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L’observation in situ en altitude Les activités opérationnelles de Météo-France

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L’observation in situ en altitude Les activités opérationnelles de Météo-France
L’observation
in situ en altitude
Les activités opérationnelles de Météo-France
Jean-Louis Gaumet
Météo-France - Direction des systèmes d’observation
7, rue Teisserenc-de-Bort - BP 202 - 78195 Trappes
[email protected]
L’observation
en altitude
Résumé
L’observation opérationnelle en altitude est indispensable, en particulier
pour définir l’état initial des modèles
numériques de prévision du temps.
En prenant l’exemple du service
météorologique français, cet article
décrit les deux principales techniques
actuelles d’observation in situ en altitude, le radiosondage et les mesures
Amdar sur les avions de ligne, ainsi
que les contraintes imposées par leur
emploi dans le cadre de réseaux opérationnels.
Abstract
Upper-air in situ measurements;
Météo-France’s operational activity
Operational upper-air measurements
are essential in meteorology, especially for initializing numerical weather prediction models. Using the
French meteorological service as an
example, this paper describes the two
main current techniques for upperair in situ observations: radiosoundings and Amdar measurements
from commercial aircraft. It also
deals with constraints resulting from
the use of these techniques in the operational networks.
Les observations régulières en altitude,
dans la troposphère et la basse stratosphère, constituent une information
indispensable pour définir l’état initial
des modèles de prévision numérique du
temps (Pailleux et al., 2000 ; Pailleux,
2002). C’est la raison pour laquelle ces
observations, codifiées et contrôlées,
font l’objet d’échanges internationaux
placés sous l’égide de l’Organisation
météorologique mondiale (OMM).
Les méthodes d’observation
La technique du radiosondage, utilisée
par les météorologistes du monde
entier, consiste à lancer dans l’atmosphère une sonde accrochée sous un
ballon et émettant ses mesures en
temps réel vers le sol par radio. Les
premiers radiosondages ont été mis au
point dans les années 1920 et il semble
bien que l’invention de cette technique
de mesure puisse être attribuée à deux
météorologistes français, Bureau et
Idrac (Rochas et Lagadec, 1994).
Depuis, au fil des décennies, le radiosondage a pris en compte de nombreux
progrès technologiques ; il demeure, à
l’aube du XXIe siècle, la méthode d’observation en altitude la plus répandue
pour les besoins opérationnels.
Longtemps unique moyen opérationnel
disponible pour l’altitude, le radiosondage subit maintenant la concurrence
de nouveaux modes d’investigation in
situ de l’atmosphère, notamment les
mesures par des avions de ligne,
généralement connues sous le nom de
mesures Amdar (Aircraft Meteorological Data Relay). Les données qui en
résultent sont transmises au sol par les
Lâcher de ballon pour un radiosondage à Trappes.
(Photo Météo-France, P. Taburet)
compagnies aériennes au moyen du
système Acars (Aircraft Communication Adressing and Reporting System).
Le radiosondage subit également la
concurrence des instruments de télédétection situés au sol ou embarqués sur
satellite. Lorsqu’ils sont utilisés pour la
mesure de profils atmosphériques, les
instruments de télédétection au sol sont
souvent appelés profileurs et leur
emploi opérationnel concerne surtout la
mesure du vent par effet Doppler
(Mauprivez et Sandra, 2002). De leur
côté, les instruments embarqués sur
satellite pour restituer des profils atmosphériques sont plutôt appelés sondeurs (Phulpin et al., 2003).
Pour le moment, cependant, ces nouveaux moyens de mesure ne semblent
pas mettre en péril la technique du
radiosondage, mais viennent plutôt la
compléter. En effet, les mesures du
Les techniques instrumentales
57
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
58
radiosondage restituent le profil de tous
les paramètres météorologiques fondamentaux : pression, température, humidité et vent ; au contraire, les mesures
par avion ou par télédétection ne donnent pas l’ensemble de ces paramètres
et sont souvent moins précises (télédétection satellitaire) ou moins bien résolues dans l’espace (mesures par avion).
L’organisation
Au niveau mondial, plusieurs commissions ou instances de l’OMM ont la
charge de maintenir ou d’améliorer la
densité et la qualité des mesures Amdar
et des radiosondages en mer à partir de
navires (programme Asap, pour Automatic Shipboard Aerological Programme). En outre, des campagnes
internationales de comparaison de
radiosondes sont régulièrement menées
dans le cadre de l’OMM.
