L’emploi de techniques de pointe: perspectives et enjeux pour les pays en développement

par John Le Marshall1, 2, James G. Yoe2,3, Patricia Phoebus4,2 et Lars-Peter Riishojgaard5,2

Les techniques de télédétection de pointe, auxquelles s’ajoutent une infrastructure de calcul et de communication et une formation technique améliorées, vont continuer de donner aux pays en développement la possibilité de tirer des avantages économiques et sociétaux des progrès de l’analyse et de la prévision dans le domaine de l’environnement. La mise au point d’un grand nombre de technologies perfectionnées sera liée à l’observation de la Terre depuis l’espace, mais d’autres techniques de détection du milieu vont aussi y contribuer. Pour bénéficier au maximum de ces perspectives, il faudra l’appui du Programme de l’OMM en faveur des pays les moins avancés et d’autres programmes scientifiques et techniques de l’Organisation.

En ce qui concerne les techniques spatiales, l’intégration d’observations émanant de satellites sur orbite terrestre dans des analyses opérationnelles de l’environnement et des modèles de prévision va accroître la précision des prévisions et des avis météorologiques et améliorer les prévisions climatologiques saisonnières à interannuelles, ce qui offrira des avantages socio-économiques. Outre les atouts de l’assimilation de données de télédétection depuis l’espace, il y a beaucoup d’avantages à tirer de produits perfectionnés issus directement d’observations satellitaires améliorées, qui vont continuer de jouer un rôle important dans la planification, la gestion et la diffusion d’avis. On peut prendre comme exemples de ces applications liées à des produits la surveillance des feux de friches, des sécheresses et des inondations, la surveillance et la cartographie de la qualité de l’air et de l’eau et la détection de cendres volcaniques et d’efflorescences algales.

Les observations depuis l’espace vont ouvrir de nouvelles possibilités, ainsi que les progrès dans l’emploi du radar et de nouvelles observations telles que celles émanant de bouées de surveillance des tsunamis. La diffusion de ces informations sur le plan international sera facilitée par l’utilisation de systèmes fondés sur des techniques de pointe tels que le Système d’information de l’OMM (SIO) et le système GEONetcast.

Contexte

Les instruments perfectionnés utilisés dans les missions satellitaires actuelles et à venir vont produire un nombre de plus en plus grand de données concernant l’état de l’atmosphère, des océans et du sol. Au cours de la décennie actuelle, le volume de données dont disposeront les secteurs de l’exploitation et de la recherche météorologique, océanographique et climatologique sera multiplié par 100 000 (voir la figure 1).

Figure 1 — Augmentation prévue du nombre de données d’observation utilisables par les secteurs de l’exploitation et de la recherche météorologique, océanographique et climatologique

Sélection d’instruments actuels et à venir devant améliorer notre connaissance de l’état de l’atmosphère, des océans et du sol

Un grand nombre d’instruments actuels et de prochaine génération vont améliorer sensiblement la caractérisation de l’état de l’atmosphère et de la surface du sol et des océans. Plusieurs de ces instruments sont cités dans le tableau ci-dessus, qui indique aussi le nom des satellites sur lesquels ils sont ou seront embarqués ainsi que l’état de mise en œuvre ou l’année de lancement de ceux-ci.

L’exploitation directe de toutes ces données par de petits Services météorologiques nationaux, notamment ceux de pays en développement, pose un problème majeur. Toutefois, de grands groupements nationaux et internationaux disposent des ressources nécessaires pour accéder à ces données et les assimiler dans des modèles météorologiques et climatiques de pointe couplés atmosphère-océan. Grâce à des actions parrainées par l’OMM (comme les activités de formation phares, qui réunissent des météorologues de plus de 120 pays, et les stages Asie-Pacifique de formation aux applications des données satellitaires), l’ensemble de la communauté météorologique va disposer de produits améliorés issus de modèles et fondés sur ces données.

L’exploitation des observations hétéroclites provenant de satellites exige un travail considérable. Des données très dissemblables doivent être associées pour donner une image précise et cohérente de l’état de l’atmosphère et de la surface des océans et du sol. Actuellement, par exemple, une analyse globale perfectionnée fait appel à la radiance dans l’infrarouge hyperspectral mesurée par les sondeurs AIRS et IASI, aux angles de courbure calculés par les satellites COSMIC, obtenus en observant l’occultation des satellites GPS, et à la radiance polarimétrique en hyperfréquence mesurée par WindSat.

