Télédétection en Météorologie Satellites Radars Télédétection passive Télédétection active Mesure de la radiation émise ou réfléchie par le système Terre-atmosphère-Soleil Émission de radiation et mesure de la radiation rétrodiffusé par le système Terre-atmosphère

Télédétection en Météorologie Utilités des donnés rapportées par les satellites et les radars Outil d’analyse dans les régions où les données d’observation sont dispersées (ex: au-dessus des océans) Aide directe pour les prévisions à court termes (- de 6hrs) de nuages, précipitation, … Source de données pour les conditions initiales dans les modèles numériques de prévisions Moyen pour déterminer la validité des prévisions des modèles Indicateur des processus dynamique et physique qui ont cours dans atmosphère

Satellites Principes physiques à la base des images satellitaires 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. Types de satellites 1- Satellite à orbite polaire 2- Satellite géostationnaire

Satellites à orbite polaire Image IR prise par un satellite à orbite polaire au-dessus de l’Antarctique 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.

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 Image VIS prise par le satellite géostationnaire GOES-E Principaux avantages : Prend – de 25 min pour sonder un disque terrestre en entier 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.

Types d’images satellitaires Principales longueurs d’ondes mesurées pour les images satellitaires en météorologie Visible (= 0,6 m) Maximum d’émission par le soleil Maximum d’émission par le système Terre-atmosphère Provient de la réflexion de la radiation solaire vers l’espace par le système Terre-Atmosphère Ultra-violet Visible Infrarouge g Infrarouge (= 11 m) Provient de la radiation émise vers l’espace par le sol ou les nuages

Types d’images satellitaires Visible (= 0,6 m) 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 fort albédo: 1) Grande épaisseur 2) Concentration élevé en gouttelette de nuage (nbre de gout. / m3) Caractéristiques des nuages avec un faible albédo: 1) Mince 2) Faible concentration en gouttelette de nuage

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 élevés sur les nuages bas Ombre des nuages sur le sol 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 Rocheuses Ces problèmes peuvent être contournés en bonne partie par l’utilisation d’animations d’images VIS. Image VIS des Grands-Lacs en hiver

Types d’images satellitaires Infrarouge (= 11 m) 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 Par le loi de Planck, en mesurant la radiation émise par un corps on peut retrouver sa température de surface Teinte de bleu : émission faible (basse température) Teinte de rouge : émission forte (haute température) Présentation en couleur Présentation en noir et blanc Blanc: émission faible (basse température) Noir : émission forte (haute température)

Exemple d’image IR Nuages à sommets bas Nuages à sommets élevés

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 Un faisceau d’onde électromagnétique est émis Les ondes électromagnétiques émises interagissent (diffusion) avec les cibles (pluie, neige, insectes, oiseaux, édifices, sol, etc.) Un récepteur mesure la quantité d’énergie électromagnétique qui est rétrodiffusée et/ou le changement de fréquence entre les ondes reçues et celles émises. Radars météorologiques 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.

Radars Réseau Américain (158 radars) Réseau Canadien (27 radars) Dont 5 au Québec: Ste-Anne-de-Bellevue (Montréal) Villeroy (Québec) Lac Castor (Saguenay) Val d’Irène (Gaspésie) Landrienne (Abitibi)

Radars Caractéristiques du radar de McGill (Ste-Anne-de-Bellevue) Angle d’élévation Caractéristiques du radar de McGill (Ste-Anne-de-Bellevue) 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) Puissance du signal émis: 700 kW (106 W) Puissance du signal reçu (en moyenne): mW (10-4 W) Durée de la période d’émission: µs (10-6 sec) Durée de la période d’écoute (réception): ms (10-4 sec)

Types d’image radar 1) Réflectivité 2) Doppler Affiche la quantité d’énergie rétrodiffusée par la précipitation (pluie, neige, …) 2) Doppler 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

Images de réflectivité La quantité d’énergie rétrodiffusée est : proportionnelle à la quantité d’hydrométéores proportionnelle à la grosseur des hydrométéores dépendante du type de précipitation La pluie est plus réfléchissante que la neige Mais la neige fondante est plus réfléchissante que la pluie La quantité d’énergie rétrodiffusée est donc proportionnelle à l’intensité de la précipitation (en terme de mm/hr) Échos de terrain

Images Doppler Utile pour détecter les mésocyclones, précurseurs potentiels d’une tornade Les valeurs négatives indiquent des cibles qui s’approchent du radar Les valeurs positives indiquent des cibles qui s’éloignent du radar Mésocyclones Direction du vent

Types d’image radar Présentations Les images de réflectivité et Doppler peuvent être présentées sous forme de PPI ou CAPPI 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) CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) 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 Mouvement vertical (Doppler) Montre la distribution verticale de l’intensité de la précipitation Montre la distribution verticale de la vitesse de chute des hydrométéores Bande brillante km neige pluie Heure (GMT)