Étude des propriétés physiques des vagues océaniques à partir d'observations par radar aéroporté à ouverture réelle

par Eva Le Merle

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, climat et observations spatiales

Sous la direction de Danièle Hauser.

Soutenue le 04-12-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....) , en partenariat avec Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....) (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Atmosphères- Milieux- Observations Spatiales / LATMOS (laboratoire) .

Le président du jury était Valérie Ciarletti.

Le jury était composé de Michel Benoit, Charles-Antoine Guérin, Céline Tison, Laïba Amarouche, Lotfi Aouf.

Les rapporteurs étaient Michel Benoit, Charles-Antoine Guérin.

mots clés

• Spectre de vagues
• Modèle de vagues
• Observations radar
• Simulation numérique
• Vagues
• Mer
• Radars spatiaux
• Simulation par ordinateur

Résumé

La compréhension et la prévision des vagues relèvent d’un enjeu économique et sociétal d’une part, notamment pour la navigation, les activités pétrolières et côtières, et d’un enjeu climatique d’autre part car les vagues participent aux échanges entre l’océan et l’atmosphère. Ces échanges se font par le biais de processus physiques complexes. L’observation des vagues par les instruments in situ et par télédétection a permis d’améliorer la représentation des vagues dans les modèles. Cependant, l'amélioration des concepts instrumentaux et l’amélioration de la représentation des processus physiques liés à l’évolution des vagues dans les modèles nécessitent de poursuivre des travaux de recherche en physique de la mesure par télédétection radar de la surface océanique. Le radar SWIM, à bord de la mission CFOSAT, est un nouveau concept dédié à la mesure des spectres de vagues. Ce système permet de fournir des informations détaillées sur les vagues à l’échelle globale. Afin de préparer la mission CFOSAT, un radar aéroporté a été développé par le CNRS-LATMOS avec le soutien du CNES. Ce radar, dénommé KuROS, utilise un principe et une géométrie de mesure comparables à ceux relatifs au radar SWIM. Les objectifs de cette thèse sont doubles : d’une part comprendre les performances et les limites du radar aéroporté KuROS, et d’autre part caractériser l’apport de l’information spectrale observée à moyenne échelle par un tel concept. La première partie de la thèse traite de la comparaison des paramètres spectraux des vagues mesurées par KuROS, lors de deux campagnes de mesure, avec des données issues de modèles de vagues. On montre en particulier que les situations pour lesquelles la longueur d’onde des vagues est inférieure à 200 m et leur hauteur significative est inférieure à 4 m sont les plus appropriées à la mesure des spectres de vagues par KuROS. Un simulateur a ensuite été développé afin de quantifier les performances des mesures en fonction de l’état de la surface marine et de la géométrie d’observation. Les résultats de ce simulateur, comparés aux observations, nous permettent de confirmer les conditions dans lesquelles les paramètres spectraux sur les vagues issus de KuROS sont obtenus avec une bonne précision et de préciser quels sont les facteurs qui impactent le plus la dégradation de la précision de mesure dans certaines conditions d’état de mer.

mots clés

• Ocean waves spectrum
• Numerical wave model
• Radar observations
• Numerical simulation

Titre traduit

Study of physical properties of ocean waves from real aperture airborne radar observations

Résumé

Understanding and forecasting waves is very important for economic and societal issues because they have an impact on the navigation, oil industry and littoral activities. Moreover, waves are the principal actor in air sea exchange processes which have an important impact on climate. Wave observations with in situ measurements and remote sensing observations allow to improve the representation of wave physical processes in the models. However, improvement of instrumental concept and the improvement of the wave representation in the models still need to pursue the work in the understand of the radar measurement over oceans. The SWIM radar, onboard the CFOSAT mission, is a new concept dedicated to the measurement of wave spectra at the global scale. This system provides detailed information about waves (height, frequency, direction, spread…). In order to prepare the CFOSAT mission, the CNRS-LATMOS developed an airborne radar with the help of the French space agency (CNES). This radar named KuROS uses measurement geometry and principle similar to the ones of SWIM. The objective of the thesis is twofold: firstly, to characterize and understand the performances and the limits of the KuROS airborne radar and secondly, to identify the complementary information provided by the spectral measurements of waves at the regional scale in the study of wave physics and modelling. The first part of the thesis is about the comparison of the wave parameters measured by KuROS during two field campaigns with data from wave models. We show that conditions with wavelengths lower than 200 m and significant wave heights lower than 4 m are the most appropriated situations for the wave spectrum measurements with KuROS. A simulator has been developed in order to evaluate the measurement performances with respect to the sea surface state and the observation geometry. The results of the simulations, compared to the observations, allow us to confirm in which conditions wave spectral parameters are obtained with a good accuracy with KuROS and to specify the factors which impact the most the measurement accuracy in some sea state conditions.