Une Introduction au Système Polaire EUMETSAT (EPS)

Je m'appelle Dieter Klaes, et je suis chargé des aspects scientifiques du Programme Polaire d'EUMETSAT, connu comme EPS. Météorologue et physicien de formation, j'ai fait des prévisions météorologiques pour l'aviation et aussi des prévisions générales et connais donc assez bien les besoins des utilisateurs. J'ai 17 ans d'expertise en météorologie satellitaire et dans la réalisation de systèmes et logiciels pour l'exploitation des données satellitaire J'ai développé le système pour le traitement des données satellitaire de l'armée allemande et coordonné le développement du logiciel AAPP (ATOVS and AVHRR Processing Package) pour le traitement des données reçues directement des satellites NOAA. Cela fait 12 ans que je travaille pour le Programme EPS et les sept dernières années en tant que responsable des aspects scientifiques du programme.

EPS (le Système polaire d'EUMETSAT) est une composante du Système mondial d'observation par satellite, sous les auspices de l'Organisation météorologique mondiale (OMM). Ce système est composé de satellites opérationnels et de recherche placés sur des orbites géostationnaires ou polaires, qui fournissent une richesse d'information pour les utilisateurs de la météorologie opérationnelle et de la surveillance du climat dans le monde entier.

Le programme EPS est le premier programme de satellites météorologiques en orbite polaire d'EUMETSAT. Il contribue au système polaire commun initial (IJPS) sous un accord de coopération entre EUMETSAT et la NOAA. Il s'agit de fournir et améliorer les services des prévisions météorologiques et environnementales opérationnelles et globales, ainsi que la surveillance du climat dans le monde entier.

Par l'accord sur les activités de Transition signé en 2003, EUMETSAT et la NOAA ont convenu de fournir un service opérationnel en orbite polaire jusqu'à au moins 2019.

EUMETSAT exploite elle-même les satellites géostationnaires Météosat depuis plus d'une décennie. Les images que vous voyez ici ont été fournies par l'instrument SEVIRI (un radiomètre rotatif amélioré de prise d'images dans le visible et l'infrarouge) sur les satellites géostationnaires de Météosat de seconde génération (MSG-1, connus comme Météosat-8).

Avec MetOp et EPS, EUMETSAT est entré dans l'ère des satellites à défilement, ou satellites polaires. EUMETSAT est responsable de l'orbite du milieu de matinée du système opérationnel d'observation satellitaire, tandis que la NOAA continue de fournir des données des orbites d'après-midi avec NOAA-18 et NOAA-N'.

Les données satellitaires ont considérablement amélioré la prévision du temps, en partie grâce à l'information qu'elles fournissent sur des régions où les données conventionnelles sont rares. Cela inclut les océans, qui couvrent à peu près trois quarts de la surface de la Terre et la plupart de l'hémisphère sud.

Ce graphique montre l'amélioration de la qualité des prévisions avec le temps. La qualité des prévisions pour l'hémisphère sud est maintenant proche de celles pour l'hémisphère nord.

Quelle est la différence entre une orbite polaire et une orbite géostationnaire? Et quels sont les avantages et apports des satellites polaires? Dans une orbite géosynchrone, les satellites se trouvent au dessus l'équateur à une altitude d'environ 36000 km. Ils orbitent exactement à la vitesse angulaire de la surface de la Terre, ce qui fait penser qu'ils restent fixes au-dessus l'équateur à une longitude donnée.

Une orbite polaire est différente. Les satellites volent sur une altitude plus basse (typiquement environ 820 km) et passent tout près des pôles.

Un seul satellite en orbite polaire peut observer la totalité du globe en 12 heures. La plupart des points de la Terre sont donc observés au minimum deux fois par jour. La couverture dans des hautes latitudes est plus fréquente du fait de la superposition des orbites consécutives. La couverture globale par des satellites en orbite polaire rend leurs données extrêmement utiles pour des applications comme la prévision numérique du temps et la surveillance du climat.

Les satellites météorologiques en orbite polaire sont lancés sur une orbite héliosynchrone afin de permettre l'observation régulière d'un point fixe à peu près à la même heure solaire chaque jour. Héliosynchrone veut dire que l'orbite du satellite reste fixe par rapport au soleil, avec la Terre tournant au-dessous du satellite. Un satellite va passer au-dessus d'un point de l'équateur à une heure spécifique du jour ou de la nuit, par exemple à 9:30 et 21:30 heure locale à l'équateur dans le cas de MetOp. Un réseau des satellites polaires, comme le IJPS, est normalement coordonné pour couvrir un point spécifique de la Terre à des heures différentes pendant une journée.

