GUEDJ Stéphanie Caractérisation de l effet de Foehn dans les Alpes : Cas du 21 janvier 2005 Du 17 mai au 30 juin 2005 Niveau d étude : Licence 3 (stage volontaire) 1
Remerciements Avant toute chose je tiens à remercier les personnes suivantes pour leur active participation au cours de mon stage : Monsieur Pierre Carrega (Professeur en Climatologie à l université Nice Sophia antipolis) pour m avoir proposé ce sujet de stage extrêmement intéressant et enrichissant ainsi que pour tous ses renseignements. Je souhaite ensuite remercier tout particulièrement Monsieur Silvio Sandrone (ingénieur dans le programme Géostationnaire de la série MSG) qui a largement contribué à l acceptation et au bon déroulement de ce stage à Eumetsat. J adresse de plus tous les remerciements à Monsieur Leo Van de Berg, Monsieur Ahmet Yldririm (météorologue) et Monsieur Jochen Kerkmann (officier de formation) dont leurs grandes compétences scientifique et sympathie ont permis le bon déroulement du stage et motivé mon implication dans le sujet. Un grand merci aussi à Madame Ilaria Del Ré, Messieurs Paolo Ferrari, Eric Bouchez, Arnaud Schmitz-Fraysse qui ont été d une grande aide pour mon adaptation de part leur gentillesse et générosité. 2
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Introduction : Eumetsat est une organisation intergouvernementale située en Allemagne, plus précisément à Darmstadt, à 40 km au sud de Francfort. Cette organisation regroupe 18 Etats Européens (Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Irlande, Italie, Luxembourg, Norvège, Pays Bas, Portugal, Royaume-Uni, Suède, Suisse et Turquie) et 11 Etats coopérants (Croatie, Hongrie, Lettonie, Lituanie, Pologne, Roumanie, Slovaquie et Slovénie. Seuls des accords sont signés avec la Bulgarie, la République Tchèque et la République de Serbie Monténégro. Les 18 Etats membres et les 11 accords de coopération Source : www.eumetsat.int Cette organisation fut créée à la suite du succès du lancement du premier satellite Météosat par l agence spatiale Européenne en 1977. La convention d Eumetsat est signée le 19 juin 1986. Eumetsat hérite alors du programme Météosat de l agence Spatiale Européenne (ESA) et constitue pour cela un tout nouveau segment sol en 1991. Jusqu en 2000 Eumetsat assure la continuité des opérations, et prévois déjà la constitution d une nouvelle génération de satellites (Météosat Seconde Génération) permettant le prolongement des activités météorologiques ainsi que l amélioration considérable de la qualité des données. L autre programme majeur est le Système polaire Eumetsat (EPS). Ce projet débute dans les années 1990 avec la coopération américaine NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).Les responsabilités du satellite Metop-1 sont assumées le matin par Eumetsat et l après-midi par les Etats-Unis. Cette série est destinée à assumer un service jusqu en 2015. Tous les Etats-membres sont représentés dans le conseil d Eumetsat et chaque délégation nationale comprend un représentant du service météorologique du pays concerné. Le Président, Mr Peter Ewins, supervise toutes les opérations au sein d Eumetsat. Le directeur, Dr. Lars Prahm, est le représentant légal d Eumetsat. Il assure l exécution des décisions adaptée par le conseil et est à la tête du Secrétariat. 4
En 1986, l organisation comptabilisé un effectif de 10 personnes, en 2003, l effectif est de 215 personnes. Et il ne cesse d augmenter chaque mois. Les membres du personnel sont assistés par des consultants engagés à court terme. Les employés doivent être ressortissant des Etats-membres et obtiennent un contrat valable de 2 à 5 ans reconductible. En somme, l objectif d Eumetsat réside dans la mise en place, le maintient, le traitement et le stockage des données des systèmes européens des satellites météorologiques opérationnels. Sujet de Stage Mon stage au sein de cette organisation a pour objectif la caractérisation d un phénomène atmosphérique : l effet de Foehn sur la région d Italie du nord par l observation des images satellites de MSG ainsi que par les relevés des stations météorologiques concernées. La présence de la plus longue archive Européenne des images des satellites météorologiques et les nombreux météorologues, m ont été nécessaire lors de mon stage. Mon rapport se compose en trois parties. Je commencerai donc dans une première partie par présenter le satellite MSG ainsi que les images disponibles que j utiliserai dans la troisième partie. La seconde partie me permettra de définir ce qu est l effet de Foehn et de présenter la méthodologie et les outils de la mise en évidence du phénomène. Enfin dans une troisième et dernière partie, je présenterai les résultats de mon analyse. 5
Table des Matières 1. Météosat Seconde Génération...7 1.1. Le programme MSG-1... 7 1.1.1. Le satellite... 7 1.1.2. La collecte et la diffusion des données... 7 1.1.3. Les missions, les produits et la distribution... 8 1.2. Le radiomètre SEVIRI... 8 1.2.1. Fonctionnement et capacités... 8 1.2.2. Les images à canal unique... 10 1.2.3. Les images composites RGB... 14 2. L effet de Foehn...17 2.1. Définition... 17 2.2. Méthodes de mise en évidence du phénomène... 18 2.3. Le reader MSG Natives files... 19 3. Le cas du 21 février 2005...20 3.1. Circulation atmosphérique générale au dessus de l Europe... 20 3.2. Analyse Statistique des paramètres météorologiques... 23 3.2.1. Objectifs, méthode, et plan d analyse... 23 3.2.2. Les caractéristiques des stations Italiennes... 25 3.2.3. Axe nord Sud... 27 3.2.4. Coupe verticale de l Atmosphère le 21 janvier à 12h30... 30 3.3. Le Foehn sur les images satellites... 32 3.3.1. L allongement de la ceinture nuageuse... 33 3.3.2. Les types de vagues atmosphériques... 36 3.3.3. L analyse des nuages... 38 3.3.4. Analyse de l évolution... 39 6