Les travaux récents réalisés par le JCSDA, qui ont commencé par l’élaboration et la mise au point itérative d’un modèle de transfert radiatif, le Community Radiative Transfer Model, utilisable gratuitement par les Membres de l’OMM, sont caractéristiques des efforts des groupements qui pratiquent l’assimilation des données. Ce modèle a facilité l’intégration des données émanant du sondeur AIRS, dont les composantes relatives à l’émissivité de la neige, de la glace et du sol ont permis l’amélioration des observations dans l’infrarouge et les hyperfréquences à des latitudes élevées et à la surface du sol. On trouvera dans l’encadré ci-après une liste de certains des instruments intégrés dans le modèle (cf. http://www.jcsda.noaa.gov).

Le JCSDA a mis l’accent sur une préparation précoce à l’utilisation des données issues d’instruments perfectionnés tels que l’IASI embarqué sur le METOP, l’AMSU, l’HSB et le SSMIS embarqué sur le DMSP et des satellites CHAMP et COSMIC. Ce travail a exigé l’emploi de techniques d’assimilation de pointe: sélection du canal optimal, échantillonnage spatial, étalonnage et techniques d’assimilation des données extraites pour les capteurs non radiométriques ou pour ceux pour lesquels l’assimilation des radiances reste peu pratique.

Le travail entrepris par le JCSDA constitue un apport important à l’élaboration du Système mondial des systèmes d’observation de la Terre (GEOSS), les techniques d’assimilation des données, les études d’impact des données, les expériences de simulation de systèmes d’observation et les études de conception de réseaux étant des activités essentielles du Système.

Avantages et perspectives de l’assimilation des observations et des données transmises par satellite

Les incidences des données satellitaires sur l’amélioration des prévisions d’exploitation sont indiquées à la figure 2, qui montre le coefficient de corrélation des anomalies à l’altitude correspondant à 500 hPa, calculé en fonction du temps pour les prévisions à cinq jours du Centre américain de prévision environnementale (NCEP). La corrélation est établie entre les écarts observés et prévus par rapport au champ de géopotentiel au niveau de 500 hPa. En ne tenant pas compte de la variabilité interannuelle, on note une nette amélioration du coefficient de corrélation des anomalies, plus manifeste dans l’hémisphère Sud. Les améliorations remarquables observées vers la fin des années 90 sont dues en grande partie à l’assimilation directe des radiances et à des instruments tels que l’AMSU.

Le système opérationnel mondial de prévision atmosphérique de l’US Navy (NOGAPS) donne un exemple explicite des incidences de l’assimilation des radiances par l’AMSU-A, qui représente l’un des gains d’efficacité les plus importants du système en 10 ans. Cette assimilation par le système d’analyse variationnelle atmosphérique du Laboratoire américain de recherche navale (NAVDAS) a permis d’améliorer nettement la prévision de l’altitude, du vent et de la température dans les deux hémisphères pour tous les délais d’échéance, de réduire d’une distance allant jusqu’à 25 milles marins les erreurs quant à la trajectoire prévue des cyclones tropicaux (figure 3a)) et de réduire sensiblement le nombre d’erreurs grossières de prévision (figure 3b)).

Le vaste développement de la capacité de prévision grâce à l’emploi de données satellitaires est clairement illustré par la figure 4, qui montre l’amélioration de la prévisibilité due à l’utilisation de ces données dans l’hémisphère Sud. Le graphique montre que l’inclusion de données satellitaires dans la base de données opérationnelle du NCEP double la durée d’une prévision utile (généralement définie comme une prévision pour laquelle la corrélation des anomalies est au moins égale à 0,6). Les avantages économiques et sociaux de telles améliorations dans les domaines des services et de la planification des prévisions et des avis et de la gestion de ressources telles que l’eau sont très importants.