Étant à une altitude beaucoup plus basse, les instruments des satellites polaires sont capables d'une résolution plus élevée sur le sol que celles des satellites géostationnaires. C'est le cas dans le domaine infrarouge en particulier, et le résultat est des images et produits dérivés à résolution élevée. Pour les applications météorologiques, la résolution au sol typique pour des images dans les domaines visibles et infrarouges des satellites polaires est d'une centaine de mètres jusqu'à environ un kilomètre.

Les satellites en orbite polaire fournissent des informations sur la structure verticale de l'atmosphère pour des régions ou les données sont rares, en particulier les océans et régions polaires. Ces informations sont extrêmement utiles pour la prévision numérique du temps, où plus que 90 % des données d'entrée sont d'origine des satellitaire.

Grâce à leur orbite basse, les satellites polaires sont en mesure de fournir des sondages atmosphériques avec une résolution d'une dizaine de kilomètres dans les domaines spectraux infrarouges et hyperfréquence.

Il y a un autre avantage spécifique des satellites en orbite polaire comparés aux satellites géostationnaires: Ils sont capables d'observer la Terre avec des instruments hyperfréquences. Des micro-ondes peuvent pénétrer les nuages qui autrement bloqueraient la vue du satellite dans l'atmosphère, comme c'est le cas pour les observations dans le domaine visible et infrarouge. La télédétection en hyperfréquence nous permet d'observer l'intérieur des nuages et de voir à la fois l'atmosphère et la surface au dessous. Les instruments hyperfréquences fonctionnent jour et nuit, comme les senseurs infrarouges, et pratiquement par tous les temps. De plus ils fournissent une couverture améliorée de la stratosphère.

S'il y a des différences importantes entres les systèmes géostationnaires et polaires, les deux sont complémentaires et créent ensemble un système d'observation de dimension globale.

2.0 Le Programme EPS

Le Système polaire (EPS) est un programme complexe avec de nombreux partenaires internationaux. EPS possède une composante sol et une composante spatiale. La composante spatiale est constituée des satellites MetOp, qui ont été développés en commun par EUMETSAT et l'ESA, l'Agence spatiale européenne.

Comme indiqué ailleurs, EUMETSAT travaille en partenariat avec la NOAA américaine pour le Système polaire commun initial (IJPS).

Les éléments clefs d'IJPS sont la coordination des satellites en orbite polaire, l'échange des éléments communs de la charge utile et le traitement et le partage des données. Un accord spécifique signé en 2003 étend la coopération au-delà d'IJPS pour fournir un service opérationnel en orbite polaire jusqu'à au moins 2019.

Le partenariat avec le CNES (le Centre national d'études spatiales), soit l'agence spatiale française, a permis le développement de l'instrument IASI, l'interféromètre infrarouge pour le sondage atmosphérique. IASI est une innovation clef du programme EPS. Le CNES est aussi un partenaire au système avancé de collecte de données (ADCS).

Un autre élément du programme est la station pour les commandes et l'acquisition des données aux latitudes du Nord, située au Spitzberg dans l'archipel de Svalbard. Spitzberg se trouve suffisamment loin au Nord (78° N) pour recevoir toutes les 14 orbites d'une journée. Les satellites stockent les données globales mesurées pendant une orbite et les transmettent quand ils sont en vue de la station de réception au sol.

EUMETSAT et la NOAA échangent des données dans le cadre d'IJPS. La NOAA reçoit toutes les données EPS par une liaison spéciale en traversant de l'Atlantique et aussi les données des orbites aveugles, i.e. des données des satellites NOAA qui peuvent pas être vues depuis Fairbanks, la station de la NOAA en Alaska. EUMETSAT reçoit toutes les données des satellites en orbite d'après-midi de la NOAA et traite les données dans son segment sol. Dans le segment sol on fait également la commande et le contrôle du satellite, le segment sol est responsable pour la réception, le traitement et l'échange des données et aussi de la génération des produits.

La communauté de l'OMM est servie par les deux organisations par le Système global de télécommunication (SMT ou GTS en anglais), un réseau dédié à la télécommunication des données et produits météorologiques.

Comme mentionné précedemment vous avez entendu le segment spatial est composé des satellites MetOp, qui sont composés des modules de charge utile et service et aussi le panneau solaire. Le module de charge utile porte onze instruments dont huit sont dédiés à la météorologie.

Les satellites Metop volent dans une orbite héliosynchrone à une altitude moyenne d'environ 820 km, traversant l'équateur à 9:30 heure locale solaire au nœud descendant. Il y aura trois satellites Metop qui vont fournir un service sans interruption depuis la même orbite pendant au moins 14 ans.

