le Système mondial d observation

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1 Les réseaux 28 Le Système mondial d observation Jean-Michel Rainer Organisation météorologique mondiale (OMM) Veille météorologique mondiale Systèmes de base C.P CH-1211 Genève 2 - SUISSE jmrainer@wmo.ch L objectif Le champ d action Résumé Cet article décrit de façon synthétique le Système mondial d observation (SMO), qui est la composante de la Veille météorologique mondiale de l OMM consacrée à l observation. L article passe en revue les objectifs du SMO, ses retombées et les divers moyens instrumentaux qui le composent. Il s achève sur une esquisse de l évolution du SMO. Le but du Système mondial d observation (SMO) est de fournir, dans toutes les régions de la planète, depuis la surface terrestre comme depuis l espace, des observations standardisées de grande qualité sur l état de l atmosphère et de la surface de l océan. Le SMO regroupe des dispositifs d observation installés dans des stations terrestres et maritimes, sur des avions, sur des satellites météorologiques et sur d autres plates-formes (figure 1). Ces dispositifs appartiennent aux 185 pays membres de l Organisation météorologique mondiale (OMM) et sont mis en œuvre par eux. Le SMO constitue la plus importante source d informations sur l état de l atmosphère (OMM, 1989). Figure 1 - Les éléments constitutifs du Système mondial d observation. Le SMO est l une des trois composantes fondamentales de la Veille météorologique mondiale (VMM), composantes étroitement liées et de plus en plus intégrées. Les deux autres composantes de la VMM sont le Système mondial de télécommunications (SMT) et le Système mondial de traitement des données (SMTD). Organisé et coordonné par l OMM, le SMO est un ensemble composite de méthodes, de techniques et de dispositifs conçus pour la mesure des paramètres météorologiques et des paramètres environnementaux qui leur sont liés. Le SMO assure que chaque pays pourra bénéficier de toutes les informations disponibles pour élaborer Abstract The Global Observing System This paper describes the make up of the Global Observing System (GOS), which is the component of the WMO s World Weather Watch dedicated to observation. It reviews the purpose of the GOS, its main applications and the various instrumental techniques that it uses. The paper ends with a glance at the evolution of the GOS. Navir e Sondages satellitaires m té mét ation ique

2 29 ( k À la fin de l année 2002, le réseau de satellites météorologiques du SMO comprend treize satellites opérationnels : sept satellites géostationnaires et six satellites défilants exploités par Eumetsat, par la Fédération de Russie, par la Chine, par le Japon et par les États-Unis (figure 2). Ces satellites sont en général équipés d imageurs et de sondeurs dans les domaines visible et infrarouge, grâce auxquels il est possible de déterminer de nombreux paramètres météorologiques. Plusieurs des satellites défilants sont également munis de sondeurs en micro-ondes capables de fournir par tout temps les profils verticaux de la température et de l humidité atmosphériques. Le traitement des données des satellites géostationnaires permet de mesurer la vitesse du vent dans les tropiques, par suivi du déplacement des nuages et de la vapeur d eau. Grâce aux progrès constants des instruments satellitaires, des télécommunications et des techniques d assimilation des données, on parvient à se servir de mieux en mieux des énormes quantités de données fournies par les satellites. En particulier, les améliorations de la prévision numérique ont rendu possible d assimiler directement dans les modèles, à l aide de méthodes sophistiquées, les radiances mesurées par les satellites. gé Figure 2 Schéma de principe de la composante spatiale du SMO (les satellites ne sont pas tous mentionnés). Les stations terrestres quotidiennement des analyses, des prévisions et des alertes météorologiques. La retombée la plus évidente du SMO est la sauvegarde des vies et des biens par la détection, l alerte et la prévision des phénomènes météorologiques dangereux tels que les orages, les tornades, les perturbations extratropicales et les cyclones tropicaux. Le SMO fournit également les données d observation indispensables pour tous les programmes d application de la météorologie, tels que l agrométéorologie, la météorologie aéronautique et la climatologie, notamment l étude du climat de la planète et de son évolution. Beaucoup d activités économiques par exemple l agriculture, les transports, le secteur du bâtiment, le tourisme et, plus généralement, l information du grand public profitent très avantageusement de l analyse du temps et des prévisions météorologiques dont l échéance varie de quelques heures à quelques