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Année après année, les prévisions météorologiquesprévisions météorologiques à cinq jours sont de plus en plus précises. Et les prévisionnistes ne comptent pas en rester là. C'est pourquoi Eumetsat, l'organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiquessatellites météorologiques, a décidé d'installer, sur les satellites « A » de la constellation météorologique MetopMetop de seconde génération, le radiomètre MetImage qui se caractérisera par une capacité inédite d'actualisation des données météorologiques toutes les 1,7 secondes *.
Cet instrument assurera une prise d'images optiques des nuagesnuages, des aérosolsaérosols et des variables de surface dans 20 canaux du spectre, au bénéfice d'applications telles que la prévision numériquenumérique du temps, la prévision immédiate aux hautes latitudeslatitudes, la surveillance du climatclimat, l'hydrologiehydrologie ou encore la surveillance des surfaces continentales.
Premiers clichés obtenus par le troisième satellite de seconde génération Meteosat, lancé en juillet 2012 par un lanceur Ariane 5. Construits en France par Thales Alenia Space, les satellites Meteosat sont exploités par Eumetsat, et font partie du système mondial d'observation de l'atmosphère terrestre, mis en place par l'Organisation météorologique mondiale (OMM). © Eumetsat
MetImage, un puissant radiomètre
Si l'on regarde l'historique de l'actualisation des données météorologiques avec les satellites Meteosat (ceux qui évoluent sur une orbite géostationnaire), la performance de MetImage est remarquable. Avec les Meteosat de première génération, l'actualisation des données était de 30 minutes (le premier satellite a été lancé en 1977). Elle est devenue beaucoup plus fréquente en 2002 avec le lancement du premier satellite Meteosat de seconde génération capable de fournir des données toutes les 15 minutes et seulement toutes les 5 minutes pour le mode Rapid Scanning. Quant à ceux de la troisième génération, à l'horizon 2020, ils donneront des donnés chaque 10 minutes et toutes les 2,5 minutes pour le Rapid Scanning.
* Aujourd'hui, deux des trois satellites Metop de première génération sont en orbite. Le troisième, Metop-C, devrait être lancé en 2018. En 2021, la deuxième génération devrait prendre le relais pour garantir la continuité des données météorologiques jusqu'en 2042. Elle sera constituée de deux types de satellites :
- les satellites « A », dotés d'instruments optiques ;
- les satellites « B », dotés d'instruments hyperfréquence.
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Article initial de Rémy Decourt, paru le 21/06/2013
Futura-Sciences a interviewé Alain Ratier, le directeur général d'Eumetsat (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites). Il nous explique pourquoi les satellites vont continuer à faire progresser les prévisions météorologiques, et décrypte les innovations des futures générations Meteosat et Metop.
Aujourd'hui, les prévisions météorologiques ont besoin de deux types de satellites. Ainsi, en Europe, Eumetsat exploite à la fois les satellites géostationnaires Meteosat et les Metop en orbite polaire, les deux étant complémentaires.
Les satellites en orbite géostationnaire, placés à 36.000 km d'altitude au-dessus de l'équateuréquateur, appuient la prévision immédiate avec une prédiction de quelques heures « essentielle pour prévenir les phénomènes météorologiques dangereux à développement rapide », d'après Alain Ratier. Pour les prévisions à plus longue échéance, de 1 à 12 jours, il faut des mesures globales, ce qui est possible grâce aux satellites polaires. Depuis l'orbite polaire, à environ 840 km d'altitude, les satellites peuvent exploiter une plus large panoplie d'instruments.
Par exemple, les satellites Metop embarquent un radar diffusiomètre « pour la mesure du ventvent à la surface de l'océan et de l'humidité des sols, et des instruments micro-ondes capables de sonder le profil vertical de température et d'humidité, même à travers les nuages ». Ces mesures sont impossibles depuis l'orbite géostationnaire, car elles exigeraient des antennes de trop grande taille ou des puissances radar inaccessibles. Ainsi, les satellites en orbite polaire fournissent une observation de la Terre « globale, plus riche et plus précise que les satellites géostationnairessatellites géostationnaires, mais moins fréquente ». Ils constituent aujourd'hui la première source d'observation pour les modèles numériquesmodèles numériques de prévisions météorologiques.
Quant à la qualité des prévisions, elle progresse grâce aux nouvelles observations et aux avancées scientifiques des techniques de prévision, notamment des modèles de prévision numérique. Ces évolutions sont réalisées « sur la duréedurée, en s'appuyant sur la continuité sans faille des observations des satellites météorologiques opérationnels ».