Malgré cette évolution récente de la capacité de prévision, des progrès considérables restent possibles, notamment en diminuant la fréquence des erreurs de prévision supérieures à la normale ou des «bides» dus à des erreurs graves dans les champs initiaux de modèles dans des cas où les systèmes d’observation existants ne donnent pas de mesure précise de la température, de l’humidité et du vent. Il est clair que l’assimilation d’observations émanant de satellites va largement contribuer à ces progrès. En outre, grâce à l’amélioration des analyses à l’échelle mondiale due à l’emploi d’observations à haute résolution spectrale, on va pouvoir faire passer les prévisions utiles émanant de modèles à une échéance de sept à 10 jours. Il en résultera un usage accru de données satellitaires par les spécialistes de l’assimilation de données, lié à l’apparition de nouvelles données issues de satellites et au raffinement des techniques d’assimilation dans les systèmes d’observation actuels et à venir. Il s’agit là d’un problème complexe, dont la résolution permettra un rendement considérable des investissements effectués dans le réseau d’observation satellitaire. Au cours des années à venir, des instruments opérationnels ayant la capacité de l’actuel AIRS expérimental vont être mis en service. Ceux-ci vont produire des données ayant une résolution spatiale, spectrale et temporelle largement supérieure à celle des instruments actuels. De tels progrès offriront aux spécialistes de la prévision numérique du temps et de l’assimilation des données de nouvelles perspectives et de nouveaux défis.

Figure 2 — Coefficient de corrélation des anomalies en fonction du temps à une altitude correspondant à 500 hPa pour une prévision à cinq jours du NCEP. Les traits rouges et bleus désignent un modèle et un système d’assimilation fixes et les traits verts et noirs un modèle et un système évolutifs. Les traits rouges et verts s’appliquent à l’hémisphère Nord et les traits bleus et noirs à l’hémisphère Sud.
Figure 3 a) — Erreurs quant à la trajectoire prévue de cyclones tropicaux avec AMSU-A et sans (contrôle) dans le modèle de prévision NAVDAS du NRL	Figure 3b) — Corrélation des anomalies à une altitude correspondant à 500 hPa dans le modèle NAVDAS avec AMSU-A et sans (contrôle), du 16 juillet au 30 septembre 2003
	Figure 4 — Précision des prévisions effectuées dans l’hémisphère Sud pour lesquelles on a utilisé des données satellitaires (flèche bleue) ou non (flèche rouge). On notera le doublement de la durée des prévisions utiles (dont le coefficient de corrélation des anomalies est supérieur à 0,6) en cas d’emploi de données satellitaires.

Des possibilités inédites émergent, par exemple, grâce à la résolution verticale sans précédent de ces instruments. De nouveaux enjeux vont apparaître du simple fait du volume de données qu’ils produiront et du fait des nombreuses questions scientifiques qu’il faudra résoudre pour exploiter de façon optimale ces données de télédétection.

Les progrès récents résultant de l’emploi de techniques de pointe par le JCSDA ont eu des avantages notables pour les prévisions effectuées dans les hémisphères Nord et Sud à partir de l’assimilation des radiances par le sondeur AIRS (voir ci-après) dans le modèle mondial de prévision du NCEP, pour les prévisions mondiales réalisées à partir de l’assimilation du vecteur de mouvement atmosphérique polaire par le MODIS et pour l’utilisation de modèles de transfert radiatif afin de modéliser l’émissivité de la glace dans les régions polaires.

Avantages, perspectives et applications directes des observations par satellite

L’assimilation d’observations spatiales dans les modèles de l’environnement a des avantages considérables pour la communauté mondiale, mais l’application directe de données satellitaires a aussi de nombreux avantages. On trouvera une liste de ces applications dans le tableau page 193.

Les progrès de la télédétection et des techniques de recouvrement de données de télédétection vont permettre de continuer d’améliorer la qualité de ces applications et offrir de nouvelles perspectives en ce qui concerne la planification et la gestion de l’environnement, les prévisions, les alertes, les interventions en cas de catastrophes et l’atténuation des effets des catastrophes.

