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Les besoins en observations pour la recherche atmosphérique e ?

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Les besoins en observations pour la recherche atmosphérique e ?
Les besoins
en observations pour
la recherche atmosphérique
François Bouttier
Météo-France
Centre national de recherches météorologiques
42, avenue Gaspard-Coriolis - 31057 Toulouse Cedex
[email protected]
et Frank Roux
Laboratoire d’aérologie
CNRS et université Paul-Sabatier - Toulouse
[email protected]
La recherche
et ses priorités
Résumé
Les besoins en observations pour la
recherche atmosphérique concernent
en particulier les variables liées au
cycle de l’eau atmosphérique : humidité, nuages et précipitations. Les
progrès attendus dans ce domaine
reposent sur la combinaison d’informations obtenues au moyen de nouveaux instruments déployés au sol et
embarqués sur des satellites.
Abstract
Observational needs
of atmospheric research
The observational needs for atmospheric research chiefly involve the
variables linked to the atmospheric
water cycle: humidity, clouds and
precipitation. In this field, advances
are expected from a combination of
measurements given by new groundbased and satellite-based observing
systems.
On entend souvent dire que tel nouvel
instrument permettra « de mieux comprendre l’atmosphère », voire de « faire
de meilleures prévisions ». En réalité, le
chemin entre la conception d’un nouvel
instrument d’observation et son utilisation réelle est très complexe et recouvre
des pratiques disparates. En schématisant, deux approches s’opposent et se
complètent aujourd’hui :
• Soit les observations sont utilisées telles
quelles et l’on cherche à tirer le plus possible d’informations de leur traitement,
souvent pour critiquer et étoffer des
modèles conceptuels ; ainsi, les campagnes de mesure se concentrent sur des
processus physiques précis, comme la
L’avion américain de recherche Electra
décolle d’Innsbruck pendant la campagne MAP.
(Photo Météo-France, P. Taburet)
campagne MAP (Bougeault et al., 2001a
et 2001b) ; quant aux programmes de
recherche instrumentaux, ils étudient un
nouvel instrument pour en tirer le plus
possible d’informations.
• Soit les observations sont mises au
service de l’amélioration du réalisme
de modèles numériques qui, par leurs
processus d’analyse et d’assimilation
de données, convertissent les observations en une représentation très complète de la structure atmosphérique et
permettent de faire des prévisions. La
frontière est floue entre ces deux
approches qu’il faut savoir choisir en
fonction des besoins, des opportunités
et selon les mécanismes que les
modèles numériques savent ou non
représenter correctement. De très
nombreux phénomènes physiques sont
encore largement hors de portée des
Des observations, pour quoi faire ?
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
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modèles de prévision numérique du
temps : microphysique nuageuse,
interaction fine entre sol, végétation et
atmosphère, chimie urbaine, électricité
atmosphérique, brouillard, banquise,
phénomènes tropicaux, précipitations
à échelle fine, cirrus, petits cumulus,
émission infrarouge des nuages et bien
d’autres encore. Tous ont une grande
importance, mais ils doivent en général être étudiés directement à
l’aide d’ensembles d’instruments très
spécifiques.
Dans ces domaines hautement spécialisés, le besoin en observations s’apprécie au cas par cas, en fonction de
priorités politiques (surveillance de
l’environnement, évolution du climat,
prévention des catastrophes...), scientifiques (accent mis sur un processus
mal connu identifié comme un
« maillon faible » dans la compréhension d’un système) ou techniques
(priorité pour l’amélioration des
modèles de prévision ou intérêt industriel pour la valorisation d’une technologie instrumentale émergente). On ne
saurait en faire ici une énumération à
la Prévert : il suffit de feuilleter les
sommaires des publications scientifiques (Journal of Applied Meteorology, par exemple) ou l’article de
Lawson et al. (1998) pour avoir un
aperçu de la très grande diversité des
instruments utilisés par la recherche
atmosphérique et, plus généralement,
géophysique et environnementale.