Vous avez peut-être entendu parler des produits jour-1 et jour-2 (ou Day-1 et Day-2 comme on dit en anglais). Les produits du jour-1 sont des produits, qui forment la base du développement d'EPS, c'est-à-dire qui ont été spécifiés comme obligatoires dans le cahier des besoins d'EPS, et le système est donc obligé de les fournir.

Les produits du jour-1 sont les produits globaux générés par le segment sol d'EUMETSAT au niveau 0 et niveau 1 de chaque instrument et des produis sélectionnés au niveau 2, inclus sont:

Les produits du jour-2 sont ceux qui ont été ajoutés après la mise en service du système. Des exemples incluent l'humidité dans le sol par ASCAT pour l'utilisation dans la prévision numérique du temps, l'indice global de végétation normalisé (NDVI) et la détermination des vents sur les pôles. Tous ces produis sont basés sur des besoins des Utilisateurs. Notez que les SAF produisent une richesse de produits au niveau 2 et aux niveaux supérieurs.

3.0 Innovations et avantages

Voici la partie basse de MetOp avec les six antennes du diffusiomètre ASCAT pliées. La mission primaire d'ASCAT est de mesurer des vecteurs du vent à la surface des océans.

Le moniteur global de l'Ozone (GOME-2) est utilisé pour surveiller l'ozone total, mesurer des profils d'ozone, et autres gaz à l'état de traces.

Finalement voici une des trois antennes du récepteur GNSS pour le sondage atmosphérique (GRAS). (GNSS est le système global satellitaire pour la navigation.) GRAS fournit des profils de température et d'humidité à haute résolution verticale.

Maintenant nous discutons l'innovation technique majeure du système EPS/MetOp et en fait la raison d'être principale pour les satellites MetOp: C'est l'instrument IASI, l'interféromètre de sondage infrarouge de l'atmosphère. Le IASI est un spectromètre, dit spectromètre de transformation Fourier (FTS) ou, plus précisément, un interféromètre de type Michelson.

IASI mesure l'énergie émise par le système Terre atmosphère dans le domaine infrarouge du spectre électromagnétique à haute résolution spectral (8461 « canaux ») pour fournir des profils améliorés de température et d'humidité, et pour la surveillance des gaz à l'état de traces.

IASI représente un saut quantitatifs en capacités de sondage infrarouge de l'espace qui va impacter considérablement la qualité des prévisions numériques du temps. Le progrès considérable dans le domaine des prévisions numériques pendant les deux dernières décennies est due enpartie à de l'utilisation d'information des sondeurs pendant l'étape d'assimilation.

Comme vous le savez, plus de 90 % des données rentrant dans les prévisions numériques du temps proviennent des satellites. Une motivation principale pour le développement de IASI était de fournir une meilleure précision afin d'améliorer les données d'entrée pour les modèles de prévision numériques.

4.0 Interféromètre pour le sondage Atmosphérique dans l'infrarouge (IASI – de l'anglais Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)

L'instrument IASI est l'instrument le plus large et plus lourd sur le satellite MetOp et est fourni par le CNES, le Centre national français d'études spatiales. Le CNES fournit aussi le logiciel de traitement opérationnel pour les données de niveau 1 dans le segment sol et opère un Centre d'expertise technique (IASI TEC) à Toulouse, qui analyse la performance de l'instrument.

L'échantillon montre une instabilité baroclinique générée dans les restes de l'ouragan « Floyd ». L'ouragan était à l'origine d'une forte tempête sur le Royaume-Uni et sur la Bretagne qui a causé d'énormes dégâts et nombreuses pertes de vie. La structure n'avait pas été analysée par le modèle de prévision numérique et la tempête n'était pas prévue correctement.

Cet exemple montre ce dont on a besoin de mesurer et d'intégrer dans des modèles de prévision numérique du temps. L'information verticale sur la température devrait être fournie à une résolution de 1 K /km et avec un échantillonnage horizontal d'environ 25 km. L'humidité relative devrait être fournie avec une précision d'environ 10%.

Les structures météorologiques comme les cyclones tropicaux apparaissent principalement sur les océans, nous avons besoin des données satellitaires pour obtenir l'information nécessaire.

IASI a été développé comme réponse au besoin d'observer l'atmosphère de manière plus détaillée en utilisant des senseurs qui mesurent l'énergie dans une large quantité de canaux spectraux étroits. Cette approche à la télédétection est très souvent appelée sondage hyper spectral.

L'Instrument IASI traite les observations brutes à bord de MetOp et les transforme en spectres calibrés, qui sont envoyés au sol comme données au niveau 0.

Pendant le traitement au niveau 1, des luminances de AVHRR sont analysées dans un champs de vue de IASI afin d'obtenir la position des nuages dans ce champ de vue.

