Validation des missions de gravimtrie spatiale apport du

Validation des missions de gravimétrie spatiale: apport du réseau de gravimètres supraconducteurs et présentation d’une expérience pilote en Afrique J. Hinderer, C. de Linage et J. -P. Boy EOST/IPG Strasbourg France

Doc. M. Purucker 2004

Validation des missions de gravimétrie spatiale • utilisation de modèles (atmosphère, océans, hydrologie, marées, rebond post-glaciaire) peu satisfaisant conceptuellement • expérience contrôlée: effet sur le géoide du remplissage du barrage des 3 Gorges en Chine (suivi temporel du niveau d’eau + mesures géodésiques) Boy & Chao 2002 difficile car localisé (40 km 3, 600 km x 1 -2 km) et contribution souterraine inconnue • utilisation d’un réseau de capteurs de pression de fond de mer difficile car faible nombre et signal faible • utilisation d’un réseau de stations GPS indirect mais échelle spatiale comparable • utilisation de données de gravimétrie ‘sol’ cet exposé

Quelques exemples d ’études basées sur des données de gravimètres supraconducteurs: • CHAMP/GGP (Neumeyer et al. 2004) comparaison en station isolée • GGP/HYDRO (Zerbini et al. 2002, 2003; Boy & Hinderer 2005) • GGP/HYDRO (Crossley et al. 2002, 2003, 2004, 2005) idem réseau avec EOF • GRACE/GGP/HYDRO (Neumeyer et al. 2005; Andersen et al. 2005; Hinderer et al. 2005) comparaison en station isolée + études méthodologiques (Llubes et al. 2004) + études locales corrélant la gravité à la hauteur de nappe, pluviométrie etc. .

Projet MOVE (Meridional Overturning Variability Experiment) dans l’Atlantique Nord Kanzow et al. 2005 Déploiement de capteurs de pression de fond de mer Ocean bottom pressure (OBP)

Projet japonais multi-technique sur le courant de Kuroshio Emplacement des SG du projet Pression au fond Doc. T. Sato 2005

Quelques remarques sur la comparaison sol-orbite en gravimétrie • 3 contributions à la variation de gravité au sol : 1. Attraction newtonienne 2. Terme élastique de transport dans le champ existant (dû 3. à la déformation radiale (termes en h’n) 3. Terme élastique dû à la redistribution des masses (termes 4. en k’n ) alors que le satellite est insensible au deuxième terme Δgsat (n + 1) (1 + k’n) ------ = -------------------- pour une surcharge hydrologique Δgsol (n + 1) - 2 h’n + (n + 1) k’n Fonctions de transfert différentes

Problème de l’hydrologie locale! • importance de la topographie locale (GPS différentiel) • importance de l’humidité du sol locale (réseau de capteurs) Bonne quantification du terme d’attraction newtonien

• écarts importants à 1 pour les bas degrés • convergence vers 1 pour les hauts degrés • variation de gravité vue par satellite < celle observée au sol

Validation de GRACE par mesures GPS Comparaison GPS/GRACE Station Brazilia Davis et al. 2005

Apport du réseau de gravimètres supraconducteurs Global Geodynamics Project (GGP) Réseau disponible En Europe

GGP/GRACE/HYDRO Neumeyer et al. 2005 Hydro = H 96 (Huang et al. 1996 Fan and Van den Dool 2004)

Décomposition EOF des champs GRACE HYDRO (Lad. World) PC 1: 83. 5 % variance reduction PC 2: 10. 9 % PC 1 : 75. 75 % PC 2 : 5. 72 %

GGP/GRACE/HYDRO Andersen et al. 2005 Hinderer et al. 2005 Hydro = Lad. World (Milly & Smakin 2002) GLDAS (Rodell et al. 2004)

GGP/HYDRO Boy & Hinderer 2005 Hydro = Lad. World (Milly & Shmakin 2002)

Corrélation entre gravité et hydrologie

Projet pilote de validation sol Mesures gravimétriques en Afrique du Sahara à l’Afrique équatoriale Deux objectifs: • validation sol des mesures de gravimétrie spatiale (GRACE) • Comparaison entre modèles et observations multi-disciplinaires (gravité, géodésie, hydrologie, météorologie) des variations saisonnières du stock d’eau en Afrique

Projet fédérateur de plusieurs équipes en France: • Strasbourg (J. Hinderer) • Montpellier (R. Bayer) • IRD (S. Bonvalot) • CNES/GRGS (G. Balmino) • IPG Paris (M. Diament) • Service d’Aéronomie Paris (O. Bock) + apport de plusieurs équipes européennes: • BKG Germany • ECGS Luxemburg • ORB Belgium • FGI Finland FG 5/A 10 FG 5#206 FG 5#228 A 10 GRACE A 10 GPS

