Principe de l’approche d’ensemble

Les missions satellitaires GRACE et GRACE-FO mesurent en continu le champ gravitationnel de la Terre et son évolution au fil du temps (Tapley et al., 2004, Landerer et al., 2020, respectivement). Avec une résolution spatiale de quelques centaines de kilomètres et une résolution temporelle généralement mensuelle, ces missions offrent une vision unique de la redistribution des masses à l’échelle de la planète, améliorant notre compréhension des cycles de l’eau (Pfeffer et al., 2022) et de l’énergie (Meyssignac et al., 2019) dans un climat changeant.

Pour suivre précisément les variations de masse d’eau dans les océans, l’hydrosphère et la cryosphère, les données GRACE/-FO de niveau 2 doivent être corrigées afin de :

• Retirer les effets non liés à l’eau, comme les déformations de la Terre suite à la déglaciation ou aux séismes.
• Compenser les limitations des satellites, peu ou pas sensibles aux variations de gravité à très grande échelle spatiale.
• Réduire les erreurs associées au bruit anisotropique ou aux fuites de signal près des côtes (effet de “leakage”).

Le logiciel PANIS applique ces corrections et génère l’ensemble SAGSA, basé sur l’approche d’ensemble de (Blazquez et al., 2018). Cette méthode combine différents produits et modèles en utilisant les meilleures pratiques actuelles pour produire des anomalies de masse d’eau de surface robustes, tout en permettant d’estimer systématiquement les incertitudes liées aux choix de traitement et de post-traitement des données GRACE et GRACE-FO.

Contrairement à la solution combinée COST-G, qui fournit des produits de géopotentiel de niveau 2, SAGSA se concentre sur les anomalies de masse d’eau de surface de niveau 3. L’ensemble SAGSA constitue ainsi un outil essentiel pour la recherche en hydrologie, océanographie et glaciologie, en fournissant à la fois les anomalies de masse d’eau elles-mêmes et les incertitudes associées à leur estimation.

Les tendances de variations des masses d’eau sur la période 2002-04 – 2025-08 sont représentées dans la Figure 1 pour la moyenne de l’ensemble sigma avec leur incertitude estimée à un écart type.

Étapes de traitement

L’ensemble SAGSA repose sur les solutions GRACE/-FO de niveau 2 produites par cinq centres de traitement, qui estiment les anomalies du potentiel gravitationnel terrestre sous forme de coefficients de Stokes (c’est-à-dire dans la base des harmoniques sphériques). Il inclut les solutions fournies par le JPL (GRACE-FO, 2024), le CSR (NASA/JPL, 2023), le GFZ (Dahle et al., 2018), l’ITSG (Kvas et al., 2019) et le CNES (J.-M. Lemoine et al., 2026). 

Ces coefficients sont affectés par plusieurs sources d’erreurs et limitations, qui nécessitent des corrections lors de différentes étapes de post-traitement.

• Les satellites GRACE et GRACE-FO orbitent autour du centre de masse de la Terre et ne sont donc pas sensibles au mouvement du géocentre. Ils ne peuvent donc pas être utilisés pour évaluer les coefficients de Stokes de degré 1. Les valeurs mensuelles des coefficients de degré 1 sont estimées dans l’ensemble SAGSA v2.1 en se basant sur la méthode de Sun et al., 2016, prenant en entrée les coefficients  de trois centres de traitement différents (e.g. JPL, CSR, GFZ).
• Les mesures GRACE et GRACE-FO sont également peu sensibles aux faibles degrés du champ de gravité, en particulier les coefficients C20 et C30. Dans cet ensemble, les coefficients C20 (série temporelle complète) et C30 (après mai 2016 seulement), estimés par les cinq centres de traitement, sont remplacés par des mesures SLR plus robustes provenant de trois centres de données différents (Cheng et al., 2013 ; J. Lemoine & Reinquin, 2017 ; Loomis et al., 2019).
• Pour extraire les variations de masse liées à la redistribution de l’eau dans l’hydrosphère, l’océan et la cryosphère, les données GRACE et GRACE-FO doivent être corrigées des déformations en cours de la Terre visco-élastique dues à la déglaciation passée. Deux modèles GIA différents sont utilisés ici (Caron et al., 2018 ; Peltier et al., 2018). Aucune correction pour le Petit Âge Glaciaire (LIA) n’est appliquée.
• Les coefficients de Stokes sont affectés par des erreurs corrélées systématiques, facilement identifiables dans le domaine spatial sous forme de stries caractéristiques orientées dans la direction nord-sud. Pour réduire ce bruit anisotrope, des filtres de décorrélation, appelés filtres DDK (Kusche et al., 2009), sont appliqués aux solutions GRACE, selon deux ordres différents (DDK3 et DDK6), correspondant à deux niveaux de filtrage.

