26 nov 2012 Juliette Lambin, CNES Lundi 26 novembre 2012 Contact: Juliette Lambin [email protected] (+33 5 61 28 31 74)[email protected] )

26 nov 2012 Juliette Lambin, CNES

Lundi 26 novembre 2012

Contact: Juliette Lambin [email protected] (+33 5 61 28 31 74)

)

Juliette Lambin, CNES, DSP/TEC

Missions satellite pour l’étude des océans et du climat

mailto:[email protected]

Ocean observation satellites-; Juliette Lambin, CNES2

Océans: Que mesure-t-on depuis l’espace?

Topographie de surface - courants: TOPEX/POSEIDON, ERS, GFO, ENVISAT, JASON-1, JASON-2

CRYOSAT-2, HY-2, JASON-3/CS, SWOT, SENTINEL-3Vent de surface :

ERS, SEAWINDS/ADEOS-2, QuikSCATMETOP-1, METOP-2, OCEANSAT-2 , Hy-2, CFOSAT…

Température de surface : ERS, Satellites météo, ADEOS-2, ENVISATSatellites météo, Sentinel-3

Hauteur et spectre des vagues : ERS, ENVISAT, RADARSAT (-1, -2, -3)TerraSAR (-L), Cosmo, CFOSAT,

Couleur de l’eau: SeaWIFS, MODIS, ENVISAT, OCEANSAT, HY-1

Géoide : CHAMP, GRACE, GOCE

Salinité : SMOS, AQUARIUS …


L’océan physique et les mesures spatiales

Les satellites permettent de mesurer les paramètres physiques de l’océan:

Température de surface

Vent de surface

Topographie de surface (altimétrie)

Dynamique de l’océanElévation du niveau de la merMarées

Etat de mer (vagues, houle, nappes)

Salinité

Glaces de mer

Description de la « machine océan » et de ses interactions avec l’atmosphère

Grande maturité de ces techniques, bon niveau

de coordination internationale

Techniques plus récentes, mais déjà largement exploitées


L’environnement marin et les mesures spatiales

Essentiellement les mesures de l’océan « physique », plus:

La couleur de l’eau: accès aux concentrations en chlorophylle, et donc à la concentration en phytoplancton

Le suivi des animaux marins, via les systèmes Argos

La détection de surfaces « lisses », liées à des nappes d’hydrocarbures, des nappes d’algues

Assimilation dans des modèles (MERCATOR / MyOcean) ,

pour avoir une synthèse de l’état de l’océan

Imagerie optique:SeaWIFS, MODIS,

ENVISAT, Sentinel-3

Système ARGOS

Radar: ENVISAT, Sentinel-1


Niveau moyen par altimétrie: dernière courbe (Aviso)


Church et al., 2004, 2006

Holgate and Woodworth, 2004

Altimétrie spatiale

+ 1.8 mm/an

Marégraphes

Hausse du niveau de la mer au cours du 20ème siècle

+ 3.3 mm/an


Niveau moyen par altimétrie: variations géographiques (Aviso)


Besoin en termes d’échantillonnage

1m10m

100m1km

10km100km

1000km104km

10

0yr

10

yr

1yr

1m

on

1w

k1

dInternal tides

Mesoscale &Sub-mesoscale

Physical-biologicalinteractions

Internal Waves andInternal motions

Surface tides

CoastalUpwelling

Eddiesandfronts

Seasonal cycle

El Niño

Basinscale

variability

Rossbywaves

Barotropicvariability

Best local samplingcapability

Globalsamplingcapability

(multimission)

Ordre de grandeur des principaux processus océaniques. (Dérivé de Dickey et al, et Chelton et al 2001)

■ Ordre de grandeur de la capacité d’échantillonnage altimétrique pour une constellation à 2 – 4 altimètres(globale et meilleures conditions locales)


Besoin multi-mission communément admis

au minimum une mission “de référence” (TOPEX,Jason-1,2,3…) pour l’altiémtrie haute précision

Sert ausi à recaler les autres missionsBesoin de missions complémentaires

Niveau des mer, recherche => au minimum 2 altimètres Océanographie opérationnelle (temps quasi-réel) => au minimum 4 altimètres Futur (haute résolution, mésoéchelle) => SWOT, constellations

