Cité de l'Espace - Polaris Midi-Pyrénées

Imagerie globale de la planète 

Les satellites au service de la météorologie et du climat

En un demi-siècle, les satellites météorologiques sont devenus, au même titre que les instruments de mesures et les radiosondages, des outils de travail indispensables pour les météorologues.

Le réseau mondial de stations météorologiques est loin d’assurer une couverture suffisante de l’atmosphère : ces stations, peu nombreuses dans les pays en voie de développement, sont pratiquement inexistantes sur les océans, qui recouvrent près de 75 % du globe.
Or, plus l’échéance de la prévision devient courte, plus la surveillance de l’atmosphère est importante...

L’image satellite, un outil majeur du prévisionniste
En prévision immédiate, c’est-à-dire pour les 6 heures à venir, les méthodes s’appuient sur le suivi de l’atmosphère en temps réel et l’extrapolation de son comportement. Les satellites sont l’œil du prévisionniste sur l’atmosphère et les images qu’ils enregistrent deviennent essentielles à ces échéances. Elles offrent une vue concrète, globale et cohérente de l’organisation des systèmes nuageux sur une vaste zone et renseignent sur leur apparence, leur distribution, leur forme, leur taille. Combinée aux autres observations (mesures au sol, données Radar), l’analyse des images reçues à cadence semi-horaire permet d’identifier les phénomènes, de les situer dans leur cycle de vie, de diagnostiquer leur activité, et informe sur leur déplacement et leur sens d’évolution. En confrontant cette analyse à la prévision numérique, le prévisionniste diagnostique les dérives ou les erreurs du modèle : il peut alors l’amender, en extrapolant l’évolution des phénomènes par rapport à leur cycle de vie connu. Les satellites sont particulièrement efficaces pour détecter et suivre les cyclones. Depuis maintenant 30 ans, aucun cyclone n’a échappé à leur vigilance. Une classification des cyclones basée sur l’imagerie satellite a d’ailleurs permis de déduire une méthode de prévision toujours utilisée (méthode de « Dvorak ». L’apparition de structures nuageuses caractéristiques est un élément crucial du processus d’alerte.

Impact de la météorologie satellitaire sur la prévision numérique
Les modèles de prévision numérique utilisent certaines données de satellites quotidiennement depuis une trentaine d’années. Depuis qu’elles sont utilisées opérationnellement, les données de satellites ont, sur l’hémisphère Sud et les Tropiques, un rôle déterminant en prévision numérique. Aux latitudes tempérées et polaires, les sondeurs des satellites à orbite polaire se révèlent les plus aptes à décrire l’état de l’atmosphère. Aux latitudes équatoriales, les satellites géostationnaires permettent d’obtenir des informations sur les vents. Cependant, dans l’hémisphère Nord, la question de l’impact sur la prévision numérique des données de satellites est plus subtile. Par rapport à ce que l’on imaginait intuitivement, leur rôle s’est trouvé plus difficile à démontrer. Et l’importance de ce rôle a connu des oscillations au cours des trente dernières années. Vers 1980, aucun météorologue ne doutait de l’importance des satellites pour la prévision numérique, alors qu’il s’agissait de systèmes d’observation relativement nouveaux. Mais cela a décliné au cours de la décennie suivante. Ce n’est qu’au début des années 90 que l’implication des satellites dans la prévision numérique pour l’hémisphère Nord apparaît de nouveau indiscutable, grâce à un travail de recherches approfondi. Ainsi, depuis 1995, de nombreux centres de prévisions numériques ont modernisé leurs algorithmes d’assimilation, notamment en assimilant directement les données des satellites, et en rendant opérationnels des schémas variationnels de type 3D-Var et 4D-Var. Parmi ces observations satellitaires utilisables pour décrire l’état initial du modèle de prévision numérique, on trouve : · Les images issues des satellites géostationnaires et défilants (imageurs à plusieurs canaux) ; · Les radiances en IR et micro-ondes mesurées par les sondeurs AMSU-A et AMSU-B ; · Les profils de températures et d’humidité mesurés par les sondeurs ATOVS, AIRS et IASI ; · Les vents en surface mesurés par le sondeur SATOB ; · Les vents de surface en mer mesurés par le diffusiomètre QuickScat appelé également radar ASCAT ; · Les profils d’humidité mesurés par GRAS sur MetOp et une constellation de satellites GPS ; Les études faites auprès de ces centres ainsi modernisés ont montré que l’impact des données satellitaires sur la prévision numérique est désormais particulièrement sensible sur l’hémisphère Nord par rapport à ce qu’il était auparavant. Par le passé, une étude a montré un accroissement significatif de la qualité de la prévision numérique sur l’hémisphère Nord quand on passe progressivement d’un satellite à orbite polaire, à deux puis trois. Ces données mesurées par les instruments embarqués complètent les observations classiques et sont assimilés dans les modèles numériques de prévision du temps, de la même façon que les observations collectées par les instruments météo plus traditionnels. Grâce aux progrès effectués dans la conception des satellites météorologiques depuis une vingtaine d'années, mais aussi grâce à l'amélioration constante des méthodes d'assimilation de données en prévision numérique, l'impact des données satellitaires sur la qualité des prévisions est désormais sensible : on estime que cet impact est particulièrement important dans l'hémisphère nord pour les échéances de prévision supérieures à 48 heures, mais aussi dans l'hémisphère sud, où les radiosondages sont rares, à toutes les échéances.

Le spatial et la recherche climatique
L’observation par satellite est capitale dans la surveillance du climat, car elle permet d’obtenir des données à l’échelle des océans et des continents, selon une répétitivité de quelques jours à plusieurs années. Le climat du météorologiste se conçoit sur le long terme. Ainsi, l’analyse chronologique des relevés de températures montre que, pour définir une moyenne et un écart-type stables, il faut accumuler les données pendant 20 à 30 ans. De plus, la description du climat ne se limite pas à celle des températures en surface, mais doit inclure l’ensemble des bilans thermiques, radiatifs et hydrologiques, ainsi que les variations de la composition de l’atmosphère qui ont un impact sur ces bilans. La mise en évidence de leur évolution nécessite que soient définies les échelles d’espace : globale et continentale, en surface comme en altitude… L’observation satellitaire joue donc un rôle majeur, permettant d’assurer la globalisation de l’observation et sa répétitivité sur des échelles décadaire à pluriannuelle. → Comparer les modèles aux observations Idéalement, il faut coupler un ensemble de modules pour constituer un modèle apte à simuler le système climatique global. Cela nécessite que ces modules soient validés par comparaison avec le climat observé, grâce aux observations issues des satellites. → Les limites de l’observation par satellite Le suivi des variables climatiques nécessite une bonne stabilité des mesures dans le temps, notamment pour déterminer les tendances faibles des paramètres. Les mesures des satellites ne sont pas exemptes de dérives, dues au vieillissement des capteurs dans l’espace, ou aux changements orbitaux. → L’assimilation de données L’observation par satellite est un moyen sans pareil pour suivre les variables climatiques. Cependant, la vision qu’elle donne n’est jamais directe. Se pose donc le problème de l’optimisation des observations de types différents : mesures géophysiques directes in situ au sol ou en altitude, mesures de paramètres indirects intégrés dans le temps et l’espace pour les capteurs spatiaux. Les progrès récents de la modélisation montrent qu’il est possible d’obtenir une vision globale de l’atmosphère à travers les processus d’assimilation de données.