IASI possède un imageur intégré qui fournit des images de 64 x 64 pixels dans la fenêtre du domaine spectral infrarouge (10.5 à 12 µm) dans le même plan focal que les luminances de sondage.

L'imageur sert à aligner l'information d'AVHRR aux champs de vue de IASI. On utilise AVHRR aussi pour la navigation des pixels IASI.

L'imageur intégré possède un échantillonnage supérieur à 1 km pour des scènes infrarouges qui sont co-repérées avec l'imageur AVHRR.

Dans le traitement à niveau 2 on estime si on fera un dégagement de nuages ou une restitution avec des nuages. Le dégagement des nuages implique qu'on peut obtenir un profil atmosphérique jusqu'au sol même lorsque la scène de IASI n'est pas complètement dégagée.

Restitution nuageuse veut dire qu'on peut obtenir un profil au-dessus du sommet des nuages.

On distribue de spectres au niveau 1 pour toutes les 8461 « canaux » des IASI via le service EUMETCast. Un sous-ensemble de 300 canaux est distribué via le système SMT/GTS. Les deux jeux de données sont mis à disposition dans le format standardisé de BUFR.

Des produits de IASI au niveau 2 sont dérivés par un processus complexe qui se sert de toute l'information spectrale de l'instrument IASI, des informations supplémentaires des instruments ATOVS et AVHRR et aussi d'une contribution des données de la prévision numérique.

La suite des produits au niveau 2 typiquement utilisée par les prévisionnistes et la communauté du climat inclut:

Il faut garder à l'esprit que la suite du produit est modifiée quand il y a des nuages, et que des informations sur la qualité des données sont livrées avec les produits.

Cette image démontre un exemple pour une seule restitution aux latitudes moyennes, dérivée avec l'algorithme de IASI niveau 2 et des données synthétiques. A gauche on voit un profil de température, à droite un profil d'humidité. Les quantités restituées (rouge) sont affichées avec la situation réelle (vert).

Des efforts de validation avec des mesures du sondeur hyperspectral de la NASA AIRS ont démontré que le traitement des données de IASI au niveau 2 répond aux besoins des utilisateurs. Le graphique compare des profils de température et du point de rosée avec des profils obtenus par une analyse du CEPMMT et des observations des radiosondages co-situés. On arrive à un bon niveau de correspondance.

Le spectre infrarouge possède des lignes d'absorption des gaz traces qui jouent un rôle dans la surveillance des activités volcaniques. Cette image d'une éruption de l'Etna montre les panaches d'aérosols et d'anhydrite sulfureux (SO₂) dans le panache de l'éruption. Les données sont dérivées de l'instrument AIRS.

Les volcans sont capables de produire des concentrations importantes de SO₂ sur des régions limitées pour une courte période de temps. Les sources les plus communes de SO₂ sont la combustion de fioul pour la génération de l'énergie pour les habitations, l'industrie et le secteur des transports.

N₂O est un produit de la combustion des combustibles fossiles et d'autre matière organique et est aussi émis naturellement des sols et des océans. C'est le troisième gaz à effet de serre et une composante dans le cycle d'ozone.

Les sources les plus communes du monoxyde de carbone sont les véhicules et l'industrie. Il contribue à la formation de l'ozone près de la surface et au smog dans les régions urbaines. Le monoxyde de carbone nuit à notre santé en réduisant la quantité d'oxygène disponible pour les différentes parties de l'organisme.

Le gaz carbonique est une composante majeure du cycle carbonique. Ses sources les plus communes incluent dégazage volcanique, la combustion de la matière organique et la respiration des organismes vivants (plantes et animaux). CO₂ joue un rôle clef dans l'effet de serre de la Terre et est un sujet majeur de la discussion sur le réchauffement global et changement du climat.

IASI va être utilisé pour déduire la colonne totale de méthane dans l'atmosphère. Le produit qui est affiché a été généré dans le cadre d'une étude du groupe de travail scientifique sur les sondages avec IASI à partir des données de l'interféromètre IMG (IMG est synonyme de « Interferometer Monitor for Greenhouse gases ». ou Moniteur Interférométrique des gaz à effet de serre). Cet interféromètre a volé sur le satellite japonais ADEOS.

Le méthane est un gaz à effet de serre important et représente environ 20 % de l'effet de réchauffement de tous les gaz à effet de serre combinés.

Cette image montre un exemple de la colonne totale d'ozone pour la période du 1 er au 10 avril 1997. Ceci est un de deux produits d'ozone qui a été généré dans le cadre d'une étude du groupe de travail scientifique sur les sondages avec IASI (ISSWG) en utilisant des données de l'instrument IMG.

