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Le potentiel des nouvelles mesures satellitaires pour la prévision numérique qués

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Le potentiel des nouvelles mesures satellitaires pour la prévision numérique qués
Les systèmes embarqués
86
La Météorologie - n° 40 - février 2003
Le potentiel des nouvelles
mesures satellitaires
pour la prévision numérique
Jean-Noël Thépaut et Jean-François Mahfouf
Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT)
Shinfield Park, Reading, Berkshire RG2 9AX - ROYAUME-UNI
[email protected]
Mesures satellitaires
et prévision
numérique
Résumé
En prévision numérique du temps,
l’emploi des mesures d’instruments
passifs embarqués sur des satellites
est progressivement complété par
celui des mesures d’instruments
actifs (radars, diffusomètres, lidars),
dont la pénétration dans l’atmosphère permet une description plus
détaillée des hydrométéores, des
aérosols et du vent. En outre, la technique de radio-occultation GPS
ouvre de nouvelles perspectives d’observation de la température et de
l’humidité depuis l’espace.
Abstract
The potential of new satellite
measuring techniques for numerical
weather prediction
The use of observations from passive
satellite instruments in numerical
weather prediction is being progressively complemented by the use of
active instruments. This provides a
better description of hydrometeors,
aerosols and winds due to improved
atmospheric penetration. In addition,
the GPS radio-occultation technique
offers new perspectives for observing
temperature and water vapour from
space.
L’introduction progressive des observations satellitaires, depuis le début des
années 1970, dans les systèmes d’analyse et de prévision du temps a véritablement révolutionné la qualité de ces
derniers. Il a été démontré récemment
que l’impact des données satellitaires sur
la qualité des prévisions numériques
était maintenant équivalent, sinon supérieur, à celui des données des radiosondages, et cela même dans l’hémisphère
nord (Bouttier et Kelly, 2001). Ces dix
dernières années, notamment, on a
assisté à des progrès considérables dans
l’usage des observations satellitaires,
grâce à l’amélioration du prétraitement
et des techniques d’assimilation de ces
données un peu particulières.
La majeure partie des données satellitaires assimilées dans les modèles provient d’instruments passifs (voir
encadré ci-dessous). Plus récemment
cependant, deux autres techniques
d’observation spatiale ont démontré
leur potentiel pour la prévision numérique du temps. Les données des instruments actifs servent de plus en plus
dans les modèles atmosphériques. La
technique de radio-occultation GPS
(Global Positioning System), qui s’applique aux signaux émis par les satellites GPS et reçus par des satellites en
orbite basse, fait également l’objet de
recherches poussées dans la communauté météorologique.
Télédétection passive et télédétection active
Les instruments actifs émettent un rayonnement électromagnétique et analysent, en
fonction de la distance, le rayonnement rétrodiffusé (c’est-à-dire renvoyé vers l’instrument) par les hydrométéores, les particules ou les molécules situés sur le trajet du faisceau. Les instruments passifs se contentent de mesurer le rayonnement
électromagnétique naturellement émis ou réfléchi par l’atmosphère. D’une manière
générale, les instruments actifs ont une capacité de pénétration dans l’atmosphère
supérieure à celle des instruments passifs. En effet, la résolution verticale est accrue, car
on effectue une mesure résolue en distance, alors que la télédétection passive ne fournit qu’une mesure intégrée le long de la ligne de visée.
Si l’on considère le cas particulier d’une atmosphère nuageuse, la télédétection passive
dans les domaines visible et infrarouge permet surtout d’accéder aux propriétés du sommet des systèmes nuageux. En effet, l’opacité des nuages est telle que le rayonnement
émis par les couches inférieures est en grande partie absorbé dans les couches supérieures. Dans le domaine des micro-ondes, en revanche, les instruments passifs sont
capables de sonder l’intérieur des nuages, car l’absorption du rayonnement par les hydrométéores est moindre. Toutefois, le rayonnement reçu au sommet de l’atmosphère ne
donne pas directement d’informations sur la structure verticale de l’eau nuageuse et précipitante. La télédétection active permet de pallier ces faiblesses. Dans le domaine visible,
les lidars fournissent des renseignements précis sur la base et sur le sommet des nuages
semi-transparents. Dans le domaine des micro-ondes, les radars fournissent des profils des
précipitations et des nuages. La combinaison des mesures lidar et radar permet également
de restituer certains paramètres caractérisant la distribution en taille des hydrométéores.