semaines, voire à des saisons. Partout, les données provenant du SMO sont utilisées à l appui de programmes environnementaux. Les satellites L observation en surface L épine dorsale du sous-système d observation en surface est toujours constituée d environ stations terrestres, qui effectuent plusieurs fois par jour, à des heures fixes et identiques, des observations à la surface de la Terre ou près de la surface ; ces observations portent sur des paramètres météorologiques tels que la pression atmosphérique, la vitesse et la direction du vent, la température de l air et son humidité relative. Parmi ces stations terrestres, quelque constituent les Réseaux synoptiques de base régionaux (RSBR) définis par les six Associations régionales de l OMM et couvrant le monde entier, y compris l Antarctique. Les données de ces stations des RSBR font Figure 3 - Les stations de surface des RSBR émettant des messages Synop à 0 h, 6 h, 12 h et 18 h UTC. Le code couleur varie selon le pourcentage de messages Synop disponibles sur le SMT (période du 1 er au 15 octobre 2002). Pourcentage çus De 90 à 100 % (2 426 stations) De 50 à 90 % (700 stations) Moins de 50 % (441 stations) Stations silencieuses (437 stations)

3 30 Figure 4 - Les stations de radiosondage des RSBR émettant des messages Temp à 0 h et 12 h UTC. Le code couleur varie selon le pourcentage de messages Temp disponibles sur le SMT (période du 1 er au 15 octobre 2002). Pourcentage çus De 90 à 100 % (404 stations) De 50 à 90 % (139 stations) Moins de 50 % (110 stations) Stations silencieuses (167 stations) l objet d un échange mondial en temps réel. Une partie de ces stations, environ, contribue également au Système mondial d observation du climat (Smoc). Dans les faits, les stations météorologiques effectuant des observations en surface et devant constituer les RSBR ne fonctionnent pas toutes conformément aux objectifs définis par l OMM, du fait de la situation économique difficile de nombreux pays : certaines ne font quotidiennement que quelques observations, d autres ne sont pas vraiment opérationnelles ou même pas encore installées. Le fonctionnement réel des stations des RSBR est régulièrement analysé en contrôlant le nombre des messages émis par ces stations et circulant sur le Système mondial de télécommunications. Le taux de disponibilité par rapport à l objectif assigné est de 75 % pour la planète entière. La figure 3 résume ainsi les statistiques établies par l OMM en octobre 2002 sur les messages Synop émis par les stations de surface des RSBR. On constate des lacunes dans la Région I (Afrique), la Région III (Amérique du Sud) et la Région V (Pacifique sud-ouest), en particulier pour les pays en voie de développement. Il faut noter à cet égard que l OMM, avec le soutien des pays développés, fournit une assistance de coopération technique aux pays moins favorisés afin de soutenir le développement de la VMM, et tout particulièrement du SMO. L observation en altitude Le sous-système d observation en altitude comprend environ 850 stations de radiosondage, dans lesquelles des radiosondes, emportées par des ballons libres, effectuent des mesures de la pression atmosphérique, du vent, de la température et de l humidité, du sol jusqu à une altitude maximale de 30 kilomètres. Plus des deux tiers de ces stations font des observations deux fois par jour, à 0 h et 12 h UTC. Entre 100 et 200 de ces stations font des observations une fois par jour, tandis qu une centaine d entre elles environ ont une activité temporairement suspendue. De même que pour les stations effectuant des observations en surface, on peut évaluer le fonctionnement réel des stations de radiosondage des RSBR en contrôlant le nombre des messages émis par ces stations et échangés sur le Système mondial de télécommunications. Le taux de disponibilité par rapport à l objectif assigné est de 61 % pour la planète entière. La figure 4 résume ainsi les statistiques établies par l OMM en octobre 2002 sur les messages Temp émis par les stations de surface des RSBR. On constate également des lacunes dans la Région I (Afrique), la Région II (Asie), la Région III (Amérique du Sud) et la Région V (Pacifique sud-ouest) ; ces lacunes sont parfois plus importantes que pour les messages Synop, à cause du coût d exploitation élevé des radiosondages. Comme pour les stations d observation en surface, une partie des stations d observation en altitude (environ 150) contribue au Smoc. Les stations maritimes Les observations météorologiques sont indispensables sur l immense surface du globe recouverte par des océans. À cette fin, le SMO repose outre les satellites sur des bateaux, sur des Figure 5 - Messages d observation Ship émis par les navires à 0 h, 6 h, 12 h et 18 h UTC (période du 1 er au 15 octobre 2002).