L'ozone joue un rôle important dans la stratosphère de la Terre en absorbant la radiation ultraviolet nocif du soleil. L'ozone à haute concentration près du sol est considéré comme polluant qui est à l'origine des problèmes respiratoires pour les humains et peut endommager les plantes et les systèmes écologiques.

5.0 ATOVS, MHS, AVHRR Héritage d'instruments de sondage

Un aspect majeur de l'exploitation d'un système satellitaire opérationnel est d'assurer la continuité avec les systèmes précédents et aussi d'assurer la cohérence entre les différentes composantes du système. ATOVS et l'imageur AVHHR ont été à l'origine développés pour le sondage de la température et d'humidité pour des satellites NOAA, utilisant le système TIROS-N et les satellites de la série NOAA-KLM.

La suite ATOVS inclut les instruments HIRS/4, AMSU-A et le Sondeur de détermination de l'humidité en hyperfréquence (MHS, de l'anglais Microwave Humidity Sounder). En plus de voler sur les satellites de la NOAA, les deux ATOVS et AVHRR sont embarqués sur MetOp comme part du système conjoint IJPS.

Rappelez vous que des instruments hyperfréquences fournissant la capacité de sondage à tout temps.

Des produits globaux d'ATOVS et AVHRR au niveau 1 sont fournis aux utilisateurs depuis le centre de traitement au Siège d'EUMETSAT.

Il y a également un produit au niveau 2 qui contient des profils verticaux de température et d'humidité dérivés de ATOVS.

EUMETSAT est en mesure de fournir une large gamme de produits depuis son segment sol central ou les Centres d'applications satellitaire (SAF).

Voici une liste des produits potentiels. Notez que des produits sur la glace des océans et les précipitations sont déjà fournis par des SAF.

En utilisant la combinaison des sondeurs infrarouges et hyperfréquences, on peut dériver le contenu intégré de vapeur d'eau d'une colonne atmosphérique, aussi connu comme eau précipitable totale (TPW), sur mer et terre.

Ces mesures sont vitales pour comprendre le cycle hydrologique global. TPW est un paramètre important pour la prévision du temps à court terme, incluant l'analyse des tendances d'intensité des cyclones tropicaux, l'identification des limites des fronts atmosphériques, la prévision des fortes précipitations et l'assimilation des données pour des modèles numériques. La vapeur d'eau a aussi un impact sur la chimie atmosphérique et la pollution, le transport et la surveillance des tendances climatiques. Il joue aussi un rôle clef dans le débat actuel sur le changement du climat à l'avenir.

Des scientifiques de recherche utilise les estimations de l'eau liquide des nuages (CLW) pour évaluer les propriétés des nuages stratiformes. Des prévisionnistes peuvent utiliser l'eau liquide des nuages pour la formation de glace sur les avions.

L'utilisation des images hyperfréquences pour la surveillance de la concentration, l'extension, l'âge et la profondeur de la glace des océans est important pour

Le taux de pluie dérivé des données hyperfréquences est un produit utile pour la surveillance de la précipitation du globe entier. Des estimations de précipitation à partir des données spatiales complètent les observations des mesures au sol et des observations de radar pour de vastes régions océaniques et des régions difficiles d'accès où les observations sont rares. Connaître les caractéristiques spatiales et temporelles des précipitation est un élément essentiel pour comprendre et surveiller le cycle hydrologique global. Les estimations de précipitation depuis l'espace en temps réel profitent également aux prévisions du temps à court terme en fournissant des informations critiques sur des évènements potentiellement dangereux qui dépassent largement les possibilités des systèmes d'observation basés au sol.

Des produits qui aident à surveiller la couverture globale de neige et glace peuvent être dérivés des radiomètres hyperfréquences. L'observation en hyperfréquence est particulièrement importante aux latitudes plus élevées – régions polaires comprises - où les observations visibles et infrarouges peuvent être limitées à cause des nuages et des périodes longues d'obscurité.

Un autre point fort des observations en hyperfréquence est l'aptitude de sonder au dessous de la surface de la neige et de la glace, et de révéler des propriétés comme l'équivalent d'eau de la neige et l'âge de la glace. Caractériser le tassage de la neige et de la glace est important pour

5.3 MHS: La première contribution de l'Europe au Système polaire commun initial (IJPS)

MSH, le sondeur de détermination de l'humidité en hyperfréquence, a été développé par EUMETSAT comme remplacement de l'instrument AMSU-B dans la suite ATOVS. MHS est le premier instrument en orbite polaire développé par EUMETSAT et est devenu part de la charge utile du premier satellite IJPS en orbite, NOAA-18, lancé le 20 mai 2005. Cela a fourni à EUMETSAT une expertise précieuse, qui a été utilisée pour les nouveaux instruments embarqués sur MetOp.

