Introduction : Pourquoi des données précises sur les précipitations sont-elles importantes?

La mesure précise des précipitations est essentielle pour l'agriculture, la gestion des ressources en eau, la prévision des inondations, la surveillance de la sécheresse et la recherche climatique. Depuis des décennies, les pluviomètres terrestres constituent l'épine dorsale des réseaux d'observation des précipitations. Toutefois, ces mesures ponctuelles offrent une couverture spatiale limitée, surtout au-dessus des océans, des montagnes et des régions peu peuplées. La technologie de télédétection a transformé le domaine en fournissant des observations spatiales à grande échelle en temps quasi réel.

Qu'est-ce que la télédétection?

La télédétection fait référence à l'acquisition d'informations sur un objet ou un phénomène sans y avoir de contact physique. Dans le contexte de l'observation de la Terre, elle implique des instruments transportés sur des satellites, des avions ou des drones qui mesurent le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis par la surface et l'atmosphère de la Terre.

Types de capteurs clés pour les précipitations

  • Les capteurs à micro-ondes passifs détectent les rayonnements à micro-ondes émis naturellement par les hydrométéoristes (gouttes de pluie, flocons de neige, grêle).Ces signaux sont fortement corrélés avec l'intensité des précipitations, ce qui en fait un outil primaire pour l'estimation des précipitations dans l'espace.
  • Des capteurs actifs, tels que des radars de précipitation, émettent des impulsions d'énergie micro-ondes et mesurent le signal rétro-répertorié. Cela fournit des profils verticaux détaillés des précipitations, y compris la distinction entre pluie et neige.
  • Les capteurs infrarouges sur les satellites géostationnaires mesurent les températures du haut du nuage. Les nuages froids et élevés sont associés à des systèmes convectifs profonds, permettant aux algorithmes IR d'inférer les taux de précipitations.

Comment la télédétection améliore la collecte de données sur les précipitations

Les pluviomètres et les radars météorologiques au sol captent les précipitations localisées avec une bonne précision, mais ils ne peuvent couvrir uniformément le globe entier.

  • Couverture spatiale: Les satellites peuvent observer toutes les parties de la Terre, y compris les océans, les régions polaires et les terrains montagneux inaccessibles.Cela permet la création de climatologies mondiales des précipitations impossibles à obtenir à partir de réseaux in situ.
  • Couverture temporaire: Plusieurs satellites travaillant ensemble peuvent fournir des temps de révision de quelques heures. Les plateformes géostationnaires offrent une couverture continue sur une région fixe, mettant à jour toutes les 5-15 minutes.
  • Consistance:[ Les instruments satellitaires sont étalonnés et étalonnés entre les missions, produisant des enregistrements à long terme qui sont essentiels pour détecter les tendances et la variabilité liées aux changements climatiques.
  • Structure verticale: Des capteurs actifs comme le radar de précipitation à double fréquence (DPR) de l'Observatoire central de mesure des précipitations (GPM) fournissent des informations tridimensionnelles sur les précipitations, révélant la couche de fusion, les taux de pluie à différentes altitudes et l'intensité des tempêtes convectifistes.

Missions clés et leurs contributions

Mission de mesure des précipitations mondiales (GPM)

Lancé en 2014 en tant que mission conjointe de la NASA et de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), l'Observatoire GPM Core possède un radar de précipitation à double fréquence et un imageur micro-ondes GPM (GMI). GPM sert de norme de référence pour une constellation internationale de satellites partenaires, fournissant des estimations de précipitations unifiées toutes les 30 minutes à travers le monde.

TRMM (Mission de mesure des précipitations tropicales)

De 1997 à 2015, TRMM a lancé le radar de précipitation spatiale et la radiométrie par micro-ondes sur les tropiques et les sous-tropiques. Ses données ont jeté les bases du GPM et continuent d'être utilisées pour les études climatiques.

Lien externe:[ Mesure globale des précipitations de l'ANA

Lien externe:[ JAXA GPM/GCOM-W

Avantages de la télédétection dans les études sur les précipitations

  • Couverture spatiale non parallèle: Les satellites couvrent les océans (70 % de la surface de la Terre), les zones terrestres éloignées et les frontières politiques difficiles à instrumenter sur le terrain.
  • Disponibilité en temps réel:[ De nombreux produits satellitaires sont disponibles en quelques heures après l'observation, en appui à l'hydrologie opérationnelle, aux avertissements d'inondation et aux interventions en cas de catastrophe.
  • Les relevés climatiques à long terme:[ Avec un retraitement soigneux, les relevés satellites dépassent maintenant 20 ans, ce qui permet d'analyser la variabilité saisonnière et décadique et les tendances des extrêmes des précipitations.
  • Intégration avec des modèles météorologiques numériques: Les données de précipitations par satellite sont assimilées aux modèles de prévisions météorologiques, améliorant la précision des prévisions pour les tempêtes et les événements de précipitations.
  • Soutien à la gestion des ressources en eau:[ Des cartes exactes des précipitations conduisent à des modèles hydrologiques pour les opérations des réservoirs, l'ordonnancement de l'irrigation et la surveillance de la sécheresse.

