Télédétection en MétéorologieSatellites

Télédétection active

Émission de radiation et mesure de la radiation rétrodiffusé par le système Terre-atmosphère

Radars

Télédétection passive

Mesure de la radiation émise ou réfléchie par le système Terre-atmosphère-Soleil

Télédétection en Météorologie

Utilités des donnés rapportées par les satellites et les radars

1. Outil d’analyse dans les régions où les données d’observation sont dispersées (ex: au-dessus des océans)

2. Aide directe pour les prévisions à court termes (- de 6hrs) de nuages, précipitation, …

3. Source de données pour les conditions initiales dans les modèles numériques de prévisions

4. Moyen pour déterminer la validité des prévisions des modèles

5. Indicateur des processus dynamique et physique qui ont cours dans atmosphère

SatellitesPrincipes physiques à la base des images satellitaires

Types de satellites

1- Satellite à orbite polaire

2- Satellite géostationnaire

Radiomètres à bord des satellites qui mesurent l’intensité des ondes électromagnétiques, à différentes longueurs d’onde, émises ou réfléchie par la Terre, le Soleil et l’atmosphère.

Satellites à orbite polaire

Caractéristiques

• Voyage en passant par les pôles à 850 km d’altitude.

• Couvre toute la surface de la Terre: Vue de l’espace il décrit une orbite stationnaire et c’est la Terre qui tourne en-dessous.

• Complète 14 orbites par jour.

• Sonde des régions de 2600 km de large à chaque passage.

• Couvre la Terre en entier 2 fois par jour.

• Leur radiomètre est constamment orienté vers la Terre.

Image IR prise par un satellite à orbite polaire au-dessus de

l’Antarctique

Satellites géostationnaire

Caractéristiques

• Voyage au-dessus de l’équateur à 36 000 km d’altitude avec la même vitesse angulaire que la Terre

• Tourne sur lui-même (spin stabilized)

• Construit les images de la Terre en sondant une tranche du disque terrestre (parallèle à l’équateur) à chaque rotation (sur lui-même), d’un pôle à l’autre

1. Prend – de 25 min pour sonder un disque terrestre en entier

2. Permet de suivre l’évolution temporelle des nuages (animations)

• Principal désavantage : Distorsion des images près des pôles. Par conséquent, les images ne sont valides que pour des latitudes entre 70 N et 70 S.

• Principaux avantages :

Image VIS prise par le satellite géostationnaire GOES-E

Types d’images satellitaires

Visible (= 0,6 m)

Infrarouge (= 11 m)

Principales longueurs d’ondes mesurées pour les images satellitaires en météorologie

Provient de la réflexion de la radiation solaire vers l’espace par le système Terre-Atmosphère

Provient de la radiation émise vers l’espace par le sol ou les nuages

Ultra-violet Visible Infrarouge

Maximum d’émission par le

soleil

Maximum d’émission par le système Terre-

atmosphère

g

Types d’images satellitaires

A cette longueur d’onde, l’intensité de la radiation mesurée par le satellite dépend de l’albédo du nuage ou de la surface

• Blanc: brillance élevée (albédo élevé)

• Noir : faible brillance (faible albédo)

Caractéristiques des nuages avec un faible albédo:

1) Mince

2) Faible concentration en gouttelette de nuage

Caractéristiques des nuages avec un fort albédo:

1) Grande épaisseur

2) Concentration élevé en gouttelette de nuage (nbre de gout. / m3)

Visible (= 0,6 m)

Exemple d’image VIS

Nuages épais

Nuages minces

Exemple d’image VIS le matin

Soirs et matins, alors que le soleil est à l’horizon, la structure des nuages est perceptible Ombre des

nuages sur le sol

Ombre des nuages

élevés sur les nuages bas

Rayons du Soleil

provenant au-dessus de

l’horizon sud-est au matin

Types d’images satellitaires

Visible (= 0,6 m)

Problèmes avec les images VIS

• Distinguer les nuages avec un sol recouvert de neige.

• Distinguer les nuages très minces (albédo très faible), qui se confondent avec le sol.

Image VIS des Grands-Lacs en hiver

Ces problèmes peuvent être contournés en bonne partie par l’utilisation d’animations d’images VIS.