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
reçues en temps réel, bien distribuées
dans l’espace et dans le temps, et de
bonne qualité instrumentale (Bouttier
et Kelly, 2001). Seuls les réseaux
conventionnels de radiosondes et de
stations synoptiques de la Veille
météorologique mondiale (VMM)
remplissent actuellement ces conditions (Pailleux, 2002). On ne peut pas,
par exemple, avoir recours aux
mesures d’avions, dont la couverture
spatio-temporelle est incomplète, ni
aux mesures télédétectées en raison
des ambiguïtés dans l’interprétation du
signal. Cela signifie qu’il est important
de préserver les réseaux conventionnels pour le contrôle et l’amélioration
des modèles, bien qu’ils soient en train
de perdre de leur importance dans
l’initialisation au jour le jour des prévisions météorologiques.
La comparaison journalière des prévisions aux observations mesure l’impact
quantitatif de modifications effectuées
dans les logiciels de prévision numé-
qualité météorologique. Pour répondre
à ces besoins, le réseau de la VMM est
complété par des instruments mesurant
certaines caractéristiques moyennes de
l’atmosphère, comme les radiomètres à
bande large embarqués sur satellite
pour déterminer les éléments du bilan
radiatif terrestre.
Les sites instrumentés
Les rouages des modèles eux-mêmes
peuvent, dans une certaine mesure, être
contrôlés par des observations
déployées spécialement pour l’occasion. Un bon exemple est l’ensemble
de sites instrumentés ARM (Atmospheric Radiation Measurement
Program) qui observent en des points
précis et en permanence à peu près tous
les paramètres importants pour un
modèle de prévision numérique (Stokes
et Schwartz, 1994), notamment toutes
les caractéristiques de l’interaction
Dans la suite de cet article, on se
concentrera plutôt sur les besoins en
observations pour la recherche en
modélisation météorologique, qui
revêt une importance pratique toute
particulière.
Le contrôle
des modèles
L’écriture des modèles et de leurs systèmes d’assimilation de données repose
sur des concepts physiques et mathématiques, mais leur mise au point
dépend des observations qui, seules,
permettent de jauger leur qualité de
manière incontestable.
Les réseaux conventionnels
La bonne technique consiste à comparer un grand nombre d’analyses et de
prévisions d’un modèle avec un
nombre important d’observations
Vue du site instrumenté ARM de Barrow, situé au nord de l’Alaska. Les mesures effectuées concernent les nuages
et les processus radiatifs. (Courtesy : US Department of Energy’s Atmospheric Radiation Measurement Program)
rique, au moyen de divers scores.
Ainsi, l’écart moyen entre prévisions et
observations met en évidence la différence entre le climat du modèle numérique et le climat réel. Un modèle mal
conçu peut présenter des déviations
systématiques, par exemple en termes
d’énergie cinétique, de quantité de
pluie ou de température stratosphérique ; de faibles écarts quotidiens peuvent néanmoins se traduire par une
profonde dégradation du réalisme physique des prévisions et donc de leur
entre la basse atmosphère et une surface continentale. Il s’agit d’un outil
irremplaçable pour optimiser la représentation numérique de ces phénomènes, qui fait appel à des réglages
invérifiables autrement. On peut gager
que c’est pour ce type d’application
que les radars profileurs de vent seront
le plus utiles lorsque leur réseau opérationnel sera mieux développé en
Europe, car ils peuvent observer très
précisément le vent dans les basses
couches (Martner et al., 1993).
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Les campagnes de mesure
La nature éphémère des campagnes
de mesure les rend moins attractives
pour la modélisation que la VMM et
les sites instrumentés permanents.
Mais, grâce à des réanalyses prenant
en compte les observations supplémentaires à haute densité, elles permettent d’étudier des aspects précis
de l’atmosphère dans des situations
météorologiques particulières et donc
de comprendre en profondeur les
défauts des modèles.
appel à des réglages destinés à les rendre
cohérentes avec les mesures des radiosondes. Quant aux images de nébulosité
des satellites géostationnaires, aux observations de précipitations par radar ou
d’impacts de foudre, elles ne servent en
pratique qu’à des comparaisons très subjectives avec les modèles, tant il est difficile de réconcilier observations et
modèles lorsque les quantités mesurées
ne sont pas des variables propres des
simulations. Elles permettent simplement
de constater les plus gros défauts dans les
modèles.
espérant que la qualité des données
sera privilégiée, plutôt que leur
volume, tant il est vrai que de nombreux instruments prétendus révolutionnaires il y a quelques années sont
restés inutiles, malgré leur grand
impact médiatique et la beauté de
leurs images, parce que leur contenu
effectif en informations est faible.
