De la détermination de la salinité de surface des océans à partir de mesures radiométriques hyperfréquences en bande L - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2003

Determination of surface salinity of the oceans from microwave radiometer at L-band

De la détermination de la salinité de surface des océans à partir de mesures radiométriques hyperfréquences en bande L

Résumé

The remote sensing by satellite is nowadays a component with whole share of oceanography. It makes it possible to take measurements of winds, of Sea Surface Temperature (SST), of water color, of topography... with spatial and temporal covers quite higher than those obtained by in situ methods. However, there does not exist at the present time satellite measurement of Sea Surface Salinity (SSS) and this one remains under sampled at the same time spatially and temporally. Salinity being a significant parameter for the circulation of the oceanic water masses, its global and regular observation would constitute a substantial contribution to physical oceanography. This is why many scientific teams throughout the world currently take up the technological challenge of the remote sensing of the SSS by satellite, and particularly in Europe thanks to the mission of the European Space Agency "Soil Moisture and Ocean Salinity" (SMOS). During my thesis, I studied the feasibility of the measurement of the SSS with a microwave radiometer at L-band (i.e. frequency = 1.4 GHz < = > wavelength = 21 cm), by estimating the uncertainty sources on the SSS which will be restored within the framework of the SMOS mission. For that, I coded a direct model, which simulates the physical processes intervening from oceanic surface up to the antenna of the radiometer. This model is made up of a "two scales" emissivity model (i.e. one distinguishes the waves being “large" or "small" with respect to the wavelength of the radiometer) of the sea surface, and of a radiative transfer model for the atmosphere. The emissivity model allowed me to estimate the sensitivity of the ocean brightness temperature (Tb) to the geophysical oceanic parameters (i.e. SSS, SST, and roughness of the surface induced by the wind or the by swell), like the uncertainty on this sensitivity by comparing the results obtained starting from different parameterizations. I concluded from these studies that the sensitivity of Tb to the SSS is relatively well-known (of the order of some tenths of a Kelvin by psu) but that the effect of roughness is very uncertain because of the imprecision of the wave spectrum models, whereas this effect does not seem to be negligible (sensitivity of Tb to the wind lying between 0.12 to 0.25 K/(m/s) according to the wave spectrum model). The model of radiative transfer allowed me to estimate various contributions of the atmosphere (attenuation of the radiations and self-emission), as well as the sensitivity of these contributions to atmospheric parameters (i.e. profiles of temperature, pressure and relative humidity). At L-band, the atmosphere is almost transparent (optical thickness ~ 0.01 neper) and its Tb is of the order of 2 K. These effects are not very sensitive to atmospheric parameters, particularly with the water vapor. I also present in the thesis comparisons between the model and recent radiometric measurements at L-band (WISE 2000, WISE 2001 and EuroSTARRS campaigns) as well as the conclusions on the validity of the various models of wave spectrum studied.
La télédétection par satellite est aujourd'hui une composante à part entière de l'océanographie. Elle permet d'effectuer des mesures de vents, de température de surface (SST), de couleur de l'eau, de topographie, ... avec des couvertures spatiales et temporelles bien supérieures à celles obtenues par des méthodes in situ. Cependant, il n'existe pas à l'heure actuelle de mesure satellitaire de salinité de surface des océans (SSS), et celle-ci reste sous échantillonnée à la fois spatialement et temporellement. La salinité étant un paramètre important pour la circulation des masses d'eau océaniques, son observation globale et régulière constituerait un apport conséquent à l'océanographie physique. C'est pourquoi de nombreuses équipes scientifiques à travers le monde relèvent actuellement le défi technologique de la télédétection de la SSS par satellite, et particulièrement en Europe grâce à la mission de l'Agence Spatiale Européenne « Soil Moisture and Ocean Salinity » (SMOS). Au cours de ma thèse, j'ai étudié la faisabilité de la mesure de la SSS à l'aide d'un radiomètre hyperfréquence en bande L (i.e. fréquence = 1.4 GHz <=> longueur d'onde = 21 cm), en estimant les sources d'incertitude sur la SSS qui sera restituée dans le cadre de la mission SMOS. Pour cela, j'ai codé un modèle direct, qui simule les processus physiques intervenant depuis la surface océanique jusqu'à l'antenne du radiomètre. Ce modèle est constitué d'un modèle d'émissivité de la mer à « deux échelles » (i.e. on distingue les vagues selon qu'elles soient « grandes » ou « petites » par rapport à la longueur d'onde du radiomètre), et d'un modèle de transfert radiatif à travers l'atmosphère. Le modèle d'émissivité m'a permis d'estimer la sensibilité de la température de brillance (Tb) de l'océan aux paramètres géophysique océanique (i.e. SSS, SST, et rugosité de surface induite par le vent ou la houle), ainsi que l'incertitude sur cette sensibilité en comparant les résultats obtenus à partir de paramétrisations différentes. J'ai conclu de ces études que la sensibilité de la Tb à la SSS est relativement bien connue (de l'ordre de quelques dixièmes de Kelvin par psu) mais que l'effet de la rugosité est très incertain à cause de l'imprécision des modèles de spectre des vagues, alors que cet effet ne semble pas être négligeable (la sensibilité de la Tb au vent étant comprise entre 0.12 à 0.25 K/(m/s) selon le modèle de spectre). Le modèle de transfert radiatif m'a permis d'estimer les différentes contributions de l'atmosphère (atténuation des rayonnements la traversant et émission propre), ainsi que la sensibilité de ces contributions aux paramètres atmosphériques (i.e. profils de température, pression et humidité relative). En bande L, l'atmosphère est quasiment transparente (épaisseur optique ~ 0.01 néper) et sa température de brillance est de l'ordre de 2 K. Ces effets sont peu sensibles aux paramètres atmosphériques, particulièrement à la vapeur d'eau. Je présente aussi dans la thèse des comparaisons du modèle avec des mesures radiométriques en bande L récentes (campagnes WISE 2000, WISE 2001 et EuroSTARRS) ainsi que les conclusions sur la validité des différents modèles de spectre de mer étudiés.
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Dates et versions

tel-00003277 , version 1 (27-08-2003)

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  • HAL Id : tel-00003277 , version 1

Citer

Emmanuel P. Dinnat. De la détermination de la salinité de surface des océans à partir de mesures radiométriques hyperfréquences en bande L. Physique [physics]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00003277⟩
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