Au niveau européen, l’organisation
Eumetnet a tout d’abord orienté ses
efforts sur l’intégration des réseaux
nationaux de mesures en altitude par
avion (action E-Amdar) et par radiosondage à partir de navires (action EAsap), dans le cadre du programme
Eucos (Gérard, 1999).
Enfin, à Météo-France, les divers
moyens opérationnels d’observation en
altitude sont organisés en réseaux. Les
stations de radiosondage sont réparties
en deux sous-réseaux, terrestre et maritime. Il est également d’usage de parler
du réseau Amdar, constitué d’une flotte
d’avions Airbus basée à Orly. Par
contre, compte tenu du faible nombre
de profileurs existants, il n’est pas possible de parler de réseau pour ce type
d’instruments. La Direction des systèmes d’observation (DSO), implantée
à Trappes et à Toulouse, est chargée
d’effectuer le suivi de ces réseaux d’observation (veille technologique, choix
des matériels, contrôle de la qualité et
maintenance). La principale difficulté
provient de la dispersion du réseau de
radiosondage, avec des sites en métropole, dans les DOM-TOM et dans les
terres Australes.
Le radiosondage
Spécifications des mesures
Le réseau de radiosondage est le plus
ancien et le plus codifié à l’échelle
mondiale. Les sondages doivent être
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Paramètre
Spécifications
Pression
Gamme de mesure : de 1 050 à 3 hPa
Erreur maximale dans 95 % des cas : ± 2 hPa à 1 050 hPa ;
± 1,5 hPa à 500 hPa ; ± 0,85 hPa à 100 hPa et ± 0,5 hPa à 10 hPa
Résolution : meilleure que 1 hPa à 1 050 hPa et meilleure
que 0,1 hPa au-dessus de 20 hPa
Température
Gamme de mesure : de 50 °C à -90 °C
Erreur maximale : ± 0,5 °C
Résolution : meilleure que 0,1 °C sur toute la gamme
Humidité
relative
Gamme de mesure : de 0 à 100 % entre 50 °C et -40 °C
Erreur maximale dans 95% des cas : + 5 %
Résolution : meilleure que 2 %
Vitesse du vent
Gamme de mesure : de 0,1 m/s à une vitesse maximale illimitée
Erreur maximale (sur chaque composante) :
de la surface à 100 hPa : ± 1 m/s ; de 100 à 5 hPa : ± 2 m/s
Direction
du vent
Erreur maximale :
• de 1 050 hPa à 100 hPa :
± 5 degrés pour moins de 15 m/s
± 2,5 degrés pour des vitesses supérieures
• de 100 hPa à 5 hPa : ± 5 degrés
Direction
et vitesse
du vent
Résolution :
• des points dans les 300 premiers mètres du sondage
• des points représentatifs du vent moyen sur des couches
d’épaisseur au moins égale à 50 mètres
Tableau 1 – Spécifications techniques des paramètres mesurés par une radiosonde.
effectués à 0 h et 12 h UTC tous les
jours et atteindre un niveau supérieur à
150 hPa (environ 13 600 mètres) pour
l’ensemble des paramètres pression,
température, humidité et vent, avec des
spécifications rassemblées dans le
tableau 1.
Méthodes de mesure
La technique du radiosondage consiste à
lâcher dans l’atmosphère un ballon, gonflé par un gaz plus léger que l’air (hydrogène ou hélium), dont la vitesse
ascensionnelle moyenne est comprise
entre 4 et 8 m/s. Sous le ballon est fixée
une sonde constituée de capteurs de pression (P), de température (T), d’humidité
(U) et de vent (V), capteurs dont les
mesures sont transmises au sol par
modulation d’une onde électromagnétique porteuse du domaine radio (vers
400 MHz), d’où le nom de radiosonde.
Un système dérouleur doit accompagner
la radiosonde de manière à lui permettre
de s’écarter du ballon juste après le
lâcher. La longueur, après déroulement,
de l’attelage entre le ballon et la sonde
doit être au minimum de 25 mètres.
L’équipage ballon-sonde est complété
par un parachute intercalé qui permet à
la sonde (poids 400 g) de retomber lentement, après éclatement du ballon,
dans des conditions de sécurité vis-àvis d’une personne susceptible de se
trouver malencontreusement à son
point de chute. Les ballons peuvent
également représenter un certain danger pour les avions de ligne (hublot,
réacteur…). Il faut néanmoins noter
que ce type d’incident est rare et, jusqu’à présent, sans gravité. Néanmoins,
afin d’éviter ces incidents, tout radiosondage effectué sur une plate-forme
aéroportuaire fait l’objet d’une publication d’information aéronautique ou
d’une procédure particulière appelée
Notam, qui autorise Météo-France à
effectuer le lâcher dans un cadre précis
(lieu, horaire, autorisation de la tour de
contrôle, etc.).