La combinaison de cinq centres de traitement, trois modèles de géocentre, trois valeurs d’obliquité (C20, C30), deux modèles GIA et deux niveaux de filtrage conduit à un ensemble de 180 solutions. Des corrections supplémentaires sont appliquées à tous les membres de l’ensemble de manière identique :

• Une correction sismique pour retirer les déformations co-sismiques des grands tremblements de terre.
• Une correction de « leakage » (fuite du signal) (Lecomte et al., 2025) est appliquée près des côtes afin de replacer correctement les anomalies de masse initialement localisées dans l’océan vers les terres proches. Cette correction repose sur une modélisation de l’océan côtier utilisant, pour chaque instant, la moyenne du bassin océanique correspondant.
• La restauration des modèles de dealiasing océanique à l’aide du modèle GAB issu de AOD1B RL06 (Dobslaw et al., 2017).
• Les potentiels gravitationnels sont corrigés pour compenser la masse totale de vapeur d’eau atmosphérique exprimée en C0 GAA, afin d’assurer la conservation de la masse à l’échelle globale (Chen et al., 2019).

Cette approche, illustrée dans la figure 2, fournit un ensemble de 180 solutions, constituées d’anomalies de masse de surface mensuelles maillées sur une grille globale régulière de 1°x1°, exprimées en hauteur d’eau équivalente.

Description des fichiers

L’ensemble de gravimétrie est disponible dans des fichiers NetCDF et au format zarr.

Le fichier contient les combinaisons des solutions et des corrections, obtenu dans la variable “water_thickness” ou “lwe_thickness”, comprenant:

• Centre d’analyse (e.g., CNES, GFZ, ITSG, JPL, CSR),
  
• Filtre (e.g. DDK3, DDK6),
  
• Correction de séismes,
  
• Correction de GIA (e.g. Caron, Peltier),
  
• Correction de leakage,
  
• Solution de C20 et C30 (e.g. Loomis, Lemoine, Chen),
  
• Solution de geocentre (e.g. TN13a, b ou c)

Les utilisateurs trouveront également comme variables un « land_mask », la teneur totale en eau de l’atmosphère nommée « water_atmosphere_eq » et la liste des noms correspondant à chaque élément de la combinaison. Pour plus de détails sur les méthodes de correction et sur les données utilisées, l’utilisateur est invité à se référer à l’ATBD de PANIS (voir plus bas). 

Métriques de qualité des solutions

Un exemple de métrique de qualité de l’ensemble est le bilan des contributions aux variations du niveau barystatique. La somme des contributions des différentes sources, comme illustré dans la Figure 3, doit être égale aux variations du niveau marin afin d’assurer la conservation de la masse dans le système Terre.

L’exemple présenté pour l’ensemble V2.1 montre que ce bilan est correctement respecté, ce qui confirme la bonne conservation de la masse dans l’ensemble. D’autres métriques de qualité sont décrites plus en détail dans l’ATBD de PANIS.

Utilisation des solutions

Afin d’utiliser l’ensemble de gravimétrie l’utilisateur est invité à utiliser les outils de la librairie python xarray, qui sont les plus adaptées pour gérer des fichiers NetCDF et .zarr.

ATTENTION: Les versions complètes de l’ensemble peuvent être très lourdes (plus de 20 Go), et peuvent surcharger votre système. Il est fortement conseillé de manipuler l’ensemble complet en disposant d’un cluster de calcul. 

Une version simplifiée de l’ensemble contenant uniquement simplement sa moyenne et son incertitude à un sigma est disponible ici. Cette version de l’ensemble est plus légère, plus maniable, mais ne permet pas d’identifier les postes possibles d’erreurs parmi ceux envisagés. 

Identifiant du jeu de données

10.24400/170160/SAGSA_ENSEMBLE_1MONTH_EXPERT_V2.1