Suivi du cyclone Giovanna, quelques jours avant qu'il ne touche l'île de Madagascar en février 2012. © Eumetsat
Des prévisions météo de plus en plus précises
Cela dit, il y aura toujours des situations météorologiques plus ou moins faciles à prévoir mais, « ce qu'il faut retenir, c'est qu'aujourd'hui, les prévisions à 5 jours ont en moyenne la qualité des prévisions à 3 jours d'il y a 20 ans ». Depuis dix ans, les progrès des satellites météorologiques sont considérables, et leurs observations permettent maintenant de préciser l'état initial de l'atmosphèreatmosphère, à partir duquel les prévisions sont réalisées. Dans le cas de l'ouragan Sandy, qui a touché la ville de New York en octobre dernier en pleine élection américaine, « le Centre européen de prévision météorologique à moyen terme avait prévu son parcours cinq jours à l'avance, et il a démontré que cela n'aurait pas été possible sans les observations de nos satellites Metop ! »
Évidemment, concernant les prévisions à plus court terme, de 6 h à 24 h, « il s'agit moins d'étendre l'échéance de la prévision que de la rendre plus précise ». Le rôle des observations est alors d'améliorer l'état initial pour réduire l'erreur de prévision. Pour la prévision à 24 h, une étude récente du Met Office britannique a montré que les observations du satellite Metop, à elles seules, contribuent pour 25 % à la réduction des erreurs de prévision obtenues. Et ce, grâce au traitement de l'ensemble des observations disponibles en temps réel par les modèles de prévision numérique. « Si l'on prend en compte toutes les données des satellites, on arrive à 64 % de réduction des erreurs, ce qui montre bien qu'on ne peut pas faire de bonnes prévisions à 24 h sans satellites ! »
Les futures générations de satellites Meteosat et Metop
Pour garantir la continuité et l'amélioration des observations à l'horizon 2020, Eumetsat et l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne (Esa) préparent la troisième génération de satellites Meteosat, et la deuxième de Metop du système polaire d'Eumetsat (Eumetsat Polar System, ou EPS).
Avec la troisième génération de satellites Meteosat (MTG), « le concept technique évolue fortement par rapport aux deux générations précédentes ». Le programme comprend six satellites, quatre imageurs (MTG-I) et deux sondeurs (MTG-S), « tous stabilisés trois axes avec une grande précision de pointage, et non plus par rotation comme les précédents. Les instruments embarqués sur MTG seront donc en permanence pointés vers la Terre ». Ce mode de stabilisation est indispensable pour satisfaire les besoins futurs, « qui exigent des temps de pause plus importants pour améliorer le rapport signal sur bruit, ainsi que des gains en résolutionrésolution spatiale et en fréquencefréquence de prise de vue ». Avec cette troisième génération, dont les premiers lancements sont prévus dès 2018, Eumetsat a pour objectif de garantir « la continuité des données jusqu'en 2038, et d'améliorer les prévisions immédiates et à très courte échéance des événements dangereux susceptibles de se produire en quelques heures ».
Dans l'usine cannoise de Thales Alenia Space, construction du quatrième satellite de Meteosat de seconde génération (octobre 2012), dont lancement est prévu en 2014. Construits en France par Thales Alenia Space, à la tête d'un consortium de plus de 50 sous-traitants basés dans 13 pays d’Europe, les satellites Meteosat sont exploités par Eumetsat, et font partie du système mondial d'observation de l'atmosphère terrestre, mis en place par l'Organisation météorologique mondiale (OMM). © Rémy Decourt, Futura-Sciences
Observer l’activité électrique grâce aux satellites imageurs MTG-I
Concrètement, les satellites imageurs MTG-I, qui assureront la continuité de la mission d’imagerie des actuels Meteosat de seconde génération, fourniront des images plus fréquentes : toutes les 10 mn du disque terrestre vu depuis 0° degré de longitudelongitude (contre 15 mn aujourd'hui), et toutes les 2 min 30 pour l'Europe et l'Afrique du Nord (au lieu de 5 min actuellement). La résolution spatiale sera doublée, passant à 2 km dans l'infrarougeinfrarouge et à un km dans le visible pour l'imagerie du disque terrestre, et allant jusqu'à 500 m pour les images à fréquence de 2 min 30.
En outre, un nouvel instrument fait son apparition sur ces satellites MTG-I. Il s'agit d'un imageur d’éclairs qui observera l'activité électrique sur 80 % de la surface terrestre. Données importantes pour la prévision immédiate des événements météorologiques dangereux, comme les orages. « L'évolution des oragesorages pourra être mieux caractérisée en croisant l'évolution de la température de sommet des nuages, observée dans l'infrarouge, et la fréquence d'observation d'éclairséclairs ». Ceci sera par exemple utilisé dans l'aviation, pour éviter les zones dangereuses dans les aires tropicales.