Les variables
dont il faut améliorer
l’observation
Les mesures météorologiques conventionnelles, notamment dans le cadre de
la VMM, ne permettent pas – ou très
difficilement – d’appréhender les événements à développement rapide, comme
les orages, qui s’accompagnent souvent
de phénomènes dangereux ou ceux qui
se produisent dans des régions difficiles
d’accès (montagnes, océans) ou peu
développées sur le plan économique
(tropiques). Les variables liées au cycle
de l’eau atmosphérique – l’humidité,
les nuages et les précipitations – sont
encore imparfaitement observées. Aux
petites échelles, qui conditionnent souvent le temps sensible, les mesures sont
rares et difficiles.
L'une des premières images
obtenues dans un des canaux
infrarouges du sondeur AIRS
embarqué à bord du satellite
Aqua, le 20 juillet 2002. (©
Nasa/JPL)
La télédétection
Les observations par télédétection posent
des problèmes particuliers. Leur comparaison avec les modèles est un processus
si complexe qu’il est souvent impossible
d’attribuer un désaccord à une faiblesse
du modèle plutôt qu’aux approximations
inhérentes à la comparaison elle-même.
À vrai dire, la plupart des données de
télédétection sont prétraitées de manière
à réduire l’écart moyen entre observation
et modèle, ce qui leur ôte une partie de
leur objectivité. De manière paradoxale,
les luminances Atovs ont ainsi une
grande utilité dans l’initialisation des prévisions météorologiques (Bouttier et
Kelly, 2001), mais elles sont inutilisables
pour la validation physique des
modèles : leur traitement fait largement
On espère pourtant des progrès en
matière de télédétection. De nouvelles
technologies vont produire des
mesures utilisables de manière plus
objective grâce à une meilleure qualité
instrumentale (étalonnage, navigation,
stabilité, élimination des données
erronées...) et grâce à une meilleure
couverture spatio-temporelle (augmentation du nombre de satellites
polaires, meilleures résolutions spectrales, spatiales et temporelles). On
attend beaucoup de la disponibilité de
mesures simultanées par différents
instruments. Ces objectifs seront partiellement remplis par les futures
missions de satellites opérationnels
(AIRS, Iasi, MSG, GPM, ADM-Aeolus
décrites plus loin) et par les projets
d’amélioration des réseaux radar. En
Même si les observations spatiales
fournissent une couverture mondiale
efficace, il ne faut pas oublier que ces
mesures concernent des luminances
dans différents domaines du spectre
électromagnétique, dont le rapport
avec les variables propres du système
météorologique est parfois très indirect. De plus, leur résolution spatiale
est souvent assez médiocre. Appréhender l’ensemble de phénomènes
météorologiques, à des fins de prévision opérationnelle ou de recherche,
requiert la mise en place de nouveaux
moyens d’observation pour mieux
mesurer certaines variables, pour
accroître la résolution spatiale ou temporelle ou pour accéder à des zones
mal documentées.
L’humidité
Parmi les quantités dont la mesure
nécessite des améliorations, l’humidité
occupe une place prééminente. La
vapeur d’eau est en effet, avec la température, un paramètre clé du bilan
énergétique de l’atmosphère et l’humidité est une donnée essentielle pour
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caractériser une situation météorologique. De plus, il est admis que d’importantes incertitudes persistent sur le
contenu en eau atmosphérique, sa
répartition spatiale et son évolution,
entraînant des erreurs notables sur la
prévision quantitative des précipitations. Il semble donc raisonnable de
penser qu’un effort majeur doit être
accompli pour améliorer, à la fois, la
précision de la mesure d’humidité, son
suivi spatio-temporel, et pour mieux
comprendre le lien entre l’humidité et
les phénomènes météorologiques dangereux. L’objectif principal est la basse
troposphère (entre la surface et 4 kilomètres d’altitude) où se concentre
l’essentiel de la vapeur d’eau atmosphérique. Mais l’humidité de moyenne troposphère joue aussi un rôle important
pour le développement des systèmes
convectifs ; dans la haute troposphère,
elle est liée au transport méridien par les
perturbations, à la formation des cirrus
et aux échanges avec la stratosphère.