La relation entre le rayonnement rétrodiffusé et la concentration en hydrométéores est
plus directe avec une mesure active, ce qui permet d’étalonner et de valider d’éventuelles
mesures passives effectuées au même endroit.
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La Météorologie - n° 40 - février 2003
L’emploi des sondeurs passifs en météorologie est décrit par Phulpin et al.
(2003). Nous proposons dans cet article
de décrire brièvement les nouvelles techniques d’observation spatiale (techniques
actives et GPS) et d’en illustrer l’intérêt
pour la prévision numérique du temps.
La mission spatiale
TRMM
La complémentarité entre télédétection
active et télédétection passive peut être
illustrée par la mission TRMM
(Tropical Rainfall Measuring Mission),
qui a conduit en novembre 1997, pour
la première fois dans l’histoire de l’observation de la Terre par satellite, à la
mise en orbite d’un radar mesurant les
précipitations. Ce programme scientifique, lancé par les agences spatiales
américaine (Nasa) et japonaise (Nasda),
a ainsi permis de réaliser un rêve vieux
de quarante ans. Sur la même plateforme, ont été montés un radar et plusieurs radiomètres dans les domaines
visible et infrarouge (VIRS, Visible
Infrared Scanner ; Ceres, Cloud and
Earth Radiant Energy System) ainsi
que dans les micro-ondes (TMI, TRMM
Microwave Imager). Cette combinaison
permet d’étalonner et de valider les
mesures passives des radiomètres en
utilisant la mesure active fournie par le
radar comme référence ; d’où une amélioration des mesures passives de l’intensité des précipitations effectuées sur
les autres satellites défilants ou géostationnaires actuellement disponibles.
En considérant la mesure des précipitations fournie par le radar de TRMM
comme la meilleure estimation possible, la mesure des précipitations
fournie par le radiomètre TMI peut
être étalonnée. Ces deux instruments
ont une trace au sol commune d’environ 240 kilomètres, sur laquelle il est
possible d’effectuer pour chaque pixel
de TMI une moyenne des pixels du
radar. Un exemple de restitution des
précipitations par TMI et par le radar
est présenté (figure 1) pour un cyclone
tropical de l’océan Indien. L’avantage
de TMI est de pouvoir fournir les précipitations sur l’ensemble du cyclone,
alors que le radar doit se contenter
d’en échantillonner la partie centrale.
De manière générale, l’étalonnage par
le radar augmente les intensités de
précipitations fournies par TMI. Un
aspect important de cette comparaison
est de donner l’erreur résiduelle sur la
mesure TMI après étalonnage. Cette
erreur est une quantité très utile
lorsque l’on assimile de telles observations dans les modèles numériques de
prévision.
Les intensités de précipitations mesurées
lors de la mission TRMM ont été assimilées dans les modèles numériques de
divers centres météorologiques, afin d’en
étudier l’impact sur la qualité des analyses et des prévisions, principalement
Figure 1 - Contenu en eau précipitante entre 0 et 2 km
d'altitude (g/m3) du cyclone tropical Anacelle (océan
Indien) mesuré le 10 février 1998 par :
1a, le radiomètre micro-ondes TMI embarqué sur
TRMM ;
1b, le radar embarqué sur TRMM ;
1c, le radiomètre TMI après étalonnage par le radar.
(D’après Bauer et al., 2001)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Contenu en eau précipitante (g/m3)
dans les régions tropicales. Au
CEPMMT, l’assimilation 4D-VAR correspondante s’est effectuée en deux
étapes :
– tout d’abord, on a ajusté certains profils
de température et d’humidité afin que les
précipitations analysées par le modèle
soient proches des observations ;
– ensuite, le contenu intégré en vapeur
d’eau issu de cette restitution statique a
été introduit dans le 4D-VAR.
On a noté un impact positif, à la fois sur
les analyses des cyclones tropicaux
(meilleure trajectoire, dynamique renforcée) et sur la qualité générale des prévisions en région tropicale, grâce à un
meilleur équilibre entre les composantes
du cycle hydrologique (évaporation, précipitations).
