Observations satellite

La Terre est entourée de satellites météorologiques qui observent, de façon répétitive, diérentes caractéristiques de l'atmosphère. Ces satellites sont en général placés soit sur des orbites héliosynchrones (870 km), soit sur des orbites géostationnaires (36000 km), pour leur assurer une périodicité maximale. Leur orbite dépend de l'utilisation pour laquelle ils sont prévus et des contraintes liées à leur instrumentation. Ces satellites exploitent les propriétés radiatives de l'atmosphère, des aérosols et des hydrométéores, an de restituer en particulier sa composition (chimique, aérosols, hydrométéores) et son prol de température.

2.2 Analyses et observations

Propriétés radiatives de l'atmosphère

En fonction de la fréquence du rayonnement, l'atmosphère lui est relativement transpa- rente ou au contraire opaque. La transmission de l'atmosphère est liée aux raies (ou bandes) d'absorption et de diusion des gaz et des particules qui la composent. Une fenêtre atmo- sphérique est dénie pour les fréquences où l'atmosphère est transparente, c'est-à-dire peu absorbante. Sur Terre, ces fenêtres alternent avec les diérentes bandes d'absorption de l'ozone, du dioxygène, du dioxyde de carbone, du dioxyde d'azote et de la vapeur d'eau (Figure 2.13). D'autre part, les aérosols et les hydrométéores ont des propriétés diusantes, absorbantes et polarisantes. Pour les gouttelettes nuageuses et de pluie la diusion suit la théorie de Mie (direction privilégiée) et dépend du nombre de gouttelettes, de la longueur d'onde, du diamètre de la gouttelette et de son indice de réfraction. Les aérosols atmo- sphériques jouent essentiellement un rôle polarisant pour le rayonnement solaire. Enn, le rayonnement des hydrométéores glacés et des hydrométéores liquides (sphériques) est dépolarisé, contrairement à celui provenant de la surface.

La télédetection satellite utilise ces propriétés, d'une part pour échantilloner le sol (cou- verture, rugosité), détecter les nuages et déterminer le contenu de l'atmosphère en hydromé- téores [Liou, 2002] en utilisant les canaux fenêtres (imageurs) et d'autre part pour établir des prols atmosphériques en utilisant les canaux opaques (sondeurs). Pour les sondeurs, suivant l'opacité de l'atmosphère pour une fréquence donnée, l'épaisseur et l'altitude de la couche atmosphérique sondée varie selon l'altitude à laquelle arrive le signal montant. Ceci se traduit par des fonctions de poids, dont le pic représente la contribution maximale du signal montant. Ces fonctions représentent le gradient vertical de la transmittivité convolué par la fonction d'appareil de l'instrument.

Les satellites mesurent des luminances qui sont transformées en températures de brillance. La température de brillance (TB) est la température qu'aurait un corps noir émettant à la luminance observée. Le lien entre luminance L? _{et température de brillance du corps noir}

T est la loi de Planck, Eq. (2.6). L? ₌ 2hν3 c2 1 exp(hν kT) − 1 (2.6)

Cette équation est souvent simpliée pour les TB terrestres dans les micro-ondes. Pour les fréquences telles que hν  kT , la loi de Rayleigh-Jeans donne une relation simplée de la loi de Planck dans l'équation (2.7)

LRJ

ν (T ) = 2ν 2

c2 kT (2.7)

À partir de là, des algorithmes d'inversion permettent de déterminer les paramètres de surface, les prols de température et celui du contenu en eau, en gaz ou en aérosols de l'atmosphère.

Caractéristiques instrumentales

Il existe deux types de mesures : les mesures actives, faites par des instruments pos- sédant leur propre source de rayonnement (source lumineuse lasers pour les lidars, signal micro-ondes pour les radars) et les mesures passives, faites par des instruments utilisant les sources naturelles de rayonnement que sont le soleil, les étoiles et le système Terre- atmosphère. Les instruments actifs possèdent un émetteur et un récepteur colocalisés. L'émetteur envoie un rayonnement vers l'atmosphère terrestre. Ce rayonnement est par- tiellement diusé et renvoyé vers le récepteur où il est alors enregistré. L'analyse de ce rayonnement rétrodiusé permet de décrire la composition et la structure de la partie de l'atmosphère avec laquelle il a interagi. En particulier, l'analyse de la dépolarisation du signal et de son absorption permet de dénir le contenu en aérosols, nuages, vapeur d'eau et gaz trace contenus dans l'atmosphère. Pour limiter la puissance nécessaire à fournir au signal et la dimension des antennes réceptrices, ces instruments sont généralement placés sur des orbites basses, souvent héliosynchrones. Les instruments passifs utilisent essentiel-