La nouveauté : des satellites sondeurs MTG-S en orbite géostationnaire
Mais la grande nouveauté, ce sont les satellites sondeurs MTG-S qui apparaîtront en 2020. « C'est une première mondiale, une réelle révolution. » Dans le monde, seuls les Chinois ont un projet similaire. Les Américains, pourtant à la pointe dans le domaine de la météorologiemétéorologie opérationnelle, ont abandonné le projet en raison de sa complexité et de problèmes de financement.
« Avec ces satellites, on va mettre sur l'orbite géostationnaire une classe d'instruments de sondage qui aujourd'hui ne vole que sur des orbites basses ». Concrètement, sont prévus deux sondeurs, l'un dans l'infrarouge, et l'autre dans l'ultraviolet et le visible. Le premier, baptisé IRS (Infra-red Sounder), s'apparentera à un satellite Iasi (pour interféromètreinterféromètre atmosphérique de sondage infrarouge) avec autant de canaux, mais il disposera d'un échantillonnageéchantillonnage spatial précis de quatre kilomètres. « L'avantage et l'objectif est d'obtenir sur l'Europe, grâce à l'orbite géostationnaire, des sondages toutes les 30 mn et non plus toutes les 6 à 12 h comme c'est le cas aujourd'hui avec les satellites polaires Metop ». La fréquence élevée de ces futurs profils verticaux de températures et d'humidité « est une avancée significative pour les prévisions météorologiques à courte échéance, car elle permettra d'alimenter plus souvent les futurs modèles régionaux de prévision à très haute résolution ».
La mission de sondage dans l'ultravioletultraviolet et le visible sera réalisée par l'instrument Sentinelle-4 de Copernicus, dédié à la mesure de la composition chimique de l'atmosphère pour la surveillance et la prévision de la qualité de l'airair. La synergiesynergie d'IRS et de Sentinelle-4 sera un atout exceptionnel pour l'observation d'un plus grand nombre de composants chimiques à travers leurs signatures dans l'UV et l'infrarouge thermique.
Lancement du satellite Metop-B par un Soyouz de Starsem le 17 septembre 2012, depuis le cosmodrome de Baïkonour. © Eumetsat
Un nouveau bond en avant pour l’orbite polaire
Aujourd'hui, deux des trois satellites Metop de première génération sont en orbite. Le troisième, Metop-C devrait être lancé en 2018. À l'horizon 2020, la deuxième génération devrait prendre le relais pour garantir la continuité des données jusqu'en 2040. Comme MTG, cette nouvelle génération sera constituée de deux satellites, Metop-SG A et Metop-SG B, qui seront exploités simultanément sur la même orbite (du matin) que les actuels Metop.
Certains de leurs instruments seront une amélioration de ceux existants. Ainsi Iasi-NG donnera « des mesures deux fois plus précises et une résolution spectrale doublée, de façon à avoir plus de bandes spectrales pour accéder à la chimie atmosphérique ». Le diffusiomètre SCA permettra de mesurer les très forts vents à la surface de l'océan, « avec une résolution spatiale deux fois plus précise par rapport à l'instrument Ascat de Metop ». L'imageur MetImage sera beaucoup plus performant que l'AVHRR américain embarqué sur Metop, et il sera complété par un polarimètre imageur 3MI pour l'observation des aérosols, conçu comme une suite opérationnelle aux instruments de recherche Polder et Parasol. Enfin, le sondeur Sentinelle-5 de Copernicus, opérant de l'UV au proche infrarouge, marquera des progrès déterminants par rapport à Gome-2 en chimiechimie atmosphérique, avec une synergie remarquable avec Iasi-NG.
Quant aux nouveaux instruments, on compte un imageur hyperfréquence pour la mesure des précipitationsprécipitations, capacité que l'on n'a pas sur les Metop actuels, et un imageur de nuages de glace (ICI pour Ice Cloud Imager), « capable de détecter la glace présente dans les nuages, dont les cirrus, qui jouent un rôle considérable dans l'effet de serreeffet de serre additionnel ». Les chercheurs attendent beaucoup de cet instrument, en raison de la difficulté d'estimer aujourd'hui la quantité de glace nuageuse qui varie d'un rapport 10. L'enjeu de ces nouveaux instruments est l'amélioration de la prévision météorologique, de la qualité de l'air, et la surveillance à long terme de nombreux paramètres essentiels pour l'étude du changement climatique.