1,2
a
b
c
Plusieurs voies sont actuellement explorées à l’issue de cette première étape :
d’une part, on s’intéresse à l’assimilation
directe des intensités de précipitations
dans le 4D-VAR, qui permet d’ajuster
simultanément les champs de vent, de
température et d’humidité ; d’autre part,
on étudie la possibilité d’assimiler directement les radiances de l’instrument
SSM/I, qui contiennent des informations
sur les précipitations. L’instrument
SSM/I est très proche du radiomètre
TMI, mais il effectue des mesures depuis
plus longtemps et sur d’autres satellites.
Des résultats encourageants ont été
récemment obtenus au CEPMMT sur
ces aspects. Lorsque l’on cherche à assimiler les précipitations dans un système
4D-VAR, on se heurte à la difficulté de
forcer le modèle à « créer » de la pluie là
où il n’en engendre pas à priori, à cause
de l’existence de processus à seuil dans
la description des nuages et des précipitations. En assimilant directement les
radiances au sommet de l’atmosphère, il
est possible de pallier cette difficulté, car
de telles mesures sont sensibles, non seulement à l’eau précipitante, mais aussi à
l’eau nuageuse et à la vapeur d’eau. Si le
modèle ne produit pas de précipitations,
mais qu’un nuage existe, il est possible
d’en augmenter le contenu en eau liquide
jusqu’au point où le processus de formation des précipitations peut commencer.
Cette approche nécessite donc de décrire
les processus de formation des nuages et
des précipitations. Son potentiel est illustré sur la figure 2, qui présente un champ
de précipitations produit par une prévision à 6 heures d’échéance ainsi que le
résultat de l'assimilation des données
SSM/I. On note que l’assimilation des
données SSM/I a permis de déplacer la
zone de pluie la plus intense, associée à
un cyclone tropical, de supprimer les
précipitations dans des régions où elles
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La Météorologie - n° 40 - février 2003
anglais) fournit quant à lui des informations sur le spectre des vagues. Ces instruments, destinés à observer l’état de
la mer, deviennent potentiellement très
intéressants pour la prévision numérique du temps dans la mesure où la
tendance actuelle est de coupler les
modèles atmosphériques, les modèles
de vagues et les modèles océaniques.
Cependant, l’instrument actif d’observation de la surface qui a fait, ces dernières années, l’objet du plus grand
intérêt de la part des centres de prévision numérique est le diffusomètre
(scatterometer, en anglais).
a
b
Le fait que l’émissivité de la surface de
la mer dépende fortement de sa rugosité permet d’obtenir des renseignements sur la vitesse du vent à partir de
sondeurs micro-ondes passifs, tels que
l’instrument SSM/I. Mais les diffusomètres, instruments actifs, sont
capables de mesurer, à la fois, la vitesse
et, quoique de manière ambiguë, la
direction du vent.
0,001
0,100
0,300
0,500
0,700
1,000
Contenu intégré en eau précipitante (kg/m2)
Figure 2 - Contenu intégré en eau précipitante (kg/m2)
valable pour le 26 mai 2001 à 12 heures. Cas d’un
cyclone de l’océan Indien positionné à 16° nord 68° est et d’une zone précipitante localisée vers
10° nord - 73° est :
2a, ébauche résultant d'une prévision à courte
échéance ;
2b, analyse avec assimilation des radiances SSM/I
seules.
(Document CEPMMT)
n’étaient pas observées, mais aussi de
créer une zone précipitante qui n’existait
pas initialement dans le modèle.
La diffusométrie
spatiale
Il existe déjà un certain nombre d’instruments actifs embarqués sur des
plates-formes spatiales et destinés à
observer la surface des océans, même si
aucune mission opérationnelle n’y est
encore à proprement parler consacrée.
