HAL Id: jpa-00219903
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Submitted on 1 Jan 1980
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DETERMINATION DE PARAMETRES
METEOROLOGIQUES A PARTIR D’OBSERVATIONS
SATELLITAIRES
A. Chedin, N. Scott
To cite this version:
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C3, supplément au n o
4 ,
Tome
41,avril
1980,
page
C3-337
Chedin,
A . ,Scott,
N.A.Laboratoire de Météorologie Dynamiqce, Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France
Un des développements les plus importants dans l'étude des atmosphères terrestre et planétaire au cours des dernières années a été la capacité d'ob- server l'atmosphère globale de façon continue et cela essentiellement grâce aux méthodes de sondage radiatif à distance à partir de satellites artifi- ciels. L'énergie radiante provenant du système sol- atmosphère parvient au satellite dans un large do- maine de longueur d'ondes. Dans les régions infra- rouge et micro-onde, à des longueurs d'onde presque complètement séparées de celles où se manifeste le flux solaire, l'énergie radiante est émise par la surface, les nuages et les molécules, et contient une grande quantité d'informations sur la structure et la composition de l'atmosphère. L'interprétation de ces sondages à distance peut permettre d'attein- dre les champs tridimensionnels de la densité at- mosphérique (à partir de la détermination de la structure thermique), de la composition et du mou- vement. Ce travail est rendu difficile non seule- ment par l'inhomogénéité de l'atmosphère,mais aussi par la grande complexité des spectres infrarouges des molécules actives dans les domaines de longueur d'ondes étudiés, et cela d'autant plus que l'objec- tif est de satisfaire aux recommandations du GARP (Global Atmospheric Research Programme Global Expe- riment). La nature des problèmes rencontrés varie considérablement avec le type de l'expérience : ra- diométrie ou spectrométrie, largeur des filtres
(résolution), visée verticale ou oblique, etc..., et avec la nature de la plate-forme (par exemple :
satellite polaire ou satellite géostationnaire). Nous présentons une revue de ces problèmes en liai- son avec des expériences spatiales particulièrement significatives en cours ou en projet à court ou mo- yen terme.
Le lancement récent des satellites METEOSAT,
TIROS-N,NIMBUS-G,NOAA-6, ainsi que la première e x p é
rience mondiale du GARP (Glbbal AtmosphericResearch Program) au cours de laquelle le système Terre
-
Atmosphère va être exploré dans le détail, projet-tent au premier plan de l'actualité les satellites météorologiques avec ce qu'ils offrent d'observa- tions globales,systématiques et variées.
Parmi les nombreux problèmes à résoudre pour comprendre le climat et les variations de climat, le GARP a souligné deux points critiques : l'effet des nuages sur le bilan radiatif et l'effet des océans sur le stockage, le transport de chaleur et
les échanges océan-atmosphère. Pour comprendre ces effets, la connaissance de certains paramètres atmosphériques est nécessaire dans des limites et des ~récisions suggérées par le GARP : température :
-
1t 1°C ; vents : + - 3 m s ; humidité relative : 30% ;
température de surface :
+
0,5"C ; pression: +- 0 , 3 % .Les déterminations de ces paramètres atmosphéri- ques à partir d'observations satellitaires reposent sur des mesures du rayonnement électromagnétique ayant traversé l'atmosphère, dans certaines lon- gueurs d'ondes. Ces mesures sont suivies d'un trai- tement di t "d'inversion" de l'équation de transfert qui relie ce rayonnement à ces paramètres. Cette détection à distance est dite active si la mesure porte sur les perturbations subies pur un rayonne- ment connu que l'expérimentateur envoie vers le sys-
tème Terre-Atmosphère et qui est réfléchi ou ré- trodiffusé ; la détection est dite passive si on mesure le rayonnement propre du système Terre
-
Atmosphère. Les analyseurs et capteurs de rayonne- ment varient tant par le domaine spectral dans le- quel ils travaillent (micro-ondes, infrarouge, vi- sible) que par la résolution spectrale (de quelques centièmes à quelques centaines de cm-'), que par la possibilité qu'ils ont d'explorer spectralement ou spatialement autour d'un axe de visée principal. En règle générale, le rayonnement dépend plus d'un pa- ramètre dans certaines régions spectrales que dans d'autres : ce sont ces régions qui seront choisies pour la détection à distance de ce paramètre, sur- tout si, dans ces mêmes régions spectrales, les au- tres paramètres polluent peu la mesure. D'autre part, on a remarqué (KAPLAN,1959)
que, grâce à la propriété des fonctions de poids (dérivées des fonctions de transmission par rapport à mie gran--
deur reliée à l'altitude), le rayonnement mesuré dans une région spectrale donnée arrive de façon préférentielle d'une certaine région de lfatmos- phère. En choisissant astucieusement les régions
.
