satellites meteo generalites

SATELLITES METEO GENERALITES
HISTORIQUE :
• 1957 1er satellite lancé dans l’espace SPOUTNIK (URSS)
• 1960 1er 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).
• 1966 TIROS opérationnels
• 1975 1er satellite géostationnaire GOES (USA)
• 1977 1er 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 2002 + DMSP (équivalent militaire des
NOAA)
• METEOR (Russie) ne sont pas exploités
• FY-1 (Chine)
régulièrement en Europe
PREVU :
• METEOSAT 8 (1er satellite du type MSG Météosat Seconde Génération) lancé en août
2002, opérationnel 2003
• METOP 1er satellite défilant européen lancement prévu en 2005
• NPOESS nouvelle génération des NOAA prévu en 2008
ENM/PAM 31/03/2005
CARACTERISTIQUES
METEOSAT :
• Altitude 35786 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
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
http://www.cms.meteo.fr/
http://www.satmos.meteo.fr/
http://www.eumetsat.de/
http://www.oso.noaa.gov/
ENM/PAM 31/03/2005
Canaux
METEOSAT 7 (MTP)
Canal
VIS
IR
VE (WV)
METEOSAT 8 (MSG)
Canal
1 VIS
1 VIS HR
5 IR
2 VE
O3/CO2
Longueur d’onde (µm)
0.5-0.9
10.5-12.5
5.7-7.1
Résolution
2.5 km
5 km
5 km
Fréquence
30 min
Diffusion
HRI
WEFAX
Résolution
3 km
1 km
3 km
3 km
Fréquence
Diffusion
15 min
HRIT
LRIT
Longueur d’onde
0.55-0.75
3.78-4.03
6.47-1.02
10.2-11.2
11.5-12.5
Résolution
0.75x0.86 km
4 km
8 km
4 km
4 km
Fréquence
GOES
Canal
VIS
proche IR
VE
IR
IR
NOAA
Canal
1 VIS
2 VIS proche IR
3A* proche IR
3B IR moyen
4 IR thermique
Longueur d’onde (µm)
0.58-0.68
0.725-1.0
vers 1.6
3.5-3.9
10.3-11.3
5 IR thermique
11.5-12.5
* 6ème canal à partir de NOAA 15
Résolution
1.1 km
4 km
1.1 km
1.1 km
1.1 km
1.1 km
8 km
1.1 km
30 minutes
3 h globe
5 min sur zone en alerte
Fréquence
Pixels/ligne
passage du
satellite 2 fois
par jour
2048
(bande de
3000 km)
ENM/PAM 31/03/2005
Diffusion
HRPT
APT
HRPT
HRPT
HRPT
HRPT
APT
HRPT
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
Surface océan
Albédo
0.07
forêtcultures
0.12
petits
Cu sur
terre
0.29
Cs
seul
0.36
sableSt
neige épais
0.60
0.64
Cu Sc
sur
terre
0.69
Cb
réflexion
spéculaire
0.92
1
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.
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 T4 (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).
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.
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).
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.