4 31 Figure 6 - Messages d observation Buoy émis par les bouées (période du 1 er au 15 octobre 2002). bouées ancrées ou dérivantes et sur des platesformes fixes. Les bateaux, recrutés sous l égide du Programme des navires volontaires de l OMM, effectuent des observations qui concernent à peu près les mêmes paramètres météorologiques que ceux mesurés dans les stations terrestres ; en outre et c est important, ces bateaux mesurent la température de surface de la mer ainsi que la hauteur et la période des vagues. Le nombre de ces navires volontaires est d environ 6 900, exploités par 52 pays. À peu près 40 % de ces navires sont en mer à un moment quelconque donné ; ils fournissent plus de messages d observation par jour (figure 5). D autres navires participent également, mais de manière occasionnelle, au programme d observation. En complément des radiosondages effectués par les stations terrestres, 25 navires, sillonnant majoritairement l Atlantique nord, font des radiosondages au-dessus des océans ; ces navires, exploités par huit pays et par le projet européen Eumetnet, sont dotés de dispositifs automatiques embarqués de sondage en altitude. Le réseau opérationnel de bouées ancrées et dérivantes s est étendu et accru d une manière spectaculaire ces dernières années. Il y a actuellement environ 900 bouées dérivantes, dont un peu plus de la moitié fournit des observations de la pression atmosphérique. Le nombre des observations correspondantes, qui couvrent tous les océans (figure 6) et sont échangées sur le SMT, atteint près de par jour et continue à augmenter, tout comme leur qualité. Un programme important est le réseau Argo, constitué de flotteurs plongeant jusqu à mètres de profondeur pour les cycles de mesure, qui compte 638 flotteurs opérationnels en décembre 2002, avec une extension prévue à flotteurs d ici à la fin Les avions Plus de avions de ligne fournissent des messages d observation sur la pression atmosphérique, le vent et la température de l air pendant leur vol. Le système Amdar (Aircraft Meteorological Data Relay) donne des mesures de très bonne qualité pour le vent et la température, aussi bien au niveau de croisière de l avion qu à des niveaux d altitude choisis lors de sa montée et de sa descente. La quantité quotidienne de données provenant de ces avions s est considérablement accrue dans les années récentes, passant de en 2000 à environ en 2002 et devant atteindre au cours des prochaines années (figure 7). Bien qu une grande partie de ces données Amdar provienne d Europe, d Amérique du Nord et, dans une moindre mesure, d Australasie, d Asie et d Afrique australe, cette méthode possède un énorme potentiel pour effectuer des mesures en altitude dans les régions où il y a peu ou pas de données de radiosondage. Les autres plates-formes Depuis quelques années, les radars profileurs de vent et les radars Doppler démontrent leur intérêt et leur capacité à fournir des données à haute résolution dans l espace et dans le temps, surtout dans les basses couches de l atmosphère. Les radars profileurs de vent sont très utiles pour faire des observations fréquentes, en complément des Figure 7 - Messages d observation Airep et Amdar émis par les avions de ligne (période du 1 er au 15 octobre 2002).