Les nuages
et les précipitations
Les nuages sont une composante
importante pour la météorologie, mais
plus encore pour le système climatique
car leur présence modifie sensiblement le
bilan radiatif atmosphérique. Ils ont deux
effets opposés sur ce bilan :
• Ils réfléchissent vers l’espace une partie
du rayonnement solaire incident.
L’albédo, rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie incidente, est d’autant
plus élevé que les hydrométéores sont
présents en grand nombre et que leur surface équivalente est grande. Cet effet est
donc plus sensible pour les nuages bas.
• Ils absorbent et réémettent une partie
du rayonnement infrarouge thermique
émis par la Terre. Cet effet de serre est
plus sensible pour les nuages hauts.
En moyenne, l’effet d’albédo est supérieur à l’effet de serre et les nuages
refroidissent plutôt l’atmosphère.
Néanmoins, notre compréhension des
phénomènes dynamiques, thermodynamiques, chimiques, microphysiques
contrôlant les caractéristiques radiatives
des nuages aux longueurs d’onde
visibles et infrarouges reste assez limitée.
En particulier, il est indispensable
d’améliorer la connaissance des distributions dimensionnelles des hydrométéores, la caractérisation des types de
particules et la compréhension du rôle
des aérosols pour préciser l’impact des
nuages sur le changement climatique
mondial.
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Il faut également perfectionner les
moyens d’investigation des nuages précipitants, action inséparable des développements numériques vers la prévision
quantitative des précipitations. Sous leurs
différentes formes (pluie, neige, grêle,
pluie verglaçante), les précipitations sont
associées à des risques naturels majeurs
lorsqu’elles tombent en forte quantité.
De nombreux aspects économiques et
sociaux sont concernés : agriculture,
transports, construction, activités de plein
air... Pour la navigation aérienne, la
connaissance précise des hydrométéores
est importante, en particulier pour les
régions où existe de l’eau surfondue pouvant provoquer du givrage. Néanmoins,
le caractère très intermittent et spatialement morcelé des précipitations ainsi que
la complexité et l’importance de leur
conditionnement par le relief rendent la
tâche ardue. En relation avec les précipitations, notamment orageuses, un
meilleur suivi de l’activité électrique des
nuages – en incluant les éclairs nuage-sol
et intranuage – permettrait d’élucider les
relations éventuelles avec des phénomènes extrêmes, comme les fortes
rafales et les précipitations violentes.
Les autres paramètres
Même pour des quantités que l’on sait
bien mesurer comme le vent ou la température, les réseaux opérationnels ne
permettent pas d’appréhender correctement les phénomènes de petite et
moyenne échelle dont l’importance est
souvent cruciale pour la météorologie
locale ou régionale. De même, l’investigation de phénomènes météorologiques
se produisant dans des régions peu
accessibles implique d’être à même d’y
conduire des mesures permettant de
définir l’environnement de ces phénomènes. Pouvoir renforcer les observations localement et pour des durées
limitées, que cela soit pour des objectifs
opérationnels ou de recherche, est donc
une nécessité.
Les observations à très haute résolution
sont nécessaires pour déterminer le
bilan énergétique et le transport atmosphérique de divers constituants au
voisinage de la surface, dans des environnements naturels, industriels ou
urbains. Pour cela, des techniques de
mesure nouvelles doivent être mises en
œuvre afin de déterminer les répartitions tridimensionnelles et l’évolution
des champs de vent, de température et
d’humidité. Un effort particulier devra
être consenti pour permettre d’effectuer
de telles mesures dans des conditions de
forte stabilité, avec vent et turbulence
faibles ; ces conditions sont souvent associées à des épisodes de forte pollution.
Les nouveaux moyens
pour y parvenir
Soulignons qu’il est reconnu qu’aucune
méthode ne résoudra l’ensemble de ces
exigences et que des combinaisons
d’informations issues de plusieurs instruments seront nécessaires.
