Activités CALVAL AVISO

J. Dorandeu, M.-H. de Launay, F. Mertz (CLS, France)

Nous présentons ici quelques résultats illustrant les tâches qui sont accomplies à CLS dans le cadre du projet CNES AVISO/CALVAL. Ces activités regroupent la validation systématique et le suivi à long terme des données TOPEX/POSEIDON. mais aussi des études spécifiques comme celles réalisées pendant la phase d'étalonnage de l'altimètre TOPEX-B. D'autres sources de données sont également utilisées pour valider le contenu physique des données TOPEX/POSEIDON : des comparaisons sont effectuées avec d'autres missions altimétriques (ERS), mais aussi avec d'autres grandeurs physiques comme la température de la surface de la mer.

Qualité des données TOPEX/POSEIDON

Le contrôle et le suivi de la qualité des données TOPEX/POSEIDON constitue le coeur des activités AVISO/CALVAL. La validation des données cycle après cycle permet la constitution d'une base de données servant au suivi des différents paramètres [Le Traon et al. 1994].

Les deux altimètres embarqués TOPEX et POSEIDON peuvent donc être comparés en termes de performances. L'homogénéité des mesures qu'ils délivrent doit également être assurée par un contrôle précis des différences éventuelles et de leurs performances respectives [AVISO/CALVAL annual report, 1999]. En outre, l'année 1999 est marquée par le passage sur l'altimètre redondant de TOPEX. Bien que la technologie soit identique, la mesure de ce nouvel instrument doit être reliée à la fois à celle du précédent et à celle de POSEIDON. C'est l'objectif de la contribution du projet AVISO/CALVAL à la calibration de l'altimètre TOPEX-B [AVISO/CALVAL Side-B TOPEX altimeter evaluation, 1999].

La performance du système regroupe la précision de la mesure altimétrique, celle de l'orbite calculée et la qualité des corrections géophysiques appliquées. Une estimation en est donnée par la figure 1 qui montre le suivi de l’écart-type des écarts de hauteur de la surface de la mer aux points de croisement. On constate que les performances des différents altimètres sont du même ordre de grandeur. En particulier, on peut noter que les cycles POSEIDON (en noir) sont bien en accord avec les cycles TOPEX. D'autre part, le passage sur l'altimètre TOPEX-B (en rouge) ne donne lieu à aucune dégradation en ce qui concerne la variance des écarts de hauteur de mer aux points de croisement. Enfin la diminution de la variance observée depuis le début de la mission peut être attribuée aux améliorations apportées dans le calcul de l'orbite (on notera que l'on ne peut déceler aucun impact dû au passage sur la redondance de l'instrument DORIS au cycle 231).

Figure 1 : Suivi cycle par cycle de l’écart-type des écarts de hauteur de mer aux points de croisement. En noir POSEIDON, en rouge TOPEX-B.

Redondance de l'instrument TOPEX

Le passage sur la redondance de l'instrument TOPEX a été justifié par le constat d'une dégradation progressive de la réponse impulsionnelle de l'altimètre A. Des extrapolations de cette évolution prévoyaient, à terme, une dégradation du signal incompatible avec les spécifications de la mission [Hayne et al. 1998]. Cette perte de performance n'avait néanmoins pu être sensible que pour des études très spécialisées, comme le suivi de la hauteur moyenne de la surface de la mer avec une précision inférieure au centimètre.

L'impact majeur de la dégradation du comportement de l'altimètre s'est en fait produit sur l'estimation de la hauteur significative des vagues. L'augmentation moyenne constatée sur le suivi de ce paramètre a été corroborée par la comparaison avec l'altimètre d'ERS-2. La figure 2a représente les écarts entre les estimations de hauteur des vagues aux points de croisement ERS – T/P. Des fluctuations sont observées entre T/P et ERS-1 (en bleu), mais c'est surtout la dérive observée sur les écarts moyens de hauteur des vagues entre TOPEX-A et ERS-2 (en rouge) qui est significative. Dans le même temps, les écarts entre ERS-2 et POSEIDON demeurent quasiment stables (malgré l'absence de lissage). La figure 2b prolonge cette étude et inclut les premiers cycles TOPEX-B en donnant pour chaque cycle TOPEX une estimation des écarts de vagues. On constate une nette diminution (de l'ordre de 30 à 40 cm) des estimations de hauteur de vagues avec TOPEX-B par rapport à TOPEX-A.

Cette étude a donc montré que le passage sur l'altimètre TOPEX-B résout les problèmes instrumentaux de TOPEX-A. Elle prouve aussi que la comparaison entre les différentes missions altimétriques est nécessaire à la détection de problèmes éventuels et par conséquent à l'accomplissement des objectifs fixés en termes de précision.

Figure 2 : Différences moyennes aux points de croisement entre les estimations de hauteur significative des vagues :
a) obtenues par ERS-1/2 et TOPEX/POSEIDON. Une moyenne glissante de 12 cycles est utilisée pour les données TOPEX, alors qu’un seul cycle de données est utilisé pour POSEIDON.
b) obtenues par ERS-2 et TOPEX. Une valeur par cycle TOPEX a été représentée pour mettre en évidence le passage entre TOPEX-A et TOPEX-B (en rouge).