2.2 Analyses et observations

lement les radiations ultra-violettes, visibles, infra-rouges et micro-ondes. Ces instruments permettent de mesurer globalement la température de surface, d'obtenir des prols de tem- pérature, et chimiques (de vapeur d'eau, d'ozone) de l'atmosphère ainsi que de déterminer les propriétés de surface. Ces instruments ont une visée, soit au sol, soit au limbe. Dans le cas d'une visée au sol, le capteur est dirigé vers la surface terrestre. On utilise alors les propriétés d'émission ou de diusion de l'atmosphère, selon que l'on se place hors ou dans une fenêtre atmosphérique. Dans le cas d'une visée au limbe, la ligne de visée traverse l'atmosphère sans rencontrer la surface terrestre. On vise soit un objet brillant du ciel et on utilise les propriétés d'absorption et de diusion, soit une région vide du ciel et on utilise les propriétés d'émission de l'atmosphère pour en analyser la composition chimique, en aérosol et en déterminer le prol vertical de température.

Parmi tous les satellites et instruments disponibles, seuls quelques-uns fournissent des observations permettant d'évaluer la qualité d'une prévision de nuages sur les diérentes périodes de simulation des cas d'étude de cette thèse, qui s'étendent de 2000 à 2006. Les instruments utilisés sont les radiomètres MVIRI et SEVIRI en infra-rouge puis AMSU et SSM/I en micro-ondes.

Fig. 2.13  Transmitance de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde.

Observations dans l'infra-rouge

Les observations satellites utilisées sont celles obtenues par le radiomètre MVIRI du satellite géostationnaire METEOSAT-7 ou SEVIRI sur MSG. Ils sont xes par rapport à

la Terre, qu'ils couvrent à plus d'un tiers (42 %). Ils fournissent des observations de qualité satisfaisantes jusqu'à des latitudes de 50 degrés.

Le système METEOSAT-7 (respectivement MSG) échantillonne les moyennes latitudes avec une résolution temporelle de 30 (15) minutes et spatiale de 7,5 (4,5) km. MVIRI comporte un canal infrarouge thermique (IR ; 10, 5 − 12, 5 µm) et un canal vapeur d'eau (WV ; 5, 7 − 7, 1 µm). SEVIRI a 12 canaux répartis dans le visible et l'infrarouge, comme le montre la gure 2.14. Celui utilisé par la suite correspond au canal IR de MVIRI, soit 10, 8 µm.

Fig. 2.14  Canaux du radiomètre SEVIRI et transmis-

sion de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde. Fig. 2.15  Fonctions depoids des canaux de SE- VIRI aux moyennes lati- tudes.

Selon la fonction de poids (Figure 2.15), le canal IR est sensible en première approxi- mation à la température de surface par ciel clair et à la température au sommet des nuages s'il y en a. En présence de ciel clair, le rayonnement transmis depuis le sol arrive jusqu'au radiomètre. En présence de nuages, le rayonnement est selon le cas totalement, ou partiel- lement, absorbé par ceux-ci puis réémis, à la température du nuage, vers le radiomètre. La TB au sommet des nuages dépend de l'altitude du sommet de nuage. Généralement plus son altitude est élevée plus la température est basse, sauf dans le cas des cirrus qui sont transparents en IR et particulièrement à 10 µm. La TB des nuages est donc généralement plus froide que la TB du sol mesurée en ciel clair. Il est possible de dénir des catégories de nuages en fonction des TB et de la latitude. Suivant Houze [1993], les nuages sont dénis suivant trois étages dont l'altitude de la base varie avec la latitude (Tableau 2.1).

2.2 Analyses et observations

Étage Région polaire Région tempérée Région tropicale

Bas < 2 km < 2 km < 2 km

Moyen 2 − 4 km 2 − 7 km 2 − 8 km

Haut 3 − 8 km 5 − 13 km 6 − 18 km

Tab. 2.1  Étages des nuages en fonction de l'altitude de leur base et de la latitude.

