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Concordiasi : Enrichir les observations en Antarctique pour améliorer la prévision du temps et suivre l'évolution du climat

26/10/2010

Copyright Centre de météorologie spatiale Météo-France

Depuis le 9 septembre, les scientifiques de Concordiasi ont envoyé de la base américaine de Mc Murdo 19 ballons plafonnants dériver à 20 km au-dessus de l'Antarctique. Ces aérostats de 12 m de diamètre embarquent un précieux chargement : des sondes largables par télécommande depuis le centre de recherches de Météo-France à Toulouse. Au total, près de 600 sondes enregistreront, durant leur descente, des mesures à divers niveaux d'altitude en des points habituellement hors d'atteinte.

L'Antarctique le 29 août 2010

(composition colorée réalisée à partir de 10 fauchées successives du satellite MetOp ) (copyright Météo-France)

ConcordIasi vise à améliorer la connaissance de l'atmosphère polaire, la surveillance du climat, ainsi que l'utilisation des données satellitaires dans les modèles de prévision du temps. Les chercheurs s'intéressent en particulier à MetOp, un satellite polaire qui évolue à environ 840 km d'altitude et recueille des données sur tous les points du globe. MetOP est doté du sondeur infrarouge IASI conçu par le CNES qui mesure, avec une précision inégalée, température, humidité et chimie de l'atmosphère.


Des observations indispensables

Pour prévoir le temps ou effectuer un suivi du climat, les météorologues combinent plusieurs sources d'information afin d'obtenir les meilleurs résultats. Ils utilisent d'une part un modèle numérique, un programme informatique représentant au mieux les lois de la physique qui régissent l'atmosphère, et d'autre part, les observations météorologiques sur le terrain (température, humidité, vent...). La clé du succès réside dans l'utilisation optimale de tous ces éléments. Plusieurs paramètres peuvent être ajustés pour réaliser la meilleure combinaison possible. Il s'agit notamment de choisir l'information pertinente à extraire des observations (par exemple, pour un point de mesure, le sondeur IASI enregistre plus de 8400 informations).

Il est par ailleurs nécessaire de disposer de données d'observations sur toutes les régions du globe. Les mouvements de l'atmosphère et de l'océan (la " circulation générale ") se produisent et interagissent à l'échelle de la planète. Les latitudes tempérées peuvent ainsi être influencées par les régions lointaines, y compris par les pôles.

5 satellites géstationnaires et le satellite MetOp La circulation générale atmosphérique
(composition en infra-rouge coloré réalisée avec les images de 5 satellites géostationnaires et du satellite défilant METOP pour les pôles) (copyright Météo-France)

 

Des mesures complémentaires de radiosondage

Les observations sur les zones désertiques et inhospitalières telles que les régions polaires demeurent rares. En Antarctique, elles sont fournies par 13 stations réparties principalement en bordure de cet immense continents de 13 millions de km2, dont la station Météo-France de la base Dumont d'Urville (*) . Cette couverture par radiosondages de l'Antarctique se révèle très insuffisante pour décrire avec précision l'atmosphère sur tout le continent (figure 1). En revanche, des satellites d'observation de la Terre évoluent sur une orbite dite polaire. Ils passent au-dessus des pôles toutes les 90 minutes environ et fournissent, sur toute la région, une quantité de données considérable (figure 2).

* On dispose en France métropolitaine de 7 stations de radiosondages pour un territoire de 500 000 km2.

Copyright Météo-France
Copyright Météo-France
Figure 1 : Sur le continent antarctique,
13 stations (points rouge) effectuent
des radiosondages en une journée
(copyright Météo-France)
Figure 2 : Couverture du sondeur IASI
(embarqué sur le satellite polaire Metop)
en 24h sur l'Antarctique
(copyright Météo-France)


Pour exploiter au mieux les mesures satellitaires, il est nécessaire de les valider avec des observations relevées sur le terrain. L'objectif de Concordiasi consiste à produire des données de radiosondage complétant celles des 13 stations sur une période déterminée, en des lieux inaccessibles par un autre moyen (notamment à l'intérieur du continent). Les chercheurs de Météo-France pourront ainsi vérifier que les données produites par le sondeur IASI du satellite MetOp sont utilisées de manière pertinente pour ajuster le modèle météorologique sur des points de mesure nombreux et représentatifs de toute la région. Le cas échéant, des améliorations seront apportées aux algorithmes et intégrées aux futures versions des modèles de prévision du temps qui servent également à effectuer un suivi du climat.