Préparation de l’équipage ballon-sonde avant le
lâcher. (Photo Météo-France, P. Taburet)
59
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Les mesures P, T et U s’effectuent
généralement au moyen de capteurs
électroniques de type capacitif. Mais,
dans certaines sondes, la température
est mesurée par une thermistance. Les
mesures sont ensuite traitées par un
reste la mesure la plus difficile, car des
écarts de l’ordre de 10 % peuvent être
notés entre sondes. De plus, le passage
de la sonde au travers d’un nuage peut
donner lieu à une surestimation de l’humidité dans la zone claire située juste
au-dessus ; cette surestimation reste néanmoins de courte durée
(constante de temps
inférieure à 2 s).
La détermination du
vent horizontal (en
vitesse et en direction)
est un élément important du radiosondage,
qui s’effectue au
moyen de localisations successives du
ballon, en faisant l’hypothèse que le ballon
se déplace à la vitesse
du vent. En réalité, les
ballons traditionnels
sont animés de mouUne radiosonde Geolink-Modem avec sa protection en polystyrène, ses capvements parasites de
teurs et son émetteur radio. (Photo Météo-France, Y. Boidé)
grande amplitude qui
faussent la mesure.
convertisseur tension-fréquence avant Dans ce cas, il est nécessaire de faire
leur transmission au sol. La qualité des moyennes du vent sur des couches
métrologique des sondes, en ce qui de grande épaisseur et la précision
concerne la pression et la température, éventuelle de la localisation est alors
est en général conforme aux spécifica- perdue (perte de précision de l’ordre de
tions (figure 1a). Cependant, pour toutes 1 m/s). Des ballons stabilisés permetles sondes, la mesure de température est tent d’atténuer cet effet de façon imporentachée d’erreur aux hautes altitudes tante (Barat, 2000).
(au-dessus de 10 km) à cause de l’effet
de rayonnement ; des corrections sont La mesure du vent par radiosondage a
données par les constructeurs et sont subi de nombreuses évolutions au cours
constamment réévaluées. L’humidité des vingt dernières années. Pendant
Figure 1 – Exemple de tracé de profils verticaux résultant d’un radiosondage.
a. Profils verticaux de la température (en vert), du point de rosée (en bleu) et de l’humidité relative (en rouge).
Niveaux verticaux en hectoPascals.
b. Profils verticaux de la vitesse (en bleu) et de la direction (en rouge) du vent. Niveaux verticaux en mètres.
longtemps, la poursuite du ballon
(équipé d’un réflecteur) par radar a été
le moyen le plus utilisé. Il a été abandonné, en raison des coûts importants
engendrés par la maintenance lourde
des radars de poursuite, au profit des
techniques de localisation Omega ou
Loran C. Ces techniques, développées
par les militaires, se servent des
signaux de radionavigation d’au moins
trois balises émettrices pour donner par
triangulation les coordonnées du
mobile. Elles sont précises et simples
d’emploi car ne nécessitant pas d’équipement lourd comme le radar. Elles
exigent cependant des calculs relativement complexes qu’il faut effectuer
dans la station-sol après que la sonde a
capté les signaux des balises émettrices
et envoyé au sol les informations utiles
au calcul du vent.
Le fonctionnement de ces systèmes de
localisation dépend des armées de
l’Otan, qui peuvent décider de cesser
d’émettre. Ainsi, le système Omega a
été récemment abandonné et la pérennité du système Loran C n’est pas assurée au-delà de deux ou trois ans. Pour
ces raisons, les fabricants de sondes
météorologiques ont cherché de nouveaux moyens de localisation. C’est
ainsi que le système GPS (lui aussi
développé pour les besoins de l’armée
américaine) s’est rapidement révélé
une technique prometteuse et précise.
Malheureusement, cette technique est
très coûteuse si l’on utilise le traitement
complet de positionnement (appelé ici
GPS 3D). Aussi, la sonde la plus
répandue à travers le monde est-elle de
type hybride : le vent est calculé par
l’effet Doppler engendré par les déplacements relatifs de la sonde et des
a
b
25 000
100
200
20 000
300
600
15 000
10 000
700
Altitude (mètres)
500
Pression (hPa)
400
800
Humidité relative (%)
900
0
20
40
60
80
100
-10
0
10
20
30
40
5 000
Direction (degrés)
60
1 000
-70
-60
-50
-40
-30
-20
Température (°C)
5
10
15
20
25
30
120
35
Vitesse (nœuds)
180
40
240
45
300
360
50
60
55
120
60
60
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
aux mouvements erratiques du ballon.