1. Météosat Seconde Génération 1.1. Le programme MSG-1 1.1.1. Le satellite Meteosat-8 ou MSG-1 est le premier satellite de la série. Lancé en 2002, il transmet déjà des données et des informations sur l évolution et la prévision du temps et du climat. Il fournie un flux continue et fiable de données depuis sa position à 36 000 km au dessus de la Terre. Ce nouveau satellite géostationnaire est stabilisé par rotation permettant la production d image toutes les 15 minutes. Grâce aux douze canaux du radiomètre SEVIRI et à la fréquente de réception des informations il est ainsi possible, pour les météorologues de prévoir avec plus de certitudes les phénomènes météorologiques dangereux. Le programme comprend un total de 4 satellites MSG assurant ainsi l avenir des observations et des services météorologues jusqu en 2018 en attendant la troisième génération (MTG). 1.1.2. La collecte et la diffusion des données La charge utile des satellites MSG est constitué du radiomètre imageur amélioré dans le visible et l infrarouge (SEVIRI) ainsi qu un instrument permettant le calcul du bilan radiatif de la Terre depuis l orbite géostationnaire. Un nouveau segment sol se composant de la station sol principale (PSG) à Usingen et une installation spécifique du centre de contrôle de la mission (MCC) à Darmstadt permettent le contrôle et la commande du satellite pour la réception des données. Les données brutes sont traitées au MCC puis transmises aux utilisateurs via le système de distribution EumetCast et sont stockées au centre d archivage et de consultation des produits météorologiques (MARF). Un réseau de centres de traitements (SAF) s ajoute aux autres services d Eumetsat comme le SAF glace des mers et des océans, SAF évolution de l ozone... Source : www.eumetsat.int 7
1.1.3. Les missions, les produits et la distribution Les missions MSG sont l imagerie, l extraction de produits, la collecte et le relais de données ainsi que la distribution. La mission imagerie utilise les 12 canaux du radiomètre pour produire des images brutes ou composites c'est-à-dire utilisant plusieurs canaux en même temps. Trois catégories de produits météorologiques et géophysiques sont disponibles au service de traitement central Eumetsat. La première catégorie concerne les produits distribués régulièrement. Ils donnent des informations sur le vent, l humidité, les nuages (AMV, CA ). Les produits de la deuxième et troisième catégorie seront traités régulièrement mais seront distribués uniquement sur demande aux participants du Programme mondial de Recherche sur le Climat (WRCP). Ces produits fournissent des informations sur l ozone, indice de précipitations Source : www.eumetsat.int 1.2. Le radiomètre SEVIRI 1.2.1. Fonctionnement et capacités Le radiomètre imageur visible et infrarouge rotatif amélioré est embarqué à bord de MSG et permet, grâce à sa position géostationnaire, de fournir des images fréquentes (toutes les 15 minutes, 24h sur 24) du disque terrestre avec un échantillonnage de 3 km. Un miroir principal de 51cm de diamètre et des détecteurs à infrarouge composent l instrument. Le satellite effectue une rotation de 100 tours/minutes ce qui permet au radiomètre d effectuer un balayage est-ouest et de produire ainsi des images toutes les 15 minutes. Chaque pixel couvre une zone de 4,8 km. Au total, en 15 minutes, le radiomètre produit 2,4 Gigabits de données qui sont stockées dans les archives d Eumetsat. Chacun des 12 canaux correspond à une application spécifique. Les données brutes parviennent à la station de réception sous forme numérique. Elles sont alors traitées pour corriger les distorsions, converties et stockée sur disquettes. Des produits météorologiques dérivés sont aussi créés et stockées (MPEF). Les images satellites sont constituées de pixel. Chaque pixel correspond à une valeur de rayonnement auquel est attribuée une valeur de niveau de gris. 8
Exemple : Dans le visible, plus le rayonnement est élevé, plus l absorption est réduite et donc plus la couleur est clair (ex : les nuages). Inversement, plus le rayonnement est faible, plus l absorption est élevée et donc plus la couleur est foncée (ex : les mers). On peut ainsi dériver cette valeur pour obtenir les températures, les vents, l humidité et la couverture nuageuse. Deux types d images me seront utiles pour mon étude : - Les images correspondant à un unique canal représenté selon une simple échelle de nuances de gris - les images composites où sont mêlés plusieurs canaux auxquels est accordés une couleur (rouge, bleu ou vert). Description des différents canaux : Figure 1-1: descriptions des canaux du radiomètre SEVIRI 9
1.2.2. Les images à canal unique Les canaux VISIBLES (VIS 0.6 et VIS 0.8) C1 VIS 0.6 le 31.10.01 11 :30UTC C2 VIS 0.8 le 31.10.01 11 :30UTC Applications : - Permet la détection et suivie des masses nuageuses - Aide à l identification des scènes - Facilite l étude des terres émergées et des produits aérosols Le canal PROCHE INFRA ROUGE (NIR 1.6) C3 NIR 1.6 le 31.10.01 11 :30UTC Applications : - Aide à faire la différence entre les nuages de glace et la neige et entre nuages de glace et d eau - Apporte des informations sur les aérosols 10
Les canaux INFRA ROUGE THERMIQUES (IR 3.9, IR 8.7, IR 10.8, IR 12, IR 13.4) C4 IR 3.9 le 31.10.01 11 :30UTC C7 IR 8.7 le 31.10.01 11 :30UTC C8 IR 9.7 le 31.10.01 11 :30UTC C9 IR 10.8 le 31.10.01 11 :30UTC C10 IR 12 le 31.10.01 11 :30UTC C11 IR 13.4 le 31.10.01 11 :30UTC 11
Applications : - Aide à la détection des nuages bas et brouillards nocturnes (C4) - Mesure de la température à la surface de la terre et la mer (C4) - Aide à la détection des incendies de forêts (C4) - Apporte des informations sur les masses nuageuses minces (C7) - Aide à la différence nuages de glace et d'eau (C7) - Mesure la concentration d'ozone dans la basse stratosphère (C8) - Permet de mesurer la variabilité radiative diurne (C8) - Donne la température des nuages et de la surface (C9, C10) - Sert au suivi des nuages (C9, C10) - Détermine les vents atmosphériques et estime l instabilité atmosphérique (C9, C10) - Mesure l absorption du CO2 (C11) - Estime l instabilité atmosphérique (C11) - Mesure la température de la basse troposphère (C11) Les canaux VAPEUR D EAU (WV 6.2, WV 7.3) C5 WV 6.2 le 31.10.01 11 :30UTC C6 WV 7.3 le 31.10.01 11 :30UTC Applications : - Mesure de la vapeur d'eau dans la mésosphère - Fournis des traceurs pour les vents atmosphériques - Permet d'affecter une altitude pour les nuages semi transparents - Donne une idée de l instabilité atmosphérique 12