Les sondeurs de type IASI seront disponibles pour les décennies à venir sur plusieurs satellites opérationnels. Les données enregistrées par IASI depuis son lancement en 2006 et par ses successeurs seront donc également précieuses pour le suivi du climat. Elles feront ici l'objet de "réanalyses", une technique utilisée par les scientifiques pour étudier le climat passé d'une zone pour laquelle les observations directes sont insuffisantes. Les climatologues reconstruisent des champs météorologiques en intégrant dans un modèle de prévision numérique du temps les observations collectées sur plusieurs dizaines d'années. Ils disposent ainsi de la meilleure description possible des différents états de l'atmosphère pendant cette période sur leur zone d'étude. Concordiasi permettra ainsi de mieux documenter le climat de l'Antarctique, zone clé du climat mondial. Ce continent est en effet l'un des plus grands réservoirs d'eau - sous forme de neige et de glace - de la planète.

Premiers résultats : ajustement du modèle sur Concordia
Au cours de la première phase de la campagne Concordiasi (printemps austral 2008 et 2009), les scientifiques de Météo-France ont effectué des réglages en un point particulièrement intéressant : la station Concordia, située à 1000 km à l'intérieur du continent.

Des mesures sur le terrain ont été réalisées à la station lors des passages du satellite MetOp. Les scientifiques les ont comparées à un profil de l'atmosphère (mesures à différents niveaux d'atmosphère) au niveau de Concordia issu d'un modèle de prévision n'intégrant pas les données IASI. Ils ont constaté que le modèle de prévision manquait de précision pour simuler correctement la température de surface à Concordia. Les chercheurs ont recommencé l'opération en intégrant cette fois les données IASI dans le modèle. L'utilisation combinée de IASI et du modèle s'est révélée positive car elle permet de se rapprocher nettement des observations sur le terrain. Ceci permet de valider l'utilisation des données IASI pour ajuster le modèle dans cet environnement très particulier de la station Concordia (figure 3).

Copyright Météo-France
Figure 3 : Evolution de la température de surface à Concordia.
Le modèle est représenté en rouge et les observations in situ en noir.
Le modèle ajusté avec les données IASI - en bleu -
se rapproche nettement des mesures sur le terrain.
(copyright Météo-France)

 

La seconde phase de Concordiasi, actuellement en cours, permettra d'étendre les réglages à une zone beaucoup plus large et dans des conditions météorologiques variées. Les données collectées seront analysées et les scientifiques expérimenteront diverses combinaisons des modèles et des données IASI pour obtenir celle se rapprochant le plus des observations in situ. Les réglages optimaux seront transposés dans les modèles de prévision du temps et de suivi climatique.

Copyright Google Earth / NCARDes sondes larguées depuis Toulouse
Treize des 19 ballons emportent chacun 50 sondes largables (dropsondes) fournies par le NCAR (National Center for Atmospheric Research). Chacune de ces sondes bardées de capteurs enregistre durant sa descente sous parachute le profil vertical de l'atmosphère (des mesures à divers niveaux d'altitude) en des points précis inaccessibles par d'autres moyens.

Situation de la campagne au 22 octobre 2010 : trajectoires des 12 ballons dérivant dans l'atmosphère et positions des 330 sondes larguées (copyright Google Earth/NCAR)



Copyright Météo-FranceLe largage des sondes est télécommandé depuis le centre de recherche de Météo-France à Toulouse. Les chercheurs utilisent des interfaces web, développées par le CNES et le NCAR pour suivre les ballons et connaître précisément leur position, les trajectoires prévues (par le Laboratoire de Météorologie Dynamique) et la quantité de sondes encore disponibles. Grâce aux résultats de divers programmes informatiques, ils peuvent programmer les lâchers et optimiser le déploiement des sondes.
Deux critères principaux ont été définis pour déclencher le largage. Le premier critère consiste à rechercher si la trajectoire du ballon plafonnant se trouve sur le passage du satellite MetOp (figure 4).