Les images montrent une scène acquise le 31 mai 2005 qui couvre l'Atlantique Nord et certaines parties de l'Europe et de l'Afrique du Nord.

Nous voyons la surface et des nuages dans les deux images prises par les canaux 1 et 2. Notez le glacier du Vatna Jökull sur Islande.

Les trois prochaines images montrent une sensibilité augmentée à la vapeur d'eau, la glace des nuages et des hydrométéores de la taille de précipitation. Des canaux avec sensibilité augmentés à la vapeur d'eau voient l'énergie émise des couches plus élevées dans l'atmosphère. Notez que le glacier de Vatna qui s'élève jusqu'à 2199 m au-dessus de la surface de la mer est encore visible par le canal 5.

Les mesures prises par MHS sont essentielles pour dériver des profils d'humidité atmosphérique et pour fournir une estimation quantitative des précipitations.

6.0 ASCAT: Des Vents sur l'océan

MetOp possède deux instruments d'héritage des satellites européens de télédétection (ERS, de l'anglais European Remote Sensing Satellite) qui font partie des missions de recherche de l'Agence Spatiale Européenne, ASCAT et GOME-2. L'instrument ASCAT fournit des observations du vent à la surface des océans, tandis que GOME-2 surveille l'ozone et les gaz à l'état de traces.

ASCAT est le seul instrument de télédétection actif sur MetOp. Un senseur actif transmet et après est à l'écoute de l'énergie retournée opposé aux senseurs passifs qui sont l'écoute seulement d'énergie émise. ASCAT est un radar en bande C dans l'héritage des instruments hyperfréquences actifs (AMI) embarqués avec succès sur les satellites ERS de l'ESA. L'objectif principal de la mission est de dériver des vecteurs de vent sur la surface des océans.

Cette première vue montre la couverture de balayage disponible avec le diffusiomètre d'héritage de ERS.

Avec l'instrument ASCAT plus moderne, nous observons les données de deux fauchées au lieu d'une, chacune étant plus large qu'avec ERS. (Une fauchée est une sorte de couloir de balayage.) Notez que les produits des vents à partir d'ASCAT vont être disponibles en deux résolutions, soit 25 km ou 12,5 km.

Ce tracé montre la couverture d'observation des océans pour 12 heures qui est nettement améliorée grâce à la deuxième fauchée.

Plot showing 12 hour ASCAT scatterometer global coverage.

Les vecteurs de vent à la surface des océans ont déjà démontré leur valeur dans l'analyse de phénomènes météorologiques dangereux. Les deux exemples montrent des vecteurs de vent au-dessus de l'Atlantique Nord le 13 avril 2006.

Dans la première image nous pouvons constater une diminution de la vitesse du vent en aval de l'Islande.

Plot of ERS-2 ocean surface wind vectors over north Atlantic Ocean showing blocking of winds downwind of Iceland.

Le deuxième tracé souligne un schéma de confluence et indique la présence d'une zone frontale.

Plot of ERS-2 ocean surface wind vectors over north Atlantic Ocean showing confluence pattern associated with a frontal zone.

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6.3 ASCAT produit d'humidité du sol

Des activités de recherche ont révélé plusieurs applications émergeantes basées sur des données de diffusiomètre qui vont au-delà de l'extraction « classique » des vecteurs du vent. L'une d'eux est l'estimation d'humidité du sol dont on a besoin pour les prévisions numériques du temps et qui est intéressante pour les transports au sol. Les satellites fournissent la couverture à haute résolution qui ne peut pas être fournie par les réseaux parsemés de mesures au sol. Le diffusiomètre permet de générer une carte d'humidité du sol, qui sera disponible comme produit de jour-2 d'EPS.

ASCAT Soil Moisture products over Europe contrasting dry versus wet seasons for 1996

ASCAT Soil Moisture products over Europe contrasting dry versus wet seasons for 2000

On montre ici un produit typique d'humidité du sol dérivé des données d'ERS pour janvier de deux années différentes. Notez les différences radicales du taux d'humidité du sol à travers l'Europe pour un mois donné et les changements tout aussi radicaux entre 1996 et 2000.

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7.0 GOME-2: Produits de Chimie Atmosphérique

7.1 L'Expérience pour la surveillance de l'Ozone Global (ou GOME, de l'anglais Global Ozone Monitoring Experiment)

Regardons le deuxième instrument d'héritage sur MetOp, GOME-2. Avec IASI, GOME-2 fournit la capacité de veiller sur la colonne totale d'ozone, des profils d'ozone, et des gaz à l'état de traces. Cette information est utile pour la surveillance du climat, la chimie atmosphérique, le cycle d'ozone et le bilan radiatif. Les données vont aussi aider à surveiller et prévoir la radiation ultraviolette dangereuse et à la prévision du déplacement des nuages volcaniques. Des structures d'ozone peuvent être utilisées dans la prévision numérique du temps comme traces pour dériver des vents stratosphériques.