Le sondeur atmosphérique dans l’infrarouge AIRS Des résultats récents de l’application des données émanant du sondeur AIRS dans plusieurs grands centres ont montré l’utilité de ces données pour la prévision numérique du temps. Le JCSDA, qui, pour la première fois, a utilisé tous les champs de vision de l’instrument, a observé d’importantes incidences positives de ces données sur les prévisions mondiales, tant dans l’hémisphère Nord que dans l’hémisphère Sud. Ces incidences sont illustrées par les figures 5a) et 5b). L’amélioration de la capacité de prévision à six jours équivaut à une prolongation de plusieurs heures de l’échéance de prévision.        Cette amélioration est très importante par rapport au rythme général d’évolution des prévisions au cours des 10 dernières années. Normalement, il faut plusieurs années pour obtenir une augmentation de plusieurs heures de l’échéance des prévisions à cinq ou six jours dans les centres météorologiques d’exploitation.
Figure 5a) — Incidences des données issues du sondeur AIRS sur les prévisions du GFS à 500 hPA (20° N-80° N) du 1er au 27 janvier 2004. La courbe rouge figure le coefficient de corrélation des anomalies avec les données émanant du sondeur et la courbe bleue sans ces données.	Figure 5b) — Incidences des données issues du sondeur AIRS sur les prévisions du GFS à 500 hPA (20° S-80° S) du 1er au 27 janvier 2004. La courbe rouge figure le coefficient de corrélation des anomalies avec les données émanant du sondeur et la courbe bleue sans ces données.

L’utilisation du MODIS dans les satellites Terra et Aqua de la NASA pour produire des cartes indiquant la position des feux de friches et de brousse est un bon exemple des avantages des progrès de la technique. Cette fonction, qui fait appel à la comparaison des radiances dans l’infrarouge de courte et de moyenne longueur d’onde, permet aux administrateurs, aux pompiers et aux ruraux de planifier leurs activités en ayant connaissance des incendies en cours et récents. À ce propos, le système australien Sentinel (www.sentinel.csiro.au/mapping/viewer.htm) mis au point en 1999, fondé sur l’utilisation des données émanant du MODIS, produit des images actuelles et d’archives d’incendies. Ce système a été très utile lors des feux de brousse qui, de décembre 2006 à février 2007, ont détruit plus d’un million d’hectares dans l’État australien de Victoria. Les pompiers, les services d’urgence et le public, particulièrement celui des zones rurales, ont bénéficié des informations produites par le MODIS. La figure 6, qui montre des incendies (symboles sombres) dans le nord de l’Australie, le 15 janvier 2007, donne un bon exemple de ce qu’on peut faire grâce au système Sentinel.

A list of selected satellite data applications

Il est à noter que les progrès de la technique vont permettre de manipuler des produits issus de l’assimilation de données et directement d’observations satellitaires et d’en réduire l’échelle. Ils vont également permettre de diffuser rapidement des informations par le biais du Système d’information de l’OMM (SIO) et de nouveaux systèmes tels que GEONetcast, qui amélioreront largement la distribution d’informations météorologiques dans des endroits reculés grâce à des stations au sol économiques. Des systèmes de réception directe vont continuer de diffuser en temps opportun des données d’observation haute résolution améliorées vers de nombreux pays, d’où l’amélioration des services et de la gestion.

Malgré les progrès récents des techniques spatiales de pointe, l’exploitation intégrale de systèmes d’observation par satellite va exiger un travail de base sur le transfert radiatif, la préparation rapide d’instruments opérationnels perfectionnés, un recours plus fréquent à la radiance des nuages et des précipitations, un emploi accru des observations océaniques et une utilisation exhaustive des données d’observation de la radiance du sol par satellite. Ce travail, qui fait l’objet d’une coopération internationale, est soutenu par l’OMM par l’intermédiaire notamment du Groupe de travail international TOVS, du Colloque international sur le vent et du Groupe de travail de l’expérimentation numérique.

Figure 6 — Image du nord de l’Australie issue du MODIS, produite par le système Sentinel, montrant en surimpression la position des feux de friches au cours des 12 heures précédentes. On peut zoomer jusqu’au niveau des cartes de base, qui permettent de distinguer les routes et les bâtiments.

Autres techniques de pointe

Les techniques spatiales de pointe vont ouvrir des perspectives, mais diverses autres techniques perfectionnées auront également des avantages notables. Par exemple, les progrès de la technologie du radar permettent déjà d’améliorer les prévisions à courte échéance des conditions météorologiques extrêmes. La démonstration va en être faite en Chine à l’occasion du Projet de démonstration du Programme mondial de recherche sur la prévision du temps, dans le cadre de la vingt-neuvième Olympiade, en 2008. Cette technologie, associée à une technique perfectionnée de prévision numérique du temps (faisant appel par exemple à l’assimilation variationnelle quadridimensionnelle), permettra aussi d’améliorer sensiblement la prévision des précipitations à courte échéance.