Prévision pour le 8 octobre 2010 de la fauchée du satellite MetOp (zone grise) et de la trajectoire d'un ballon plafonnant (ligne colorée). Le triangle noir indique la position optimale pour larguer la sonde. (copyright Météo-France)


Un deuxième critère concerne le survol par un ballon d'une zone pertinente du point de vue météorologique, c'est-à-dire susceptible de fournir des données d'observation supplémentaires permettant d'améliorer significativement la prévision. Ce sont les zones très actives météorologiquement, qui sont principalement situées au large, là où on ne dispose pas d'observations régulières.

Les scientifiques de Concordiasi appliquent ici une approche particulière de l'observation développée dans les années 1990 (campagne FASTEX sur la formation des tempêtes dans l'Atlantique Nord) et baptisée " stratégie d'observation adaptative ". Elle suppose que les observations météorologiques ne doivent pas nécessairement être uniformément réparties pour être efficaces. Elles doivent en revanche être adaptées à la situation météorologique du jour. Ces méthodes consistent d'abord à déterminer les régions sensibles, où de petites incertitudes sont en mesure de créer de fortes dérives de la simulation numérique. Ensuite, il s'agit d'augmenter le nombre et/ou la qualité des observations effectuées dans ces régions afin de réduire les incertitudes dans les données introduites dans les modèles.

En complément de ces dropsondes, les chercheurs de Météo-France ont également sollicité plusieurs stations pour réaliser des sondages supplémentaires : la station française de Dumont d'Urville, la base franco-italienne de Concordia et la station britannique de Rothera.

Copyright Météo-France / François GourandLa station Météo-France de la base Dumont d'Urville

Située sur l'île des Pétrels à 5 km du continent antarctique, cette station est dédiée à l'observation météorologique. Accessible uniquement durant l'été austral, elle connaît des conditions extrêmes : températures variant de 0°C à -40°C, longues nuits polaires et vents jusqu'à 300 km/h. Dumont d'Urville fournit toutes les 3 heures des relevés de divers paramètres et réalise chaque jour un radiosondage. La sonde, lancée à l'aide d'un ballon en latex gonflé à l'hélium, envoie par radio les mesures de vent, température, humidité et pression jusqu'à environ 30 km d'altitude. Les données enregistrées par la sonde sont envoyées par satellite vers le centre Météo-France de Toulouse. (Copyright François Gourand / Météo-France)


Des prévisions locales spécifiques pour planifier les lâchers de ballons

Ces ballons pressurisés développés par le CNES mesurent 12 m de diamètre  et sont capables de se maintenir à 20 km d'altitude pendant plusieurs mois avec une charge de 50 kg. Les opérations de lâcher sont tributaires du vent au sol, fréquent et potentiellement puissant en Antarctique. La phase de gonflage avant le décollage se révèle délicate : d'une durée de 45 minutes, elle est irréversible une fois lancée. Le dernier ballon a été lâché dans la matinée du 26 octobre dans des conditions favorables, c'est-à-dire, un vent faible, inférieur à 15 km/h.

Sur place, les équipes bénéficient du soutien météorologique de la station scientifique américaine de McMurdo, qui dispose de données d'observations et d'informations provenant de différents modèles numériques. De plus, des prévisions météorologiques sont fournies pour l'occasion par Météo-France. Une combinaison de modèles numériques spécialement adaptés pour obtenir une description fine de l'atmosphère sur ces régions polaires tourne en routine sur le supercalculateur de Toulouse. Le premier, ARPEGE, est un modèle global d'une résolution d'une dizaine de kilomètres en Antarctique. Le second, AROME, d'une résolution de 2,5 km, permet de faire des prévisions fines sur la région autour de la station Mc Murdo. En effet, disposer d'un modèle avec une très bonne définition du relief est capital pour bien prévoir les vents dans la région.

Les prévisions sont transmises deux fois par jour : le matin pour planifier les opérations à mener dans la journée et le soir pour anticiper les activités du lendemain.

Copyright Météo-France
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Figure 8 : Prévision de la température à 2 m le 10 septembre 2010. Le modèle global ARPEGE (à gauche) combiné au modèle à haute résolution AROME (à droite). La station de McMurdo est repérée par une croix. (copyright Météo-France)

Figure 9 : Prévision AROME permettant d'anticiper un créneau de vent faible pour un lâcher de ballon le 11 septembre 2010 à 3 h du matin. Les prévisions du modèle sont en vert et les observations locales en rouge. (copyright Météo-France)

 

 

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