L’effet de ces mouvements est notablement
réduit en allongeant
l’attelage entre le ballon et la sonde
(quelques dizaines de
mètres).
Mais le gros problème
des mesures du vent
par la technique GPS
2D est l’occurrence de
données manquantes
(des absences de données représentant de
20 à 30 % du sondage
Côte à côte, deux types de radiosonde. A gauche, radiosonde Vaisala RS 90 AG ; à ne sont pas rares). Ces
données manquantes
droite, radiosonde Geolink-Modem GL 98. (Photo Météo-France, P. Taburet)
résultent de l’élaboration relativement
satellites GPS, mais sans localisation complexe de la mesure Doppler, qui est
(méthode GPS 2D). Les techniques effectuée au sol ; cela implique que la
Loran C, GPS 2D et GPS 3D ont des radiosonde transmette des fréquences
coûts très différents (facteur de 1 à 3), Doppler vers sol, transmission qui est
ce à quoi les services météorologiques soumise à divers aléas de propagation.
sont très sensibles. C’est pourquoi la En revanche, avec les sondes GPS 3D,
localisation Loran C, la moins chère, a il n’y a pas de données manquantes car
été adoptée pratiquement partout où le calcul du positionnement est effectué
au niveau de la sonde.
cela est techniquement possible.
La qualité métrologique des mesures de
vent est en général voisine des spécifications annoncées (figure 1b). À noter
que les limites du système ne sont pas
dues au GPS lui-même, qui délivre des
mesures particulièrement précises, mais
Au sol, le matériel de radiosondage est
constitué d’un récepteur, de son
antenne à 400 MHz et d’un décodeur.
Le décodeur transforme les fréquences
de mesure fournies par la radiosonde
pour P, T, U et le vent. Les données
recueillies au niveau
de la station au sol
sont ensuite présentées sous la forme
d’un message codé
appelé Temp. Pour les
radiosondages effectués en métropole, les
messages Temp sont
envoyés à la Direction
de la production à
Toulouse, qui les diffuse sur le Système
mondial de télécommunications météorologiques (SMT). Les
messages Temp élaborés en mer sont
envoyés vers le satellite Météosat puis
recueillis au sol par le
centre d’opérations
d’Eumetsat
à
Darmstadt qui les diffuse sur le SMT via
Offenbach.
Le matériel technique
Les radiosondes utilisées à MétéoFrance sont de trois types suivant le
domaine d’application :
• Les sondes Vaisala RS 90 AL sont
équipées d’un capteur d’humidité capacitif constitué de deux éléments
Humicap H chauffés alternativement
pour éviter la formation de glace. La
mesure du vent est effectuée par localisation Loran C, ce qui fait que ces
sondes ne peuvent être employées qu’en
métropole.
• Les sondes Vaisala RS 90 AG sont
équipées du même capteur d’humidité,
mais la mesure du vent utilise l’effet
Doppler sans localisation (GPS 2D).
Ces sondes servent actuellement sur les
navires et dans les DOM-TOM et les
terres Australes.
• Les sondes Geolink-Modem GL 98
mesurent la température à l’aide d’une
thermistance et le vent par localisation
GPS complète (GPS 3D). La pression est
déduite de l’équation de Laplace et non
mesurée par un capteur. Ces sondes sont
particulièrement performantes pour la
mesure du vent, surtout par conditions de
lâcher difficiles. La disponibilité des
données de vent est généralement excellente (supérieure à 95 %). Ces sondes
Geolink ont été retenues pour équiper les
navires afin d’améliorer les sondages de
vent en mer.
La qualité de ces différentes sondes est
normalement garantie à l’origine par
les fournisseurs. À Météo-France, des
contrôles de performances sont régulièrement effectués en vol sur des échantillons, par comparaison à des sondes
de référence. Le coût relativement
élevé des sondes (de 67 € pour le
Loran C à 152 € pour le GPS 3D)
contribue à l’importance du budget
consacré par Météo-France au radiosondage (près de 14 000 radiosondages
effectués chaque année). Une tentative
a été menée pour récupérer les sondes
et faire ainsi des économies ; ce projet a
été abandonné car il est assez délicat à
mettre en œuvre et donne des résultats
décevants.
Les ballons se dilatent au fur et à
mesure de leur ascension du fait que la
pression ambiante diminue. Ainsi, ils
doivent être fabriqués dans une matière
très résistante (chloroprène ou latex).