Le canal HRV (High resolution visible) C12 HRV le 31.10.01 11 :30UTC Application : - Observation des phénomènes météorologiques de petite taille - Détermine avec une grande précision la direction et la vitesse des vents. 13
1.2.3. Les images composites RGB Les images pour un unique canal utilisent une simple échelle de nuance de gris comme nous l avons vu précédemment. Il est aussi possible d accorder à chaque valeur de rayonnement une couleur par le mélange du rouge, du vert et du bleu. Ainsi sont obtenue les traditionnelles images satellites en couleurs artificielles dans le visible. Cette image est obtenue en effectuant une composition. A chacun des 3 canaux est attribué une couleur. Dans le cas de l image ci-contre, le rouge est attribuée au canal 3 (NIR 1.6), le vert au canal 2 (VIS 0.8) et le bleu au canal 1 (VIS 0.6). Ainsi sont obtenues les couleurs quasi-naturelles que nous avons l habitude de voir. Figure 1-2: image composite (R03, G02, B01) 14
D autres compositions permettent de mettre en évidence des propriétés particulières atmosphériques ou de surface : Propriétés des nuages Propriétés des nuages et distinction entre les différentes tailles des particules R 01 G 04 B 09 R 06-05 G 04-09 B 03-01 Couverture neigeuse, nuages bas et brouillard Orages R 12 G 12 B 03 R 2 G 4 B 9 15
Toutes les compositions sont possibles mais seulement certaines sont utiles : COMPOSITION RGB APPLICATIONS 03 02 01 Végétations, neige, fumée, brouillard, aérosols jour 02 04 09 Nuages, convection, neige, brouillard, feux jour 02 03 04 Nuages, convection, neige, aérosols, brouillard, feux TEMPS jour 12 12 09 nuages, convection jour 03 12 12 neige, brouillard jour 10-09 09-04 04-09 Nuages, convection, brouillard, feux nuit 10-09 09-07 07-09 aérosols jour et nuit 12 12 04-09 violents orages jour 05-06 04-09 03-01 brutale convection jour Figure 1-3: description des compositions RGB utiles Pour résumer, les applications des images satellites du système MSG sont multiples. En effet il est possible par le biais des compositions ou des différences entre les canaux ou même sur un unique canal, de mettre en évidence plusieurs types de phénomènes. Il est possible de faire la différence entre la neige et les nuages de glace, mettre en évidence un feu et connaître sa vitesse de propagation (Hot spot), d observer des zones inondées, de caractériser une convection, de connaître les caractéristiques d un nuage, de connaître l humidité dans la haute et basse troposphère Chacune des images peut être interprétée différemment selon l objectif de l analyse. Mon interprétation sera essentiellement atmosphérique. 16
2. L effet de Foehn 2.1. Définition Le Foehn est un vent chaud et sec qui descend le long des versants sous le vent. Une masse d air rencontre un obstacle, les Alpes dans le cas du Foehn. La masse d air est alors contrainte de s élever. C est le phénomène d ascendance. Il se forme alors une masse nuageuse au dessus du versant au vent. Après le passage de l obstacle la masse d air descend le long du versant sous le vent et se réchauffe. Ceci est le phénomène de subsidence. Le réchauffement provoque la dissipation des nuages. Plus précisément, lors de la rencontre de l obstacle, l air atteint des zones de moindre pression et il s opère un refroidissement adiabatique d environ 1 C par 100m. Cependant, la formation des nuages par ascendance provoque fréquemment des précipitations et pendant ce temps la vitesse de refroidissement adiabatique est plus lente, 0,5 C par 100m. L air se trouve alors asséché au niveau de la crête. Après le passage de l obstacle, l air sec redescend le long du versant sous le vent et se réchauffe de même d 1 C par 100m. Ainsi le nuage s évapore et il se forme une zone de «beau temps». Par conséquent le refroidissement s effectue plus lentement que le réchauffement. Il semble donc normal qu à altitude égale, de part et d autre du relief, des températures différentes soient observables. Autrement dit, l existence de 2 taux de variation thermique, l un pour l air sec et l autre pour l air saturé, explique le réchauffement consécutif à 1 mécanisme de foehn. Supposons une particule très humide qui part de A (cf. fig.) atteint le sommet B de la montagne et rejoint le sol en C. De A à B la particule se refroidit par détente et condense sa vapeur d eau sur le flanc AB de la montagne. De B à C la particule desséchée se réchauffe adiabatiquement par compression. Mais la température atteinte en C sera supérieure à celle qu on notait en A. En effet, de A à B l air humide saturé se refroidit lentement. De B à C, au contraire, l air devenu sec se réchauffe beaucoup plus vite. Exemple pour une montagne de 3000m : Figure 2-1: mécanisme de l'effet de Foehn - refroidissement adiabatique de 1 C par 100m jusqu à 1500m 15 C - formation de nuages à partir de 1500m et refroidissement de 0,5 C par 100m 7,5 C - réchauffement adiabatique lors de la descente 30 C => Gain de chaleur 7,5 C A B C Figure 2-2: schéma explicatif de l'effet de Foehn 17