Cycle de répétitivité

Inclinaison Altitude produits héliosynchrone

Jason 1 et 2

10 jours 66° 1345 km 3h, 2 j., 40 j. non

Envisat 35 jours 98,5° 781 km 3h, 2 j., 40 j. oui

Sentinel-3 27 jours 98,6° 800 km 3h, 2j., 40 j. oui

GFO 17 jours 108° 880 km non

SWOT 22 jours 74-78° 930 km 3 mois. non


10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

CRYOSAT-2 Europe

Complementary Missions - Medium Accuracy/Higher Inclination

Broad-Coverage Mission

Saral/AltiKa Fr./India

HY-2B China

HY-2A China

0908

Reference Missions - Higher Accuracy/Medium Inclination

Jason-2 Europe/USA

LaunchDate

12/01

GFO-2 USA2/98 GFO USA

3/02

Jason-1 Fr./USA Jason-3 Europe/USA

Design Life Extended Life ProposedApprovedOperaing

Sentinel-3C/D

Sentinel-3B Europe

SWOT USA/France

Jason-CS A and B Europe/USA

Sentinel-3A Europe

fp July 2012

Move to geodetic orbit

LostENVISAT Europe

Altimetry virtual constellation status


GRAVIMETRIE SPATIALE – Missions

CHAMP, GRACE et GOCE

Mesure du Géoïde et de ses variations.

Essentiel pour- la précision des

missions altimétriques (orbitographie)

- La connaissance du géoïde=> topographie dynamique absolue

- Bilan en masse des glaces et bassins hydrologiques


Jason series

Jason-1 and 2: Operational mission underway

Products distributed routinelyCNES operations funded through SALPTandem flight: orbits interleaved in space and time: best

configuration for operational needsJason-1 launched in 2001, in extended lifetime since 2004. Moved to geodetic orbit in 2012.

End of life planning activitiesJason-2 launched in 2008, in nominal lifetime

Jason-3 in development phase, launch planned for end of 2014.


10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Bande Ku

Bandes C & Ku

HY-2B China

HY-2A China

0908

Bande CMETOP-A Europe

LaunchDate

10/06

6/99 QuickScat USA

Design LifeExtended

LifeProposed NeededApproved

Operating

METOP-C Europe

METOP-B Europe

CFOSat China/France

GCOM-W2 with DFS Japan/u.s.

Meteor-M3 Russia

Oceansat-2 India

Oceansat-3 India

GCOM-W3 Japan/u.s.

Post EPS Europe

CFOSAT dans la constellation OSVW(Ocean Surface Vector Wind)


GMES Space component: Sentinel rpograms at ESA


Sentinel 1 - Sentinel 3

Sentinel-1 (A & B):

SAR Imaging radar SAR Continuity ASAR/ENVISAT Launch end 2013

Ocean parameters: Sea state Surface currents, Ship detection, Slick detection…

Sentinel-3 (A & B) :

3 Instruments (continuity envisat) TOPO: Altimetry payload (altimeter, radiometer, POD) OLCI: ocean color SLSTR: sea surface temperature

Launch: ~2014 et ~2017

Also in GMES Space component: Jason-CS (not yet approved):

Reference altimetry mission, continuity of Jason-3 Launch 2018?


One slide on… HY-2A

Physical oceanography satellite from "China National Space Administration" (CNSA),

Altimetry payload: Ku-C altimeter, Ku/K/Ka radiometer,

LRA, GPS, DORIS Ku-band Wind scatterometer 5-frequency radiometer (SST°)

CNES participation:

POD processing Inclusion of altimetry data into AVISO multimission

product (after validation)

Launched August 15, 2011

Orbit data of good quality Limited set of altimetry data received at CNES for

validation Waiting for regular delivery from NSOAS to include Hy-

2 intercalibrated data into AVISO/DUACS system

(serving in particular MyOcean)

HY for Hai Yáng (ocean)

SSO orbit, ~970 km

14-day cycle (2 years), then

168-day (geodetic) orbit for 1 year


One slide on… SARAL Satellite for Argos and ALtiKa

Cooperation with ISRO

(India Space Research organization)

Ka-band nadir altimetry mission

Higher precision, shorter along-track sampling

Gap filler between ENVISAT & SENTINEL3 Same orbit as ENVISAT (35 days, SSO) New Ka-band altimeter, higher precision,

compact design, integrated radiometer/altimeter POD: DORIS, LRA Other CNES payload Argos-3 instrument, X-band

telemetry

Status:

launch scheduled for12/12/12 PSLV launcher (ISRO)

