Satellites et capteurs météorologiques
La prédiction et la surveillance de la météo a été l'une des premières applications civiles (ou non-militaires) de la télédétection. Le premier satellite météorologique fut TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite), qui a été lancé en 1960 par les États-Unis. Plusieurs autres satellites météorologiques ont été lancés dans les cinq années suivantes. Ces satellites avaient tous des orbites polaires héliosynchrones, ce qui permettait une couverture répétitive des systèmes météorologiques mondiaux. En 1966, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) des États-Unis a lancé le satellite géostationnaire Applications Technology Satellite (ATS-1) qui fournissait des images hémisphériques de la surface de la Terre et de la couverture de nuages à toutes les 30 minutes. Pour la première fois, le développement et le mouvement des systèmes météorologiques pouvaient être surveillés de façon continue. Aujourd'hui, plusieurs pays exploitent des satellites météorologiques pour surveiller les conditions climatiques autour du globe. Généralement, ces satellites utilisent des capteurs à résolution spatiale grossière (en comparaison aux systèmes pour l'observation de la Terre) et couvrent de grandes surface du globe. Leur résolution temporelle, généralement élevée, fournit des observations fréquentes de la surface de la Terre, de l'humidité atmosphérique et de la couverture de nuages, ce qui permet de surveiller et de prédire les conditions climatiques de l'ensemble du globe. Nous allons maintenant décrire quelques satellites/capteurs utilisés en météorologie.
GOES
Le système GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) est le successeur de la série ATS. Les satellites GOES ont été conçus par la NASA pour NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) pour fournir au United States National Weather Service des images fréquentes et à petite échelle de la surface de la Terre et de la couverture de nuages. Depuis plus de 20 ans, la série GOES a surtout été utilisée par les météorologues pour la surveillance et la prédiction de la météo. Ces satellites font partie d'un réseau mondial de satellites météorologiques qui sont alignés à des intervalles de 70º de longitude autour de la Terre pour offrir une couverture presque totale du globe. Deux satellites GOES, placés en orbite géostationnaire à 36 000 km au-dessus de l'équateur, voient chacun un tiers de la Terre. Le premier satellite est situé à 75ºO de longitude et surveille l'Amérique du Nord, l'Amérique du Sud, et la plus grande partie de l'océan Atlantique. Le deuxième est situé à 135ºO de longitude et surveille l'Amérique du Nord et le bassin de l'océan Pacifique. À eux deux, ils couvrent la région s'étendant du 20e° O au 165e ° E de longitude. Cette image GOES couvre une portion du sud-est des États-Unis, et les régions océaniques adjacentes où plusieurs tempêtes importantes se développent. Cette image montre l'ouragan Fran qui s'approche du sud-est des États-Unis et des Îles Bahamas, en septembre 1996.
Deux générations de satellites GOES ont été lancés pour mesurer les rayonnements émis et réfléchis, desquels nous pouvons dériver les températures atmosphériques, les vents, l'humidité et la couverture de nuages. La première génération de satellites GOES s'étend de 1975 (avec GOES-1) à 1992 (avec GOES-7). La conception des satellites GOES-1 à GOES-7 ne leur permettait d'imager la Terre qu'environ 5% du temps. Avec GOES-8 (lancé en 1994) on a procédé à plusieurs améliorations techniques. Ces satellites peuvent observer la Terre de façon presque continue, ce qui permet de prendre plus d'images (à toutes les quinze minutes). Cette augmentation en résolution temporelle, jumelée aux améliorations de la résolution spatiale et radiométrique des capteurs, procure une information pertinente et des données de meilleure qualité pour la prédiction des conditions météorologiques.