-c3-338
JOURNAL DE PHYSIQUE s p e c t r a l e s de sondage, on d é p l a c e l ' a l t i t u d e d e ss o u r c e s p r i n c i p a l e s d ' é m i s s i o n , donc d ' i n f o r m a t i o n s s u r l e paramètre, l e l o n g de l ' a x e de v i s é e . Le s a - t e l l i t e TlROS-N p a r exemple, avec s e s 27 canaux de
sondage :
-
7 canaux dans l a bande à 15pm du gaz carbonique ;-
5 canaux dans l a bande à 4,3pm ;-
3 canaux dans l a bande à 6,3pm de la vapeur d ' e a u ; - 1 c a n a l dans l a bande à 9 , 6 pm de l ' o z o n e ;-
1 c a n a l dans l e v i s i b l e ;-
3 canaux d i t s " f e n ê t r e s atmosphériques" ;-
4 canaux micro-ondes (Microwave Sounding U n i t ) ;-
3 canaux 15pm du CO2 ( S t r a t o s p h e r i c Sounding Unit) o f f r e l a p o s s i b i l i t é d ' a v o i r d e s p r o f i l s de tempé- r a t u r e , des contenus e n e a u e t ozone, des tempéra- t u r e s de s u r f a c e ,. . .
La f i g u r e 1 r e p r é s e n t e l e s f o n c t i o n s d e p o i d s de l ' i n s t r u m e n t HIRS embarqué s u r TIROS-N, dans l e s canaux de sondage e n t e m p é r a t u r e . 1 = 2 3 5 7 . 0 c m ' . 2 3 cm
'
2 , 6 1 9 . 0-
14 3 = 6 9 0 . 0-
1 3 4 , 7 0 0 . 0-
16 5 , 2 2 7 1 . 5-
35 6 , 2 2 4 3 . 5-
2 2 7 = 2 2 1 0 . 5-
2 3 8 = 2 1 9 0 . 0 - 2 1 N I M B U S 6 i TIROS N H I R S I On remarque s u r c e t t e f i g u r e que l a p r é c i s i o n avec l a q u e l l e on p e u t a s s o c i e r l a v a l e u r d'un d e s p a r a m è t r e s ( i c i , l a t e m p é r a t u r e ) à l ' a l t i t u d e dépend e s s e n t i e l l e m e n t de l a forme e t de l a l a r g e u r d e s.
f o n c t i o n s de p o i d s ( l a f o n c t i o n deopoids i d é a l e se- r a i t un p i c de D i r a c ) . On p e u t c a r a c t é r i s e r l a f i - n e s s e d'une f o n c t i o n de p o i d s p a r l e r a p p o r t P I / P 2 des p r e s s i o n s c o r r e s p o n d a n t à s a l a r g e u r à mi hau- t e u r . Toutes l e s p r o p o s i t i o n s d ' e x p é r i e n c e r e p o s e n t s u r l a d é f i n i t i o nPression P de canaux de son-
FONCTION DE POIDS dage poilr les-
p
---
q u e l s l e r a p p o r t P I / P 2 e s t l e p l u s Pk
A - - - sondages f a i b l e p o s s i b l e dans l e s : a i l e s de r a i e s , sondages à h a u t e F i g u r e 2 r é s o l u t i o n (moins de 2 cm-',). c e s der- n i e r s p r é s e r v e n t mieux l ' a c u i t é d e s dépendances e n t e m p é r a t u r e de c e r t a i n e s r a i e s d ' a b s o r p t i o n e t con- d u i s e n t , notamment dans l a t r o p o s p h è r e , à des rap- p o r t s P1/P2 de l ' o r d r e de 3. Conséquemment, on p e u t e n v i s a g e r de s o n d e r p l u s finement l a t r o p o s p h è r e . Ces canaux h a u t e r é s o l u t i o n p e r m e t t e n t , de p l u s , des sondages p l u s p u r s-
d é p o u i l l é s des i n t e r f é r e n c e s avec l e s a u t r e s gaz a b s o r b a n t s-
e t d e s r e s t i t u - t i o n s de p r o f i l s p l u s r a p i d e s , p a r i n v e r s i o n de l ' é q u a t i o n de t r a n s f e r t . (D'une t e c h n i q u e p l u s avan- c é e e n c o r e , un r a d i o m è t r e i n f r a r o u g e ~ a s s i f à dé- t e c t i o n h é t é r o d y n e a d é j à é t é t e s t é , s u r a v i o n , aux Etats-Unis : l e s r é s u l t a t s obtenus c o n f i r m e n t l a p r é c i s i o n des sondages e t l a r e s t i t u t i o n p l u s a i s é e des p r o f i l * . En c o n t r e p a r t i e , i l s c o n d u i s e n t à des mesures d ' é n e r g i e s r a d i a n t e s p l u s f a i b l e s que dans 1 l e s .canaux à l a r g e s bandes p a s s a n t e s .Il