Pour l’humidité
Depuis l’espace, différentes techniques
de mesure de l’humidité sont actuellement disponibles, mais elles ne donnent
que des valeurs intégrées : canal vapeur
d’eau à 6,3 μm des satellites Météosat
pour l’humidité de la haute et moyenne
troposphère, radiométrie micro-ondes à
22 et 37 GHz à bord des satellites
DMSP, ERS, TRMM, Jason pour l’humidité troposphérique totale. AIRS,
interféromètre dans l’infrarouge à bord
du satellite américain Aqua lancé en mai
2002, ou son équivalent européen Iasi à
bord de Metop fourniront des profils de
température et d’humidité en air clair
avec une résolution verticale de 1 km et
des précisions respectives de 1 K et
10 %. Les mêmes techniques dans les
canaux infrarouges et micro-ondes peuvent être employées depuis le sol (Feltz
et al., 1998 ; Wei et al., 1984). Avec les
radiomètres micro-ondes multicanaux
AMSU-B et MHS autour de 183 GHz,
à bord des satellites Noaa, Aqua et
Metop, on obtient également des profils
d’humidité.
Depuis le sol, le ralentissement subi
par le signal GPS lors de sa propagation dans la troposphère donne une
indication de la quantité de vapeur
d’eau présente sur son trajet. En combinant les mesures relatives à plusieurs
satellites, il est possible d’en déduire
par tomographie les variations horizontales du contenu intégré en eau de
l’atmosphère (Doerflinger, 2001). Sur
des surfaces continentales régulières,
la mesure du délai de propagation des
signaux d’un radar spatial à synthèse
d’ouverture donne également accès
aux champs d’humidité intégrée, avec
une bonne résolution spatiale (inférieure à 100 m) (Hanssen et al., 1999).
Les lidars Raman (Whiteman et al.,
1992) et Dial à absorption différentielle (Bruneau et al., 2001) peuvent
décrire le champ d’humidité dans ses
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
trois dimensions, pour des distances
maximales de quelques kilomètres,
mais avec certaines restrictions
(nuages épais, lumière solaire pour le
Raman). Le projet de satellite européen Wales reprend ce principe pour
une mesure des profils d’humidité à
très haute résolution spatiale sur tout
le globe à l’échéance 2008-2010. Le
système Rass, qui combine un profileur de vent UHF ou VHF et un sondeur acoustique, donne un profil de
température virtuelle, d’où il est théoriquement possible d’extraire un gradient vertical d’humidité en utilisant
les différents moments de la mesure
Doppler (Gossard et al., 1997).
la polarisation dans le visible et le
proche infrarouge) sur un microsatellite. En incluant le satellite Aqua déjà
en orbite, cet ensemble de quatre satellites, dont les dates et les orbites sont
coordonnées, contribuera de façon
unique à la connaissance et à la compréhension des interactions entre aérosols, nuages et rayonnement. Les
mesures ainsi recueillies permettront
d’améliorer la détermination des forçages directs et indirects des aérosols
et des nuages sur le bilan radiatif. Le
satellite japonais Adeos 2 emportera
aussi des radiomètres et des polarimètres pour la caractérisation des
nuages. Le projet spatial européen
net, qui a démarré en 2001, a pour
objectif de recueillir, de façon quasi
continue pendant trois ans et sur plusieurs sites, des données relatives aux
nuages. Ces mesures sont obtenues par
télédétection (radars, lidars, radiomètres), à des fins d’utilisation dans
les modèles numériques opérationnels.
Le projet Rali associe un radar millimétrique et un lidar Dial pour l’observation des nuages pas ou peu
précipitants depuis un avion de
recherche. Pour ce qui est des mesures
microphysiques in situ, il faut insister
sur les développements récents (néphélomètres, imageurs à haute résolution,
acquisition à très haute cadence…) qui
Earthcare, associant lidar, radar, spectromètre et radiomètres, devrait poursuivre ces objectifs scientifiques par
des observations sur tout le globe des
profils verticaux des caractéristiques
des nuages et des aérosols, afin d’en
déduire l’impact sur le bilan radiatif,
la répartition de l’eau liquide et de la
glace dans les nuages, les transports
associés ainsi que les relations entre
nuages et précipitations.
permettront d’améliorer la connaissance
et la représentation de la répartition en
taille, en phase et en type des hydrométéores dans les nuages (Gayet et al.,
1997 ; Lawson et al., 1998).
Vue d'artiste
de l'observatoire spatial
constitué de quatre satellites
volant en formation.
