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Radiative Transfer Models (RTM) have many applications in the satellite microwave remote sensing field, such as the retrieval of oceanic and atmospheric environmental parameters, including surface wind vectors and sea surface temperatures, integrated water vapor, cloud liquid, and precipitation. A key component of the ocean RTM is the emissivity model used to determine the brightness temperature (Tb) at the ocean’s surface. A new wideband ocean emissivity RTM developed by the Central Florida Remote Sensing Laboratory (CFRSL) calculates ocean emissivity over a wide range of frequencies, incidence angles, sea surface temperatures (SST), and wind speed. This thesis presents the validation of this CFRSL model using independent WindSat Tb measurements collocated with Global Data Assimilation System (GDAS) Numerical weather model environmental parameters for frequencies between 6.8 to 37 GHz and wind speeds between 0 – 20 m/s over the July 2005 – June 2006 year. In addition, the CFRSL emissivity model is validated using WindSat derived ocean wind speeds and SST that are contained in the Environmental Data Record (EDR) and combined with the GDAS environmental parameters. Finally, the validation includes comparisons to the well-established XCAL ocean emissivity RTM. The focus of this validation and comparison is to assess performance of the emissivity model results with respect to a wide range of frequency and wind speeds but limited to a narrow range of incidence angles between approximately 50° - 55°

In this dissertation, I explore elements of the changing Arctic Ocean through the application of Stable Isotope, Noble Gas Isotopes, and sulfur hexafluoride (SF6) to better understand ice dynamics for freshwater balance, air/sea gas exchange and ocean circulation. For the tracer studies of stable isotope fractionation, our approach is to use sea ice core data to determine the stable oxygen isotope effective fractionation coefficient. The result is an average value close to 2.2 ‰, which is compared to literature values. For the tracer studies of air/sea gas exchange, we use Neon (Ne) and Helium (He) isotope data sets collected in the ‘Switchyard’ region of the Arctic Ocean between 2005 and 2013 and in the Greenland and Norwegian seas between 1994 and 1999. The Switchyard data show a distinct excess in Ne concentrations in the upper waters. We hypothesize that rejection of Ne during sea ice formation accounts for the Ne excess in the Switchyard area of the Arctic Ocean. Based on this hypothesis we estimate sea-ice formation rates by integrating the Ne excess from the surface to the Atlantic Water layer. The resulting amount of excess Ne corresponds to formation of a nearly 4 m thick sea ice layer. We compare the sea ice formation obtained from the Ne excess method with an independent estimate based on oxygen isotope ratio anomalies ?18O, which is nearly 6.07 m. The difference in the sea ice formation estimated by these two methods indicates loss of Ne through leads. We estimate that the gas exchange rate through the sea-ice cover is ca. 11.3 percent per year. The gas exchange rate through sea-ice covered water would be 0.015 meters per day. For the tracer studies of mean residence times, we analyzed tritium (3H), helium isotope (3He and 4He) and sulfur hexafluoride (SF6) samples collected in the ‘Switchyard’ region of the Arctic Ocean between 2008 and 2013. We calculated apparent tracer ages using the 3H/3He ratios and the partial pressure of SF6 and compare their values for the depth interval between the surface and the core of the Atlantic Water layer. The apparent tracer ages range from zero to about 30 years. Generally, the linear correlation between the 3H/3He and SF6 apparent ages was strong, with the coefficient of determination R2 of 0.94. We explore deviations from this linear trend and discuss them in the context of mixing, air-sea gas exchange, and the impact of sea ice formation on the helium and SF6 gas balances in the surface mixed layer.

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Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth and Planetary Sciences, 1980. / Microfiche copy available in Archives and Science. / Vita. / Bibliography: leaves 156-158. / by Nancy Amanda Bray. / Ph.D.

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La réalisation de nouveaux instruments de télédétection à très haute résolution spatiale offre la possibilité d'étudier plus précisément les villes. Pour ces études, la connaissance de l'atmosphère et plus particulièrement des aérosols peut s'avérer essentielle. Le but de cette thèse est donc de développer une méthode de caractérisation des aérosols adaptée aux images de télédétection des milieux urbains à l'échelle métrique dans les domaines visible et proche-infrarouge. Dans un premier temps, les propriétés optiques de ces particules ont été étudiées en utilisant les données fournies par 68 stations urbaines du réseau AERONET. Ensuite, afin de pouvoir évaluer l'impact des aérosols présents dans les villes sur le signal, un code de transfert radiatif 3D a été réalisé : AMARTIS v2. L'utilisation de cet outil pour une scène urbaine typique a permis de quantifier l'impact des particules sur le signal, à l'ombre et au soleil, en fonction de leurs propriétés optiques. Enfin, une méthode de télédétection des aérosols a été définie, basée sur l'observation de transitions ombre/soleil. Afin de mettre en oeuvre cette méthode, un code d'inversion a été développé : OSIS. Une étude de sensibilité d'OSIS a alors été menée à partir d'images synthétiques générées avec AMARTIS v2 et une utilisation expérimentale a été effectuée sur des acquisitions PELICAN obtenues lors de la campagne aéroportée MUSARDE sur la ville de Toulouse. Ces études ont notamment permis de quantifier la précision intrinsèque d'OSIS, comparable aux précisions obtenues avec les produits satellitaires pour l'inversion des épaisseurs optiques, et de montrer que cette procédure est applicable à tout instrument à très haute résolution spatiale, multispectral ou hyperspectral, aéroporté ou satellitaire.

