SATELLITES METEO GENERALITES

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1 SATELLITES METEO GENERALITES HISTORIQUE : er satellite lancé dans l espace SPOUTNIK (URSS) er satellite météorologique TIROS 1 (USA) satellite défilant (orbite passant près des pôles 1963 création du centre de météorologie spatiale français de Lannion. Ce centre commence à exploiter les images des satellites défilants des USA (satellites du type TIROS et qui se nomment d abord ESSA puis NOAA, du nom du service météorologique américain) TIROS opérationnels er satellite géostationnaire GOES (USA) er satellite géostationnaire européen METEOSAT années 80 images disponibles en temps réel pour les prévisionnistes en France ACTUELLEMENT : Géostationnaires METEOSAT 7 : satellite opérationnel (type MTP Météosat Programme de Transition) o METEOSAT 5 : satellite déplacé vers l Inde (pour l expérience INDOEX en 1999) o METEOSAT 6 : satellite de secours, actuellement en balayage rapide (10 minutes) sur la zone Europe GOES E et GOES W (USA) GMS (Japon) actuellement remplacé par le GOES 9 INSAT (Inde) GOMS (Russie) ne sont pas exploités régulièrement en Europe FY-2 (Chine) Défilants NOAA 15 et 16 (USA), NOAA 17 lancé en juin DMSP (équivalent militaire des NOAA) METEOR (Russie) ne sont pas exploités FY-1 (Chine) régulièrement en Europe PREVU : METEOSAT 8 (1 er satellite du type MSG Météosat Seconde Génération) lancé en août 2002, opérationnel 2003 METOP 1 er satellite défilant européen lancement prévu en 2005 NPOESS nouvelle génération des NOAA prévu en 2008 ENM/PAM 31/03/2005

2 CARACTERISTIQUES METEOSAT : Altitude km Période 23h 56 minutes (synchrone avec la rotation de la terre) Position 0 de latitude et 0 de longitude Vitesse linéaire (sur son orbite) 3075 m/s (11070 km/h) METEOSAT 7 (type MTP) : 720 kg 3 canaux METEOSAT 8 (type MSG) : 2000 kg 12 canaux NOAA : Altitude 800 à 850 km Période 101 à 102 minutes MISSIONS Imageur Le radiomètre embarqué sur le satellite mesure le rayonnement émis ou réfléchi par une surface élémentaire du système terre-atmosphère. L ensemble de ces surfaces élémentaires constitue une image (surface élémentaire de l ordre 1 à 10 km de diamètre selon la résolution du radiomètre et la position de cet élément de base). La constitution d une image nécessite un balayage est-ouest et nord-sud : - Météosat balayage du domaine «globe» en 25 minutes (15 minutes pour MSG) - NOAA balayage d une bande de 3000 km de large au passage du satellite Le pixel est l élément de base sur une image, il dépend de la résolution du radiomètre et du traitement d image réalisé à partir des données mesurées. On travaille actuellement avec 3 types d images : - visible (permet d analyser les nuages en fonction de leur forme et de leur transparence), - infrarouge (indique la température de sommet des nuages ou de la surface terrestre), - vapeur d eau (permet de repérer la présence de vapeur d eau en haute troposphère et ainsi d analyser les mouvements verticaux en altitude, même en absence de nuages),ainsi que sur quelques images issues de plusieurs canaux (classification nuageuse ou composition colorée). - Avec la nouvelle génération de satellite, les produits élaborés seront plus nombreux (développés dans le cadre des SAF Satellite Application Facilities) tel le produit RDT (projet RDT : Rapid Developing Thunderstorm). Sondeur Permet de reconstituer le profil thermique de l atmosphère, en utilisant plusieurs canaux. Sur NOAA, le sondeur TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder) possède 20 canaux. GOES et MSG ont une fonction sondeur simplifiée. ENM/PAM 31/03/2005

3 Autres missions - Collecte de données - Dissémination - Recueil de signaux (Ex : ARGOS / NOAA) Autres satellites D autres satellites tels que les satellites océanographiques et d observation de la terre sont utilisés en météo. Ainsi les données de vent sur les océans, mesurées par ERS (ESA) ou QUICKSCAT (NASA) sont utilisées par les prévisionnistes et intégrées dans les modèles de prévision. Adresses ENM/PAM 31/03/2005