(© CNES, ill. David Ducros)
Pour les nuages
En ce qui concerne l’observation spatiale des nuages, le Cnes et la Nasa ont
décidé la mission Calipso qui embarquera en 2003 une charge utile composée d’un lidar à trois canaux, d’une
caméra à grand champ fonctionnant
dans le visible et d’un imageur dans
l’infrarouge thermique. Le satellite
américano-canadien Cloudsat embarquant un radar millimétrique sera
lancé simultanément. En France, le
Cnes a décidé une mission complémentaire des précédentes, Parasol,
avec un instrument Polder (mesure de
La même association radar-lidar-radiomètre sera utilisée à partir d’avions de
recherche atmosphérique et à partir du
sol. Ainsi, le réseau européen Cloud-
Pour les précipitations
et les éclairs
La mesure des précipitations à partir
de l’espace est une préoccupation
récurrente. Depuis la mise sur orbite
en 1997 du satellite américano-japonais TRMM (Kummerow et al., 1998),
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Vue du banc récepteur de l’instrument Aladin, prototype du lidar Doppler qui sera embarqué par la mission
spatiale ADM-Aeolus. (© Astrium)
embarquant pour la première fois un
radar météorologique avec des radiomètres infrarouge et micro-ondes, il
est possible de suivre précisément la
climatologie des précipitations aux
latitudes tropicales et subtropicales. Le
projet GPM envisage pour la décennie
à venir l’extension de ces mesures
vers une couverture mondiale, par la
mise sur orbite d’une constellation de
satellites emportant des radiomètres
micro-ondes et d’un satellite porteur
d’un radar météorologique plus perfectionné. Un point important de
TRMM comme de GPM est la mise en
place d’un réseau de sites de validation
en surface, en différents endroits représentatifs de la variabilité naturelle des
précipitations.
En surface, les développements les
plus remarquables concerneront certainement l’utilisation de plus en plus fréquente des radars météorologiques
Doppler à diversité de polarisation.
L’analyse des mesures polarimétriques
des radars de recherche montre en effet
qu’il est possible d’en extraire des
informations sur la géométrie et la distribution dimensionnelle des hydrométéores, en distinguant pluie, neige et
grêle. De plus, les taux précipitants
dérivés de l’information polarimétrique ne sont pas sensibles à l’atténuation du signal radar par les précipitations, comme le sont les estimations
actuelles avec des radars conventionnels. L’implantation à grande échelle
de tels systèmes opérationnels est
néanmoins très coûteuse et la modernisation des réseaux opérationnels prendra certainement quelques années
(Doviak et al., 2000 ; Sauvageot,
2000). D’autres radars polarimétriques
fonctionnant à des fréquences plus élevées seront utilisés pour l’étude des
précipitations aux échelles locales ou
régionales (Delrieu et al., 1999 ;
Sauvageot et al., 1998).
La détection de la foudre est complémentaire de l’observation des précipitations. Des réseaux de détection des
éclairs nuage-sol sont opérationnels
dans de nombreux pays, mais ils ne
mesurent pas l’ensemble des phénomènes électriques. La mise en œuvre
plus systématique de systèmes détectant aussi les décharges intranuage
(Maier et al., 1995 ; Kawasaki et al.,
1994) contribuera certainement à
mieux établir les relations entre les précipitations et l’activité électrique.
Pour les autres paramètres
La mesure du vent dans la troposphère
doit être améliorée en termes de couverture globale et de résolution spatiale
et temporelle. Le projet spatial européen ADM-Aeolus envisage la mise sur
orbite d’un lidar Doppler offrant une
couverture mondiale – en dehors des
nuages – de la mesure du vent, avec des
résolutions horizontale de 200 km et
verticale de 0,5 à 2 km et une cadence
de 12 heures (Pailleux, 2002). Le vent
peut aussi être déterminé par le déplacement des structures nuageuses à partir de séries d’images prises par les
satellites géostationnaires (Le Marshall
et al., 2000). Pour améliorer les performances de cette approche, notamment
pour le suivi de phénomènes à développement rapide ou potentiellement dangereux, il est nécessaire de réduire
autant que possible l’intervalle de
temps entre chaque image en utilisant
des balayages plus rapides centrés sur
des zones plus petites (Schmetz et al.,
2000). Même s’ils ne donnent accès
qu’au vent à la surface de l’océan, les
diffusomètres spatiaux fournissent des
informations à relativement haute résolution, très utiles pour l’étude des phénomènes faisant intervenir des
interactions entre l’océan et l’atmosphère.