Ils sont proposés selon divers poids
(entre 300 et 1 000 g), dont la valeur
doit être choisie d’autant plus grande
que l’on veut atteindre des altitudes
La baie électronique de réception du radiosondage. (Photo Météo-France, P. Taburet)
61
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
L’autosonde Vaisala en cours d’essais à Trappes.
(Photo Météo-France)
élevées. Les gaz de gonflement doivent
être de masse volumique inférieure à
celle de l’air et d’un coût acceptable.
C’est le cas de l’hydrogène, mais les
risques d’explosion liés à son emploi
ont conduit de nombreux pays à utiliser
l’hélium, gaz inerte sans danger, qui
toutefois demeure cher. Météo-France
utilise l’hélium dans la majorité des stations pour lesquelles l’acheminement de
ce gaz est possible à un coût acceptable.
Les stations les plus lointaines utilisent
de l’hydrogène fabriqué sur place.
Depuis quelques années, la société
Vaisala propose un système automatique
de lâcher de ballons pour le radiosondage : l’autosonde. Il s’agit d’un robot
capable d’effectuer de 6 à 24 lâchers à
des heures programmées, sans intervention humaine. Les différentes opérations
automatisées sont le gonflement du ballon, la sélection de la sonde, le lâcher du
ballon, le recueil des données et leur
envoi sur le Système mondial de télécommunications météorologiques
(SMT). L’autosonde présente une bonne
fiabilité (de l’ordre de 95 % de radioson-
Figure 2 – Emplacement
géographique des stations
de radiosondage de Météo-France.
dages réussis avec émission de messages Temp), à condition d’avoir mis en
place une sérieuse organisation de la
maintenance.
L’avantage du radiosondage automatique réside à la fois dans la possibilité
de s’affranchir de la présence de personnel (radiosondages de nuit et de
week-end) et dans celle de modifier la
cadence des sondages pour répondre
aux besoins de la prévision du temps en
cas de situation météorologique difficile. À l’heure actuelle, de nombreux
pays ont adopté ce système (Australie,
Royaume-Uni, Allemagne, Espagne,
etc.). Météo-France vient d’installer une
autosonde dans son centre de Bordeaux.
Le réseau français
de radiosondage
Le réseau de radiosondage de MétéoFrance est très dispersé à travers le
monde ; il comporte 24 stations (figure
2), dont 7 en métropole, 13 dans les
DOM-TOM et les terres Australes et
antarctiques françaises (Taaf) et 4 sur
des navires commerciaux :
62
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Lâcher de ballon pour un radiosondage Sare à partir
d’un navire. (Photo Météo-France)
• Les sept stations de métropole sont
Ajaccio, Bordeaux, Brest, Lyon,
Nancy, Nîmes et Trappes. Le vent y est
mesuré au moyen du système de localisation Loran C.
• Les treize stations situées outre-mer et
dans les Taaf se répartissent comme
suit : la Polynésie française en comporte six (Tahiti-Faaa, Atuona, Rapa,
Rikitea, Tubuaï et Takaroa avec un seul
sondage par jour), les Taaf trois
(Nouvelle-Amsterdam, Kerguelen et
terre Adélie) et les autres DOM-TOM
quatre (île Tromelin pour la Réunion, le
Raizet en Guadeloupe et Rochambeau
en Guyane pour les Antilles-Guyane,
Nouméa pour la Nouvelle-Calédonie).
À noter que le centre de la Réunion a
un rôle de gestion vis-à-vis des stations
des Taaf.
• Dans le but de disposer de radiosondages au-dessus de l’Atlantique, où les
mesures en altitude sont rares, plusieurs
services météorologiques européens,
dont la France, effectuent ce type de
mesures à partir de navires commerciaux. Cette technique particulière,
appelée Sare (Système automatique de
radiosondage embarqué) en France ou
Asap à l’étranger, est mise en œuvre
par Météo-France depuis 1986 sur
quatre bateaux de la Compagnie générale maritime croisant entre Le Havre
et les Antilles. Cette organisation permet d’obtenir des sondages quotidiens
sur l’Atlantique.
Les mesures
sur des avions
de ligne
Spécifications des mesures
À terme, les objectifs des mesures par
avion (mesures Amdar) sont identiques,
du point de vue de la qualité, à ceux du
radiosondage. À l’heure actuelle, chaque
nouvel aéronef acheté par les grandes
compagnies aériennes est équipé d’un
jeu de capteurs pour les mesures automatiques de pression, de température et
de vent. Ces capteurs sont utiles pour les
besoins propres de l’équipage, mais présentent également un grand intérêt
météorologique. Aussi, les services
météorologiques participent-ils financièrement à l’entretien de ces capteurs ainsi
qu’à leur amélioration.
