Les News

Septembre 2018

1/1 Aeolus et son lidar-vent enfin dans l'espace. Jean Pailleux

Que mesure le lidar Aladin embarqué sur Aeolus ?

Mission Aeolus : l'aboutissement d'un très long processus

Comment les données Aeolus vont-elles être distribuées, évaluées et utilisées ?

Et le futur plus lointain ?

Aeolus : une contribution au système mondial d'observations parmi beaucoup d'autres

Bibliographie

Le 22 août 2018, à 18h20 heure locale (21h20 UTC), une fusée Vega décolle de la base guyanaise de Kourou avec à son bord le satellite Aeolus muni d'un lidar, le premier instrument spatial capable d'observer des profils verticaux de vent dans l'atmosphère. Le satellite Aeolus (appelé aussi ADM-Aeolus ; Atmospheric Dynamics Mission - Aeolus) représente une masse de 1360 kg placée sur une orbite héliosynchrone à 320 km d'altitude. Il est équipé d'un seul instrument actif : le lidar-vent Aladin (Atmospheric Laser Doppler Instrument) mesurant le vent par effet Doppler. Il s'agit d'une mission expérimentale pilotée par l'Agence Spatiale Européenne (ESA) dans sa série dite «Earth Explorers». Les données doivent être mises à disposition de la communauté scientifique d'ici quelques mois, et la durée de vie de la mission est estimée à 3 ans (2018-2021). Si elle est couronnée de succès, elle prouvera la viabilité de ce concept de «lidar-vent spatial» et ouvrira la voie à des missions pleinement opérationnelles basées sur le même concept.

La lancement d'Aeolus est une étape majeure dans l'histoire de l'utilisation des lidars en météorologie. Testé ou utilisé en routine depuis la fin des années 70 pour mesurer diverses variables atmosphériques depuis le sol, ce type d'instrument a mis beaucoup plus de temps pour pouvoir être embarqué sur des satellites météorologiques. La mesure du vent au moyen d'un lidar spatial a déjà été étudiée de façon approfondie dans les années 80, en particulier aux USA et en France (CNES), mais les difficultés technologiques n'ont pas permis à ce moment de déboucher sur le développement d'aucun prototype. Un projet européen piloté par l'ESA (ADM ; Atmospheric Dynamics Mission), a vu alors le jour vers 1990, aboutissant à la définition du satellite et de son instrument. Il a été choisi en 1999 parmi les missions spatiales devant être menées à bien avec l'année 2007 comme date cible de lancement. Le lancement intervient donc avec 11 ans de retard et de travail visant à faire fonctionner correctement le lidar dans les conditions de l'espace.

Que mesure le lidar Aladin embarqué sur Aeolus ?

Pour mesurer les vents depuis l'espace, Aeolus va tester une technique lidar nouvelle mise au point par Airbus Defence and Space (précédemment «Astrium» ; «Matra Marconi Space (MMS)» encore plus précédemment). Il s'agit d'un laser de forte puissance qui va sonder les couches atmosphériques depuis une trentaine de kilomètres d'altitude jusqu'au sol. Il envoie des impulsions depuis le satellite à une longueur d'onde unique fixée à 355 nm (dans l'ultra-violet), selon un angle de visée s'écartant de 35° du nadir, dans un plan vertical perpendiculaire à sa trajectoire, sur la droite par rapport au mouvement du satellite. La principale mesure du lidar Aladin est donc un ensemble de valeurs du vent le long de cette ligne de visée inclinée à 35°, valeurs obtenues à partir des échos reçus en retour par l'instrument depuis les différentes couches de l'atmosphère et des décalages Doppler mesurés sur ces échos. Les cibles principales du laser sont essentiellement les molécules des principaux composants de l'air (azote, oxygène) en ciel clair. Toutefois sa forte résolution spectrale lui permet d'identifier aussi plusieurs types d'aérosols ainsi que le sommet des nuages.

Principe de la mesure du vent par la mission spatiale Aeolus. Crédit ESA.

Seule la composante du vent le long de la ligne de visée (LOS – Line Of Sight) est obtenue par cette technique. Elle est appelée «vent LOS» («LOS wind» en anglais). De plus, afin d'obtenir une bonne précision les signaux Doppler sont accumulés et moyennés sur une distance de l'ordre de 87 km (voir figure) le long de la trajectoire du satellite (ou plutôt de sa trace au sol selon la ligne de visée) afin de produire un profil de vent LOS. À cette échelle horizontale, le vent vertical est généralement négligeable devant le vent horizontal, ce qui permet d'extraire tous les 87 km environ des vents horizontaux selon la ligne de visée appelés «vent HLOS» (Horizontal Line Of Sight winds). Ce vent horizontal est le produit qui intéresse le plus les utilisateurs, en particulier ceux s'occupant de l'assimilation pour les modèles de prévision numérique du temps et pour les réanalyses climatiques.

