Satellites pour les sciences de l’atmosphère 2

Les instruments de sondage des satellites météorologiques permettent la restitution opérationnelle de la température et l’humidité de l’atmosphère, variables essentielles pour la prévision météorologique et le suivi du climat. La combinaison de mesures infra-rouge et micro-onde permet cette restitution même en présence de nuages. Les nouveaux sondeurs infrarouge hyperspectraux donne accès à une information verticale beaucoup plus fine, élément clé notamment pour la prévision de la convection atmosphérique.

Ce chapitre décrit les capacités actuelles et futures pour observer les vents dans l’atmosphère à partir des satellites. Il inclut une description des vecteurs vents opérationnels extraits à partir des imageurs, ainsi qu’une information sur les profils de vents estimés à partir d’instruments hyperspectraux ou mesurés à partir de lidars embarqués, dont la mission Aeolus a clairement démontré la faisabilité.

La prévision numérique du temps nécessite la spécification précise d’un certain nombre de variables caractérisant les surfaces terrestres et océaniques. La télédétection satellitaire permet d’accéder à certaines d’entre elles, comme la température de surface, le vent à la surface de la mer, l’humidité des sols et certaines propriétés de la végétation ou de la neige.

L'assimilation des données satellitaires dans les modèles de prévision numérique a considérablement progressé au cours des dernières décennies, avec des instruments plus avancés et une activité de recherche accrue pour maximiser leur exploitation. Les nouveaux sondeurs infrarouge hyperspectraux et micro-onde ont considérablement amélioré la qualité des prévisions météorologiques, grâce aux progrès en modélisation de transfert radiatif, en caractérisation de l'incertitude et en assimilation de données. Les observations satellitaires jouent également un rôle clé dans les réanalyses atmosphériques, outil essentiel pour la surveillance du climat

La prévision immédiate vise à avertir et à prévoir jusqu’à 6h certains phénomènes météorologiques violents liés aux orages et aux précipitations. Dans ce contexte, les données IR mesurées depuis les satellites géostationnaires permettent de diagnostiquer certaines caractéristiques du sommet des nuages. Ces données sont utilisées par des modèles de prévision numérique adaptés, dans les produits du NWCSAF d’EUMETSAT et pour des prévisions d’images par extrapolation ou par IA

L’imagerie satellitaire joue un rôle essentiel pour détecter, suivre et prévoir l’évolution des cyclones tropicaux, les zones océaniques où ils se développent étant peu couvertes par les autres sources d’observation. Les mesures micro-onde permettent également d’estimer l’intensité des précipitations et des vents associés. Enfin, les données satellite disponibles depuis les années 1980 permettent d’analyser les tendances concernant la fréquence et l’intensité des cyclones tropicaux sur les dernières décennies.

L'observation globale des espèces réactives dans l'atmosphère s'est améliorée au cours de la dernière décennie, notamment grâce au lancement de nombreuses missions satellitaires dans le monde entier et à l'amélioration des méthodes de détection et d’inversion. Dans ce chapitre, nous examinons les principales espèces réactives organiques et inorganiques qui alimentent la chimie atmosphérique dans la troposphère.

Les satellites météorologiques se retrouvent principalement dans deux catégories d’orbites : les orbites basses (LEO) et l’orbite géostationnaire (GEO). Pour les orbites LEO, on explique les caractéristiques importantes que sont l’héliosynchronisme, le phasage, les heures de passage, l’échantillonnage compte tenu de la fauchée des instruments. Pour les satellites GEO, on détaille les conditions d’observation. Les exemples s’appuient sur les satellites actuels.

Les poussières désertiques soulevées puis transportées dans la basse atmosphère ont un rôle à la fois sur la météorologie (visibilité), sur la qualité de l’air et sur le climat. Elles peuvent être détectées par les imageurs optiques et suivies qualitativement. Leurs caractéristiques : étendue du nuage, épaisseur optique, profils verticaux, distribution 3d, sont mesurées en utilisant les données spectrométriques ou le lidar.

La combustion de la biomasse émet de nombreux composés dans l'atmosphère qui affectent à la fois la qualité de l'air et le climat. Avec l'augmentation de la température atmosphérique et les sécheresses extrêmes, les incendies de forêt devraient être plus fréquents dans un avenir proche. Les instruments satellitaires permettent de mieux estimer l'impact des incendies sur le climat et la chimie de l'atmosphère.

La stratosphère, située au-dessus de la tropopause, présente un gradient de température qui devient positif grâce à l'ozone. On abordera la chimie de l'ozone stratosphérique, le trou d’ozone et son évolution aux pôles ainsi que la chimie des autres espèces, notamment le méthane et les aérosols stratosphériques, et les outils utilisés pour surveiller la stratosphère.

Le système climatique terrestre, n’étant pas limité au domaine de l’atmosphère, requiert une grande diversité de variables climatiques essentielles, recouvrant tout le globe. Cette exigence confère un rôle prépondérant aux observations par satellites, épaulées par des références fournies par des systèmes d’observation in-situ et des modèles permettant de générer des représentations numériques appelées réanalyses.

L’observation spatiale des gaz à effet de serre (GES) est récente et exigeante. Elle utilise diverses techniques : spectromètres passifs dans le proche infrarouge ou l’infrarouge thermique, occultation solaire, lidar. La détermination des flux en surface requiert l’estimation des colonnes atmosphériques de GES, puis leur inversion par combinaison avec des modèles atmosphériques. L’auteur dresse également un panorama des missions spatiales dédiées aux GES.

Ce chapitre aborde les différentes méthodes de mesures de la vapeur d’eau atmosphérique et des propriétés nuageuses. Les principaux instruments utilisés sont des instruments de mesure passifs dans les domaines visibles, infra-rouge et microondes ainsi que les systèmes actifs comme les capteurs GNSS, les lidars et les radars. L’homogénéisation des mesures, l’étalonnage des instruments ainsi que les synergies sont également traités.

La mesure des précipitations par satellite implique divers types d’instruments et de méthodes de restitution associées : instruments passifs dans l’infrarouge ou les micro-ondes, radars embarqués, fusion de ces diverses données, combinaison avec les données de pluviomètres au sol ou de modèles numériques. La question de la surveillance satellitaire de l’ensemble des composantes du cycle de l’eau terrestre clôt le chapitre.