Dans la zone Mali-Sud, l'augmentation démographique, le développement de la culture cotonnière et, parallèlement, des systèmes d'élevage ont entraîné une augmentation des surfaces cultivées, une réduction du temps de mise en jachère et un passage progressif à la culture continue. L'espace pastoral est réduit aux terres pas encore mises en culture. Dans un contexte climatique, économique et institutionnel difficile, on cherche à faire évoluer les pratiques de gestion de la fertilité des sols et d'alimentation des animaux pour renforcer les systèmes de production et ne pas hypothéquer leur durabilité. De nouvelles postures de recherche visent à transformer les situations, produire des connaissances et renforcer l'implication des acteurs. Les références élaborées par la recherche doivent être compréhensibles par l'ensemble des acteurs et prendre en compte les savoirs techniques locaux des praticiens. Cette prise en compte dans l'analyse des pratiques de gestion de la fertilité des sols permet-elle de produire des connaissances nouvelles sur les pratiques, de formuler des propositions techniques ou d'améliorer les relations recherche-vulgarisation-paysans ? Nous proposons de tester un cadre d'analyse des pratiques de gestion de fertilité des sols en nous basant sur une caractérisation préalable des savoirs techniques locaux. Ce travail est mené auprès de paysans de deux villages du Mali-Sud. La lecture des relations savoirs-pratiques permet d'apprécier la pertinence des savoirs techniques locaux, d'enrichir la description des pratiques agricoles et d'évaluer l'intérêt de cette approche pour les sciences agronomiques et pour le développement agricole

Depuis ces trente dernières années, les systèmes d'observation de la Terre et les modèles numériques se sont perfectionnés et complexifiés pour nous fournir toujours plus de données, réelles et numériques. Ces données, de nature très diverse, forment maintenant un ensemble conséquent d'informations précises mais hétérogènes sur les structures et la dynamique des fluides géophysiques. Dans les années 1980, des méthodes d'optimisation, capables de combiner les informations entre elles, ont permis d'estimer les paramètres des modèles numériques et d'obtenir une meilleure prévision des courants marins et atmosphériques. Ces méthodes puissantes, appelées assimilation variationnelle de données, peinent à tirer profit de la toujours plus grande complexité des informations de par le manque de puissance de calcul disponible. L'approche, que nous développons, s'intéresse à l'utilisation des méthodes multigrilles, jusque là réservées à la résolution de systèmes d'équations différentielles, pour résoudre l'assimilation haute résolution de données. Les méthodes multigrilles sont des méthodes de résolution itératives, améliorées par des corrections calculées sur des grilles de plus basses résolutions. Nous commençons par étudier dans le cas d'un modèle linéaire la robustesse de l'approche multigrille et en particulier l'effet de la correction par grille grossière. Nous dérivons ensuite les algorithmes multigrilles dans le cadre non linéaire. Les deux types d'algorithmes étudiés reposent d'une part sur la méthode de Gauss Newton multigrille et d'autre part sur une méthode sans linéarisation globale : le Full Approximation Scheme (FAS). Ceux-ci sont appliqués au problème de l'assimilation variationnelle de données dans le cadre d'une équation de Burgers 1D puis d'un modèle Shallow-water 2D. Leur comportement est analysé et comparé aux méthodes plus traditionnelles de type incrémentale ou multi-incrémentale.

L'objectif de cette thèse est d'extraire la composante du courant de surface océanique dans l'axe de visée radar (ou direction radiale) à partir des informations enregistrées par un radar à synthèse d'ouverture (SAR) embarqué sur satellite. Nous analysons le décalage Doppler du signal reçu par le SAR à bord d'ENVISAT. Ce travail vise principalement à séparer, sur le décalage Doppler, la contribution des vagues et celle du courant ainsi qu'à étendre cette analyse à de larges scènes observées sous de multiples angles d'incidence. Cette étude se limite à la polarisation verticale et à la bande de fréquence C. La recherche de la signature de courant s'appuie sur l'hypothèse que le décalage Doppler ne résulte que des mouvements des vagues et du courant. De plus, nous supposons, dans une première étape, que le courant sur la surface d'estimation du décalage Doppler est uniforme. Suivant ces hypothèses, la contribution du courant peut être déduite du décalage Doppler au moyen d'une soustraction à partir de la contribution des vagues. Ces dernières ont des longueurs d'onde relativement courtes typiques de la mer du vent. L'utilisation pratique de l'information de vent à 10~m de la surface pour estimer la contribution des vagues est évaluée. La méthode d'extraction de la composante radiale du courant est mise au point et testée, dans un premier temps, pour un angle d'incidence constant de 23° à partir d'imagettes ponctuelles réparties sur l'ensemble des océans. La comparaison des moyennes mensuelles de la composante du courant extraite des données SAR avec les climatologies mensuelles issues des mesures de courant in-situ indique une erreur RMS de 0,35 m/s. Dans un second temps, la même méthodologie est appliquée à des images de grande taille (400 km par 400 km au minimum) pour lesquelles l'angle d'incidence local varie de 16 à 42°. Cette nouvelle configuration nécessite une analyse préalable de l'effet de l'angle d'incidence sur le décalage Doppler. Nous montrons que la contribution relative du courant au décalage Doppler augmente avec l'angle d'incidence et varie également en fonction de la direction du vent par rapport à la direction radiale. Les vitesses extraites des données SAR présentent un accord quantitatif avec les mesures de courant de capteurs in-situ. Ce résultat est encourageant pour le développement d'une application opérationnelle de cette méthode. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à un cas plus complexe pour lequel l'existence de courant côtier fortement variable ne permet plus de faire l'hypothèse de courant uniforme sur la surface d'estimation du décalage Doppler. Nous analysons dans ce cas des cartes de décalage Doppler à une résolution de l'ordre du kilomètre. Malgré la complexité de la situation, là encore, la confrontation des vitesses déduites du décalage Doppler avec des cartes de courant de marée indique le large potentiel des images SAR pour restituer une information de courant de surface à haute résolution.