Dans les Alpes, il existe deux cas principaux de Foehn : - Le Foehn du sud se produit lorsque les masses d air proviennent du sud ou sud ouest, passent au dessus des Alpes. La ceinture nuageuse est alors observable au sud de l obstacle c'est-à-dire au dessus de l Italie ou du sud est de la France. - Le Foehn du nord se produit lorsque les masses d air proviennent du nord ou du nord ouest, passent de même au dessus des Alpes. La ceinture nuageuse est alors observable au nord de l obstacle. Le vent chaud et sec descend le versant sud des Alpes et les records de températures sont observables dans la plaine du Pô. Nous étudierons ce second cas. Sur les images satellites il est difficile d observer directement le phénomène étant donné que c est un vent, donc un mouvement atmosphérique. Or une image satellite est par définition fixe. Cependant plusieurs solutions sont possibles. 2.2. Méthodes de mise en évidence du phénomène Sachant qu il est difficile de mettre en évidence un phénomène mobile tel que l effet de Foehn, il est tout de même possible de le mettre en évidence par l usage des paramètres météorologiques des stations au sol et des images satellites. Pour comprendre l origine du phénomène il est nécessaire de décrire brièvement la circulation atmosphérique au dessus de l Europe afin de connaître l origine des flux et les caractéristiques des masses d air en jeu. Une analyse statistique est par la suite nécessaire pour traiter les données brutes des stations météorologiques situées dans la zone d étude. Cela permettra de connaître avec précision les moments favorables où l effet de Foehn sera le mieux observable. Sur les images satellites, il est possible de faire apparaître ces paramètres de différentes manières (images brutes ou composites). Sur les images uniques, une ceinture de nuages est détectable sur le versant au vent, c'est-à-dire qui précède l obstacle. Dans notre cas, la ceinture observable se situera au Nord des Alpes. Elle sera présente sur les images du canal visible. Sur les images composites, les compositions de couleurs mettront en évidence certaines caractéristiques de l effet de Foehn. 18
2.3. Le reader MSG Natives files Le reader MSG est un programme permettant de lire les fichiers en format natif. Ces fichiers se composent des données issues de tous les canaux. Ce programme constitue les images en fonction des données originales de MSG. Il est donc possible de visualiser les images, dans tous les canaux séparément, créer des images composites et enfin de connaître la différence de rayonnement entre 2 Readmsg2.exe canaux à un moment donné. Un fichier additif bitmap permet de calquer exactement les limites des continents. Voici quelques unes des options disponibles : - Région : en entrant les coordonnées géographiques (latitude/longitude) il est possible de sélectionner approximativement la zone d étude. - Canal : La valeur du rayonnement est précisée pour chacun des pixel dans les différents canaux. Les canaux Infra rouges thermique et de vapeur d eau nécessitent une inversion de l échelle de gris de façon à ce que les nuages apparaissent blancs. - Résolution : Cette option fait varier la résolution horizontale à l aide d un facteur compris entre 1 (vers la droite) et 5 (vers la gauche) - Enregistrement : L image obtenue peut être enregistrée soit en format JPEG soit bitmap. Ce programme m a permis de concevoir certaines des images contenues dans la troisième partie de mon rapport et ainsi de compléter l analyse statistique des paramètres météorologiques relevés par les stations. L usage d autres programmes plus perfectionnés m a permis de constituer les images couplées avec le canal HRV avec l aide de personnes compétentes. 19
3. Le cas du 21 février 2005 3.1. Circulation atmosphérique générale au dessus de l Europe Figure 3-1: Modèle des fronts de Bracknell pour le 21 janvier 2005 à 00 TU Cette carte est un modèle classique anglais étant sous l égide de Met Office. Les fronts sont tracés manuellement par l homme et associés aux pressions aux sols. L représente une dépression et H un anticyclone. Ce modèle est élaborer toutes les 12h ce qui permet de suivre la progression des systèmes perturbés et de prévoir leur trajectoire. Suivant les flux et les lignes de géopotentiel principales, nous pouvons avoir une idée de l intensité des précipitations et de leurs localisations. De plus nous pouvons prévoir les variations de températures liées aux déplacements des fronts. D après ce modèle, nous pouvons dire qu une grande partie de l Europe du Nord est soumise à un système de fronts. Ce front est situé en majorité au dessus de l océan Atlantique, se poursuit au dessus de la Manche, passe au nord de l Allemagne pour atteindre le centre du puissant système dépressionnaire dans la mer Baltique exactement sur l île Gotland en Suède. Nous pouvons de même voir l anticyclone des Açores alors situé au Nord Est du Portugal, il montre la présence d une masse d air chaude et humide provenant du Sud. 20
Aussi, le petit système dépressionnaire situé au dessus de la Corse est très fréquent en hiver. C est la dépression Ligurienne. Elle naît d un double effet : - effet thermique en hiver quand la Méditerranée est beaucoup plus chaude que le continent. - Effet dynamique quand les coulées froides de Nord Ouest et de Nord pénètrent jusqu au golf de Gênes où elles déterminent l ascendance de l air chaud préexistant. Conséquences : cette dépression attire les perturbations polaires d ouest vers la Méditerranée et par conséquent déclenche ou renforce les courants de nord ouest. Dans notre cas, une masse d air froide arrive sur l Europe par le Nord, traverse le Royaume-Uni, puis le nord de la France. Elle est ensuite contrainte de se diviser. La partie nord de la masse d air remonte vers le nord en direction du système dépressionnaire Suédois, l autre partie est déviée vers le sud est en direction de la petite dépression Ligurienne. Par conséquent, l avant du front est constitué essentiellement d air froid en provenance de l Arctique. En opposition à l arrière du front qui, lui, est constitué d air chaud d origine tropicale. Figure 3-2: modèle GSF à 500 hpa des géopotentiels et de la pression en surface Cette carte GFS indique la provenance et la direction des masses d aires en fonction de la situation des systèmes dépressionnaires ou anticycloniques. Le sens de rotation des centres 21