Metop satellite and instruments.

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7.2 GOME-2: Produits au niveau 1, spectres mesurés

GOME est un spectromètre qui mesure la radiation ultraviolet et visible reflétée par le système terre/atmosphère.

Illustration showing how GOME senses direct and indirect sunlight for monitoring total atmospheric ozone content

Un spectre de référence est pris de la radiation solaire entrante. Les mesures sont prises dans quatre bandes spectrales pour restituer des contenus d'ozone et d'autres gaz traces. Les quatre bandes sont indiquées avec des couleurs différentes.

La figure résume les mesures de GOME-2 et montre les gaz traces qui peuvent être potentiellement détectés. Cet exemple montre des spectres pour la radiation solaire entrant et la radiation reflétée UV et visible (parfois indiqué comme spectre de brillance de la Terre).

Metop GOME-2 spectral coverage and potential atmospheric trace gas products.

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7.3 GOME-2: Produits au niveau 2, 1

Le contenu total de la colonne d'ozone est généré par le Centre d'applications satellitaires consacré à la surveillance de l'ozone (le SAF Ozone). Cette animation montre le trou d'ozone sur l'hémisphère sud et son évolution en octobre 2002, indiqué par le contenu total d'ozone.

Cliquer pour voir l'animation

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7.4 GOME-2: Produits au niveau 2, 2

On attend que d'autres gaz traces puissent être dérivés des données de GOME-2. L'exemple montre de hautes concentrations du peroxyde d'azote (ou NO₂) sur des régions industrialisées à forte densité de population. NO₂ est un gaz d'effet de serre, un polluant important et un contributeur au cycle d'ozone. Il peut être la cause des problèmes de respiration par haute concentration ou exposition de longue durée, et contribue à la formation de la pluie acide, à la surcharge de nutrition qui diminue la qualité de l'eau, à une réduction de la visibilité et à la production d'autres substances chimiques toxiques.

GOME Level 2 product example of column density nitrogen dioxide as seen with the ERS-2 GOME instrument.

Comme mentionné plus tôt, l'anhydrite sulfureux est un autre gaz trace important souvent lié aux éruptions volcaniques. Une exposition aux niveaux élevés de SO₂ peut aggraver les problèmes respiratoires. Les particules de sulfate contribuent à la formation des brumes et sont une cause majeure de visibilité réduite. SO₂ réagit avec d'autres substances afin de former des acides qui arrivent à la surface de la terre comme pluie acide, brouillard, neige et même de la poussière. La pluie acide endommage les bâtiments, les surfaces peintes, les forêts, les produits agricoles, rivières et lacs, et peut avoir un impact sur des écosystèmes des plantes et animaux.

Les images montrent des éruptions du Mt Etna en Sicile à deux dates différentes en juillet 2001. Notez l'extension des panaches de SO₂ émises par le volcan. Des données comme celles-ci peuvent être utilisées pour la prévision du déplacement des nuages volcaniques quand elles sont utilisées dans des modèles de dispersion avec un modèle de prévision.

GOME Level 2 product example, column density sulfur dioxide from the Mt. Etna volcano as seen with the ERS-2 GOME-1 instrument.

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8.0 GRAS— GRAS: Utiliser des satellites pour le sondage atmosphérique

8.1 Récepteur GNSS pour le sondage atmosphérique (GRAS, de l'anglais GNSS Receiver for Atmospheric Sounding)

Il y a un autre système inédit pour le sondage atmosphérique sur le satellite MetOp (l'instrument GRAS) qui représente la première utilisation opérationnelle du système de localisation globale GPS pour le sondage atmosphérique. GRAS utilise les signaux du GPS afin de fournir des informations des profils de température et d'humidité à haute résolution verticale (potentiellement mieux que 1 km). La prévision numérique du temps et la surveillance du climat vont particulièrement en profiter.

Metop satellite and instruments.

Il y a environ 24 satellites GPS en orbite autour de la Terre, tous dans des orbites à haute altitude (environ 20200 km).

Il se passe une occultation pour GRAS quand un satellite GPS est en position ascendante ou descendante par rapport à la Terre et ne se trouve plus en ligne de visée directe avec l'instrument GRAS. Malgré cela, le signal du satellite GPS arrive à l'instrument GRAS quand il est réfracté par le limbe. Un seul instrument GRAS en orbite polaire à environ 824 km d'altitude va observer plus de 500 occultations par jour, réparties uniformément sur le globe.