Par surcroît, les techniques de pointe permettent de détecter les tsunamis et de diffuser des alertes. En particulier, la mise en œuvre du réseau DART (observation des tsunamis en haute mer) de bouées de détection de la NOAA et l’association de ce réseau avec divers systèmes d’alerte précoce vont améliorer considérablement la préparation aux tsunamis, ce qui aura des avantages dans le monde entier.

Pour ce qui est des communications, des techniques telles que celle des téléphones portables nous permettent d’obtenir des renseignements sur le temps et de toucher les services d’urgence en fonction de notre position. Cette tendance devrait se poursuivre à l’avenir. Grâce au prix relativement modeste de ces appareils et à leur grande diffusion, on peut communiquer des informations sur l’environnement à des services centraux et recevoir des avis en temps opportun, ainsi que des analyses et des prévisions localisées.

Conclusions

L’emploi de techniques de pointe permet d’améliorer considérablement la mesure et la modélisation de l’état actuel et à venir du milieu et de transmettre ces renseignements primordiaux aux prévisionnistes, aux administrateurs et aux planificateurs. L’utilisation d’instruments embarqués à bord de satellites, l’assimilation de données satellitaires, la modélisation numérique, l’informatique et les télécommunications ont fait des progrès techniques décisifs permettant d’importantes améliorations.

Dans une large mesure, les investissements réalisés dans ces secteurs vont porter leurs fruits parallèlement aux progrès accomplis dans les principaux centres d’assimilation des données. Grâce à ces centres, il sera possible de tirer un maximum d’avantages du système d’observation depuis l’espace. De nombreux pays, et notamment ceux en voie de développement, vont largement bénéficier de l’accès à des analyses et à des prévisions météorologiques, environnementales et climatologiques améliorées. Dans les petits centres, la capacité locale de tirer parti des activités des grands centres sera renforcée par l’exploitation d’informations, de logiciels – comme le Community Radiative Transfer Model ou les modèles de prévision – et de conseils. Par le passé, une telle exploitation a souvent été soutenue et encouragée par l’OMM, qui a appuyé, par exemple, le Groupe de travail international TOVS et le Colloque international sur le vent, ce qui a permis aux usagers de nombreux pays de bénéficier des progrès récents de techniques spatiales associées à des sondages atmosphériques et à l’emploi d’estimations du vent depuis l’espace.

Pour résumer, les pays en développement vont tirer des avantages considérables de l’utilisation de techniques de pointe. Ils vont bénéficier notamment de liens avec des centres d’assimilation de données susceptibles d’exploiter des bases de données environnementales vastes et complexes. Ces avantages seront manifestes dans des domaines tels que les prévisions saisonnières et interannuelles et les alertes. En particulier, on notera une amélioration de nombreuses applications directes telles que la surveillance des incendies, des ressources en eau et des crues et la détection des tsunamis, ce qui permettra de parfaire les tâches de gestion et de planification.

Dans l’ensemble, les progrès de la technique auront des répercussions importantes dans les pays en développement et seront soutenus par la coopération et la bonne volonté entre les nations.

Toutefois, la réalisation de telles possibilités va dépendre de l’infrastructure, de la formation et de programmes dynamiques tels que le Programme de l’OMM en faveur des pays les moins avancés et d’autres programmes scientifiques et techniques de l’Organisation.

Acronyms

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier Terry Adair de les avoir aidés à rédiger le manuscrit de cet article.

1   Centre de recherche du Service météorologique, Victoria, Australie

2    Centre d’assimilation des données satellitaires, Centre scientifique de la NOAA,
Camp Springs, Maryland, États-Unis d’Amérique

3    Bureau de développement des systèmes, NESDIS de la NOAA, Suitland, Maryland,
      États-Unis d’Amérique

4    Laboratoire de recherche navale, Monterey, Californie

5    Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA, GSFC, Greenbelt, Maryland, États-Unis
      d’Amérique