c : réflectivité radar : les bancs nuageux sont caractérisés par leur forte réflectivité (codes jaunes et rouge) et l'air clair par de plus faibles réflectivités (codes vert et bleu).
2.4 RADAR SPATIAL POUR LA MESURE DES PRECIPITATIONS (PROJET BEST)
C'est au colloque de prospective scientifique du CNES (Deauville, novembre 1985) que la proposition de mission spatiale BEST (Bilan Energétique du Système Tropical) à l'échéance 1998-2000, associant le CRPE, le LMD, le SA et le LOA a été présenté pour la première fois [2413] et a reçu le soutien tant de la communauté scientifique française que du CNES.
L'objectif est de mesurer les diverses composantes du bilan d'énergie de l'atmosphère à l'échelle climatique dans les régions tropicales au moyen de techniques visible, infra- rouge hyperfréquence actives et passives. La charge utile serait embarquée sur une plate-forme en orbite basse (entre 400 et 600 km d'altitude) d'inclinaison voisine de 30°, ce qui permet une couverture locale complète du cycle diurne sur une période de l'ordre de un mois. Le flux de précipitations constitue un terme majeur du bilan d'énergie dans l'évolution climatique à moyen terme car il permet une évaluation quasi directe du flux de chaleur latente réellement cédé à l'atmosphère. Seule l'observation satellitaire permet d'en surveiller l'évolution à l'échelle globale, en particulier au dessus des océans. Cependant, les estimations du taux préci- pitant par les seules méthodes passives (VIS, IR, hyper- fréquences) n'ont pas permis jusqu'ici d'obtenir des résultats décisifs. Il est maintenant admis qu'un radar météorologique embarqué sur satellite, utilisé en association avec les
Figure 2.9. Essais en soufflerie de la maquette de l'avion Fokker 27 de 11NSU, équipée du rotodome abritant l'aérien du stéréoradar Doppler ASTERIX (Document Fokker Aircraft Services).
techniques précédentes est indispensable pour obtenir une estimation fiable des taux de précipitation et atteindre, de plus, la capacité unique de restituer des profils verticaux avec une bonne résolution.
Compte tenu de ses compétences, le CRPE a proposé d'étudier la conception d'un tel radar comme l'un des principaux instruments de la mission BEST au côté des moyens "lidar" et radiométriques [2208, 2418]. En 1987 et 1988, les études de mission et de conception instrumentale ont été affinées et l'on doit aujourd'hui considérer que la mission BEST est définie comme une contribution possible aux grands programmes GEWEX (OMM/WCRP) et Geosphere- Biosphère, vers la fin du siècle.
L'étude de conception du radar a été développée au CRPE dans le cadre d'une thèse technologique sur 3 ans (depuis octobre 1986) soutenue par le CNES. Une première définition des caractéristiques du système, comportant une version nominale et des options plus complexes, a ainsi pu être élaborée à partir d'études de simulations destinées à établir les meilleurs compromis [2408].
Pour la version nominale, il était souhaitable de se limitera un concept technologique classique afin de conférer au système un caractère de faisabilité raisonnable à moyen terme. A cet effet, on a retenu le principe d'une antenne à balayage électronique dont l'étroit faisceau (à ouverture réelle) effectue une exploration transverse à la trace du satellite pour couvrir une fauchée de 100 km de large (plate-forme à 500 km d'altitude). La fauchée est sélectionnée parmi trois possibilités par pointage adaptatif piloté par des observations radiométriques des zones précipitantes en aval de la plate- forme. Le radar opérerait en bande Ku (14 GHz). L'aérien pourrait être constitué d'un réseau de sources rayonnantes associées en géométrie offset, à un réflecteur paraboloïde déployable de type treillis (inspiré d'un prototype développé par l'Aérospatiale) d'un diamètre de 10 m pour atteindre une résolution horizontale au sol de 1,6 km (voir figure 2.10). L'utilisation éventuelle d'une antenne à synthèse d'ouverture qui, tout en maintenant les performances requises pour le radar, permettrait de réduire la dimension de l'aérien (dans un sens) pour faciliter son déploiement a également fait l'objet de premières investigations.
En option, on propose d'employer une deuxième fréquence d'opération simultanée (35 GHz) pour réaliser des mesures d'atténuation différentielle : il serait alors nécessaire d'étudier l'utilisation des techniques de compression d'impul- sions pour atteindre la précision de mesure nécessaire. Une deuxième option concerne la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement du type "Stéréoradar" (voir ci-dessus) à partir de visées à 15° du nadir vers l'avant et vers l'arrière de la plate-forme [2239] : il s'agit dans ce cas d'étudier les possibilités de balayage électronique de l'aérien pour réaliser ce type de pointage.
Figure 2.10. Radar spatial pour la mesure des précipitations (projet BEST). Concept général du radar en version nominale pour une orbite à l'altitude de référence de 500 km :
-
répartition des empreintes du lobe dans la fauchée centrale, - illustration des trois fauchées (centrées à 0 ou 11,3° par rapport au nadir) sélectionnables à partir du pointage adaptatif de l'antenne [2459].
La plupart des éléments précédents ont été intégrés aux documents de définition préliminaire du projet BEST édités par le CNES [2429, 2431] et ils ont également été rassemblés pour des présentations en colloque international [2230,2231,2236].
Le deuxième volet des travaux entrepris est relatif à l'étude des algorithmes de restitution du taux précipitant à partir des mesures de réflectivité et/ou d'atténuation des échos radar dans la pluie ou sur la surface. Il s'agit de comparer les performances et les limites des divers algorithmes possibles en tenant compte des éléments spécifiques à une mesure depuis l'espace : effets de remplissage inhomogène du lobe d'antenne [2233], résolutions équivalentes et précision des mesures, gamme de détection, stabilité de la plate-forme, etc... Une étude comparative très détaillée des performances des différents algorithmes est en cours et sera poursuivie en 1989 avec le soutien d'un contrat de l'ESA. L'algorithmie est envisagée à la fois pour la version de base (radar mono- fréquence) et pour les deux options (radar bifréquence, radar bi-faisceau ou stéréoradar). Les retombées de cette étude sur le choix technologique final (version de base, option bifréquence, option bi-faisceau) seront évidemment très importantes.
Depuis le début de 1989, les études concernant BEST sont conduites dans le cadre d'une phase A sous l'égide du CNES. Pour le radar, l'examen des aspects techniques est pris en charge par le Centre Spatial de Toulouse (CNES- Toulouse), le CRPE assurant l'expertise scientifique et le développement des études correspondantes en liaison avec les objectifs de mission. On doit également mentionner que des fondements de coopération internationale ont été élaborés fin 1988 [2750] entre d'une part. le CNES et les laboratoires participants au projet BEST et d'autre part, les Américains (NASA et Laboratory for Atmosphères /GSFC, Greenbelt) et
les Japonais (NASDA et Communication Research Laboratory, Tokyo) impliqués dans le projet TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission) qui prévoit également l'embarquement d'un radar météorologique sur plate-forme spatiale. Ces collaborations ont pour but de procéder à une filiation entre les projets TRMM (échéance 1995) et BEST (échéance 2000), tous deux dévolus à l'observation des régions tropicales, et d'étudier les possibilités de coopérations à long terme dans leurs développements en se situant dans le contexte des grands programmes internationaux d'étude du climat