Dans le cadre de l'initiative de l'ESA sur le changement climatique, des équipes scientifiques internationales mènent des recherches pour générer 21 variables climatiques essentielles (VCE). Il s'agit d'indicateurs clés qui décrivent l'évolution du climat de la Terre et qui sont définis par le Système mondial d'observation du climat. Les 21 VCE produites par les équipes de l'Initiative sur le changement climatique (CCI) sont des VCE qui peuvent être principalement générées à partir de données satellitaires. Elles sont validées par rapport à des ensembles de données indépendants, elles présentent des niveaux élevés de traçabilité et de cohérence, et comprennent des estimations quantitatives de l'incertitude.

Processus de télédétection

Les capteurs des satellites détectent les radiations réfléchies ou émises par la Terre : de son atmosphère, des terres, des océans et des surfaces de glace. Les capteurs qui collectent passivement les radiations émises ou réfléchies par la Terre - l'origine des radiations est généralement le soleil - sont appelés capteurs passifs. Les détecteurs sont conçus pour mesurer le rayonnement dans des bandes de fréquences spécifiques.

Par exemple, le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz à effet de serre qui absorbe le rayonnement solaire dans des bandes spécifiques. L'absorbance mesurée dans ces bandes de fréquences peut être utilisée pour déterminer la concentration de CO2 dans l'atmosphère. L'impact d'autres constituants atmosphériques (tels que la vapeur d'eau, les nuages, les aérosols, l'ozone) est pris en compte dans les algorithmes développés par les scientifiques de l'ICC pour produire des cartes mondiales du dioxyde de carbone et surveiller ses niveaux depuis 2003.

Types of sensors on Earth-observing satellites. Sensors are either radiation-based: detecting energy that is reflected/emitted from the Earth's surface. Or Gravity-based: detecting the gravity variations of the Earth.

Les capteurs qui ont leur propre source d'éclairage sont appelés capteurs actifs. Ils émettent des impulsions de rayonnement et mesurent la rétrodiffusion réfléchie par la Terre et renvoyée au capteur.

Le rayonnement solaire, ses régions et les longueurs d'onde et noms de bandes correspondants.

Par exemple, un type d'altimètre envoie un signal électromagnétique (dans les micro-ondes) à la surface de la mer et enregistre le temps écoulé avant de détecter l'écho réfléchi. Connaissant à la fois la vitesse de la lumière et le temps écoulé, la distance au-dessus de la surface de la mer jusqu'à l'antenne du capteur. Avec des informations supplémentaires sur l'orbite du satellite et le géoïde de la terre, les scientifiques de l'ICC peuvent calculer le niveau de la mer avec une précision millimétrique et produire un enregistrement global de sa variation sur 25 ans.

Données sur la qualité du climat

Les VCE des ICC sont des enregistrements de données sur la qualité du climat, ce qui signifie qu'ils conviennent à la recherche sur le climat. La recherche sur le climat consiste à étudier les signaux subtils liés au climat qui se produisent sur des décennies et qui sont intégrés dans un arrière-plan bruyant de variations à court terme induites par le temps et d'autres processus du système terrestre. Ce signal de fond peut avoir une gamme dynamique jusqu'à dix mille fois plus grande qu'une tendance climatique sous-jacente.

Les ensembles de données de qualité climatique, appelés "Climate Data Records" (CDR), doivent donc avoir une longueur et une stabilité suffisantes pour les applications climatiques, et comprendre des informations permettant aux utilisateurs de décider si les données conviennent à l'usage auquel elles sont destinées.

Pour aider les utilisateurs, les organismes de coordination internationaux ont mis au point six indicateurs de qualité pour les CDR par satellite (Nightingale, J. et al. , 2018). Les fichiers de données doivent inclure des "métadonnées" sur les attributs de base des données et leur source, la documentation doit décrire de manière transparente la manière dont elle est produite, la conformité de l'ensemble de données aux exigences convenues pour les applications climatiques (par exemple les exigences du Système mondial d'observation du climat pour les VCE), et la comparaison des données avec des ensembles de données indépendants, les données doivent indiquer au niveau du pixel la fiabilité des mesures par des "indicateurs de qualité", et des estimations d'incertitude traçables doivent être fournies. .

