L'estimation de la correction troposphérique humide pour l'altimétrie spatiale : l'approche variationnelle

The estimation of wet tropospheric correction for space altimetry using a variational approach

• Auteur / Autrice : Laura Hermozo
• Direction : Laurence Eymard, Bruno Picard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère et surfaces continentales
• Date : Soutenance le 07/03/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre national de recherches météorologiques (France)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Humidité -- Mesure

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Correction troposphérique humide

Radiomètre

Transfert radiatif

Surface

Humidité

Altimétrie

Wet tropospheric correction

Radiometer

Radiative transfer

Surface

Water vapor

Altimetry

Résumé

L'altimétrie spatiale contribue majoritairement à la compréhension de la circulation océanique régionale et globale. Elle permet aujourd'hui de fournir une cartographie de la topographie océanique à des échelles spatiales et temporelles de plus en plus fines. Le passage du signal radar à travers la vapeur d'eau de l'atmosphère implique un retard de l'onde, qui nécessite d'être corrigé : c'est la correction troposphérique humide. Des méthodes statistiques sont actuellement utilisées pour estimer la correction troposphérique humide. Elles permettent d'inverser des mesures de températures de brillance fournies par un radiomètre couplé à l'altimètre sur une mission altimétrique, à deux ou trois fréquences proches de la bande d'absorption de la vapeur d'eau, à 22.235 GHz. Bien que ces algorithmes permettent d'estimer cette correction avec de faibles incertitudes en plein océan, des améliorations sont nécessaires pour réduire les erreurs dans les zones océaniques complexes, comme les régions d'upwelling, et sur les surfaces hétérogènes, comme en régions côtières, sur glace de mer, ou sur les eaux continentales. A ces fins, une approche variationnelle uni-dimensionnelle (1D-Var) est développée dans cette thèse. Elle permet de tenir compte de la physique de l'atmosphère et des variations de la surface dans l'environnement des mesures, pour estimer la correction troposphérique de manière globale, sur différents types de surface, dans le contexte des missions altimétriques actuelles, et futures, dont les technologies instrumentales évoluent. Une analyse fine des caractéristiques de l'approche 1D-Var, et de ses performances, permet de montrer l'apport et l'impact des différents paramètres en jeu sur les variables atmosphériques restituées, et la correction troposphérique humide estimée. Les performances du 1D-Var ainsi que ses limites sont évaluées pour l'estimation la correction troposphérique humide en plein océan, en conditions de ciel clair. L'apport des mesures de températures de brillance aux hautes fréquences, typiques des missions altimétriques futures, est également analysé. Leur potentiel est exploité dans le cadre de l'estimation de la correction troposphérique humide dans les régions côtières, où les mesures de températures de brillance sont contaminées par la présence de terre dans le signal. Enfin, une analyse des estimations des émissivités de surface, et de leurs variations sur la glace de mer, est proposée dans le cadre d'une étude préliminaire à l'estimation de la correction troposphérique humide, aux interfaces complexes mer/glace de mer, dans les régions polaires.

Space altimetry is one of the major contributors to the understanding of regional and global oceanic circulation. It currently enables to provide a map of ocean topography at higher temporal and spacial scales. A propagation delay of the altimeter signal along its path through atmospheric water vapor needs to be accounted for, and corresponds to the wet tropospheric correction. Statistical methods are currently used to estimate wet tropospheric correction. These methods are fed by brightness temperature measurements provided by a radiometer coupled to the altimeter, at two or three frequencies close to the water vapor absorption line, at 22.235 GHz. While these algorithms provide wet tropospheric correction with low uncertainties over open ocean, improvements are still needed to reduce higher uncertainties in complex oceanic areas, such as upwelling regions, and over heterogeneous surfaces, as coastal regions, sea ice or inland waters. To this end, a one-dimensional variational approach (1D-Var) is developed in the frame of this thesis. This approach accounts for atmospheric and surface variability in the surroundings of the measurements, to provide wet tropospheric correction estimates at a global scale, over various surfaces, in the context of both current and future altimetry missions, with improved instrumental technologies. We first analyze the characteristics of the 1D-Var approach and evaluate its performances. The contribution and impact of the different input parameters on retrieved atmospheric variables and wet tropospheric correction are shown through this analysis. The potential and limits of the 1D-Var approach to retrieve wet tropospheric correction over open ocean, for clear sky conditions, are evaluated. The contribution of high frequencies, typical to future altimetry missions, is also analyzed. It is fully exploited to retrieve wet tropospheric correction over coastal areas, where land contamination occurs within brightness temperature measurements. A preliminary analysis of surface emissivity estimates and their variability over sea ice is also undertaken, in the frame of the 1D-Var estimation of wet tropospheric correction over sea ice/open sea transition surfaces, in polar areas.