4 Canaux METEOSAT 7 (MTP) Canal Longueur d onde (µm) Résolution Fréquence Diffusion VIS km HRI IR km 30 min WEFAX VE (WV) km METEOSAT 8 (MSG) Canal Résolution Fréquence Diffusion 1 VIS 3 km 1 VIS HR 5 IR 2 VE O3/CO2 1 km 3 km 3 km 15 min HRIT LRIT GOES Canal Longueur d onde Résolution Fréquence VIS x0.86 km proche IR km 30 minutes VE km 3 h globe IR km 5 min sur zone en alerte IR km NOAA Canal Longueur d onde (µm) Résolution Fréquence Pixels/ligne Diffusion 1 VIS km 4 km HRPT APT 2 VIS proche IR km passage du 2048 HRPT 3A* proche IR vers km satellite 2 fois (bande de HRPT 3B IR moyen km par jour 3000 km) HRPT 4 IR thermique km 8 km HRPT APT 5 IR thermique km HRPT * 6ème canal à partir de NOAA 15 ENM/PAM 31/03/2005

5 PRINCIPE D INTERPRETATION DES IMAGES SATELLITAIRES FENETRES ATMOSPHERIQUES : fenêtres de transparence : plages de longueurs d onde pour lesquelles il n y a pas (ou peu) d absorption du rayonnement par les gaz atmosphériques. Ces fenêtres sont utilisées pour le visible et l infrarouge thermique. fenêtres d absorption : plages de longueur d onde pour lesquelles il y a absorption totale ou partielle du rayonnement par les gaz atmosphériques. Ces fenêtres sont utilisées pour obtenir des «images» des gaz responsables de cette absorption (canal vapeur d eau, ozone,...), elles sont également utilisées par les sondeurs. IMAGE VISIBLE : On mesure dans le canal visible le rayonnement solaire réfléchi par la surface terrestre ou les nuages. L énergie réfléchie dépend de l albédo de la surface réfléchissante, du rayonnement solaire incident, de la «géométrie» soleil-satellite-cible (effets d ombre) ; il dépend donc de la cible (type de nuage ou de surface) mais également de l heure, de la saison, ainsi que de la latitude et de la forme de cette cible. Sur une image en noir et blanc, le noir (ou le bleu sur Prévi-surveillance) correspond à la plus faible énergie réfléchie (en général la mer) et le blanc à la plus forte (nuages épais). L aspect d un nuage dépend : 1.de son épaisseur (plus un nuage est épais et mieux il réfléchit le rayonnement solaire) 2.de sa composition (la glace est un moins bon réflecteur que l eau liquide) 3.de l aspect de sa surface supérieure (un nuage plat est en général plus «lumineux») 4.de sa taille (par rapport au pixel) 5.du rayonnement solaire (heure, saison, latitude) 6.des effets d ombre petits Cu sur terre Cs seul Surface océan forêtcultures sableneige St épais Cu Sc sur terre Cb réflexion spéculaire Albédo En conclusion : pas d image visible de nuit peu d éclairement sur les hautes latitudes (mais correction par traitement d image) peu d éclairement le matin et le soir (mais effet d ombre qui permet de repérer le relief des nuages) nuages fins ou trop petits et nuages d altitude parfois difficiles à voir.

6 IMAGE INFRAROUGE : On mesure dans le canal infrarouge thermique, le rayonnement propre émis par les objets terrestres. Ce canal infrarouge est toujours choisi dans une fenêtre de transparence de l atmosphère afin que l énergie mesurée par le radiomètre soit la plus proche possible de la valeur émise par la cible. Ce rayonnement étant proportionnel à T 4 (T température de la cible), on peut calculer cette température et la traduire par une couleur ou une nuance de gris sur les images. Sur les images en noir et blanc, on choisit d attribuer le noir au fortes énergies rayonnées (donc aux zones chaudes) et le blanc aux faibles valeurs, donc aux zones froides. Sur ces images, le blanc correspond aux nuages d altitude, et le noir à la surface terrestre surchauffée (par exemple le Sahara l après-midi). La correspondance température-altitude permet d identifier les zones nuageuses. L interprétation d une image infrarouge reste cependant délicate, elle dépend de l heure, de la saison, de la situation et de la latitude, ainsi que de la taille des nuages : une zone de température 40 C peut correspondre à des sommets de nuages élevés (Ci, Cs ou Cb d air froid) mais peut aussi être la température du sol sur le Canada ou la Sibérie en hiver, sur la France, un Cb d air froid en hiver peut avoir une température de sommet de l ordre de - 40 C alors qu en été dans l air chaud, cette température peut atteindre 70 C, les nuages bas ont souvent une température de sommet, voisine de celle du sol, ils sont donc impossibles à identifier sans une image visible complémentaire (la nuit, la classification nuageuse réalisée avec différents canaux infrarouges de NOAA vient alors au secours des prévisionnistes), si le sol est très froid, on peut observer une forte inversion de température et le sommet d un nuage peut être plus chaud que le sol et apparaître plus sombre, un nuage trop petit par rapport à la taille du pixel apparaît souvent plus chaud, donc plus bas qu il ne l est en réalité (la valeur mesurée provient en partie du nuage et en partie de la surface terrestre, généralement plus chaude que le nuage).

