Valorisation des données altimétriques de SARAL/AltiKa pour l'étude de la calotte Antarctique

Development of SARAL/AltiKa altimetric data over the Antarctic ice sheet

• Auteur / Autrice : Aurélie Michel
• Direction : Frédérique Rémy, Annabelle Ollivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère et surfaces continentales
• Date : Soutenance le 28/06/2016
• 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 : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Radioaltimètres

Changements climatiques

Mots clés libres

Télédétection

Traitement de données

Traitement du signal

Altimétrie

Antarctique

SARAL

ENVISAT

ICESat

Remote Sensing

Data processing

Signal processing

Altimetry

Antarctica

SARAL

ENVISAT

ICESat

Résumé

L'Antarctique est encore un continent à explorer pour comprendre le climat terrestre, passé, présent et futur. Grâce à l'analyse des carottages, on peut remonter l'histoire du climat terrestre sur plusieurs centaines de milliers d'années. Grâce à l'étude de sa topographie, on peut remonter à la variabilité de son climat, connaître sa dynamique : écoulement de la glace, vêlages d'icebergs. . . Grâce au suivi de la topographie, c'est-à-dire la variation de la hauteur de glace, on peut estimer les pertes et les gains de masses ainsi que la contribution à la hausse du niveau de la mer, pour déduire l'impact sur les océans et les littoraux. Pour explorer ce continent, nous utilisons dans cette thèse l'instrument embarqué sur satellite qu'est l'altimètre. Une onde radar ou laser est envoyée sur le sol et la réflexion de ce signal est enregistrée permettant d'extraire des paramètres pertinents et la hauteur de glace. Les satellites ont pris le relais des expéditions célèbres du XIXème siècle, notamment depuis le lancement du premier altimètre couvrant jusqu'à 82æ S ce continent, embarqué sur la mission ERS-1. Depuis 2013, SARAL marque un changement dans les caractéristiques instrumentales par rapport aux missions précédentes, car elle émet dans une fréquence appartenant à la bande Ka (36.75 Ghz) au lieu des bandes Ku (13.6 Ghz) et S (3.2 Ghz) ce qui implique une interaction avec la surface différente qu'il faut pouvoir comprendre. Avec près de trois ans d'observations, ce manuscrit regroupe les travaux sur le traitement des données altimétriques dans un but de valorisation de la mission SARAL. Nous présentons le contexte géographique et le contexte technique pour montrer les difficultés du traitement des données . En utilisant la méthode des points de croisement que nous expliciterons, nous présentons l'importance de la comparaison de deux missions concomitantes, ENVISAT et ICESat afin d'estimer la profondeur de pénétration en bande Ku de l'onde radar et corriger de cet effet, étude que l'on pourra répéter avec SARAL une fois la mission ICESat-2 lancée. Nous avons adapté une chaîne de calibration et de validation des données sur glace continentale qui nous permet d'établir des diagnostics, des statistiques et des suivis temporels. La pente de la surface joue un rôle prépondérant dans la dégradation de la précision des données. Nous mettons en place un processus de sélection des données altimétriques afin d'augmenter cette précision. Grâce à cette sélection et l'application de la correction de marée océanique, nous quantifions avec des métriques aux points de croisement la performance de la mesure de SARAL sur glace continentale, et nous réduisons l'imprécision de la mesure de plus de 90%. Enfin, grâce aux sorties de notre chaîne de validation, nous décrivons les observations de SARAL sur près de trois ans afin d'apporter une analyse préliminaire cohérente avec la mission précédente qu'est ENVISAT. Nous soulevons les améliorations à apporter pour aller plus loin dans la physique de la mesure. Que ce soit la comparaison avec d'autres missions, l'utilisation de modèles ou des modifications dans l'algorithme d'extraction des paramètres du signal appelé retracking, SARAL apporte de nouvelles perspectives afin que l'évolution de la calotte Antarctique soit connue avec une précision toujours croissante.

Antarctica still remains a fascinating place to be explored. With ice corings, the past Earth climate can be retraced. Studying its surface, its climate variability and its dynamic are better known : ice velocity, iceberg calvings. . . Through the height variations monitoring, ice gains and losses are estimated, leading to the contribution to the sea-level rise, from which is deduced the impact over coastal areas or the oceans. To explore this continent, we use the sensor called altimeter : a radar or laser wave is sent from the satellite to the surface and the reflected signal is recorded. From this signal we extract relevant parameters and the height. The satellites have observed this area, notably since the altimetric mission ERS-1 launching, until 82æ S in 1991, following the still famous explorations from the beginning of the twentieth century. SARAL, launched in February 2013, innovates because of the major change in the frequency used, the Ka-band (36.75 Ghz) instead of the Ku-band (13.6Ghz) and the S-band (3.2 Ghz) implying a different interaction between the radar wave and the snowpack that needs to be investigated. Using almost three years of observations, we focus on the altimetric signal processing and its validation. The geographic and the technical aspects are introduced and we show the limitations in the altimetric data processing. Using the crossover method (explained in greater detail later), we compare two simultaneous missions, ENVISAT and ICESat in order to better constrain the penetration effect of the radar-wave into the snowpack and correct it. The method that is used will be of great interest to compare SARAL with the future mission ICESat- 2. A new calibration and validation tool has been implemented, allowing a long-term survey of the Antarctic area, providing statistics, diagnostics and temporal series. The slope effect is the major limitation in the precision assessment of the mission. Thanks to a new way of selecting the data and the oceanic tide correction, we quantify with metrics computed at crossover points the accuracy of altimetric data over the Antarctic ice sheet. We describe in the last part the SARAL observations to give a preliminary analysis in agreement with the former mission ENVISAT. Other ways of improvement are presented, like future altimetric missions, modifications in the so-called retracking algorithm that extracts the relevant parameters or even the use of models. SARAL raises perspectives to estimate with a growing precision the evolution of the Antarctic continent, and this thesis is a state of the art about the different possible processings needed to do so.