Variation saisonnière de gravité vue par GRACE et prédite par les modèles d’hydrologie globale GRACE HYDRO Andersen et al. 2005 HYDRO: modèle moyen à partir de 5 modèles récents: CPC, LADWorld, GLDAS, NCEP Reanalysis et Au et al. (2003) Tapley et al. 2004 ; Wahr et al. 2004 ; Ramillien et al. 2004, 2005

Où sont les différences entre modèles hydrologiques? Andersen et al. 2005 Forte variabilité en Afrique équatoriale (déviation standard de 2 μGal)

Deux types de mesures gravimétriques au sol: • répétition de 3 profils de gravimétrie absolue pour appréhender les forts changements d’humidité du sol prédits par les modèles hydrologiques • l’installation d’un gravimètre supraconducteur (SG) à Nsimi (Cameroun) en tant que station de base de mesures continues de gravité dans la région des variations les plus fortes

Instrumentation prévue dans le projet AG FG 5 Mesures de gravimétrie absolue sur 3 profils de répétition + A 10 (gradients + densification) SG field Mesures continues de gravité dans une station de référence

Observations GPS disponibles dans la région Doc. O. Bock • GPS vital pour déterminer le mouvement vertical et la contribution à l’air libre en co-localisation des mesures de gravité

Description des profils de répétition Nsimi SG profil 1 TAM (Algérie)-AGA (Niger)-NYA Niger)-PAR (Bénin)-COT (Bénin) profil 2 TAM (Algérie)-GAO (Mali)–MOP (Mali)–BAM (Mali)–TAB (Sénégal) profil 3 FRA (Gabon)-YAO (Cameroun)-BAN (Rép. Centrafricaine)

Site de référence SG: Nsimi (100 km au Sud de Yaoundé, Cameroun) Forte concentration de mesures hydrologiques in-situ ORE BVET (Bassins Versants Expérimentaux)

Bassin du Niger Bassin du Sénégal Test ‘zéro’ 419 575 km 2 2 261 741 km 2 2 zones d’intérêt: • la zone désertique du Sahara avec pratiquement pas de contribution hydrologique • 2 bassins dans la zone équatoriale de mousson à forte variation hydrique

Variations mensuelles de gravité et du mouvement vertical 2001 -2004 dues à l’hydrologie en Afrique (modèle GLDAS) Eau (mm) Gravité (μGal) vertical (mm)

Différences entre modèles et observations en Afrique Lad. World (n = 180) Lad. World (n = 15) GRACE (n = 15)

Déplacement radial et variation de gravité induits par l’hydrologie ( modèle Lad. Word) sur le profil 1 Test ‘zéro’

Déplacement radial et variation de gravité induits par l’hydrologie ( modèle Lad. Word) sur le profil 2

Déplacement radial et variation de gravité induits par l’hydrologie ( modèle Lad. Word) sur le profil 3 Effet maximal: 20 μGal en gravité 10 mm en vertical

Exigences du projet: • coopération étroite entre groupes en France et en Europe pour permettre la répétition fréquente des mesures de gravimétrie absolue sur les profils • mesures en co-localisation du déplacement vertical par GPS pour retirer le terme ‘à l’air libre’ de la variation de gravité • mesures in-situ des paramètres hydrologiques pour une modélisation précise des effets locaux • nouvelles approches de traitement des données GRACE pour une meilleure résolution en temps et dans l’espace sur la zone étudiée

En résume, ce projet permettra: • une mise en oeuvre du test ‘zéro’ dans une zone aride (Sahara) • une confrontation observations/modèles dans une zone à forte contribution hydrologique (mousson africaine) • une coopération accrue entre disciplines variées (gravimétrie, géodésie sol et spatiale, hydrologie, météorologie) • une complémentarité au programme AMMA (Multi Disciplinary Model of African Monsoon) Meilleure connaissance des ressources en eau dans une zone très critique en Afrique Attention: il y a urgence car GRACE a été lancé en 2002…

Merci!

geoid (mm) surface density (kg. m-2) g 2/4πG = a ρEg/3 pressure (Pa) σ = P/g surface load h = P/ρw g = σ/ ρ h (cm) = σ/ 10 (kg. m-2) radial displacement (mm) Δg(θ, λ)sat = g ΣnΣm (n + 1) Pnm(cos θ) [Cnm cos m λ + Snm sin m λ] Δg(θ, λ)sol = - g ΣnΣm [n δ’n /(1 + k’n)] Pnm(cos θ) [Cnm cos m λ + Snm sin m λ] with n δ’n = - (n + 1) + 2 h’n – (n + 1) k’n

Contribution annuelle au déplacement vertical atmosphère violet 4 mm océans rouge 2 -3 mm neige vert 3 -5 mm humidité du sol bleu 2 -7 mm Dong et al. 2002 40% de la variance des variations annuelles de la composante verticale observées par GPS est expliquée par ces diverses surcharges géophysiques.