Niveau moyen des océans

Un estimation du niveau moyen des océans est effectuée à chaque cycle TOPEX/POSEIDON. Cela constitue un moyen précis de vérification de la qualité des données, étant donné que l'étude des variations moyennes de la hauteur des mers constitue l'un des objectifs majeurs de la mission TOPEX/POSEIDON.

La figure 3 montre l’évolution cycle par cycle de la hauteur moyenne de la surface de la mer. Les estimations sur les cycles POSEIDON (en noir) fournissent un moyen d'analyse du biais relatif par rapport à TOPEX. Ce biais a eu tendance à augmenter dans la seconde partie de la mission.

Figure 3 : Variations de la hauteur moyenne des océans vues par TOPEX/POSEIDON. Les cycles POSEIDON sont représentés en noir et les cycles TOPEX-B en rouge.

Les estimations issues de la mesure de l'altimètre TOPEX-B figurent également sur cette courbe (les 6 derniers points rouges). On remarque que ces estimations, légèrement différentes de celles déduites des derniers cycles TOPEX-A, sont maintenant plus homogènes à la moyenne des 4 premières années TOPEX/POSEIDON. Le biais relatif entre TOPEX et POSEIDON est par conséquent également réduit par le passage sur la redondance de TOPEX.

L'augmentation de la hauteur moyenne des océans au cours de l'année 1997 a été reliée au phénomène El Niño de très grande ampleur qui a été observé. On a superposé, après filtrage des effets saisonniers, les estimations de hauteur moyenne et de température de surface (Reynolds) sur la figure 4. On constate que pendant l’événement El Niño, l'augmentation de la température de surface des océans s'accompagne d'une élévation de la hauteur moyenne. Cela est certainement dû à une modification, en faveur de l'océan, des échanges océan/atmosphère pendant cette période.

Figure 4 : Comparaison des variations du niveau moyen de la surface de la mer et de température de surface des océans. Les signaux saisonniers ont été retirés des deux séries temporelles. Les 6 dernières estimations sont obtenues avec TOPEX-B.

La nouvelle élévation de la hauteur moyenne qui est observée sur les derniers cycles TOPEX-A est non décelable sur la température de surface. Elle peut être attribuée à la dégradation de l'instrument.

L'analyse géographique de l'augmentation de la hauteur de mer et de la température de surface pendant le phénomène El Niño a été effectuée sur la figure 5. Deux estimations sont présentées pour les deux types de grandeurs : la première est effectuée sur la période précédant le phénomène, et la seconde sur une période incluant le phénomène. On note une grande similitude entre les répartitions géographiques des pentes de température de surface et de hauteur de mer. Entre les deux périodes, des pentes opposées dans la zone du Pacifique équatorial sont observées sur les deux types de grandeurs. Cela correspond au déplacement des masses d'eau chaudes vers l'Est pendant cette période.

Figure 5 : Comparaison géographique des pentes locales de hauteur de mer et de température de surface. La première estimation (a) est calculée pendant la période précédant El Niño 1997 (janvier 1993 - janvier 1997). La seconde (b) inclut la période El Niño (janvier 1993 - janvier 1998).

Conclusion

Depuis le début de la mission TOPEX/POSEIDON, les activités AVISO/CALVAL ont permis de valider les données destinées aux utilisateurs, d'en vérifier la précision, de détecter des dérives instrumentales. Elles constituent un moyen efficace pour garantir la continuité dans la qualité de cette mission altimétrique.

Compte tenu des niveaux de précision recherchés sur de longues séries temporelles, ces analyses doivent également s'appuyer sur des moyens de comparaison par rapport à des sources de données externes.

L'analyse simultanée de la température de surface, par exemple, permet de valider les interprétations physiques issues de l’étude de la hauteur moyenne de la surface de la mer. Bien entendu, dans ce contexte, on peut citer d'autres études comme les comparaisons par rapport aux marégraphes.

L'intercalibration avec d'autres missions altimétriques constitue également un élément essentiel dans la détection de problèmes potentiels difficilement décelables sur un système unique. Cet outil revêtira donc toute son importance avec l'avènement des nouvelles missions altimétriques.

Références:

AVISO User Handbook. Merged TOPEX/POSEIDON Products (GDR-Ms), 1996: AVI-NT-02-101-CN.

Dorandeu, J., M.H. Calvez, 1999: Validating TOPEX/POSEIDON data, AVISO/CALVAL Annual Report. Note Technique AVI-NT-04-316-CN.

Dorandeu, 1999: J. Side-B TOPEX Altimeter Evaluation, Note Technique AVI-NT-011-317-CN.

Hayne, G.S, D.W. Hancock III, 1998: Observations from Long-term Performance Monitoring of the TOPEX Radar Altimeter., TOPEX/POSEIDON/Jason-1 Science Working Team Meeting, Keystone, Colorado.

Le Traon, P.-Y., J. Stum, J. Dorandeu, P. Gaspar, P. Vincent, 1994: Global statistical analysis of TOPEX and POSEIDON data, J. Geophys. Res., 99,24619-24631.