Quand on a introduit l'instrument GRAS dans la charge utile, il était clair qu'on aurait besoin d'un système complet au-delà des satellites GPS et MetOp. En utilisant plusieurs satellites avec chacun une horloge de bord ayant toutes une précision différente, les erreurs de temps peuvent contribuer à des erreurs de mesure. Avec un réseau de stations de référence au sol, les satellites utilisés pour les mesures d'occultation peuvent être vus simultanément, et on peut éliminer les erreurs des horloges de bord en prenant la différence des mesures. Avec environ 24 stations réparties sur toute la surface du globe, la redondance est à peu près de 200 %, ce qui assure la disponibilité opérationnelle. De plus on a besoin de connaître les orbites précises de chaque satellite en temps réel.

8.2 GRAS, La première utilisation de la technique de l'occultation des ondes radio

Nous regardons un signal d'un satellite GPS comme reçu par le système de recherche GPS-MET. Notez le changement du rapport signal bruit qui diminue quand le signal descend plus bas dans l'atmosphère. GRAS devrait avoir un meilleur rapport signal bruit qui pourra fournir des profils fiables qui s'étendent plus profondément dans la troposphère.

Quand ils traversent l'atmosphère, les signaux de GPS forment une courbe, du fait du changement de densité, qui est, en retour une fonction de la température et d'humidité. Cette relation est décrite par l'indice de réfraction.

GRAS mesure le retard de la phase du signal causé par la courbe du rayon du signal.

L'angle de courbe est dérivé des données de phase et résulte dans le produit à niveau 1 de l'angle de penchement. En intégrant cette information avec la température ou l'humidité calculée a priori, on peut extraire le profil combiné de température et humidité. Le produit à niveau 1 de l'instrument GRAS est le profil vertical de l'angle de penchement. Le produit contient aussi le contenu total des électrons.

On distribue le produit au niveau 1 aux utilisateurs et aussi au centre d'applications satellitaires spécialisé dans la météorologie à partir de l'instrument GRAS, le SAF GRAS, qui restitue des profils verticaux au niveau 2. La figure montre un exemple d'angles de réfraction et le profil de température dérivé pendant la phase de développement du système opérationnel de traitement des données GRAS, avec des données d'occultation de CHAMP.

9.0 Les Services du Programme EPS

EPS assure un nombre de services, allant de la fourniture de produits globaux au soutien de missions humanitaires de recherche et sauvetage.

10.0 Webcast

EPS assure la continuité du système actuel d'observation global par la continuation des instruments confirmés de la suite ATOVS et l'imageur AVHRR. De plus on a implémenté des services hautement innovants avec EPS:

Les ressources suivantes fournissent d'information en plus sur les sujets présentés dans ce Webcast.

Carn , S.A. , L.L. Strow, S. de Souza-Machado, Y. Edmonds, and S. Hannon, 2005: Quantifying tropospheric volcanic emissions with AIRS: The 2002 eruption of Mt. Etna ( Italy ). Geophys. Res. Let., 32, 5 pp.

Chahine, M., Y. Yung, Q. Li, E. Olsen, L. Chen, and N. Krakauer, 2006: AIRS CO₂ retrievals using the method of vanishing partial derivatives (VPD). Presentation, AIRS Science Team Meeting, Caltech, Pasedena, CA.

Clerbaux, C., J. Hadj-Lazaro, S. Turquety, G. Megie, and P.-F. Coheur, 2003. Trace gas measurements from infrared satellite for chemistry and climate applications. Atmos., Chem. Phys., 3, 1495-1508.

EPS Brochures, EUMETSAT, Darmstadt , Germany . [Available online at http://www.eumetsat.int/ ; 2006; found under "Publications" > "Brochures"]EPS Product Guides, EUMETSAT, Darmstadt , Germany . [Available online at http://www.eumetsat.int/; 2006; found under "Publications" > "Technical and Scientific Documentation" > "EPS Product Guides"]

Rabier, F., E. Klinker, P. Courtier, and A. Hollingsworth, 1996: Sensitivity of forecast errors to the initial conditions, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 122, 121-150.

Turquety, S., J. Hadji-Lazaro, C. Clerbaux, D.A. Hauglustaine, S.A. Clough, V. Casse, P. Schlüssel, and G. Megie, 2004: Operational trace gas retrieval algorithm for the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer. J. Geophys. Res., 109, 19 pp.

Turquety, S., J. Hadji-Lazaro, and C. Clerbaux, 2002: First satellite ozone distributions retrieved from nadir high-resolution infrared spectra. Geophys. Res. Lett., 29, 51-1 to 51-4.