GOES-8 et les autres satellites de la deuxième génération sont équipés d'instruments d'imagerie et de sondage séparés. L'imageur possède cinq bandes qui captent le rayonnement visible et infrarouge du Soleil. Les bandes infrarouges permettent aux satellites de capter des images le jour et la nuit. Le dépointage latéral des capteurs et la possibilité de choix de bandes permettent d'acquérir des images d'un hémisphère complet, ou encore, des images à petite échelle d'une région choisie. Cette dernière possibilité permet aux météorologues de surveiller des régions problématiques spécifiques pour améliorer les prévisions à court terme. Les données images possèdent une résolution radiométrique de 10 octets et peuvent être transmises directement aux écrans des utilisateurs sur Terre. Le tableau suivant décrit les bandes individuelles, leurs résolutions spatiales et leurs applications à la météorologie.
| Bande | Domaine spectral (microns) | Résolution spatiale | Application |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,52 - 0,72 (visible) | 1 km | Nuages, pollution, identification de tempêtes sévères |
| 2 | 3,78 - 4,03 (proche IR) | 4 km | Identification de la brume durant la nuit, différenciation des nuages de pluie et de neige ou glace durant le jour; détection de feux et d'éruptions volcaniques, détermination de la température de la surface des océans durant la nuit |
| 3 | 6,47 - 7,02 (vapeur d'eau au niveau supérieur) | 4 km | évaluation de l'advection et du contenu en humidité des couches atmosphériques intermédiaires. Suivi du mouvement des masses atmosphériques intermédiaires. Suivi du mouvement des masses atmosphériques |
| 4 | 10,2 - 11,2 (IR à longue longueur d'onde) | 4 km | identification des vents qui entraînent les nuages, les tempêtes sévères, la pluie torrentielle |
| 5 | 11,5 - 12,5 (fenêtre de l'IR qui est sensible à la vapeur d'eau) | 4 km | identification de l'humidité dans la couche inférieure de l'atmosphère, détermination de la température de la surface des océans, détection de poussière et de cendre volcanique dans l'atmosphère |
Le sondeur atmosphérique à 19 canaux mesure le rayonnement émis dans 18 bandes infrarouges thermiques et le rayonnement réfléchi dans une bande visible. Ces données possèdent une résolution spatiale de 8 km et une résolution radiométrique de 13 octets. Les données du sondeur sont utilisées pour mesurer la température de la surface terrestre et des nuages, pour créer des profils des taux d'humidité atmosphérique, et pour analyser la distribution de l'ozone dans l'atmosphère.
NOAA AVHRR
La NOAA opère aussi une autre série de satellites utiles pour la météorologie et pour d'autres applications. Ces satellites, en orbite polaire héliosynchrone (830 à 870 km au-dessus de la Terre), font partie de la série Advanced TIROS (datant du début des années 1960). Ils complètent l'information fournie par les satellites géostationnaires (comme GOES). Les deux satellites, dont chacun produit une couverture totale de la Terre, travaillent conjointement pour assurer que les données de toutes les régions de la Terre soient mises à jour au moins à toutes les six heures. Un satellite croise l'équateur du nord au sud, tôt le matin, et l'autre le croise dans l'après-midi.
À bord des satellites NOAA se trouve le capteur primaire AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Celui-ci est utilisé pour la météorologie et pour l'observation à petite échelle de la surface de la Terre. Le capteur AVHRR capte le rayonnement électromagnétique du visible, proche IR, du moyen IR et de l'IR thermique. La fauchée au sol mesure 3000 km. Le tableau suivant décrit les bandes AVHRR, leurs longueurs d'onde, leurs résolutions spatiales (au nadir) et leurs applications générales.