Applications des données améliorées sur les précipitations

Prévisions météo et prévisions de la météo

Par exemple, l'ensemble de données de l'IMRG est utilisé par le National Weather Service des États-Unis pour améliorer les prévisions à court terme et les avertissements d'inondation, en particulier pour les précipitations à convection où la couverture radar au sol est faible.

Recherche sur le climat

Les ensembles de données mondiales sur les précipitations dérivés de la télédétection sont essentiels pour valider les modèles climatiques, étudier la réaction du cycle de l'eau au réchauffement et suivre les changements dans les patrons de mousson, les cycles ENSO et l'activité des cyclones tropicaux.

Agriculture et sécurité alimentaire

Dans de nombreuses régions en développement, les pluviomètres terrestres sont rares. Les estimations des précipitations par satellite permettent de modéliser les rendements des cultures, de mettre en place des systèmes d'alerte précoce à la sécheresse (comme le réseau des systèmes d'alerte précoce à la famine) et de fournir des produits d'assurance aux petits exploitants.

Hydrologie et gestion de l'eau

Les données de télédétection sont utilisées pour étalonner les modèles hydrologiques des grands bassins hydrographiques, pour surveiller les paquets de neige (une forme de précipitations solides) et pour évaluer l'impact d'événements extrêmes comme les rivières atmosphériques sur la côte ouest des États-Unis.

Défis et limites

Malgré les avantages de la transformation, la télédétection des précipitations n'est pas sans difficultés.

  • Résolution des données : Les capteurs à micro-ondes passifs fournissent des résolutions spatiales de l'ordre de 10 à 50 km, ce qui peut être trop grossier pour les applications locales.
  • Calibration et validation:[ Les estimations satellitaires nécessitent un étalonnage cohérent par rapport à la vérité au sol (écarteurs de pluie, distromètres, radars au sol).
  • Complexité des algorithmes de récupération:[ La conversion des rayons observés en taux de précipitations implique des modèles physiques qui supposent certaines distributions de taille des hydrométéoriens, des formes de particules et des profils atmosphériques.
  • La neige et la pluie légère:[ La récupération passive à micro-ondes des chutes de neige et des précipitations très légères (p. ex., la bruine) demeure difficile en raison de signaux faibles et de signatures ambiguës.
  • Doublures temporelles d'échantillonnage:[ Bien que les constellations améliorent la couverture, il existe encore des écarts entre les passages supérieurs des satellites, en particulier dans les régions polaires et pour les événements convectifs de courte durée.

Orientations futures de la télédétection des précipitations

Plusieurs innovations à l'horizon promettent de repousser les limites de la qualité et de l'utilité des données sur les précipitations :

Missions satellitaires avancées

Les missions de prochaine génération comme la mission de mesure des précipitations (PMM) proposée par la NASA, l'Agence spatiale européenne EarthCARE (cloud, aérosol et radar de précipitation) et le prochain EUMETSAT Polar System-Deuxième génération porteront des capteurs améliorés avec une résolution plus élevée, une meilleure sensibilité aux pluies légères et à la neige, et des révisions plus fréquentes.

Intégration de l'apprentissage automatique

Les techniques d'apprentissage approfondi et de fusion des données sont utilisées pour combiner les observations satellitaires avec les données au sol, les produits de réanalyse et les modèles à haute résolution.Ces approches hybrides peuvent réduire les biais de récupération et générer des champs de précipitations à la résolution de sous-kilomètres sur terre.

Petits satellites et constellations

La montée en puissance des petits satellites et CubeSats à faible coût offre le potentiel de déployer des constellations denses qui peuvent observer les précipitations avec une résolution temporelle très élevée (10-15 minutes).

Amélioration des réseaux d'étalonnage au sol

L'expansion de sites de validation au sol de haute qualité, y compris des réseaux de disdromeurs et des réseaux denses de pluviomètres à faible coût, aidera à affiner les algorithmes satellites.Le NOAA=s National Degrave Storms Laboratory exécute le programme GPM Ground Validation qui déploie des campagnes sur le terrain pour tester et améliorer les modèles de récupération.

Conclusion

La télédétection a fondamentalement changé la façon dont les scientifiques et les organismes opérationnels recueillent, analysent et utilisent les données sur les précipitations. Les satellites offrent une vision continue et globale qu'aucun réseau terrestre ne pourrait réaliser seul. Bien qu'il reste des défis à relever, notamment en résolvant les caractéristiques à grande échelle, en récupérant la lumière et les précipitations solides et en maintenant l'étalonnage au fil des décennies, les progrès technologiques rapides dans les capteurs, l'apprentissage des machines et les petites constellations de satellites comblent ces lacunes.

Lien externe:[ [NOAA GPM Page de produit