Les lidars Doppler sont aussi utilisés à
partir d'avions de recherche (Reitebuch
et al., 2002) et depuis la surface, pour
des mesures à haute résolution spatiale
en air clair, notamment pour étudier les
écoulements atmosphériques sur des
terrains complexes comme les zones
montagneuses et urbaines (Drobinski et
al., 1998). Aux échelles encore plus
fines, dans le domaine de la turbulence
atmosphérique qui conditionne en partie le transport et la diffusion de constituants, de quantité de mouvement et
d’énergie dans les premières centaines
de mètres de l’atmosphère et au sein
des nuages, il sera nécessaire de développer des capteurs aéroportés rapides
(fréquence effective d’environ 100 Hz)
pour des restitutions dynamiques,
microphysiques et chimiques à haute
résolution. De la surface, le vent peut
être appréhendé par des radars météorologiques Doppler dont les capacités
d’observation dépendent de la fréquence d’émission. Aux fréquences
supérieures à 1 GHz, des radars à
balayage horizontal ou volumique
observent les régions précipitantes ou
nuageuses (Tabary et al., 2002) ; aux
fréquences inférieures, des radars à
incidence verticale fournissent des profils de vent en air clair (Klaus et al.,
1994). Ces systèmes employés pour la
recherche depuis une vingtaine d’années servent de plus en plus à des fins
opérationnelles. Pour des applications
de plus petite échelle, des radars
Doppler mobiles sont de plus en plus
fréquemment développés (Wurman et
al., 1996).
Mesures du vent et de la température
peuvent aussi s’effectuer à l’aide de
dropsondes larguées d'avions de
recherche pour accroître la densité d’observations dans des régions où se produisent des phénomènes particuliers, sujets
d’études spécifiques, ou dans des zones
sensibles pour leur développement ultérieur. L’amélioration de la qualité des
mesures (notamment d’humidité), de la
résolution verticale et de la résolution
horizontale par l’augmentation du
nombre de canaux de réception est
nécessaire pour accroître leur potentiel
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
d’investigation. Des avions sans pilote,
pouvant évoluer à très haute altitude, au
niveau de la tropopause ou au-delà, permettraient de réduire considérablement
les coûts de mise en œuvre.
Vers l’usage
des nouvelles
observations
Il y a plusieurs manières de valoriser de
nouvelles observations en recherche, et
chacune aboutit à privilégier un aspect de
l’observation plutôt qu’un autre. Outre la
qualité instrumentale et la couverture
spatio-temporelle, il faut prendre en
compte diverses notions : possibilité
d’obtenir des observations simultanées
de plusieurs types, notamment in situ et
par télédétection ; permanence et stabilité
temporelle d’un réseau ; disponibilité,
même sur une région ou une période restreinte, d’observations à très haute résolution temporelle ou spatiale, afin
d’appréhender toute la variabilité du phénomène observé. On privilégiera les
observations directes ou indirectes de
paramètres physiques mal connus :
humidité du sol, gel, émissivité de surface, rugosité, variables microphysiques
et radiatives nuageuses, aérosols, espèces
chimiques actives, champs stratosphériques et mésosphériques. On privilégiera aussi les observations dans les
régions habitées, les zones urbaines, les
basses couches, et pour des phénomènes
importants comme la dynamique de la
tropopause, l’atmosphère sous les nuages
convectifs, les inversions, les précurseurs
dynamiques et thermodynamiques des
tempêtes. Les choix sont difficiles, car
ces critères ne rejoignent pas forcément
les opportunités technologiques et industrielles en matière d’instruments et la
démonstration de l’utilité d’un réseau
relève plus souvent de l’intuition que
d’arguments totalement objectifs.