Les capteurs des avions de ligne présentent des caractéristiques métrologiques
tout à fait acceptables ; cependant, l’absence de mesure d’humidité constitue le
point faible du système. Une autre difficulté technique réside dans la communication au sol des nombreux messages
résultants, qui engendre un coût de transmission relativement élevé, auquel
s’ajoute celui de la maintenance des capteurs. Au total, le coût unitaire d’un message Amdar représente encore un frein
au développement de cette technique de
mesure.
Les données peuvent être prises pendant la montée ou pendant la descente
de l’avion, sous forme d’un profil vertical, à partir d’une sélection temporelle
(résolution de 20 s, soit un point tous
les 200 mètres d’altitude environ).
Elles peuvent également être recueillies
en vol de croisière à un même niveau
d’altitude (résolution de 3 min, soit un
point tous les 40 km environ). Les données peuvent enfin être prises à partir
d’une sélection en niveaux de pression
correspondant mieux aux besoins
météorologiques. Les données de montée ou de descente sont les plus intéressantes, car un profil vertical est plus
utile pour les modèles numériques que
des données à niveau constant. De plus,
la montée est de meilleure qualité
métrologique que la descente, car plus
proche de la verticale.
Les techniques de mesure
et de transmission
En ce qui concerne les capteurs météorologiques, on distingue les mesures de
base et les mesures annexes. Pour les
mesures de base :
• La pression totale statique est mesurée par tube de Pitot. La pression est
ensuite convertie en une altitude équivalente, selon l’atmosphère standard
définie par l’Organisation de l’aviation
civile internationale (OACI).
• La température de l’air est mesurée à
l’aide d’un thermomètre à immersion
(thermomètre à résistance de platine).
• La température statique de l’air est
déduite de la température mesurée au
moyen d’une relation faisant intervenir
le nombre de Mach et le rapport des
chaleurs spécifiques de l’air sec.
• Le vent (en vitesse et en direction) est
obtenu à l’aide du système de navigation (système inertiel) et du tube de
Pitot. La vitesse vectorielle du vent V
est déterminée par différence entre la
vitesse Va de l’air par rapport à l’avion
et la vitesse Vg de l’avion par rapport
au sol. Les vecteurs Va et Vg doivent
être mesurés avec une grande précision
puisque la vitesse du vent est relativement faible par rapport à chacun d’eux.
Il est également nécessaire d’effectuer
des mesures complémentaires, telles
que celles des angles de roulis et d’attaque par rapport au flux d’air. Certains
avions possèdent le système de navigation GPS qui fournit alors les informations de position et de vent avec une
précision supérieure à celle du système
inertiel.
• L’accélération (normale, longitudinale et latérale) de l’avion est mesurée
par une plate-forme inertielle. Elle
donne accès à certaines caractéristiques
de la turbulence atmosphérique.
Les mesures annexes comprennent la
détection de la glace sur les surfaces de
vol (soit avec un capteur capacitif à
couches minces, soit avec un capteur de
vibration mécanique) et la mesure de
l’angle d’attaque.
63
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Toutes ces mesures, complétées par des
données avioniques telles que les coordonnées de l’avion, la phase de vol ou
l’identification de l’avion, sont rassemblées dans le message Amdar. Il faut
souligner que l’humidité relative n’est
pas mesurée de façon opérationnelle,
bien que des essais aient été faits avec
un capteur optique aux États-Unis. Les
capteurs Amdar font partie du système
avionique et sont généralement installés
en double, au moment de la fabrication
de l’avion, pour les besoins de la navigation et de la sécurité du vol. Ils ont été
conçus et évalués en vol, aux États-Unis
essentiellement, et leur maintenance est
assurée par les compagnies aériennes.
La qualité des données Amdar est en
outre constamment contrôlée par les
météorologistes, grâce à des comparaisons systématiques aux résultats des
modèles numériques. Les principales
informations sur les mesures Amdar
sont rassemblées dans Painting (2002).
La transmission au sol des données
Amdar est une étape importante du processus de fourniture aux services
météorologiques. Elle est très codifiée
(formats spéciaux) et fait l’objet d’une
surveillance internationale. Elle s’effectue au moyen du réseau de télécommunications aéronautiques (système
officiel de l’aviation civile). Il existe
deux principaux formats de données :
le format du panel Amdar et le format
Arinc 620. La transmission des données est le premier facteur du coût
élevé des messages Amdar ; les compagnies aériennes s’efforcent de réduire
ce coût en optimisant et en simplifiant
les processus de télécommunications.
