Le biais d'état de mer de TOPEX et POSEIDON

Les creux des vagues sont de meilleurs réflecteurs du signal radar que les crêtes. La mesure altimétrique étant une mesure de la hauteur des facettes réfléchissantes, cette mesure est légèrement biaisée vers le creux des vagues.
Ce biais, appelé biais électromagnétique, est fonction de la hauteur des vagues.

II vaut typiquement de 2 à 5 % de la hauteur significative des vagues (H_1/3). En outre, la détermination du temps de parcours du signal radar (et donc la mesure de distance) obtenue par analyse des formes d'ondes peut, dans certaines circonstances, être affectée d'un biais également fonction de la hauteur des vagues. Ce biais est appelé biais de tracker. La somme biais électromagnétique plus biais de tracker est appelée biais d'état de mer (BEM).

Avant TOPEX/POSEIDON (T/P), on se souciait peu d'une évaluation précise de ce biais: l'erreur d’estimation de celui-ci était très largement inférieure à l'erreur radiale d'orbite. Aujourd'hui, la situation est bien différente. L'erreur radiale d'orbite de TOPEX/POSEIDON est de l'ordre de 3 cm rms alors que le BEM n'est certainement pas estimé à mieux que 2 cm rms près. II devient un poste d'erreur significatif dans le bilan d'erreur de la mesure altimétrique.

Une méthode d'évaluation du BEM basée sur l'analyse des écarts de hauteur aux points de croisement avait été mise au point avant le lancement. Elle a été utilisée systématiquement pour TOPEX et pour POSEIDON, dans le cadre des activités de calibration/validation. L'objectif était de suivre, cycle par cycle, les BEM des deux altimètres et si possible d'améliorer leur estimation.

Cette analyse [Gaspar et al, 1994] révèle clairement que:

1. le BEM de POSEIDON est plus grand que celui de TOPEX. La différence entre les deux biais est, pour l'essentiel, une fraction constante (2.5 à 3 %) de H_1/3.À cette différence près (qu'on attribue à une différence de fonctionnement du tracker), les deux altimètres ont des comportements très similaires.
2. Le biais relatif des deux altimètres, c'est à dire le rapport BEM/H_1/3 n'est pas constant. Ce rapport tend à diminuer (en valeur absolue) lorsque H_1/3 augmente.
3. Le biais relatif des deux altimètres, varie en fonction de la vitesse du vent en surface: il augmente (en valeur absolue) avec la vitesse du vent jusqu'à des vents de l'ordre de 10 m/s. La tendance semble s'inverser pour des vitesses de vent supérieures à ce seuil.

La variabilité du biais relatif en fonction du vent est bien modélisée par une formule quadratique du type de celle utilisée par la NASA pour estimer le biais de TOPEX. Par contre, cette formule ne permet pas de restituer correctement la variabilité du BEM relatif en fonction de H_1/3. Pour ce faire nous avons développé une nouvelle paramétrisation du biais qui reprend la formule NASA et y ajoute un terme supplémentaire qui permet de prendre en compte la variation du biais relatif en fonction de la hauteur des vagues [voir fonction BM4 dans Gaspar et al, 1994].

Le BEM de TOPEX ainsi calculé avec BM4 n'est significativement différent du biais NASA des GDR que pour des valeurs de H_1/3 relativement élevées (plus de 5 m). De telles valeurs sont observées essentiellement aux moyennes et surtout hautes latitudes. Pour POSEIDON, une formule du même type fournit également de bons résultats. L'estimation de biais figurant dans les GDR [dérivée du modèle de Fu et Glazman, 1991] est nettement moins performante en terme de réduction des écarts aux points de croisement. L'usage de cette correction n'est donc pas recommandé.

Bibliographie :

• Gaspar P., Ogor, F., P.Y. Le Traon et O.Z. Zanife, 1994, Joint estimation of the TOPEX and POSEIDON sea-state biases, J. Geophys. Res. (in press).