Ganachaud, Alexandre

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Calibration des données
oxygène-CTD pendant la
campagne Frontalis-3 aux mois
d’avril-mai 2005
Alexandre GANACHAUD
NOTES TECHNIQUES
OCÉANOGRAPHIE PHYSIQUE
N° 14
2007
SCIENCES DE LA MER
NOTES TECHNIQUES
OCÉANOGRAPHIE PHYSIQUE
N° 14
2007
SCIENCES DE LA MER
Calibration des données oxygène-CTD
pendant la campagne Frontalis-3 aux
mois d’avril-mai 2005
Alexandre GANACHAUD
Imprimé par le service ISC
Centre IRD de Nouméa
Février 2007
Calibration des données oxygène-CTD pendant la campagne Frontalis-3 aux mois d’avril-mai 2005.
Nouméa : IRD. Février 2007. 7 p.
Sci. Mer ; Océanogr. Phys ; Notes Techn.; 14
CAMPAGNE OCEANOGRAPHIQUE; ANALYSE DE DONNEES; OXYGENE; ZONE TROPICALE /
PACIFIQUE SUD OUEST
© IRD, Nouméa, 2007
/Ganachaud, A.
Calibration des données oxygène-CTD pendant la campagne Frontalis-3
aux mois d'avril-mai 2005
Alexandre Ganachaud
PMEL/NOAA-JISAO-
 Laboratoire d'Etudes Géophysiques et d'Océanographie Spatiales 
Institut de Recherche pour le Développement
7600 Sand Point Way NE
Seattle WA 98115, USA
Tel: (1) 206 526 6762
Fax: (1) 206 526 6744
alexandre.ganachaud@noumea.ird.nc
Fevrier 2007
Ce rapport  est  un complément  du rapport  de mission  principal  (Maes  et  al.  2006)  et  concerne 
uniquement la calibration de l'oxygène CTD. Cette calibration a été effectuée au Pacific Marine 
Environmental Laboratory (PMEL). Les codes utilisés sont ceux du PMEL. Je tiens à remercier K. 
McTaggart et G. Johnson pour leur expertise et leur aide technique qui ont été essentielles à cette 
calibration. Je remercie également R. Chuchla et E. Kestenare pour leur aide dans le cadre de ces 
mesures et calibrations. Ce rapport s'appuie essentiellement sur le rapport de mission de la section 
WOCE P14/P15 de McTaggart et Johnson (1997).
Les instruments, les capteurs, les pré-traitements, les mesures chimiques sont détaillés dans Maes et 
al. (2006).
Mesure:  Le  capteur  SBE13  permet  de  déterminer  la  concentration  en  oxygène  dissous  par 
comptage du nombre de molécules d'oxygène par seconde qui diffusent à travers une membrane 
polarographique. Connaissant ce flux et la géométrie du chemin de diffusion, la concentration en 
oxygène peut être calculée. La perméabilité de la membrane est fonction de la température et de la 
pression ambiante. L'interface électronique fournit une tension proportionnelle au courant à travers 
la membrane (courant oxygène) et à la température de la membrane (température d'oxygène) ce qui 
permet de déduire la concentration en oxygène. Le capteur permet des mesures de 0 à 650 µmol/kg 
avec une précision nominale de 4 µmol/kg et une résolution de 0.4 µmol/kg. Le temps de réponse 
du capteur est de 2s à 25°C et de 5s à 0°C.
Problèmes:  Les  stations  sont  numérotées  1  à  90.  Du  aux  conditions  météorologiques,  aux 
limitations techniques du navire, ou à des défaillances électroniques, le package CTD911p n'a pu 
être utilisé pour les stations 5 à 15, 39 à 41 et 80 à 83. En outre, aucun échantillon n'a été prélevé 
pour les stations 28 et 67.
Calibration
Les mesures d'oxygène sur échantillons bouteilles sont utilisées pour effectuer la post-calibration. 