Le réseau en Europe
et en France
En Europe, les principales compagnies
aériennes effectuant des mesures
Amdar sont KLM, British Airways, Air
France, Scandinavian Airlines et
Lufthansa ; elles couvrent la majeure
partie de l’Europe de l’Ouest et du
Nord (figure 3). En France, la couverture Amdar est essentiellement assurée
par la flotte d’Airbus A320 d’Air
France, basée à Orly. Quelques compagnies étrangères font des relevés en vol
de croisière, mais leur contribution
reste faible. Les compagnies françaises
de 2e niveau (Air Littoral, Régional) ne
participent pas à ces mesures.
Les aéroports français concernés sont
essentiellement les grands aéroports
desservis par Air France dans la moitié
sud de la France depuis Paris (Lyon,
Bordeaux, Marseille, Nice et
Toulouse) et, à un degré moindre,
Brest, Strasbourg et Clermont-Ferrand.
L’importante fréquentation de certains
aéroports (Paris notamment) a entraîné
une accumulation de messages Amdar
hors de proportion avec leur intérêt
(voir
le
site
Internet
[www.eumetnet.eu.org]). Ce cadre
européen a maintenant la charge d’optimiser les données dans l’intérêt des
services météorologiques. Il assure la
gestion de la collecte de l’ensemble
des messages et le contrôle de qualité,
actuellement délégué au service
Figure 3 – Position géographique des données Amdar collectées en Europe le 21 janvier 2002.
météorologique. Il a donc fallu développer des logiciels de sélection des
vols pour optimiser les ressources
allouées à ces mesures, de façon à rester dans les limites d’un message
toutes les heures ou toutes les trois
heures par aéroport. Air France desservant également le sud de l’Europe, des
messages Amdar sont maintenant disponibles pour des villes comme
Barcelone, Madrid ou certaines cités
italiennes.
météorologique des Pays-Bas. Ce
cadre européen peut consacrer 20 %
de ses ressources à financer des prises
de données Amdar hors de la zone
européenne (comme dans les DOMTOM pour la France).
En France, le réseau Amdar s’est mis
en place depuis 1995 grâce à une
étroite collaboration entre MétéoFrance et Air France. Des contrats ont
permis de faire progresser la prise des
données, le mode de transmission et les
contrôles. La métropole présente
actuellement une excellente couverture.
Quelques lignes aériennes desservant
les DOM-TOM fournissent des données Amdar, mais il reste encore beaucoup à faire pour ces régions. Cela
s’explique par le fait qu’Air France ne
dispose pas encore d’appareils longcourrier équipés Amdar, mais aussi par
le fait qu’il existe des problèmes de
transmission en direction de Toulouse.
Depuis les années 1970, les moyens
d’observation en altitude par télédétection à partir du sol font l’objet de développements dans la perspective de
remplacer, à terme, les techniques de
mesure in situ telles que le radiosondage. Le but recherché est de mesurer
les profils des paramètres P, T, U et
du vent avec une précision convenable
et à une cadence supérieure à celle
des moyens in situ. Les différentes
méthodes de télédétection active
explorées consistent à émettre des
ondes électromagnétiques ou sonores
et à mesurer le signal diffusé pour
analyser un paramètre atmosphérique
en fonction de l’altitude avec une résolution spatiale suffisante (Dabas et
Flamant, 2002). Les instruments correspondants sont appelés lidar (light
detection and ranging), radar (radio
detection and ranging) et sodar (sound
detection and ranging).
Depuis 2001, l’ensemble des mesures
Amdar d’Air France est venu s’intégrer dans l’ensemble E-Amdar dépendant d’Eumetnet et dont la gestion est
déléguée au Met Office britannique
La télédétection
au sol
64
La Météorologie - n° 39 - novembre 2002
Seule la technique du radar s’est finalement imposée comme un moyen
opérationnel de télédétection des précipitations (Parent du Chatelet et
Chèze, 2003). Au fil des années, la
technique radar s’est également diversifiée ; elle permet de nos jours
d’avoir accès, en ciel clair, à la mesure
du profil vertical du vent. Les radars
correspondants, appelés profileurs de
vent, sont actuellement au stade du
passage à l’usage opérationnel
(Mauprivez et Sandra, 2002). À un
degré moindre, le sodar est fréquemment utilisé pour la surveillance de la
pollution atmosphérique et, dans sa
version Doppler, pour la sécurité des
aéroports. En revanche, le lidar
demeure actuellement un moyen d’observation employé uniquement pour la
recherche atmosphérique.
