient de corriger et détecter les problèmes Méthode basé sur un outil statistique: comparaison à des données voisines sur des isothermes données

Forte dérive des capteurs de conductivité FSI Flotteur 1900072 Dérive de plus de 0.1 psu!

Saut des capteurs de conductivité FSI Flotteur 1900063 Saut de plus de 1 psu!

Changement et amélioration des capteurs Plus stable Capteur de conductivité Mais dérive plus faible et plus subtile: plus difficile à détecter! Besoin de diagnostics complémentaires Comparaison à un profil réalisé lors du déploiement Comparaison à des profils voisins Hypothèse a priori: les données sont correctes Quelles sont les statistiques de dérive des capteurs de conductivité Seabird?

Exemple: offset en salinité Flotteur 6900395

Exemple: offset en salinité Flotteur 6900395

Origine des dérives en salinité Dérives vers des valeurs trop faibles de salinité (correction positive) Fuite de TBTO (poison pour antifouling dans la cellule de conductivité) : offset vers des salinités anormalement basses pour les premiers profils Pollution de la cellule de conductivité Faible voltage à la fin de vie du flotteur ( Energy flu ) Dérives vers des valeurs trop fortes en salinité (correction négative) Augmentation du volume de la cellule de conductivity (arrachement d une partie de la cellule, égratignure, etc) Dérives vers des valeurs trop basses ou trop fortes en salinité Changement de géométrie de la cellule de conductivité Changements dans les composants électriques (capacités, résistances) anomalies positives ou négatives de salinité

Dérive vers des salinités plus élevées pour les capteurs SBE Correction négative Pas d explication claire pour ce genre de dérive Hypothèses Dérive du capteur de température? mais capteur de température très stable! Dérive négative du capteur de pression Problème composant électronique de la tête Seabird

Dérive vers des salinités plus élevées Etalonnage SBE21 (bathysondes et thermosalinomètres) par Marc Le Menn Depuis 2006, des capteurs montrent des dérives vers des salinités plus élevées un composant aurait-il été changé pour compenser les dérives naturelles du capteur? S. Riser (UW) a observé le même problème attribué à un composant électronique Repérer les flotteurs qui présentent cette dérive Besoin d exemple et de statistique sur le nombre de capteurs de conductivité (SBE) qui dérivent positivement Connaître les numéros de ces flotteurs pour les étudier en détail Récupération de l un de ces flotteurs?

Problème de programmation des flotteurs SOLO WHOI/FSI et SOLO WHOI/SBE http://wwwargo.ucsd.edu/acpres_offset_2.html

Initial Identification of Error due to J. Willis and J. Gilson WHOI SOLO FSI floats had both large systematic errors with depth and increased random error compared to other floats.

Source of Problem for FSI CTDs Some WHOI SOLO floats used FSI CTDs All WHOI floats have CTDs do the pressure binning Requested that binning occur from top to bottom (this is the case for SBE CTDs). FSI programmed the CTD to start from deepest pressure and bin average starting from the highest pressure. Deep Bin intervals are larger than shallow bins. Transition for bin intervals for FSI CTD sensitive to starting pressure. The transition can change from profile to profile depending on the deepest pressure for each profile.

Example Full Profile - Error increases at depths where bin interval changes. Red - Correct values Green - Present values original files Blow-up of bin transitions - Shows increase in error at transitions

Pressure offset errors in WHOI/FSI Argo float profiles Number of bins, top bin pressure and bottom bin pressure, temperature, and salinity included in engineering message the data can be completely corrected 39 floats with a total of 3,698 profiles have been corrected in this manner. These floats have been corrected and resubmitted to the GDACs. Done since november 2008 For some floats error in float controller software returned null values for bottom bin pressure The remaining floats, 165 floats and 7652 profiles, will require more work to recover the pressure information and it will not be as accurate as the corrected floats. Float non correctable float in the greylist http://www-argo.ucsd.edu/acpres_offset_2.html

Programmation des flotteurs SOLO WHOI/SBE Reported pressures from these instruments corresponded to the bottom pressure of bins rather than to the mid-bin pressure. This ½ bin pressure offset error is generally less than for the pressure offset of the SOLO WHOI/FSI profiles. For the affected WHOI/SBE instruments, all profiles have now been corrected and replaced on the GDACs. The real-time data stream for these instruments has been corrected (as of 16 August 2008). These instruments are not "greylisted".

DIVERS

Mesures près de la surface pour le PROVOR T(1db)=9.641 T(6db)=9.667 S(1db)=35.178 S(6db)=35.156 σ 0 (1db)=27.152 σ 0 (6db)=27.131 Arrivée à 10 dbar: la motorisation est coupée, le flotteur continue à remonter sur sa lancée Acquisition pendant 10 minutes A 5 dbar: la pompe de la CTD est stoppée Mesures acquises continuent à être moyennées Mesure dans le dernier bin = moyennes entre mesures pompées, non pompées, dans l eau dans l air! Suggestion de modification: spot sampling audelà de 5 dbar (voire 2 dbar) pour avoir des mesures correctes de T près de la surface