de pression étant connus, les masses d aires se déplacent dans des directions définies. Elle représente donc les pressions au sol (lignes blanches) et les géopotentiels (plages de couleurs). Ce modèle nous permet donc de connaître l altitude (en Décamètre) qui correspond à une pression de 500hPa. En somme, le géopotentiel se défini par le travail d une force (la pression) qui est exercée en fonction de l altitude. La France, l Espagne et le Portugal appartiennent à un système de hautes pressions dont le plus puissant se situe sur l océan Atlantique au Nord Est du Portugal. Les deux autres anticyclones appartiennent de même au système. Le dégradé de couleur nous permet de constater que la masse d air qui arrive sur les Alpes est constituée d air chaud issu de l anticyclone des Açores alors situé au Nord Est du Portugal et d air froid provenant de l arctique. La figure suivante est un produit dérivé du système MSG. Elle représente avec une très haute résolution les mouvements des vents dans le canal visible 0.8 (vert) et dans le canal infrarouge 10.8 (rouge) du radiomètre SEVIRI. Les mouvements atmosphériques sont obtenus en suivant le déplacement des nuages ou d autres constituants atmosphériques (ozone, vapeur d eau) dans les zones sans nuages. La direction des vents montre une rotation suivant le sens des aiguilles d une montre. L air est expulsé de l anticyclone vers l Europe de l Est et du Sud. C est par conséquent une partie de cette masse d air qui traverse les Alpes pendant la journée du 21 janvier 2005. Anticyclone des Açores le 21 janvier 2005 à 12h45 Figure 3-3: Vecteurs de mouvements atmosphériques à 12h45 22
3.2. Analyse Statistique des paramètres météorologiques 3.2.1. Objectifs, méthode, et plan d analyse L objectif de l analyse statistique est de mettre en évidence l effet de Foehn. Pour cela il est nécessaire d utiliser les données horaires des stations météorologiques au sol. Le premier objectif réside dans la mise en évidence du phénomène au nord ouest de l Italie. Pour cela j ai confronté les données des températures et de l humidité relative des stations météorologiques de Milan et Piacenza relevées pendant la journée du 21 janvier de façon à caractériser le moment où l effet sera le mieux observable. Connaissant ainsi le moment le plus propice à l observation, j ai adapté les mêmes paramètres dans un axe nord sud de façon à identifier la différence entre la température et l humidité entre les stations situées au Nord et au sud des Alpes. L axe nord sud débute à Mannheim en Allemagne et s achève à Piacenza en Italie. Les stations ont été sélectionnées de façon à ce que leurs altitudes permettent la comparaison Nord-Sud. Avec l utilisation d Excel, j ai conçu des graphiques confrontant les températures et l humidité relative enregistrées par les stations météorologiques Italiennes puis situées sur cet axe. L analyse de la coupe verticale atmosphérique me permettra alors de connaître le comportement de la masse d air lors de la traversée des alpes et les conséquences qui en découlent. 23
Figure 3-4: Localisation des stations météorologiques autour de l'axe nord-sud 24
3.2.2. Les caractéristiques des stations Italiennes En confrontant l humidité relative et la température, il est possible de déterminer le moment où l intensité de l effet de Foehn est la plus élevée. A Milan, l écart entre les deux courbes est le plus élevé à 12h30. En effet la température est de 18 C, ce qui est exceptionnellement élevé pour un mois de janvier. La valeur de l humidité relative est de même très faible, 28%. En ce qui concerne le vent, une pointe de vitesse est enregistrée exactement au même moment. Un vent de 46km/h en moyenne pour 12h30 est remarquable sur le graphique. A Piacenza, il en est de même à 13h, l humidité relative étant de 30% et la température est de 19 C. Ces données illustrent donc la présence d un vent puissant, d un air chaud, largement au dessus de la moyenne d un mois de janvier, et sec caractérisant ainsi l effet de Foehn. Ainsi, la période qui semble la plus propice à l observation de l effet de Foehnde situe entre 12h30 et 13h30. Temperature and relative humidity variation MILAN from 10:00 to 23:00 C 20 17,5 15 12,5 10 7,5 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 80 70 60 50 40 30 20 % Temperature Relative Humidity Graphique 3-1:variation de la température et de l'humidité relative à Milan entre 10h et 23h Wind speed variation in Milan from 10:00 to 23:00 Km/h 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Graphique 3-2: Variation de la vitesse du vent à Milan entre 10h et 23h 25
Temperature and relative humidity variation PIACENZA from 10:00 to 19:00 C 20 18 15 13 10 8 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 80 70 60 50 40 30 20 % Temperature Relative Humidity Graphique 3-3: Variation de la température et de l'humidité relative à Piacenza entre 10h et 19h Wind speed variation in Piacenza from 10:00 to 19:00 30 25 Km/h 20 15 10 5 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Graphique 3-4:Variation de la vitesse du vent à Piacenza entre 10h et 19h 26
3.2.3. Axe nord Sud Le choix des stations a été fait en fonction des disponibilités des données sur le site Internet mais surtout en fonction des altitudes de façon à ce que les valeurs des paramètres soient comparables. Les stations de Mannheim et Strasbourg sont situées au Nord des Alpes et sont censées avoir des températures plus faibles ainsi qu un taux d humidité relative plus élevé par rapport aux stations de Milan et Piacenza qui elles, sont soumises à l effet de Foehn. Les stations de Zurich, Altdorf et Lugano vont mettre en évidence le moment et l intensité de l inversion des valeurs des paramètres. Situation et synthèse des relevés horaires des stations météorologiques situées sur l axe Nord-Sud le 21 janvier 2005 à 12H30 Graphique 3-5: synthèse des relevés horaires des stations météorologiques sur l'axe Nord-Sud 27