Les altimètres fournissent, à travers
l’analyse du retard et de la forme du
signal rétrodiffusé, des renseignements
sur la hauteur de la surface de la mer,
sur la hauteur des vagues et sur la
vitesse du vent en surface. Le radar à
synthèse d’ouverture (SAR, en
Le principe du diffusomètre est le suivant : l’instrument émet un signal microondes vers la surface de l’océan avec un
certain angle. Ce signal est réfléchi et
diffusé à la surface de l’océan. Ces phénomènes de réflexion-diffusion sont
directement liés à la présence en surface
d’ondes capillaires, elles-mêmes engendrées par le vent de surface. La partie du
signal qui est rétrodiffusée est généralement appelée ␴0. La dépendance de ␴0
avec les conditions de vent de surface
traduit une physique complexe impliquant l’effet de la variabilité spatiale de
l’état de la mer ou celui de la topographie d’une mer rugueuse sur les
signaux micro-ondes. L’approche
généralement choisie pour exploiter
ces données consiste plutôt à relier ␴0
au champ de vent à 10 mètres audessus de la mer par des fonctions
empiriques et à utiliser ce dernier
(Stoffelen, 2000). En principe, rien
n’empêche d’assimiler directement
les ␴0 ; mais la forte non-linéarité de
la relation existant entre le signal brut
et les variables du modèle rend délicate la caractérisation des erreurs
associées. On préfère donc assimiler
ces données sous forme de vents
équivalents à 10 mètres, pour lesquels
la validation est plus facile
(notamment grâce à la grande
quantité de moyens d’observation –
bateaux, bouées, etc. – disponibles
Vue d’artiste du satellite Quikscat. On remarque l’antenne d’un mètre de diamètre du diffusomètre
Seawinds, dirigée vers la surface de la Terre. (©
Nasa/JPL)
Géométrie de visée du diffusomètre du satellite ERS 1.
Les trois antennes de l’instrument émettent des faisceaux radar dirigés vers la droite de la trace au sol du
satellite, avec des angles respectifs de 45 degrés
(vers l’avant), de 90 degrés (sur le côté) et de 135
degrés (vers l’arrière). La zone couverte par ces trois
faisceaux radar mesure 500 km de large. (© ESA)
pour l’étalonnage). La détermination de
la direction du vent est ambiguë, le degré
d’ambiguïté étant lié au nombre d’antennes utilisées pour la mesure. Cette
ambiguïté peut être levée à l’aide d’informations additionnelles, provenant, par
exemple, des modèles de prévision
numérique.
Le premier diffusomètre dans l’espace,
un instrument de la Nasa appelé Sass
(Seasat-A Scatterometer System), n’a
volé que trois mois. Depuis, nombre de
diffusomètres ont été disponibles pour
la communauté scientifique, avec des
caractéristiques différentes, tant au
niveau des fréquences utilisées ou de la
disposition des antennes que de la couverture spatiale :
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La Météorologie - n° 40 - février 2003
• Le diffusomètre Nscat a volé neuf
mois à bord du satellite japonais Adeos.
• Les satellites européens ERS 1 et ERS
2, respectivement lancés en 1991 et
1995, étaient équipés d’un diffusomètre.
• Un satellite consacré à la diffusométrie, Quikscat, a été lancé par la Nasa
en 1999 avec à bord l’instrument
Seawinds. Seawinds est également l’un
des instruments embarqués sur le satellite Adeos 2, dont le lancement vient
d'avoir lieu en décembre 2002.
• Signalons enfin que le premier diffusomètre opérationnel est prévu pour
2005 : il s’agit de l’instrument Ascat
qui sera embarqué sur la série des satellites Metop d’Eumetsat.
Les instruments Sass, Nscat et Seawinds
travaillent dans une bande de fréquence
située autour de 14 GHz, mais malheureusement contaminée par des effets liés
à la pluie et à l’eau liquide. Cette limitation nécessite un contrôle de qualité
extrêmement minutieux des données.
Les instruments des satellites ERS et le
diffusomètre Ascat utilisent la fréquence
5,3 GHz et sont beaucoup moins sensibles à ces effets. En outre, l’une des
limitations du diffusomètre d’ERS, liée à
sa trace au sol relativement étroite
(500 km) et donc à la faible probabilité
de disposer d’observations cruciales au a
66° E
68° E
bon endroit et au bon
moment, sera largement éliminée avec
10° S
l’instrument Ascat
qui disposera d’une
double fauchée équi12° S
valant à 1 000 km.
Malgré les problèmes liés à l’usage
des données diffusométriques dans les
Figure 3 - Exemple
d’utilisation des vents
mesurés par
le diffusomètre d’ERS 2
dans l’assimilation 4D-VAR
du CEPMMT.
Cas du cyclone Gemma
situé près de l’île
de la Réunion
en avril 1998.
3a, pression réduite
au niveau de la mer et vent
à 10 mètres prévus
à 6 heures d’échéance.
3b, mêmes paramètres
prévus après assimilation
des vents d’ERS 2.
En superposition en rouge,
les vents observés
par ERS 2. Le point rouge
correspond à la position
réelle de l’œil du cyclone.