Ainsi, aux moyennes latitudes, en tenant compte de la décroissance de la température avec l'altitude, on peut dénir les nuages hauts par des TB inférieures à 230 K et les nuages moyens par des TB comprises entre 250 et 230 K. En milieu tropical, les nuages de convection profonde peuvent être dénis par des TB inférieures à 210 K, les nuages hauts par des TB inférieures à 230 K et les nuages moyens par des TB comprises entre 260 et 230 K. Dans l'exemple ci-après (tiré de l'étude des situations extrêmes, chapitre 4) sur la gure 2.16, les observations Météosat permettent de détecter les zones de nuages moyens et hauts, c'est-à-dire de sommet supérieur à 8 km. À cette longueur d'onde la TB suit le prol vertical de température. Les nuages sont matérialisés par des TB inférieures à 250 K, en bleu sur la gure.

(a) (b)

Fig. 2.16  Observations des TB de METEOSAT (en K) dans le canal IR (a) et WV (b) le 10 novembre 2001 à 06 UTC centrées sur l'Europe de l'Ouest et le nord de l'Afrique.

Le canal WV est sensible à l'humidité relative de la haute troposphère (Figure 2.15). Par exemple, sur la gure 2.16, il permet de détecter les zones de thalweg d'altitude, c'est-

à-dire de descente d'air stratosphérique sec plus chaud de TB supérieure à 240 K (en rouge) et les zones nuageuses plus humides, plus froides (en bleu). Il est donc possible de dénir un seuil (ici 240 K) séparant les zones de forte et de faible teneur en vapeur d'eau.

Les canaux IR et WV permettent, respectivement, d'évaluer la représentation de la couverture nuageuse et de l'humidité relative de la moyenne et haute troposphère ainsi que l'occurrence éventuelle des thalwegs d'altitude.

Observations dans les micro-ondes

Dans les fenêtres atmosphériques, l'observation dans les micro-ondes est principalement sensible aux propriétés de surface et au contenu en eau liquide (10 µm) dans les basses fré- quences (10 − 40 GHz) et aux contenus en hydrométéores glacés (100 µm) dans les plus hautes fréquences (40 − 150 GHz) (Figure 2.17). Les deux principales bandes d'absorption sont celles de l'oxygène à 55 GHz et de la vapeur d'eau à 183 GHz. Elles permettent res- pectivement d'établir le prol de température de l'atmosphère et celui de la vapeur d'eau troposphérique. L'observation micro-onde, dans les canaux fenêtre, donne une information sur les nuages et les précipitations complémentaire à celle obtenue dans l'infra-rouge. Par ailleurs, la faible intensité du rayonnement émis dans les micro-ondes et la nécessité d'avoir des tailles d'antenne réalistes imposent un embarquement des radiomètres micro-ondes sur des satellites à orbite basse, ici héliosynchrone. Par conséquent, ces derniers ont une plus faible fréquence d'observation de la même surface de la Terre que les systèmes en orbite géostationnaire. Ils passent toujours à la même heure au dessus d'un point du globe, et sont souvent employés en constellation de manière à augmenter la périodicité de leur mesure.

L'imageur SSM/I (Special Sensor Microwave / Imager) est embarqué à bord de la série opérationnelle des DMSP (Defense Meteorological Satellite Program). Ces derniers sont en orbite circulaire, héliosynchrone, quasi-polaire à 833 km d'altitude et avec une inclinaison de 98, 8. Ils eectuent une orbite complète en 102 minutes, soit 14,1 révolutions

2.2 Analyses et observations

Fig. 2.17  Transmitance atmosphèrique dans les micro-ondes en fonction de la fréquence

(a) (b)

Fig. 2.18  Observation SSM/I à 37 GHz (a) et à 85 GHz (b), au-dessus de l'Europe de l'Ouest et du nord de l'Afrique, le 10 novembre 2001 autour de 7H30 UTC

par jour. Constituée nominalement de deux satellites, la constellation DMSP permet au mieux une observation de la même surface terrestre toutes les 6 heures. Le radiomètre SSM/I opère dans les micro-ondes et apporte des informations sur le contenu en eau de l'atmosphère, en particulier le contenu en gouttelettes nuageuses, la pluie, la concentration en glace et le contenu intégré en vapeur d'eau. Seuls les nuages de basse et moyenne latitude, essentiellement composés de gouttelettes sphériques ou quasi-sphériques, comme les cumulus ou les stratus, sont détectables pas SSM/I.