Data policy : ~ the same as JASON missions

PI: Jacques Verron (LEGI)


Two slides on… CFOSAT China-France Oceanography SATellite

China-France Cooperation Currently in phase C/D Launch expected end of 2014

SWIM, new spaceborne instrument

technology innovations (antenna, on-board digital processing)

Nadir chanel ~altimeter

SCAT, new concept of wind scatterometer

Ku-band, rotating fan-beam

Access to 2D wave spectrum with high angular resolution and with global scale

Joint measurements of winds and waves

PI: Danièle Hauser (CNRS/LATMOS)

►SSO Orbit, 7am descending►519 km altitude, 13-days cycle

Ocean observation satellites-; Juliette Lambin, CNES20 20

SWIM instrument

Surface Waves Investigation and Monitoring

Real aperture radar in Ku-band 6 incidence angles: 0°, 2°, 4°, 6°, 8° et 10°

Rotation speed: 5.7 rpm

Will measure: Directionnal wave spectrum in the wavelenght

range 70-500 m Accuracy: 10% on wavelength, 15° on direction, 15% on

spectral level around the peak

SWH and wind speed from nadir

Normalized radar cross-section from 0° to 10°Absolute accuracy of ±1 dB, relative accuracy between

incidences ± 0.1 dB

Airborne instrument in 2012 (KUROS)

OSTST 2011 – Juliette Lambin 21


00:00 UTC 06:00 UTC 08:00 UTC 15:00 UTC10:00 UTC

Reference: 2D spectrum from WAM model

CFOSAT/SWIM estimation (simulations from SimuSWIM)

Hs: 6.5 mU: 17.3 m/s

Hs: 6.1 mU: 8.8 m/s

Hs: 5.8 mU: 22.2 m/s

Hs: 5.1 mU: 11.7 m/s

Hs: 6.5 mU: 21.0 m/s

Prestige SOS 14:00 UTC


One slide on… SWOT Surface Water and Ocean Topography

Hydrology and Oceanography mission

Global, repeated high-resolution elevation measurements of ocean and inland water bodies

Baseline payload :

Ka-band interferometric altimeter (KaRIn) Traditional altimetry payload

CNES budget secured in March’11 through General Investment Fund

NASA/CNES Cooperation scheme approved

Mission Concept Review succesfully passed in Sept 2012

Phase A just started at NASA…

CNES involvement:

Participation in KaRIn DORIS, Altimeter Platform Ground segment

Launch ~2020 !


Mission SWOT: Surface Water and Ocean Topography

Jason

T/P

100 km

■Mission proposée dans le cadre d’une collaboration NASA/CNES, pour un lancement vers 2018

■Le futur de l’altimétrie (cartographie haute résolution, côtier)

■Une révolution à venir en hydrologie


range

ground resolution

swath

swath

ground resolution

Improvementof range resolution

1°4°

Speed (azimuth – along-track)

De l’altimétrie nadir à l’altimétrie à fauchée(courtesy J.-C. Souyris)


ALONG TRACK

Azimuth

reso

lutio

n

ALONG TRACK

On utilise le déplacement du satellite pour « simuler » une antenne radar plus large, donc

une résolution au sol plus fine

Azim

uth

reso

lutio

n

La synthèse d’ouverture


From nadir altimetry to swath altimetry

h

B

q

H

r2

r1

A1A2

M

),,,( 1 rBHfh

Interferometric Phase (r1-r2)

Range (on-board clock)Orbit(DORIS, GPS)

Baseline

Height restitution by interferometry

Conclusion / remarques

■OcéansUn bon nombre de paramètres sont accessibles par des mesures spatiales

Essentiellement océan physique, avec des limites à garder en tête· Surface de l’océan « impénétrable » · Cas particuliers: altimétrie et gravimétrie qui donnent accès à une observable

« intégrée »· Echantillonage:

– compromis revisite, couverture– Résolution vs fauchée– Aliasing des signaux haute fréquences: marées, surcôtes etc.

■Climat Difficultés spécifiques

· Continuité inter- missions· Étalonnage: comment, sur quoi, hypothèses sous-jacentes ?· Signaux en limite de détectabilité

Thank you !

Jason series

SWOT

CFOSAT

SARAL

Documents

26 nov 2012 Juliette Lambin, CNES Lundi 26 novembre 2012 Contact: Juliette Lambin [email protected] (+33 5 61 28 31 74)[email protected] )