5 32 radiosondages, et constituent une composante importante des réseaux intégrés. Les radars Doppler sont largement utilisés en tant qu éléments de réseaux nationaux et, de plus en plus, de réseaux régionaux, essentiellement pour la prévision à brève échéance des phénomènes météorologiques dangereux. Un aspect particulièrement intéressant du radar Doppler est sa capacité à mesurer le vent, en plus des précipitations. Le Système mondial d observation inclut également des stations d observation du rayonnement solaire, des stations de détection des éclairs et des stations de mesure de la hauteur des marées. Les projets pour l avenir Le Système mondial d observation de la Veille météorologique mondiale va demeurer un système intégré, constitué de dispositifs d observation opérationnels et fiables installés à la surface de la Terre et embarqués sur des satellites. Les développements futurs vont permettre d accroître la résolution spatiale et temporelle des observations, en tirant un parti optimal des différentes composantes du SMO tout en tenant compte des besoins précis en données d observation. En ce qui concerne le sous-système installé à la surface, on s attend à ce que des techniques comme les profileurs de vent, les radars météorologiques, les radars Doppler et les réseaux de détection des éclairs, qui sont capables d explorer les phénomènes atmosphériques aussi bien à grande échelle qu à l échelle locale, soient déployées de façon plus poussée. On va se servir davantage de la flotte, en croissance rapide, des avions de ligne munis de dispositifs automatiques d observation au niveau de croisière et pendant les phases de montée et de descente. Les stations mobiles en mer demeureront la source principale d observations synoptiques de surface sur les océans ; grâce à l emploi renforcé d équipements automatiques d observation et de transmission par satellite, la qualité et la quantité des données qu elles fournissent vont augmenter. Le nombre de bateaux munis de dispositifs automatiques embarqués de sondage en altitude va s accroître et la mise au point de dispositifs moins coûteux va s accélérer. Les bouées dérivantes, déployées à l extérieur des principales routes maritimes, continueront à mesurer les paramètres atmosphériques de surface et les paramètres océaniques dans les zones océaniques pauvres en données. En ce qui concerne le sous-système spatial, on s attend à ce que soit mise en service une nouvelle génération de satellites défilants et de satellites géostationnaires, qui embarqueront à la fois des instruments améliorés et de nouveaux instruments. La refonte du Système mondial d observation Les besoins des usagers et les capacités des systèmes d observation ont été recensés et classés en dix domaines d application ; en outre, plusieurs expériences sur les systèmes d observation ont été réalisées pour tester les systèmes d observation (au sol et dans l espace) candidats pour la prochaine décennie et les refontes possibles du SMO. Sur cette base, la Commission des systèmes de base de l OMM a formulé, pour 2015 et au-delà, une vision d avenir de la composante spatiale et de la composante de surface du SMO. Le futur SMO doit s appuyer sur les composantes existantes, tant en surface que dans l espace, et tirer profit des techniques d observation existantes et des nouvelles techniques qui ne sont pas encore intégrées ou ne sont pas pleinement exploitées, en utilisant les mesures présentant le meilleur rapport efficacité-coût. L incidence des changements apportés au SMO durant les prochaines décennies sera si importante qu il faudra adopter de nouveaux modes d approche révolutionnaires, tant du point de vue scientifique que pour le traitement des données, l élaboration des produits, la formation et l utilisation. L évolution de la composante de surface du SMO portera sur une distribution plus complète et plus rapide des données, un renforcement du système Amdar, en particulier au-dessus des zones pauvres en données, une optimisation des lancements de sondes de radiosondage et de radiovent, le recours à des observations ciblées, l inclusion au sol de systèmes GPS, de radars et de profileurs de vent, l augmentation de la couverture des océans par l extension des radiosondages en mer, des bouées dérivantes et du système Argos, mais aussi la possible utilisation d aéronefs téléguidés. Les perspectives pour la composante spatiale du SMO (les satellites opérationnels géostationnaires et défilants, mais aussi les satellites de recherche et développement) s appuient sur ce que l on connaît des plans des opérateurs de satellites météorologiques. Les améliorations viendront d un étalonnage rigoureux des radiances mesurées, ainsi que d une plus grande précision spatiale, spectrale, temporelle et radiométrique des mesures. La télédétection de profils de vent et les missions mondiales de mesure des précipitations sont considérées comme tout particulièrement importantes pour le SMO. Bibliographie OMM, 1989 : Guide du Système mondial d observation. Publication n 488. ISBN Organisation météorologique mondiale, Genève, Suisse.