7 IMAGE VAPEUR D EAU : On se place dans une fenêtre d absorption de l atmosphère, absorption principalement due à la vapeur d eau. On trouve essentiellement la vapeur d eau dans la troposphère et principalement dans les basses couches de cette troposphère. Il y a, en général, suffisamment de vapeur d eau dans l atmosphère pour que le rayonnement infrarouge émis par le sol et les très basses couches de l atmosphère, dans ce canal, soit entièrement absorbé. Le canal vapeur d eau ne donne donc aucun renseignement sur la surface terrestre ni sur les basses couches de l atmosphère. C est un canal infrarouge qui permet de traduire le rayonnement mesuré en température avec la même convention que pour les images de l infrarouge thermique : blanc = froid et noir = chaud. Cette température correspond à la température du «sommet» de la vapeur d eau ; c est la température de rayonnement d une couche dont l humidité est suffisante pour absorber le rayonnement des couches inférieures et qui est surmontée de couches contenant peu de vapeur d eau (donc relativement transparentes pour ce canal) : on peut alors interpréter une zone blanche comme une zone où la vapeur d eau est froide, donc en altitude (en général au niveau de la tropopause) et une zone sombre comme une zone où la vapeur d eau est «chaude» donc à une altitude plus basse (en dessous de 4 à 5 km). Sur une animation d images vapeur d eau, les changements de teintes permettent de repérer les mouvements verticaux de la haute troposphère ; un assombrissement correspond à de la subsidence, un éclaircissement à des ascendances.

8 TRAITEMENT DES IMAGES SATELLITAIRES NAVIGATION : Pour les satellites géostationnaires, le positionnement de chaque pixel (à partir des données brutes) est effectué par un traitement à terre, pour Météosat c est le centre de Darmstadt d EUMETSAT qui assure cette opération, l image avec le positionnement géographique est ensuite diffusée via le satellite. Pour les satellites défilants, chaque utilisateur effectue ce traitement (pour Météo-France c est le CMS qui assure cette opération). IMAGES : Le CMS compose de nombreuses images à partir des comptes numériques reçus des satellites, sur différents domaines avec des tailles de pixel et des palettes de couleurs différentes. Voici quelques images couramment utilisées par les prévisionnistes : Images classiques sur les domaines France et Europe-Atlantique (Météosat 7) Les images du canal visible sont traitées en teintes de gris avec des pixels de 3 à 6 km selon le domaine. Les images infrarouges sont traitées avec différentes palettes, en teintes de gris ou de couleurs correspondant à des plages de température, elles varient selon ce qu on veut mettre en évidence (par exemple, sommets les plus froids ou nuages bas). La taille du pixel varie de 6 à 12 km selon le domaine. Les images vapeur d eau sont traitées avec différentes palettes de gris privilégiant les teintes claires ou sombres et des pixels de 6 à 12 km. Images élaborées à partir de plusieurs canaux Classifications nuageuses (CN) à partir de NOAA (canaux infrarouges) et de Météosat (canal visible et infrarouge), chaque couleur de l image correspond à une surface sans nuage (terre ou mer) ou à certains genres de nuages. Compositions colorées (canal visible et infrarouge), le sol, la mer, les nuages bas et les nuages élevés sont traités avec des gammes de couleurs permettant de les identifier plus facilement (par exemple, nuages bas plutôt jaunes et nuages élevés plutôt bleus).

9 Paramètres calculés à partir de plusieurs images Température de la mer obtenue à partir des données NOAA sur une semaine. Sommet des nuages froids correspondant à un cumul sur plusieurs images d un satellite géostationnaire. CORRECTIONS : Le CMS effectue également certaines corrections sur les images. Correction d ensoleillement sur les images en visible (AS sur synergie) : renforcement de la luminosité pour les pixels avec un faible éclairage (zone de haute latitude par exemple). Correction de parallaxe (CP sur synergie) : repositionnement des pixels correspondant à des nuages élevés vus avec une faible incidence par le satellite, et zone noire pour les zones cachées par ces nuages.