semble ce- pendant ~ o s s i b l e d'embarquer de t e l s sondeurs l o r s de f u t u r e s m i s s i o n s s p a t i a l e s q u i , e l l e s , a c c e p t e - r o n t d e s i n s t r u m e n t s p l u s l o u r d s e t s u r t o u t d e s systèmes de r e f r o i d i s s e m e n t augmentant l e s p e r f o r - mances des d é t e c t e u r s .avec lesquelles sont connues les positions des raies paraissent suffisantes pour les applications atmosphériques, il apparaît que les intensités, les
largeurs et les formes de raies, de même que les variations de ces trois quantités avec la pression et la température, nécessitent des travaux plus poussés
La détermination des fonctions de transmission est très délicate car on est assujetti à prendre en considération toutes les variations inhérentes à la non homogénéité de l'atmosphère et à la complexité des spectres infrarouges de vibration-rotation. Des méthodes expérimentales ou des méthodes théoriques reposant sur des approximations (modèles de bande) ont été jadis mises au point pour obtenir des va- leurs des facteurs de transmission. Ces méthodes ne peuvent être employées que dans des domaines assez étroits de pression et de température couvrant mal les conditions réelles rencontrées dans l'atmos- phère terrestre : on est ainsi conduit à des extra- polations, elles-mêmes conduisant, le plus souvent,
à une perte en efficacité et en précision. C'est la raison pour laquelle se sont.développés des modèles plus raffinés à &a fois plus maniables et plus pré cis, utilisant les paramètres de structure fine des bandes de vibration-rotation pure et reposant sur des intégrations directes en altitude et en fré- quence, et permettant d'introduire les inhomogénéi- tés spectrales et atmosphériques au niveau même où elles interviennent (coefficient d'absorption).
Les simulations numériques d'énergies radiantes et de fonctions de transmission reposant sur ce mo- dèle du
L.M.D.,
bien que très rapides(0,7
s par cm-' pour le canal vapeur d'eau de METEOSAT), ne peuvent raisonnablement se concevoir que pour des opérations ponctuelles. Le traitement des données satellitai- res du type TIROS-N, METEOSAT, VOYAGER (sur JUPI- TER), et plus tard VENERA-84 (sur VENUS),
n' ectrent pas dans cette catégorie, tant par le nombre ou parl'étendue des canaux de sondage, que par le nombre des informations envoyées par ces satellites
Nous avons donc entrepris de développer une banque universelle de fonctions de transmission d'atmosphères non homogènes permettant, quelles que soient les conditions atmosphériques, d'aborder le problème directement dans sa dernière phase (acqui- sition des énergies radiantes). Cette idée repose sur la séparation des informations immuables
-
notamment spectroscopiques-
des informations dé- pendant des conditions liées à l'expérience. Nous avons étudié en détail la faisabilité d'une telle banque en cherchant à cerner les domaines de varia- tions des paramètres physiques pouvant influencer les facteurs de transmissions de milieux non homo- gènes (formes de raies, largeurs et intensités des raies spectrales, leur évolution en fonction de la pression et de la température ; nombre et type des gaz absorbants ; type des diverses absorptions (raies, continuum).
.).
Ce travail permet d' accélé- rer d'un facteur important (10 à30)
les temps de restitution du modèle actuel (tests faits sur ca- naux15
Fm
de TIROS-N).
Le passage des mesures multispectrales du ra- yonnement,aux paramètres atmosphériques passe par "l'inversion" de l'équation de transfert radiatif (ETR). La manière complexe dont interviennent les paramètres, le recouvrement des fonctions de poids, les erreurs sur les mesures compliquent considéra- blement ce problème. De nombreuses méthodes ont été proposées (statistiques, "bibliothèques", linéai- res, non linéaires itératives
...