Meteorologicals parameters variation on the cross section N-S Mannheim to Piacenza 12:30 UTC temperature relative humidity C 20 15 10 5 0 MANNHEIM STRASBOURG ZURICH ALDORF LUGANO MILAN PIACENZA 8,6 7,6 8,5 8,6 9 8,7 9,7 49,5 48,5 47,5 46,9 46 45,6 44,9 Lat/Long 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 % Graphique 3-6: Variation de la température et de l'humidité relative sur l'axe Nord-Sud à 12h30 Ce graphique montre donc les variations de la température et d humidité relative partant de Mannheim jusqu à Piacenza. A 12h30, on remarque que l humidité relative au Nord des Alpes est moyenne (53% pour Mannheim et 71% pour Strasbourg) et faible au sud des Alpes. Elle augmente jusqu à un maximum de 89% à Altdorf qui rappelons le est la station la plus élevée de l axe. Cette augmentation illustre le refroidissement adiabatique sec marqué surtout entre Strasbourg et Altdorf. Le refroidissement adiabatique continue jusqu aux sommets des Alpes. Puis la subsidence de la de masse d aire provoque le réchauffement adiabatique et donc l évaporation de l humidité. Après le passage de la chaîne alpine, la courbe de l humidité décroît rapidement. Ce qui signifie que la masse d air s assèche. La valeur de l humidité passe de 100% à 28%. De façon à caractériser l effet, il est nécessaire de comparer les différences d humidité relatives et de température entre les stations situées au nord et au sud des Alpes. A 12h30 l humidité relative de la station de Mannheim est de 53% contrairement à la station de Piacenza qui a une humidité de 30%. On remarque donc une différence de 23% entre ces deux stations qui ont une altitude équivalente. La différence est encore plus remarquable entre les stations de Milan (28%) et Strasbourg (71%), soit 43% d écart. En ce qui concerne la température, elle varie à l inverse de l humidité relative. Elle débute à un niveau moyen (7 C pour Mannheim et Strasbourg) puis décroît avec l altitude jusqu'à un minimum de 4,6 C pour Altdorf puis remonte brusquement après le passage des Alpes jusqu à 18 C à Milan. La vitesse de refroidissement entre Mannheim et Altdorf est de 1,09 C par 100m. Ce taux de décroissance thermique correspond à l adiabatique sèche. 28
Si l on compare maintenant les différences de températures entre le nord et le sud des Alpes, on remarque qu à Mannheim la température est de 7 C alors qu à Piacenza, elle est de 17 C soit une différence de 10 C! Il en est de même pour la différence entre Strasbourg et Milan, 11 C d écart. Le réchauffement adiabatique s opère sur une distance plus longue du côté sud que le refroidissement par ascendance sur le coté Nord étant donné qu a partir du point de saturation, le refroidissement adiabatique saturé est deux fois moins rapide comme nous l avons précédemment expliqué. La comparaison des deux courbes simultanément nous donne plusieurs informations. En effet, on remarque que les courbes de la température et l humidité relative des stations situées au nord des Alpes sont proches. L écart se creuse lorsque l ascendance débute, c'est-àdire à partir de Zurich et l inversement s opère après le passage des Alpes. Il est intéressant de remarquer l importance de la différence entre les deux courbes après le passage du relief. La température est extrêmement élevée pour un mois de janvier et l humidité relative est plutôt faible. Par conséquent, une masse d air sec et chaud traverse l Italie du Nord. Ainsi se caractérise l effet de Foehn. Il est important de connaître aussi le comportement de la masse d air en alitude. 29
3.2.4. Coupe verticale de l Atmosphère le 21 janvier à 12h30 Graphique 3-7: Coupe verticale atmosphérique de la température pseudo adiabatique saturée Source : www.ecmwf.com Cette coupe verticale atmosphérique débute au niveau du Luxembourg jusqu au nord de la Sicile. Elle illustre la température pseudo adiabatique potentielle saturée. C est la température que prendrait une particule à la suite de deux transformations théoriques : - détente adiabatique sèche jusqu au niveau où la particule devient saturée - descente et compression pseudo adiabatique jusqu au niveau du sol (1000 mb) La chaîne des plus hauts sommets se situe au niveau du 46 ème parallèle (la ligne verte). Le début de l ascendance se fait à partir du 48 ème parallèle. Si l on observe ce graphique, on peut clairement voir que la zone située avant les Alpes (sur l Allemagne) est moins chaude que la zone située après (plaine du Pô). De plus, à moyenne altitude, on peut voir deux points de zone où la température pseudo adiabatique est relativement faible (L). Ces deux zones montrent la formation des nuages lenticulaires issus de la longue vague atmosphérique due à un effet orographique. 30
Graphique 3-8: Coupe verticale atmosphérique de l'humidité spécifique Source : www.ecmwf.com Ce graphique représente l humidité spécifique le 21 janvier 2005 à 12h00 au même endroit que le graphique précédent (cf. carte 1). L élévation des courbes dans l atmosphère montre l augmentation de l humidité et donc la création de nuages. La ligne verte représente de même la ligne des plus hauts sommets des Alpes. On remarque que la couche d humidité avant les Alpes s étend jusqu à plus de 600 hpa par l effet orographique qui provoque l ascendance. Enfin un important gradient d humidité spécifique montre une zone très sèche à 1000 hpa, en surface. Par conséquent, ces deux graphiques montrent l effet des Alpes sur les caractéristiques des masses d air. Il est donc possible de connaître où se forment les nuages et pourquoi. Dans notre cas, on peut clairement observer la formation de nuages au dessus du versant au vent sous l influence du relief, puis les vagues atmosphériques créent de nouveaux nuages. Les nuages situés à proximité du relief (seulement quelques centaines de mètres) sont constitués par les vagues courtes. Les vagues longues créent des nuages lenticulaires que nous pourrons caractériser sur les images satellites. 31