(Document CEPMMT)
systèmes d’assimilation (complexité de
la relation ␴0-vent, ambiguïté de la direction du vent, contamination par la pluie
pour certains instruments…), les développements entrepris dans les centres de
prévision numérique pour étalonner,
valider et assimiler ces mesures ont
conduit à démontrer l’impact positif et
systématique de ce nouveau type de données sur l’analyse et la prévision de systèmes dynamiques tels que les cyclones
tropicaux. La figure 3 montre l’impact de
l’emploi des données diffusométriques
d’ERS 2 dans le schéma d’assimilation
4D-VAR du CEPMMT, pour le cas d’un
cyclone tropical situé près de l’île de la
Réunion ; on voit clairement que la
synergie entre l’assimilation variationnelle et les données d’ERS 2 est capable
de déplacer l’ensemble du cyclone de
500 kilomètres vers sa position exacte.
Le lidar spatial
Pailleux (2002) a décrit comment
l’Agence spatiale européenne (ESA) a
conçu la mission spatiale ADM-Aeolus
embarquant un lidar, à partir de la définition des besoins de la prévision
numérique. Nous décrivons ici plus
70° E
72° E
74° E
76° E
14° S
16° S
18° S
b
66° E
68° E
70° E
72° E
74° E
76° E
66° E
68° E
70° E
72° E
74° E
76° E
10° S
12° S
14° S
16° S
18° S
10.0 m/s
généralement le principe et l’intérêt de
la technique du lidar spatial pour les
applications météorologiques.
Le lidar (Light Detection And
Ranging) utilise le même principe que
le radar (Dabas et Flamant, 2002). Il
émet vers une « cible » un signal électromagnétique, à une longueur d’onde
pouvant aller de l’ultraviolet au proche
infrarouge. Le signal est diffusé et
modifié par la cible. L’analyse du
signal rétrodiffusé vers le lidar permet
de caractériser les propriétés de la
cible. Le temps qui s’écoule entre
l’émission et la réception du signal permet de connaître la distance de la cible.
Les lidars « rétrodiffusion » ne mesurent que l’intensité du signal rétrodiffusé en fonction de son délai de retour ;
ils permettent d’obtenir des renseignements sur la hauteur du sommet des
nuages, ainsi que sur les propriétés
optiques des nuages et des aérosols, qui
constituent dans ce cas la cible. C’est le
cas du lidar spatial Lite (Lidar-In-Space
Technology Experiment), qui a été
développé par la Nasa et embarqué sur
la navette spatiale en 1994, pour une
période d’une dizaine de jours. Cette
mission à but technologique a clairement démontré la capacité de pénétration du lidar à travers les nuages fins, et
donc la possibilité de mesurer les profils des nuages et des aérosols, mais
aussi celle de déterminer la hauteur de
la couche limite (figure 4).
Les lidars à absorption différentielle
(Differential Absorption Lidar, Dial)
sont utilisés pour mesurer la concentration de différents constituants atmosphériques (vapeur d’eau, ozone, etc.).
La technique Dial utilise deux longueurs d’onde différentes, telles que la
première soit absorbée par le constituant
sondé et que ce même constituant soit
transparent à la deuxième. La comparaison des signaux rétrodiffusés aux deux
longueurs d’onde donne accès au profil
de concentration du constituant sondé.
Ce qui rend cette technique attractive,
c’est que, d’une part la technologie lidar
permet un certain degré de pénétration
sous les nuages, d’autre part la technique Dial s’affranchit des problèmes
de biais grâce à son approche différentielle. Signalons qu’une mission spatiale, la mission Wales, a été proposée
dans le cadre des missions Earth
Explorer de l’ESA. La mission Wales
propose l’observation de profils de
vapeur d’eau à l’échelle du globe, avec
une résolution horizontale de l’ordre de
100 kilomètres et une résolution verticale meilleure que le kilomètre.
90
La Météorologie - n° 40 - février 2003
Figure 4 – Coupe verticale colorisée montrant le signal
lidar Lite rétrodiffusé par l’atmosphère (après diverses
corrections), en fonction de l’altitude et de la position horizontale. Cette coupe représente environ cinq minutes
d’observation par Lite au-dessus du Sahara, le 18 septembre 1994. Sur la partie de la coupe située au nordouest, on remarque une région à fort contenu en aérosols
jusqu’à 5 kilomètres d’altitude, s’étalant vers le sud-est
avant d’être surplombée par des nuages épais associés à
la zone de convergence intertropicale. (Image extraite du
site Internet [www-lite.larc.nasa.gov])
500 occultations par jour, distribuées de
manière uniforme sur le globe terrestre.