Le capteur d'oxygène ayant  un fort  hystérésis  entre la descente et  la montée,  le programme du 
PMEL OXDWNP.m a été modifié pour replacer les données bouteille prélevées lors de la montée 
aux niveaux correspondants lors de la descente à la même densité. Le replacement en densité est 
utilisé  pour  éliminer  les  perturbations  dues  aux ondes  internes-jusqu'à  7m de  déplacement  des 
isopycnes entre la montée et la descente de la sonde lors de cette campagne. La dérivée temporelle 
du courant d'oxygène a été calculée par le programme SEASOFT par intervalles de 2s, puis filtré 
par  un  filtre  médian  sur  5m  (programme  MERGE_CTDBTL_CHIMIE.m).  La  saturation  en 
oxygène a été calculée suivant Benson et Krause (1984).
L'algorithme utilisé pour la calibration du capteur d'oxygène fait appel à une régression non-linéaire 
pour  déterminer  le  meilleur  ajustement  du modèle  de comportement  du capteur  d'oxygène  aux 
valeurs mesurées par échantillon (Owens et Millard 1985). Le programme correspondant de WHOI 
oxfitmr.m  utilise  les  routines  Fortran  de  Numerical  Recipes  (Press  et  al.  1986)  MRQMIN, 
MRQCOF, GAUSSJ, et COVSRT pour effectuer la régression non linéaire moindre carrés par la 
méthode de Levenberg-Marquardt. Une subroutine Fortran FOXY décrit le modèle d'oxygène avec 
les dérivées du modèle par rapport  à six coefficients dans cet ordre:  pente de courant oxygène 
(slope), correction en température (tcor), correction en pression (pcor), poids (wt), biais de courant 
d'oxygène (bias) et décalage de courant d'oxygène (lag).
Le programme OXFITMR lit les données pour un groupe de stations. Les données sont éditées pour 
enlever les points négatifs ou excédant 1.2 fois la valeur de saturation. La routine fait varier les six 
(ou moins) paramètres du modèle de manière à obtenir un minimum sur la somme des déviations 
oxygène bouteille-oxygène calculé. Les différences individuelles entre les oxygènes bouteille et les 
oxygènes calculés (les résidus) sont comparés avec l'écart type des résidus. Tout résidu exédant un 
facteur de 2.8 écart types est rejeté, ce qui correspondrait à un risque de 0.5% rejeter une bonne 
valeur dans le cas d'une distribution normale. Le processus d'ajustement itératif est répété jusqu'à ce 
que  toutes  les  données  entrent  dans  ce  critère.  Le  meilleur  ajustement  du  modèle  de  capteur 
d'oxygène est alors déterminé. Les coefficients sont alors appliqués avec le programme Fortran du 
PMEL CALOX2W et les oxygènes CTD sont calculés en utilisant la subroutine OXY6W.
Un graphique  des  résidus  d'oxygène  par  station  permet  de  grouper  les  stations  pour  améliorer 
l'ajustement en recherchant les changements abruptes d'une station à l'autre. Ce processus requière 
plusieurs itérations pour optimiser les groupements. Les coefficients sont ensuite appliqués au profil 
complet de descente CTD en utilisant le programme PMEL OXYCALC.m. Les regroupements sont 
indiqués Table 1, ainsi que les coefficients de calibration.
Stations Bias Slope Pcor Tcor Wt lag Résidu moyen±écart type
1-20 0.047 0.2610E-02 0.1433E-03 -0.2029E-01 0.1053E+01 0.1425E+01 0.020867±2.415064 
21-37 0.030 0.2441E-02 0.2296E-03 -0.1908E-01 0.9714E+00 0.2309E+01 -0.003255±2.257396 
38-47 0.017 0.2495E-02 0.2550E-03 -0.1935E-01 0.1007E+01 0.1563E+01 0.068869± 2.528814 
48-62 0.020 0.2597E-02 0.1812E-03 -0.2141E-01 0.8928E+00 0.1476E+01 0.082985±1.561837 
63-68 0.012 0.2349E-02 0.3513E-03 -0.1790E-01 0.8728E+00 0.1692E+01 0.012682±0.748307 
69-79 0.017 0.2288E-02 0.3370E-03 -0.1706E-01 0.1033E+01 0.1807E+01 0.544901±2.217987 
84-90 0.059 0.2478E-02 0.1941E-03 -0.1959E-01 0.1085E+01 0.2269E+01 0.007134±1.302388 
Table 1: coefficients de calibration calculés par groupements de station, et résidus en umol/kg (CTD-Prélèvements 
après ajustement)
Les valeurs d'oxygène CTD sont filtrées en enlevant manuellement les pics par interpolation avec le 
programme CLEANOX.m. Pour la campagne Frontalis-3, les pics ont été retirés avant calibration 
(stations 38 (435-437 dbars et sous 597 dbars) et  54 (334, 459 et 498:515 dbars)), et les données 
correspondantes  soit  interpolées,  soit  flaguées  « mauvaises  données »  (dernières  données  de  la 
station 38).