SSM/I comporte sept canaux à quatre fréquences diérentes : 19, 35 GHz, 22, 24 GHz, 37 GHz et 85, 5 GHz qui observent en polarisation verticale et horizontale, à l'exception de 22, 24 GHz qui fonctionne uniquement en polarisation verticale. L'imageur a un balayage conique, donnant une fauchée de 1400 km et un angle d'incidence au sol de 53, 1. Sa résolution spatiale varie de 70 km × 45 km à 19, 35 GHz, à 16 km × 14 km à 85, 5 GHz. Les basses fréquences (19, 22 et 37 GHz) sont essentiellement sensibles à l'émission par l'eau liquide, donc en particulier au contenu en goutellettes nuageuses et à la pluie (εpluie = 1) des

nuages de basse et de moyenne altitude. La diusion par les hydrométéores est négligeable. Les gouttelettes et la pluie sont détectables par une dépolarisation du rayonnement à 37 GHz, due à la sphéricité des gouttelettes nuageuses. Par exemple au niveau de la côte algérienne (Figure 2.18 a), les précipitations sont marquées par une augmentation de TB au-dessus de la mer dont l'émissivité dans les micro-ondes est seulement de εmer = 0,5.

Les hautes fréquences (85 GHz) sont surtout sensibles à la diusion par les hydrométéores glacés. Cela se manifeste par des TB plus froides au-dessus de la terre comme par exemple au-dessus d'Oran (Figure 2.18 b). Pour chaque fréquence on peut donc dénir un seuil destiné à détecter les zones de fort contenu en hydrométéores et/ou en précipitations. La température du sol et de la mer variant d'une situation à l'autre, le seuil est déni selon les besoins de l'étude. Des seuils plus généraux, mais plus complexes, basés sur les algorithmes de conversion des observations satellites en taux de précipitations existent mais ne sont pas utilisés car soumis à controverse (ils ne vérient pas les variables correspondantes du modèle).

2.2 Analyses et observations

Le sondeur AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) est embarqué à bord des plates-formes NOAA et AQUA. Il est constitué de deux unités A et B. Pour tous les canaux d'AMSU, la polarisation varie en fonction de l'angle de vue. Sa résolution au nadir est de 48 km pour AMSU-A et de 16 km pour AMSU-B.

(a) (b)

Fig. 2.19  Fonctions de poids des canaux d'AMSU-A (a), et d'AMSU B (b)

AMSU-A est constitué de quinze canaux de fréquences 23, 8 GHz, 31, 4 GHz, 50, 3 GHz, 52, 8 GHz, 53, 6 GHz, 54, 4 GHz, 54, 9 GHz, 55, 5 GHz, 57, 2 GHz, cinq canaux de largeurs diérentes et centrés autour de 57, 29 GHz pour le sondage en température de l'atmosphère, et un à 89 GHz pour la détection des hydrométéores et des précipitations. Les fréquences les plus basses permettent de mesurer les paramètres de surface ainsi que de détecter les précipitations. AMSU-A permet de mesurer la température de l'atmosphère couche par couche puisque chaque canal a une fonction de poids pointant à une altitude diérente (Figure 2.19 a).

AMSU-B mesure le rayonnement dans cinq fréquences 89 GHz, 150 GHz et trois canaux centrés sur 183, 3 GHz pour le sondage de la troposphère en vapeur d'eau. Ainsi, la majorité des canaux d'AMSU-B sont sensibles à l'humidité relative de la haute troposphère avec une

(a) (b)

Fig. 2.20  TB observées pour les canaux AMSU-A7 pointant sur la tropopause (a) et AMSU-B3 pointant dans la haute troposphère (b), le 10 novembre 2001 à 02 UTC

résolution verticale plus ne que le canal WV sur METEOSAT (Figure 2.19 b). Il permet de détecter plus précisément l'extention verticale d'un thalweg d'altitude. A titre d'exemple sur la gure 2.20 la présence d'un thalweg est marquée par une augmentation des TB d'AMSU-A7 à 10 km (tropopause) signiant la présence d'air stratosphérique plus chaud et une augmentation des TB d'AMSU-B3 essentiellement pour cause d'air stratosphérique plus sec.

2.3 Évaluation des simulations