| Bande | Domaine spectral (μm) | Résolution spatiale | Application |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,58 - 0,68 (rouge) | 1,1 km | surveillance des nuages, de la neige et de la glace |
| 2 | 0,725 - 1,1 (proche IR) | 1,1 km | surveillance de l'eau, de la végétation, et de l'agricole |
| 3 | 3,55 - 3,93(IR moyen) | 1,1 km | température de la surface des océans, volcans, feux de forêts |
| 4 | 10,3 - 11,3(IR thermique) | 1,1 km | température de la surface des océans, humidité du sol |
| 5 | 11,5 - 12,5 (IR thermique) | ,1 km | température de la surface des océans, humidité du sol |
Les données du capteur AVHRR peuvent être achetées et formatées en quatre modes opérationnels qui se distinguent par leurs résolutions et leurs modes de transmission. Les données peuvent être retransmises directement au sol et visionnées tout de suite après qu'elles aient été captées, ou elles peuvent être enregistrées à bord du satellite pour être retransmises et traitées plus tard. Le tableau suivant décrit les différents formats de données et leurs caractéristiques.
| Format | Résolution spatiale | Transmission et traitement |
|---|---|---|
| APT (Automatic Picture Transmission) | 4 km | transmission directe et affichage à faible résolution |
| HRPT (High Resolution Picture Transmission) | 1,1 km | transmission directe et affichage à pleine résolution |
| GAC (Global Area Coverage) | 4 km | image à faible résolution de données enregistrées |
| LAC (Local Area Coverage) | 1,1 km | données choisies à pleine résolution d'une région locale provenant de données enregistrées |
Bien que les données AVHRR soient utilisées fréquemment pour la prévision et l'analyse des images des systèmes météorologiques, le capteur est également bien adapté à l'observation et la surveillance de la Terre. AVHRR possède une résolution spatiale plus grossière que d'autres capteurs de télédétection (décrits dans la prochaine section), il est surtout utilisé pour la surveillance des phénomènes régionaux de petite échelle, telle que la cartographie de la température de la surface des océans, et de la santé de la végétation naturelle et agricole. L'on peut créer des mosaïques couvrant une grande superficie à partir de plusieurs séries de données AVHRR, ce qui permet l'analyse et la cartographie à petite échelle de la couverture végétale. Au Canada, des données AVHRR, reçues à Prince Albert en Saskatchewan, sont utilisées dans un système d'information sur les récoltes. Le système sert à la surveillance de la santé des récoltes de céréales dans les Prairies durant toute la période de croissance.
Autres satellites météorologiques
Les États-Unis exploitent la série de satellites DMSP (Defence Meteorological Satellite Program) qui sont aussi utilisés pour la surveillance météorologique. Le capteur OLS (Operational Linescan System) de ces satellites en orbite polaire fournit une couverture deux fois par jour, avec une fauchée de 3000 km et une résolution spatiale de 2,7 km. Il possède deux grandes bandes spectrales : une bande qui s'étend du visible au proche-infrarouge (0,4 à 1,1 μm) et une bande infrarouge thermique (10,0 à 13,4 μm). Ce capteur peut notamment acquérir des images le soir, dans des conditions d'illumination très faibles dans la bande du visible. Cela lui permet de prendre des images étonnantes de la Terre sur lesquelles on peut apercevoir la pollution lumineuse des grands centres urbains.
Il existe plusieurs autres satellites météorologiques en orbite qui ont été lancés et qui sont exploités par d'autres pays ou groupe de pays dont le Japon avec la série GMS, et la communauté européenne avec les satellites Météosat. Les deux séries sont composées de satellites géostationnaires situés au-dessus de l'équateur et aux mêmes degrés de longitude que le Japon et l'Europe. Ces satellites prennent des images toutes les demi-heures, comme les satellites GOES. Les satellites GMS possèdent deux bandes : l'une de 0,5 à 0,75 μm (résolution spatiale de 1,25 km) et l'autre de 10,5 à 12,5 μm (résolution spatiale de 5 km). Météosat possède trois bandes : une bande dans le visible (0,4 à 1,1 μm, résolution spatiale de 2,5 km), une dans l'IR moyen (5,7 à 7,1 μm, résolution spatiale de 5 km), et une dans l'IR thermique (10,5 à 12,5 μm, résolution spatiale de 5 km).
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