Les différences entre oxygène bouteille et CTD en fonction des numéros de station sont données 
Figure 1, montrant la stabilité de l'ajustement dans le temps. Les résidus sont en dessous de la 
précision nominale du capteur d'oxygène. Ces mêmes résidus en fonction de la profondeur (Figure 
2)  montrent  le  peu  de  profondeurs  disponibles  en  dessous  de  200m  du  aux  contraintes 
d'échantillonnage, la quasi-totalité des bouteilles ayant été utilisées dans les 200 premiers mètres. 
La distribution des écarts est relativement bien centrée à toutes les profondeurs (Figure 3).
Les fichiers générés sont en ASCII utilisant le format suivant, similaire à WOCE WHP, ou le code 
qualité 2 est donné pour les mesures d'oxygène qui ont été calibrées (voir Maes et al. 2006 pour plus 
de détails). Les figures 6 à 9 montrent l'oxygène dissous par section.
Bibliographie
Benson, B. et D. Krauss, 1984. The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in 
freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere. Limnl. Oceanogr., 29, 620-632.
Maes C., E. Kestenare, A. Ganachaud, F. Gallois, M. Rodier, D. Varillon, G. Eldin, R. Chuchla, A. 
Lapetite. Rapport de la mission FRONTALIS 3 à bord du N.O. Alis du 22 avril au 19 mai 2005, 
22°S-2°N /  161°E-172°E. Noumea :  IRD, 2006. (Sciences de la Mer. Oceanographie Physique. 
Rapports de Missions, No 20), 167 pp. 
McTaggard, K.E. et G.C. Johnson, 1997. CTD/O2 Measurements collected on a climate and global 
change  cruise  (WOCE  P14S  and  P15S)  during  January-March  1996,  NOAA  data  report  ERL 
PMEL-63, NOAA/PMEL, 7600 Sand Point Way NE, Seattle, WA 98115.
Owens, W. et R. Millard, 1985. A new algorithm for CTD oxgygen calibration. J. Phys. Oceanogr., 
15, 621-631.
Press,  W.,  B.  Flannery,  S.  Teukolsky,  et  W.  Vetterling,  1986.  Numerical  Recipes:  The  art  of 
scientific computing. Cambridge University Press, 818 pp.
Figure  1:  Résidus  oxygène 
après calibration (différence 
CTD-bouteille)  en  µmol/s 
en  fonction  du  numéro  de 
station.
Figure  2.  Tout  comme  la 
figure 1, mais en fonction de 
la profondeur, toutes stations 
confondues.
Figure  3:  Histogramme  des 
écarts  entre  les  valeurs 
d'oxygène  dissous  issues  de 
l'analyse  des  échantillons  et 
des  mesures  de  la  sonde 
après  calibration.  Ces  écarts 
son considérés  de la  surface 
au fond (en haut) et de 1000 
dbar au fond (en bas). Toutes 
mesures confondues.
Figure 4: Oxygène radiale montante (stations 1-26)
Figure 5: Oxygène Equateur ouest (stations 27-30)
Figure 6: Oxygène Papillon-longitude (stations 30-47)
Figure 7: Oxygène Papillon-latitude (stations 48-61)
Figure 8: Equateur-Est (stations 62-66)
Figure 9: Méridienne descendante (stations 67-90)


Calibration des données oxygène-CTD pendant la campagne Frontalis-3 aux mois d'avril-mai 2005

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