) . Nous avons nous même abordé ce problème dès1969
avec une étude physico mathématique de l'inversion de 1'ETR pourdes profils de température. Nous somes parvenus
à une définition de la fonction inconnue conduisant
à un système bien conditionné nous permettant d'évi- ter ou de signaler des solutions instables. La mé- thode de restitution que nous avons proposée passe par la résolution d'un système linéaire de faibles dimensions. Au cours d'un très grand nombre de s i -
mulations numériques, le comportement de la solu- tion a été étudié lorsque des erreurs aléatoires sont superposées aux mesures : il apparaît que les
1 2 3 4 5 . 6
PMS R A N D O M E R R O R S %
C3-340
JOURNAL DE PHYSIQUE e r r e u r s moyennes s u r l e s t e m p é r a t u r e s r e s t i t u é e s C e t t e m é t é o r o l o g i e s a t e l l i t a i r e d e v r a i t , dans s e m e t t e n t g r o s s i è r e m e n t s u r une d r o i t e de p e n t e l e s d i x a n n é e s à v e n i r , s e d é v e l o p p e r c o n s i d é r a b l e - f a i b l e e n f o n c t i o n d e s r . m . s . d e s e r r e u r s a l é a t o i - ment, t a n t s u r l e p l a n e x p é r i m e n t a l que s u r l e p l a n r e s . Ceci exprime r e l a t i v e m e n t b i e n l a s t a b i l i t é t h é o r i q u e . de l a méthode v i s - à - v i s d ' e r r e u r s a l é a t o i r e s ( v o i r F i g . 3 e x t r a i t e de SCOTT, C H E D I N , J.Q.S.R.T.,1971).Ce modèle d ' i n v e r s i o n , a i n s i que l a banque de t r a n s m i s s i o n s o n t a c t u e l l e m e n t t e s t é s pour l e s r e s - t i t u t i o n s de p a r a m è t r e s m é t é o r o l o g i q u e s à p a r t i r d e s données de TIROS-N p a r v e n a n t au C e n t r e de Mé- t é o r o l o g i e S p a t i a l e de Lannion (C.M.S.). Un t r a v a i l e s t e n c o u r s avec l e s c h e r c h e u r s du C.M.S. pour t e n t e r d ' e x p l o i t e r au mieux l a d i v e r s i t é d e s i n f o r - m a t i o n s f o u r n i e s , l o r s d e s p r o c e s s u s d ' i n v e r s i o n . Les méthodes de r e s t i t u t i o n d e s p a r a m è t r e s n e s o n t p a s t o u t e s a u s s i s o p h i s t i q u é e s que c e l l e s con- d u i s a n t à d e s p r o f i l s de t e m p é r a t u r e (ou de concen- t r a t i o n ) . P a r exemple, l e s d é t e r m i n a t i o n s d e tempé- r a t u r e s de mer p a r r a d i o m é t r i e d i f f é r e n t i e l l e "bi- - c a n a l e " s e f o n t , g r â c e à d e s schémas p a r a m é t r i q u e s t r è s s i m p l e s , p a r l e c t u r e immédiate s u r une c o u r b e (une d r o i t e g é n é r a l e m e n t ) dans d e s systèmes de co- ordonnées f a i s a n t i n t e r v e n i r l e s t e m p é r a t u r e s de b r i l l a n c e dans l e s deux canaux de sondage ( v o i r p a r exemple, IMBAULT, CHEDIN, SCOTT, E.S.A. SP-134, T o u ~ o u s e , mars 1978). C e t t e i n v e r s i o n p a r paramé- t r i s a t i o n e s t s i m p l e , r a p i d e , e t c o n d u i t à d e s tem- p é r a t u r e s de mer p r é c i s e s à . 7 0 ° c e n v i r o n . Il e s t n é c e s s a i r e cependant que l e s canaux de sondage s o i e n t b i e n c h o i s i s , c ' e s t - à - d i r e q u ' i l s p r é s e r v e n t l e c a l - a c t è r e d i f f é r e n t i e l de l a mesure. On s ' a p e r - ç o i t , e n e f f e t , l o r s d ' a n a l y s e s s y n t h é t i q u e s , que l e s e f f e t s d û s , d'une p a r t , à l ' a b s o r p t i o n d e s r a i e s , d ' a u t r e p a r t , à l ' a b s o r p t i o n du continuum dû à l a v a p e u r d ' e a u , peuvent a n n u l e r , pour c e r - t a i n s c o u p l e s de canaux l ' a s p e c t d i f f é r e n t i e l de l a mesure ( e r d i c l e e n c o u r s )
.
I l semble que l e chemin à p a r c o u r i r pour répon- d r e aux e x i g e n c e s du GARP s o i t p l u s a r d u e n ce q u i c o n c e r n e l e s a u t r e s p a r a m è t r e s m é t é o r o l o g i q u e s :
