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Validation et estimation des erreurs du MSL altimétrique

Le calcul et l'analyse de l'évolution du niveau moyen (Mean Sea Level, MSL) conduit légitimement à se poser la question de la fiabilité des altimètres pour mesurer une hausse de quelques millimètres par an sur une période de presque 20 ans. La question est d'autant plus pertinente que les sources d'erreurs concernant la stabilité à long terme sont potentiellement nombreuses. Elles sont principalement liées au vieillissement des instruments et à l'incertitude de leur étalonnage, à l'impact des événements liés à la vie du satellite (manoeuvres du satellite, incidents sur la plateforme ou des instruments,...), au calcul des solutions d'orbites et de toutes les corrections utilisées dans le calcul de la SSH déduites des modèles (marée, météo, ionosphère...). 

Bilan d'erreur correction par correction

L'analyse de la performance des missions altimétriques permet de construire un budget précis des erreurs long-terme. Une étude réalisée à CLS et publiée en 2009 [Ablain et al., 2009 (a)] décrit ce bilan d'erreur et l'approche statistique appliquée. Le tableau ci-dessous, extrait de cette étude, indique les principales sources d'erreur ayant un impact sur le MSL global et l'incertitude associée en termes de pente. La correction de troposphère humide représente l'incertitude la plus importante (+/-0.3 mm/an) sur toute la période altimétrique.
Afin de calculer l'erreur totale sur la pente du MSL, il est possible de sommer la valeur absolue des erreurs ou d'en faire la somme quadratique, ce qui conduit à une erreur totale respectivement de 0.9 mm/an et 0.45 mm/an. Mais dans les deux cas, cette erreur n'est pas réaliste car elle ne prend pas en compte la corrélation des erreurs entre elles. Par conséquent, il est préférable, afin d'estimer la pente du MSL, d'utiliser une méthode inverse [Bretherton, 1976] dont le formalisme mathématique permet de décrire la covariance des erreurs, et d'en déduire une erreur formelle d'ajustement réaliste qui peut être alors exprimée dans un intervalle de confiance. Ainsi, l'erreur du MSL global déduit des missions T/P et Jason-1 entre 1993 et 2008 a été estimée à +/-0.6 mm/an dans un intervalle de confiance de 90%.

Sources d'erreurs dans le calcul du MSLErreur sur la pente globale du MSL
Calcul de l'orbite+/-0.15 mm/an
Troposphère humide+/-0.30 mm/an
Corrections issues des champs météo+/-0.10 mm/an
Paramètres altimétriques+/-0.10 mm/an
Biais de la SSH+/-0.25 mm/an
Erreur Totale+/-0.6 mm/an
intervalle confiance = 90%

Principales sources d'erreur ayant un impact sur le MSL global déduit des missions Jason-1 et Topex/Poséidon de 1993 à 2008, ainsi que l'estimation de l'erreur totale [Ablain et al., 2009 (a)].

Comparaison avec les mesures in situ

Une autre approche pour décrire l'erreur du MSL consiste à utiliser la comparaison avec les données in situ telles que les marégraphes ou les données Argo (profils de température et salinité) [Ablain et al., 2009 (a), (b) et (c)]. La stabilité du système altimétrique peut ainsi être vérifiée en détectant des dérives ou des sauts du MSL (voir le dernier bilan annuel  Altimétrie/Marégraphie et Altimétrie/Argo).

The measurement drifts obtained with the tide gauges (see figure below) reveal very small drifts for Jason-2 (0.0 mm/year), Jason-1 (0.3 mm/year), Envisat (0.8 mm/year) and T/P (0.6 mm/year). For Envisat, some millimetric variations (before the end of 2003 or in 2005 and 2006) still raise some questions and are under investigations. Similarly, for TOPEX-A (before February 1999), inter-annual instabilities are observed, probably linked to instrumental problems between 1996 and 1999.

Evolution des différences entre les hauteurs de mer altimétrique et marégraphique pour les missions Jason-2, Jason-1, Envisat et Topex/Poséidon après avoir appliqué un filtrage passe-bas (2 mois).


En prenant en compte l'incertitude de la méthode estimée proche de 0.5 mm/an notamment à cause de la dérive crustale des marégraphes et de leur couverture spatiale uniquement côtière, l'erreur globale du MSL issue de Topex et Jason-1 est alors de 0.7 mm/an, soit du même ordre de grandeur que celle du bilan d'erreur estimée correction par correction (0.6 mm/an).

Ceci démontre de deux façons indépendantes la fiabilité de l'évolution du MSL global déduit des missions altimétriques Topex et Jason-1. Pour autant, ce bilan doit être affiné afin d'estimer l'impact de sources d'erreurs non prises en compte à ce jour comme la contribution de l'océan couvert par les glaces ou bien l'impact des très longues périodes de la marée océanique (18.6 ans).

 

Erreurs locales des pentes du MSL

Concernant les erreurs locales des pentes du MSL, une même approche statistique a été appliquée afin de décrire localement les différentes sources d'incertitudes de l'altimétrie [Ablain et al., 2009 (d)]. Ces travaux ont mis en évidence le fort impact local de la variabilité interannuelle puisque celle-ci représente 80% de l'erreur formelle d'ajustement, ce qui démontre que la période altimétriques est encore trop courte pour estimer des pentes localement. Les erreurs restantes (20%) dues aux erreurs du système altimétrique varient en fonction de la latitude entre 1 et 2 mm/an principalement, à cause des incertitudes du calcul d'orbite et de la correction de troposphère humide respectivement aux hautes latitudes et dans la bande tropicale. Dans ce cas aussi, la description des erreurs locales devra être affinée pour prendre en compte notamment l'impact des champs de gravité variables dans le calcul d'orbite [Cerri et al., 2010] ou encore les incertitudes dans les zones proches des côtes ou des glaces liées à la dégradation de la mesure altimétrique.

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