Qu'entendons-nous par erreur et incertitude ?

L'incertitude décrit le doute que nous avons sur une valeur mesurée. Elle permet aux utilisateurs de déterminer la signification de leurs résultats et est importante pour toutes les applications des CDR, de la modélisation du climat à la recherche climatique, en passant par les services climatiques et la prise de décision. L'incertitude doit être caractérisée pixel par pixel et constitue une composante essentielle d'un CDR. Mais l'incertitude est souvent confondue avec le terme "erreur".

L'erreur de mesure est la différence entre la valeur mesurée et la "vraie valeur" dans la nature. Divers effets contribuent à l'erreur d'une mesure, mais il est impossible de connaître l'erreur de mesure (sinon nous la corrigerions). Nous devons plutôt estimer l'incertitude d'une mesure, qui est déterminée par la dispersion des valeurs mesurées (Merchant, C. et al., 2017).

Pour les CDR par satellite, des incertitudes surviennent à chaque étape du processus de production : en raison des imperfections des capteurs, des effets de l'absorption et de la diffusion du signal par l'atmosphère qui ne peuvent pas être parfaitement "corrigés", pendant l'extraction - lorsque les variables géophysiques sont calculées - et pendant le maillage et l'interpolation - lorsque les données sont produites dans les versions de niveau 3 et de niveau 4. L'incertitude qui survient au début du processus doit être prise en compte dans les étapes ultérieures du traitement.

Étalonnage et validation

Les scientifiques de l'ESA procèdent régulièrement à des évaluations de la précision des produits de données satellitaires. Les VCE dérivées sont comparées à des mesures de terrain indépendantes et aux résultats de simulations de modèles. Ces comparaisons ont deux objectifs : (i) ajuster les valeurs des données pour éliminer les biais systématiques, le cas échéant, et (ii) estimer la qualité des VCE dérivées (c'est ce qu'on appelle la validation), ce qui est nécessaire à la fois pour la science du climat et les communautés de modélisation. La validation répond à la question suivante : quelle est la qualité de cet ensemble de données ? Elle consiste à comparer les valeurs au niveau du pixel avec des mesures in situ fiables provenant du monde entier. Il existe maintenant des méthodes statistiques avancées pour estimer la précision et traiter les erreurs d'échelle. En tant que producteur de données, l'ESA déploie des efforts considérables pour aider à normaliser le processus de validation, en travaillant en étroite collaboration avec le SMOC et le Comité sur les satellites d'observation de la Terre (CEOS) pour établir des protocoles de bonnes pratiques.

L'étalonnage est le processus qui consiste à définir quantitativement la réponse d'un capteur à des entrées de signaux connues et contrôlées. Dans les techniques passives d'observation de la Terre par satellite, l'étalonnage est effectué sur la plate-forme du satellite elle-même. Par exemple, pendant le processus de mesure de la température de surface, le rayonnement infrarouge émanant d'une scène à la surface de la Terre arrive à un capteur, filtre à travers l'optique du capteur et est détecté comme un signal de tension qui est converti en comptage. Les comptages de scènes sont calibrés par rapport à des cibles de référence de température connue, appelées corps noirs, qui émettent un rayonnement avec un spectre spécifique dont la longueur d'onde de crête dépend de la température. Par conséquent, le calibrage permet de convertir les comptages de scènes en une mesure de la température de luminosité.

L'étalonnage et la validation sont des éléments importants de la production d'ensembles de données fiables et de haute qualité.

Tous les ensembles de données VCE de l'ICC sont entièrement validés et présentent des niveaux élevés de traçabilité et de cohérence, y compris des estimations quantitatives de l'incertitude requises par les communautés de la science du climat et de la modélisation.