Une autre caractéristique tout à fait intéressante de la radio-occultation est sa très
haute résolution verticale (entre 200 mètres
et 1 kilomètre pour une gamme d’altitudes sondées allant de 5 à 50 kilomètres).
Nord-ouest
Les lidars Doppler sont utilisés pour
estimer la vitesse des cibles. Quand le
signal émis par le lidar atteint une cible
atmosphérique qui se déplace, le signal
rétrodiffusé subit une modification de
fréquence, le décalage Doppler. Les
cibles atmosphériques peuvent être des
aérosols, des gouttelettes d’eau ou simplement des molécules d’air. Ces particules se déplaçant à la vitesse du vent,
l’analyse du signal rétrodiffusé permet
de mesurer la composante radiale du
vent dans la ligne de visée du satellite.
La mission ADM-Aeolus sera équipée
d’un lidar Doppler à ligne de visée
unique. Signalons que l’impact potentiel
d’autres configurations de lidar Doppler
(balayage conique permettant d’obtenir
plusieurs lignes de visée, donc une description complète du vecteur vent) est
actuellement évalué aux États-Unis, dans
le cadre d’expériences de simulation de
futurs systèmes d’observation.
Les mesures par
radio-occultation GPS
Le système de positionnement satellitaire
GPS a été développé, à l’origine, pour
diverses applications militaires et civiles
nécessitant une localisation d’une grande
précision. Les applications météorologiques du système GPS ont été récemment décrites dans cette revue
(Doerflinger, 2001). Nous nous concentrons ici sur la technique de radio-occultation, qui a fait l’objet de nombreuses
recherches au cours de ces dix dernières
années.
L’emploi de la technique de radio-occultation pour exploiter les données GPS est
une véritable opportunité pour la météorologie : il se trouve que la constellation
GPS existe et que vingt-quatre satellites
Sud-est
émettent des signaux radio dans des fréquences adéquates pour observer par
occultation. Un récepteur GPS embarqué
sur un satellite en orbite basse peut mesurer l’effet de retard du signal GPS lors
d’une occultation. Ce retard est lié au fait
que le signal radio est recourbé par la
réfraction au cours de sa traversée de l’atmosphère. La figure 5 illustre la géométrie de la technique de radio-occultation
nécessitant un émetteur et un récepteur
GPS. La figure 6 montre comment l’atmosphère est sondée verticalement au
cours de l’occultation du satellite. La
donnée brute résultant de l’occultation est
l’angle de courbure subi par le signal. Un
profil vertical de réfractivité peut être
déduit de la suite des angles de courbure
observés lors du déplacement du satellite
en orbite basse. Ce profil vertical de
réfractivité est luimême directement
relié aux profils atmosphériques de pression, de température
et d’humidité.
Un seul récepteur
GPS embarqué sur
un satellite défilant
à 800 kilomètres
d’altitude peut observer, par tout type
de temps, plus de
Figure 5 (en haut) - Illustration schématique de la géométrie de la technique de
radio-occultation utilisant un
émetteur de la constellation
GPS et un récepteur embarqué sur un satellite en orbite
basse. (Document Eumetsat)
Figure 6 (en bas) – Lors d’une
occultation, l’atmosphère est
sondée verticalement au
cours du déplacement du
satellite en orbite basse.
(Document Eumetsat)
Plusieurs missions de démonstration
embarquant un récepteur GPS ont déjà
volé et permis d’évaluer différentes stratégies pour assimiler dans les modèles
les données de radio-occultation GPS.
Des tentatives ont déjà effectuées en
mode recherche pour assimiler directement les angles de courbure. Cette
approche reste cependant hors de portée
des systèmes de prévision numérique
actuels, principalement à cause de la
complexité géométrique de l’opérateur
d’observation qui relie l’état atmosphérique aux angles de courbure. En
revanche, des résultats encourageants ont
été obtenus pour l’assimilation des profils de réfractivité (Poli et al., 2002)
moyennant une caractérisation précise
des erreurs d’observation, compte tenu
du nombre important de paramètres
influençant la donnée brute.
91
La Météorologie - n° 40 - février 2003
Perspectives
Vue d'artiste du satellite
SMOS, avec ses trois bras
de 4,5 mètres déployés en
forme de Y. Chaque bras sera
équipé d'environ 25 antennes.