3.3. Le Foehn sur les images satellites L effet de Foehn sur les images satellites se caractérise par la formation d un barrage de nuages sur la partie nord des Alpes et une zone sans nuage au sud des Alpes comme le montre clairement l image de la figure 3-4. Les nuages représentés en blanc sont constitués de vapeur d eau essentiellement, ce sont des nuages de basse altitude contrairement aux nuages d apparence bleue qui sont constitués sur le dessus de grosses particules de glace émettant un fort rayonnement. Il est possible de même de détecter la dépression suédoise conduisant le front froid sur l Europe. Figure 3-5: image composite (R03-G02-B01) à 12:15 UTC 32
3.3.1. L allongement de la ceinture nuageuse Cette image du canal HRV (haute résolution) montre que la ceinture nuageuse s étend plus loin que les plus hauts sommets des Alpes, environ 50km de plus. En effet Locarno est ennuagé et Lugano non. Or en général, la barrière nuageuse commence à s évaporer dès le passage des hauts sommets représentés par les pointillés sur l image qui suie. La composition du nuage explique cet avancement. Figure 3-6: image interprétée du canal HRV le 21 janvier à 12h15 33
Cette image composite HRV (R12, G12, B04-09) du 21 janvier à 12 :15 UTC montre que la barrière nuageuse au nord des Alpes de couleur bleue et jaune est mixte. Elle est constituée à la fois de petits et de grosses particules de glace ainsi que de vapeur d eau. On remarque tout d abord une ligne jaune à la terminaison sud de la ceinture nuageuse. Ceci s explique par un rayonnement plus intense issu de la constitution du nuage. En effet les grosses particules de glace s évaporent plus lentement que les petites. Par conséquent, pendant un certain laps de temps, la terminaison du nuage est constituée de grosses particules de glace uniquement ce qui explique pourquoi le rayonnement est plus intense. Ceci explique en partie pourquoi la barrière nuageuse s étend sur le sud. Il serait nécessaire d étudier les précipitations pour savoir exactement l intensité et à quel moment elles s arrêtent. Cela pourrait être une seconde explication. Figure 3-7: image composite (R12, G12, B04-09) à 12h15 UTC 34
Il en est de même sur l image suivante. On remarque une ligne rosée à la terminaison du nuage. La neige porte par ailleurs la même couleur mais la définition de l image composée avec le canal HRV nous permet de faire facilement la différence. Sur cette image il est aussi intéressant de remarquer la présence des petits nuages disposés parallèlement à la barrière nuageuse. Ceux-ci sont créés par les effets orographiques. Ils sont la conséquence des courtes vagues atmosphériques fréquentes les jours de Foehn. Figure 3-8: Image composite (R12-2, G04r, B09) 35
3.3.2. Les types de vagues atmosphériques Deux types de vagues atmosphériques apparaissent le 21 janvier 2005 à 12h15. Les vagues courtes résultent de l effet orographique est sont créées parallèlement à la chaîne de montagnes. Elles sont situées à quelques centaines de mètres après le passage des plus hautes altitudes. Les longues vagues se produisent à plusieurs centaines de km après l obstacle. L image du canal vapeur d eau (figure 3-6) met en évidence les vagues atmosphériques courtes créées par le relief. Elles se forment donc parallèlement au relief et montrent les variations de l humidité et donc de la température en altitude. A chaque fois que l humidité augmente, cela crée un nuage qui disparaît puis réapparaît quelques centaines de mètres plus loin. Ce sont des nuages qui ont une situation fixe mais dont la composition est continuellement renouvelée. C est donc un type de nuage lenticulaire de basse altitude. Ce type de vague montre une forte instabilité atmosphérique et représente un danger pour l aviation en créant de fortes turbulences. Figure 3-9: image du canal 6 à 12:15 UTC 36
L image composite suivante illustre clairement la présence d une longue vague atmosphérique (bleu). Cette longue vague est située à plusieurs centaines de km après les Alpes. Celle-ci crée des nuages de haute altitude mixte, de forme arrondie. Ce type de nuage lenticulaire est composé de vapeur d eau et de petites particules de glace comme on peut le voir sur l image suivante. Par conséquent l air s élève une première fois face au relief, puis descend le long du versant sous le vent. Elle est contrainte de s élever de nouveau par mécanisme malgré l absence de relief, puis subside de nouveau jusqu'à ce que l amplitude de l onde soit trop faible. Figure 3-10 : Image composite (R09-10, G09-07, B09) 37
3.3.3. L analyse des nuages Figure 3-11: image composite (R02, G04r, B09) à 12h15 UTC L image composite (R02, G04r, B09), permet de différencier les types de nuages. La ceinture nuageuse, comme nous l avons vu est mixte. De petits traits vert très clair apparaissent régulièrement après la barrière nuageuse. Ceux-ci sont des nuages de type lenticulaires créés par les courtes vagues atmosphériques. Les nuages créés par la longue vague atmosphérique sont visibles en vert plus foncé, au dessus de la mer adriatique à l est de l Italie, ceux-ci ont une altitude plus élevée, donc une température plus faible, des petits cristaux de glace le compose. Les nuages de basse altitude en provenance de l ouest (couleur vert jaune) dans le coin supérieur gauche de l image sont composés de petites et très nombreuses particules d eau. Le nombre de particules en suspension est très élevé car ce sont des nuages continentaux. L évaporation très rapide des particules est illustrée par la ligne foncée à la terminaison du nuage. 38
3.3.4. Analyse de l évolution L analyse de l évolution permet de voir depuis 9h jusqu à 15h (toutes les 15 minutes) plusieurs détails à propos des vagues atmosphériques résultant de l effet orographique. Cette animation met en évidence les vagues courtes ou l on peut facilement observer la stabilité de la situation des nuages et leur disposition parallèle à la barrière nuageuse. De plus on peut de même voir la longue vague se créer plus au sud de l Italie et former les nuages de type lenticulaires. Animation : 2005_01_21_0900-1500_rgb_02-04r-09_loop.avi 39