Les perspectives
d’évolution
Les évolutions des mesures en altitude
effectuées dans un cadre opérationnel
sont lentes, pour des raisons qui tiennent à leur qualité et à leur coût. La
mesure du vent par radiosondage est
maintenant effectuée dans la majeure
partie des réseaux à l’aide du GPS.
Pour le moment, la plupart des sondes
utilisent pour cela le décalage Doppler
de l’onde GPS, sans localisation (GPS
2D). L’avenir du radiosondage passe
probablement par le recours aux
sondes GPS 3D, avec localisation.
Ces sondes GPS 3D, encore peu
employées, verront très probablement
leur coût baisser avec la diffusion de la
technique GPS, notamment dans le
secteur automobile.
En télédétection, si l’on met à part les
grandes possibilités offertes par les
satellites, on ne voit guère émerger que
la mesure du vent par les profileurs.
Déjà, plusieurs pays européens comme
le Royaume-Uni et l’Allemagne se sont
nettement engagés dans l’emploi de
cette technique. Cependant, du fait de
leurs limites en précision et en portée,
les profileurs de vent ne font pour le
moment que compléter les radiosondages grâce à leur couverture temporelle. La technique passive de mesure
du contenu intégré en vapeur d’eau par
GPS (Doerflinger, 2001) est promise à
un bel avenir, à condition que les
modèles numériques de prévision
s’adaptent pour assimiler ses mesures,
ce qui n’est pas encore le cas partout.
Enfin, la technique Amdar se généralise, mais elle souffre de deux insuffisances : le manque de résolution
spatiale en profil vertical et l’absence
d’un capteur d’humidité. Dans les deux
cas, des solutions devraient être apportées ces prochaines années.
En définitive, les diverses techniques –
le radiosondage, la télédétection au sol,
les mesures Amdar et les satellites – se
complètent pour le moment, sans vraiment que l’une domine au point de
bouleverser les réseaux.
Un autre type d’évolution est l’intégration des réseaux nationaux d’observation. Pour l’Europe, cette intégration
fait l’objet du programme Eucos
d’Eumetnet (Gérard, 1999). Les
réseaux constitués des avions de ligne
et des stations de radiosondage embarquées sur des navires sont les premiers
à être concernés (actions européennes
E-Amdar et E-Asap). À l’heure
actuelle, l’intégration des mesures
avion est quasi effective ; elle permet
une optimisation des mesures dans l’espace et dans le temps et une réduction
des coûts. Les étapes prochaines de
l’intégration concerneront les radiosondages en mer Asap, puis certaines stations terrestres de radiosondage.
L’objectif est de mutualiser les moyens
des services météorologiques, afin de
développer les observations en mer qui
font énormément défaut pour la prévision du temps en Europe et de proposer
une réduction du nombre des stations
terrestres, jugées trop denses. Ainsi, le
futur réseau Eucos disposera d’un certain nombre de stations principales à
budget intégré, capables de répondre à
une modulation du nombre de radiosondages en fonction du besoin dicté
par la situation météorologique. Pour
cela, l’implantation du système
Autosonde apportera la souplesse
nécessaire. Les stations françaises
concernées sont Brest, Bordeaux,
Nîmes et Ajaccio. Les autres stations
(Lyon, Nancy et Trappes) seront maintenues dans le réseau français opérationnel pour des applications de
prévision régionale.
En ce qui concerne les radiosondages
en mer, Météo-France va faire évoluer
dans ce contexte son réseau Sare dès la
fin 2002 : d’une part, l’exploitation du
radiosondage sera sous-traitée à du personnel des compagnies maritimes,
comme le font les autres pays européens ; d’autre part, on se dirige vers
une redistribution des lignes exploitées
puisque, sur les quatre bateaux équipés
Sare de la ligne Le Havre-Antilles,
deux seront remplacés par deux
bateaux de la ligne Le Havre-Canada,
mieux positionnée sur l’Atlantique
pour la prévision météorologique sur
l’Europe.
Bibliographie
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Pailleux J., 2002 : Les besoins en observations pour la prévision numérique du temps. La Météorologie 8e série, numéro 39.
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Parent du Chatelet J. et J.-L. Chèze, 2003 : Le réseau radar Aramis. À paraître dans La Météorologie 8e série, numéro 40.
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Rochas M. et M. Lagadec, 1994 : La radiosonde a 65 ans. La Météorologie 8e série, 6, 68-74.
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