(© Cesbio & Alcatel)
Dans les prochaines années, on va assister à un déploiement massif de missions
spatiales embarquant des instruments
passifs et actifs potentiellement profitables à la prévision numérique.
Tout d’abord, l’assimilation des vents
diffusométriques dans les modèles de
prévision numérique a pleinement
démontré son intérêt au cours des dix
dernières années. Avec le lancement du
satellite européen Metop qui embarquera
l’instrument Ascat, la diffusométrie fera
véritablement partie intégrante du système opérationnel d’observation.
Nous avons indiqué le potentiel des
lidars pour l’observation de diverses
variables atmosphériques, en particulier
le champ de vent, considéré aujourd’hui
comme le paramètre oublié du système
mondial d’observation. La mission
ADM-Aeolus de l’ESA devrait démontrer l’intérêt pour la prévision numérique
de disposer d’observations planétaires du
vent.
Par ailleurs, les nouvelles techniques
spatiales semblent tout à fait appropriées
pour l’observation du cycle de l’eau et sa
prise en compte dans les modèles atmosphériques :
• La Nasa et le Cnes proposent pour l’année 2004 la mission à trois satellites
Cloudsat-Calipso-Parasol consacrée à
l’étude des nuages et des aérosols,
chaque satellite embarquant respectivement un radar, un lidar et un radiomètre
passif (Bouttier et Roux, 2002). Il sera
ainsi possible d’obtenir, pour la première
fois à partir de l’espace, une vision tridimensionnelle des nuages. Grâce à des
mesures passives complémentaires sur la
plate-forme Aqua qui volera de concert,
on pourra valider et étalonner la restitu-
tion des propriétés des nuages à partir de
mesures passives, comme cela a été le
cas pour les précipitations avec la mission TRMM. L’ESA prépare une mission
similaire, Earthcare, à l’horizon 2008.
• L’ESA prépare également pour l’année
2005 une mission exploratoire SMOS
(Soil Moisture Ocean Salinity), dont
l’objectif principal sera de mesurer l’eau
superficielle des sols dans le domaine
micro-ondes (à 1,2 GHz). Il s’agira de la
première mesure à l’échelle de la planète
de l’eau des sols par satellite, dans un
domaine de fréquences où les effets de
contamination par la végétation peuvent
être négligés. Cette mission permettra de
progresser dans le domaine de l’assimilation des données sur les surfaces continentales, le but ultime étant de disposer
de meilleures conditions initiales pour la
prévision à moyenne échéance et la prévision saisonnière, prévisions dans lesquelles les conditions hydriques des sols
peuvent jouer un rôle déterminant.
• La mission spatiale GPM (Global
Precipitation Mission), qui viendra remplacer TRMM à l’horizon 2008, est proposée par la Nasa en collaboration avec
plusieurs autres agences spatiales. Sa
définition comporte plusieurs améliorations par rapport à TRMM. Le recours à
une constellation de satellites de type
SSM/I permettra d’avoir une couverture
de l’ensemble du globe et une cadence
d’une visée toutes les
trois heures en un
point donné. Le radar
de GPM émettra à
deux fréquences, ce
qui fournira des informations sur la taille
des hydrométéores et sur les précipitations solides. Les mesures de cette mission GPM pourront être utilisées en
prévision opérationnelle du temps, car il
est vraisemblable qu’à cette époque, de
nombreux systèmes d’assimilation incluront des observations de précipitations.
Enfin, la technique de radio-occultation
GPS ouvre de nouvelles perspectives
tout à fait prometteuses pour la météorologie. L’assimilation des données de
radio-occultation dans les modèles de
prévision numérique et de climat ne fait
que commencer. La mission taïwanoaméricaine Cosmic (Constellation
Observing System for Meteorology
Ionosphere and Climate) devrait
déployer une constellation de huit récepteurs GPS en 2005. L’instrument Gras
embarqué sur Metop fournira des données de radio-occultation de manière
opérationnelle pendant quatorze ans. Il
est également important de noter que le
système russe Glonass, équivalent du
GPS américain, et bientôt le système
Galileo, conjointement développé par
l’ESA et la Communauté européenne,
devraient multiplier les opportunités de
fournir à la communauté météorologique
une couverture mondiale d’informations
sur la température et l’humidité, avec
une résolution horizontale et verticale
sensiblement améliorée.
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