CONCLUSION Pendant la journée du 21 janvier 2005, l Italie du nord a été frappée par une violente tempête de Foehn. L arrivée d un vent de tempête venant du nord nord-ouest, perpendiculairement aux Alpes est à l origine de l effet de Foehn. Ce dernier est lié à une augmentation exceptionnelle de la température de plus de 10 C, à une chute de l humidité relative, à une extrême transparence de l atmosphère et à la formation de nuages lenticulaires dans le ciel bleu. En hiver, le Foehn est responsable de la rapide fonte des neiges (cf «Melting snow over North West Italy, 19 january 2005» dans le dossier des images du mois du site www.eumetsat.int) et produit une journée à caractère printanier en l espace d une nuit. En été il peut contribuer au développement des incendies forestiers. La prévision est difficile car le phénomène est très instable et irrégulier mais les conséquences sont dans certain cas très graves. On peut faire des observations analogues sur le versant nord des Alpes et au sud de l Allemagne. Le phénomène est d autant plus intense car la masse d air est beaucoup plus chaude et humide après avoir traversé la Méditerranée qu il pourrait être intéressant de caractériser. Durant ce stage, j ai pu comprendre et ainsi caractériser l effet de Foehn par l étude du cas du 21 janvier 2005. La phase la plus longue fut la recherche et l acquisition de données en relations avec mon sujet, notamment celle des paramètres météorologiques, puis il a fallu formuler un plan d analyse en choisissant les bons paramètres, les bonnes images, les bonnes combinaisons Les météorologues m ont été d une grande aide en ce qui concerne l interprétation. J ai aussi appris à manipuler les différents outils de l analyse, les programmes, les logiciels. J ai acquis de même énormément de vocabulaire scientifique essentiellement en anglais mais aussi français. J ai pu ainsi appréhender la difficulté et le travail à fournir pour concevoir une étude climatique pertinente. Quelques semaines supplémentaires m auraient permis de détailler l analyse statistique et surtout l analyse des images satellites. Mon objectif premier était de concevoir un système de reconnaissance de l effet de Foehn mais 6 semaines ne m ont malheureusement pas suffit malgré un nombre d heures supplémentaires relativement important. L étude de plusieurs cas était nécessaire. 40
Ce stage m a tout de même permis de découvrir un domaine passionnant et très enrichissant qu est le spatial. L observation de notre planète par les satellites météorologiques en particulier MSG recouvre des domaines très diversifiés. L interprétation d une image peut apporter des renseignements aussi bien sur l atmosphère (les nuages, les vents, les précipitations, les aérosols), que sur les océans et les terres émergées (température à la surface de la mer, incendies, végétation, neiges, glaces). Les applications ne cessent de se multiplier et de se diversifier avec les progrès technologiques. Ces 6 semaines de stage ont été extrêmement enrichissantes aussi bien au niveau personnel que professionnel ce qui fait que le bilan est très positif. Pour allez plus loin : Sur le site officiel d Eumetsat, dans le dossier Meteosat IMAGE of the Month, vous pourrez trouver une analyse plus détaillées (à laquelle j ai participé) des images correspondant à mon étude de cas. Mon rapport est aussi disponible au format PDF. Je remercie encore une fois Monsieur Kerkmann qui m a permis de publier cette étude de cas. 41
Table des Figures Figure 1-1: descriptions des canaux du radiomètre SEVIRI... 9 Figure 1-2: image composite (R03, G02, B01)... 14 Figure 1-3: description des compositions RGB utiles... 16 Figure 3-1: Modèle des fronts de Bracknell pour le 21 janvier 2005 à 00 TU... 20 Figure 3-3: Vecteurs de mouvements atmosphériques à 12h45... 22 Figure 3-4: Localisation des stations météorologiques autour de l'axe nord-sud... 24 Figure 3-5: image composite (R03-G02-B01) à 12:15 UTC... 32 Figure 3-6: image interprétée du canal HRV le 21 janvier à 12h15... 33 Figure 3-8: Image composite (R12-2, G04r, B09)... 35 Figure 3-9: image du canal 6 à 12:15 UTC... 36 Figure 3-10 : Image composite (R09-10, G09-07, B09)... 37 Figure 3-11: image composite (R02, G04r, B09) à 12h15 UTC... 38 42
Table des Graphiques Graphique 3-1:variation de la température et de l'humidité relative à Milan entre 10h et 23h 25 Graphique 3-2: Variation de la vitesse du vent à Milan entre 10h et 23h... 25 Graphique 3-3: Variation de la température et de l'humidité relative à Piacenza entre 10h et 19h... 26 Graphique 3-4:Variation de la vitesse du vent à Piacenza entre 10h et 19h... 26 Graphique 3-5: synthèse des relevés horaires des stations météorologiques sur l'axe Nord-Sud... 27 Graphique 3-6: Variation de la température et de l'humidité relative sur l'axe Nord-Sud à 12h30... 28 Graphique 3-7: Coupe verticale atmosphérique de la température pseudo adiabatique saturée... 30 Graphique 3-8: Coupe verticale atmosphérique de l'humidité spécifique... 31 43
Bibliographie - Site officiel d Eumetsat : www.eumetsat.int - BADER, FORBES, GRANT, LILLEY and WATERS, Image in weather forecasting, 2003, 436p - ZAMG, Manual of synoptic satellite Meteorology: www.zamg.ac.at/docu/manuel/satmanu/main.html - ACKERMAN, KNOX, Meteorology, Understanding the Atmosphere, ed. Thomson/ Brooke/ Cole, 2003, 486p. - modèle numérique de prévision et coupe verticale : www.ecmwf.com - modèle de circulation atmosphérique générale ; www.wetterzentral.com - relevés météorologiques horaires des aéroports : www.weatherunderground.com - DELABORDE, Introduction à l étude scientifique du climat, ed. SEDES, 1982, 350p - ROYAL GEOGRAPHY SOCIETY, Atlas of The World, Paperback edition, Philips, 2003. 44