Image VIS des Rocheuses

Types d’images satellitaires

A cette longueur d’onde, l’intensité de la radiation mesuré par le satellite dépend de la température du sommet des nuages ou de la surface terrestre

• Blanc: émission faible (basse température)

• Noir : émission forte (haute température)

• Teinte de bleu : émission faible (basse température)

• Teinte de rouge : émission forte (haute température)

Présentation en

couleur

Présentation en noir et

blanc

Infrarouge (= 11 m)

Par le loi de Planck, en mesurant la radiation émise par un corps on peut retrouver sa

température de surface 1exp

)(2

51

Tc

cTE

Exemple d’image IR

Nuages à sommets élevés

Nuages à sommets bas

Types d’images satellitaires

Infrarouge (= 11 m)

Problèmes avec les images IR

• Les nuages bas et le brouillard sont difficilement perceptibles (en raision de la faible différence de température entre ceux-ci et le sol)

• Avec des nuages très minces ou petits, la radiation des niveaux inférieurs peut passer à travers ou de chaque coté, et faire paraître le nuage plus chaud, donc plus bas qu’il ne l’est en réalité.

Radars (RAdio Detection And Ranging) Principes physiques à la base des images radars

Radars météorologiques

1. Un faisceau d’onde électromagnétique est émis

2. Les ondes électromagnétiques émises interagissent (diffusion) avec les cibles (pluie, neige, insectes, oiseaux, édifices, sol, etc.)

3. Un récepteur mesure la quantité d’énergie électromagnétique qui est rétrodiffusée et/ou le changement de fréquence entre les ondes reçues et celles émises.

Longueur d’onde émise: entre 3 cm et 10 cm (micro-ondes)

Compromis entre une trop forte atténuation par la précipitation pour <5 cm et l’interaction avec la précipitation qui diminue avec >10 cm . Permet ainsi de voir la pluie derrière la pluie.

RadarsRéseau Américain (158 radars) Réseau Canadien (27

radars)

Dont 5 au Québec:

1. Ste-Anne-de-Bellevue (Montréal)

2. Villeroy (Québec)3. Lac Castor (Saguenay)4. Val d’Irène (Gaspésie)5. Landrienne (Abitibi)

Radars

Caractéristiques du radar de McGill (Ste-Anne-de-Bellevue)

Durée de la période d’émission: µs (10-6 sec) Durée de la période d’écoute (réception): ms (10-4 sec)

Puissance du signal émis: 700 kW (106 W)

Puissance du signal reçu (en moyenne): mW (10-4 W)

• S-Band radar (=10 cm)

• Soucoupe de 9m (30’) de diamètre

• Complète un tour en 12,5 sec

• Sonde 24 angles d’élévation différents (de 0,5o à 34,5o)

Angle d’élévation

Types d’image radar

1) Réflectivité

Affiche la quantité d’énergie rétrodiffusée par la précipitation (pluie, neige, …)

Affiche la vitesse de déplacement horizontale des cibles (par rapport au radar) obtenue en mesurant le changement de fréquence entre les ondes émises et les ondes rétrodiffusées

2) Doppler

Images de réflectivité

La quantité d’énergie rétrodiffusée est :

• dépendante du type de précipitation

• proportionnelle à la grosseur des hydrométéores

• proportionnelle à la quantité d’hydrométéores

– La pluie est plus réfléchissante que la neige

La quantité d’énergie rétrodiffusée est donc proportionnelle à l’intensité de la précipitation (en terme de mm/hr)

– Mais la neige fondante est plus réfléchissante que la pluie

Échos de terrain

Images Doppler

• Les valeurs négatives indiquent des cibles qui s’approchent du radar

Utile pour détecter les mésocyclones, précurseurs potentiels d’une tornade

• Les valeurs positives indiquent des cibles qui s’éloignent du radar

Mésocyclones

Direction du vent

Types d’image radarPrésentations

Les images de réflectivité et Doppler peuvent être présentées sous forme de PPI ou CAPPI

2. CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator)

1. PPI (Plan Position Indicator)

Présente les mesures d’un balayage complet (360o) fait par le radar pour un seul angle d’élévation.

Donc sur ces cartes, plus on s’éloigne du radar, plus l’antenne pointe à des altitudes élevées (i.e. plus l’altitude des cibles observés augmente)

Présente les mesures pour une altitude constante.

Ces images sont conçues après que le radar est compléter le balayage de tous ces angles d’élévation

Radar vertical (profiler)

Réflectivité

Montre la distribution verticale de l’intensité de la précipitation

Mouvement vertical (Doppler)

Montre la distribution verticale de la vitesse de chute des hydrométéores

km

Heure (GMT)

Bande brillante

neige

pluie