Le couronnement ultime d’un nouveau
type de donnée est sans doute son assimilation en « temps réel » pour améliorer
les prévisions météorologiques. En raison de l’important investissement nécessaire, cela n’est envisageable que pour
des systèmes d’observation pérennes,
ayant une couverture spatio-temporelle
suffisante, une disponibilité très rapide
dans un format de codage standard, une
qualité stable dans le temps pour éviter
de dégrader l’ensemble du système de
prévision et une compétitivité par rapport
aux autres systèmes d’observation. Il faut
aussi disposer d’un logiciel fiable de
comparaison entre valeurs observées et
valeurs simulées par le modèle. Cela
nécessite un modèle qui représente les
phénomènes importants pour le processus de mesure à la bonne résolution, avec
un minimum d’approximations et un bon
logiciel de sélection des données utilisables. Ce défi sera particulièrement ardu
pour les futurs sondeurs interférométriques infrarouges à haute résolution
spectrale (AIRS et Iasi), dont l’utilisation
sera coûteuse, à cause des volumes de
données en jeu, et délicate, car l’opérateur d’observation sera affecté par
des influences mal connues, notamment
la surface terrestre, les aérosols et les
nuages.
Enfin, le modèle lui-même doit savoir
assimiler ces mesures, en corrigeant,
non seulement les variables physiques
directement observées, mais aussi tous
les champs météorologiques qui leur
sont corrélés dans la nature, faute de
quoi l’information insérée serait rapide-
ment perdue au cours de la prévision.
Par exemple, plusieurs types de données
d’humidité sont assimilés dans les principaux modèles de prévision mondiaux,
mais sans apport démontrable sur la
qualité des prévisions à une échéance
supérieure à quelques heures. Quant aux
observations de nuages, bien qu’elles
soient effectuées depuis longtemps par
les satellites géostationnaires, elles ne
servent guère dans les modèles : en
effet, il faudrait savoir inventer dans le
modèle, non seulement le nuage luimême, mais aussi l’environnement de
vent, de température et d’humidité qui
permet la survie de ce nuage. La réponse
se trouvera dans l’amélioration de la
physique des modèles et dans celle des
algorithmes d’assimilation des données.
La réponse se trouvera également dans
l’exploitation de l’imagerie télédétectée,
non seulement pixel par pixel, mais
aussi en prenant en compte la distribution spatiale des structures observées, ce
qu’un opérateur humain fait actuellement bien mieux que nos logiciels.
En conclusion, on retiendra qu’il ne
faut pas confondre l’utilité scientifique
d’une observation avec son apport dans
les prévisions au jour le jour. La
recherche a besoin d’observations
sophistiquées pour mieux comprendre
les processus atmosphériques ainsi que
les défauts de leur représentation dans
les modèles numériques. La prévision
numérique a, quant à elle, besoin d’un
réseau conventionnel stable, comme
base de référence, et de nouveaux systèmes d’observation qui concilient soigneusement qualité de la mesure,
adéquation aux capacités d’assimilation
et informativité pour les régions et les
paramètres qui font les faiblesses des
systèmes actuels de prévision météorologique.
Le profileur de vent VHF du Centre national de recherches météorologiques, installé à Istres pendant la campagne Escompte. (Photo Météo-France, P. Taburet).
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La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Une sélection de sites Internet pour en savoir plus
Projet ARM :
www.arm.gov/
Réseau Cloudnet :
www.met.reading.ac.uk/radar/cloudnet/
Mission Wales :
www.esa.int/export/esaLP/ASE77YNW9SC_futuremissions_0.html
Projet Rali :
www.cetp.ipsl.fr/1activ/23instr/its/RALI.html
Mission Calipso :
www-calipso.larc.nasa.gov/
Projet GPM :
gpm.gsfc.nasa.gov/
Mission Cloudsat :
cloudsat.atmos.colostate.edu/
Détection de la foudre :
www.euclid.org/
www.lightningstorm.com/ls2/discover/nldn/index.jsp
Mission Parasol :
smsc.cnes.fr/PARASOL/Fr/
Satellite Adeos 2 :
hdsn.eoc.nasda.go.jp/guide/satellite/satdata/adeos2_e.html
Projet Earthcare :
www.esa.int/export/esaLP/ASESMYNW9SC_futuremissions_0.html
Projet ADM-Aeolus :
www.esa.int/export/esaLP/aeolus.html
Dropsondes :
www.atd.ucar.edu/rtf/facilities/dropsonde/gpsDropsonde.html
www.vaisala.com/page.asp?Section=209
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