Erreur de décodage APEX - Coriolis

Erreur de décodage APEX Coriolis cycle 13 dupliqué au cycle 14

Erreur de décodage APEX - Coriolis

Erreur de modulo SIO TS12 - AOML

Erreur de décodage SIO TS12 - AOML

PLATFORM_MODEL ="PROVOR " ; PLATFORM_MAKER = "Martec " INST_REFERENCE = "PROVOR DO 07- DO-02 " ; WMO_INST_TYPE = "841 " ; PROJECT_NAME = "OVIDE " ; DATA_CENTRE = "IF" ; PI_NAME = "Virginie THIERRY " ; ANOMALY = " " ; PARKING_PRESSURE = 1000 ; META-DATA SENSOR = "CNDC ", "TEMP ", "PRES ", SENSOR_MAKER = " " ; SENSOR_SERIAL_NO =" " ; SENSOR_UNITS = "ms/cm ", "degree_celsius ", "Decibar ", " " ; SENSOR_ACCURACY = _, _, _, _ ; SENSOR_RESOLUTION = _, _, _, _ ; PREDEPLOYMENT_CALIB_EQUATION = PREDEPLOYMENT_CALIB_COEFFICIE NT =

META-DATA Données rentrées manuellement pour remplir le fichier wmonum_meta.nc Renseignements sur le type de flotteur, le type de capteurs, la profondeur de parking, les anomalies concernant le flotteur, etc Données importantes pour identifier les types de flotteur, appliquer les corrections, etc. Mais elles sont souvent non remplies ou incorrectement remplies Les remplir avec soin car ces données sont très utiles Homogénéiser les données à renseigner Vérifications à mettre en place (profondeur de parking vs mesures de pression en dérive, comparaison type flotteur avec WMO_INST_TYPE) Remplir correctement les feuilles de mises à l eau et les maintenir à jour (types capteurs, constructeur, etc ) Vérification des données par les PIs et retour à Coriolis s il y a des erreurs

Highly desirable METADATA 24 metadonnées highly desirable Il faudrait rajouter dans cette liste les données relatives aux capteurs

META-DATA Difficile de savoir si un PROVOR est un PROVOR T, un PROVOR FSI, CTS2, CTS3 Mauvaise valeur du WMO_INST_TYPE PROVOR FSI labellisés PROVOR SBE, ex: 1900420, GOODHOPE inst_type 841 (=PV SBE), PROVOR, PROVOR Profiling Float OIN-03-F3-003 PROVOR SBE labellisés PROVOR FSI, ex : 1900319, FLOSTRAL inst_type 842 (=PV FSI), PROVOR 4.11, PROVOR-CTS2-4.1 PV008 APEX labellisés PROVOR FSI, ex : 2900324, A_KORDI inst_type 842 (=PV FSI), APEX 10, APEX Profiling Float

Données techniques Jusqu à présent, aucune homogénéité sur le nom des données techniques. Exemple pour l offset de pression en surface: SENSO_PRESS_OFFSET PSP$_SURFACE_PRESSURE APX_SURF_PRESSURE SURFACE_PRESSURE_(DBAR) Décision d homogénéiser et rationaliser tous ces noms. Exemple pour l offset de pression en surface: PRES_SurfaceOffsetTruncatedplus5dbar_dBar PRES_SurfaceOffsetNotTruncated Modification non encore faite dans les centres de données: quand estce prévu à Coriolis?

Manuels attention: mises a jour régulières http://www.coriolis.eu.org/cdc/argo_rfc.htm

Amélioration/développement technologique prévues sur les PROVOR Transmission de la pression avec une résolution du cbar. Quelle gamme de variation? [-3.2 3.1]? Paramètre pour déterminer pression arrêt pompe CTD: typiquement 5dbar ou 2dbar Mesures près de la surface en spot sampling Développement d un flotteur profond (350 bar)

Conclusion Plusieurs sources d erreurs sont possibles Problèmes liés aux capteurs (ex Druck, dérive capteurs conductivités) Problèmes de programmation (ex flotteur SOLO) Problèmes liés à la conception du flotteur (collerette sur les PROVOR FSI) Problèmes de transmission Problèmes de décodage et de gestion des données Certaines erreurs sont de notre ressort: elles peuvent être évitées; elles doivent être détectées et corrigées le plus rapidement possible Problèmes de décodage et de gestion des données Problèmes de programmation, de conception

Conclusion Les erreurs liées au défaillance des capteurs ne sont pas de notre ressort; elles se reproduiront. On doit travailler ensemble pour les détecter le plus rapidement possible Responsabilité des PIs de surveiller leurs données Responsabilité des scientifiques d avoir un regard critique sur les données: Besoin de méthodes statistiques pour détecter des erreurs systématiques par lots, par région, etc il faut être imaginatif! Chacun regarde les données sous un angle différent nécessité de communiquer sur les anomalies et de centraliser les informations (codac@ifremer.fr, support@argo.net, cellule R&D Coriolis, Argo France, CREST Argo, etc )

Conclusion Les données en général et les données Argo en particulier ont une valeur inestimable Pour avoir des données de qualité, qui satisfont nos besoins (recherche, changement climatique, opérationnel), il faut y consacrer le temps nécessaire et les traiter avec la plus grande rigueur Connaissance capteurs, fonctionnement des plateformes Besoin de toutes les informations sur les particularités des flotteurs (sinon dans 5 ans on ne sera pas capable de revenir en arrière) Besoin de regarder les données en détail: les contrôles automatiques ne suffisent pas! Recontrôle des données parfois nécessaire (Gyroscope, pb de pression, inertie thermique) Processus en constante évolution Réactivité si des problèmes sont découverts (et si le PI n est plus disponible?) Les laboratoires de recherche et les centres de données doivent travailler ensemble