Les spécifications de la mission Aeolus prévoient que la composante de vent ainsi mesurée sera obtenue avec une précision de 1 à 2 m/s (variable selon l'altitude considérée). La résolution verticale prévue varie de 250 m dans la couche limite de l'atmosphère jusqu'à 2 km dans la stratosphère au-delà de 20 km.

Les principales limitations de ce système d'observation sont les suivantes :

• Une seule composante du vent observé, celle dans la direction perpendiculaire à la trajectoire du satellite Aeolus.
  
• Peu de points d'observation du fait de la ligne de visée unique et de l'inter-distance de 87 km entre profils observés ; donc couverture globale en données de faible densité si on la compare aux autres instruments spatiaux sondant l'atmosphère en température et humidité.
  
• Comme pour les sondeurs infrarouges satellitaires, le lidar Aladin ne pénètre pas les nuages, et donc les observations sont limitées aux parties de l'atmosphère en ciel clair ou situées au-dessus des nuages.

La vidéo de l'ESA, visible sur son site et ci-dessous, explique très bien à la fois le fonctionnement de l'instrument et l'intérêt de mesurer le vent sur toute la planète.

Mission Aeolus : l'aboutissement d'un très long processus

Le lidar a été utilisé en météorologie depuis un demi-siècle pour étudier à partir du sol la composition chimique de l'atmosphère, les aérosols, les nuages et le vent. Dans ce domaine, la communauté scientifique française s'est montrée très active : voir par exemple Mégie and Menzies (1980) pour la mesure des espèces chimiques, ou encore Souprayen et al. (1999) pour une technique de mesure du vent dite «détection directe». Cette dernière, traitant la diffusion Rayleigh des molécules d'air ainsi que la diffusion Mie des aérosols, est très proche dans son principe de la technique retenue pour la mission spatiale Aeolus. Elle a aussi permis en 1993 l'installation d'un lidar-vent à l'Observatoire de Haute-Provence (OHP), qui fonctionne régulièrement depuis 1995.

Vue aérienne de la station géophysique Gérard Mégie à l'Observatoire de Haute Provence. Crédit : CNRS/OHP

À partir des années 80, la plupart des campagnes de mesures en météorologie utilisent différents types de lidars, d'abord installés au sol, puis souvent aussi embarqués sur des avions de recherche. Dès le début du XXI^e siècle, ils commencent à fonctionner régulièrement dans le contexte des réseaux de profileurs opérationnels en météorologie. En 2018, Météo-France opère en routine une dizaine de stations profileurs-lidars observant les aérosols (cendres volcaniques en particulier) ou le vent.
Voir : Site Meteo France "Les lidars et sodars"

La technologie du lidar a mis beaucoup plus de temps à se développer de façon à être utilisée à bord d'un satellite, ce qui explique qu'il a fallu attendre 2018 pour voir le premier lidar-vent dans l'espace. Et c'est seulement au début du XXI^e siècle que se concrétisent les premières missions spatiales telles que CALIPSO, un satellite NASA/CNES lancé en 2006 avec le lidar nuages-aérosols CALIOP à bord, associé à deux autres instruments. Voir : Site OSCAR "satellite Calipso"

Deux problèmes au moins contribuent à expliquer les difficultés techniques des missions spatiales embarquant des lidars par rapport aux instruments basés au sol :

• Le lidar est un instrument actif gros consommateur d'énergie. Cela explique en particulier que la durée de vie estimée pour Aeolus soit de 3 ans, alors que par exemple le premier satellite Metop, lancé en 2006, voit fonctionner encore la plupart de ses instruments 12 ans plus tard.
  
• Aladin est un type d'instrument très sensible au milieu dans lequel il se trouve plongé et à ses variations. Il est donc très difficile de s'assurer qu'il fonctionnera bien dans l'espace par des tests au sol simulant l'environnement spatial. Le transport d'Aeolus depuis l'Europe jusqu'à Kourou, avant son lancement, a dû être effectué en bateau plutôt qu'en avion, pour lui éviter les brusques variations de pression atmosphérique au moment du décollage et de l'atterrissage de l'avion.

Alors que les projets antérieurs étudiant les lidars-vent pour l'espace n'ont pas réussi à déboucher sur une mission spatiale, l'ESA lance vers 1990 un nouveau projet appelé ADM (Atmospheric Dynamics Mission). Le groupe consultatif du projet rassemble des spécialistes de la technologie lidar ainsi que des scientifiques utilisateurs potentiels des données de vent pour la météorologie et le climat, en particulier ceux qui assimilent les observations dans les modèles de prévision numérique (soit pour la prévision du temps au quotidien, soit pour effectuer des réanalyses climatiques). L'objectif du projet ADM est alors de faire converger les besoins des utilisateurs avec la conception d'une mission spatiale observant le vent à l'échelle globale. La décennie 90 est marquée par une évolution très rapide des recherches sur la technologie des lidars ainsi que sur les méthodes d'assimilation de données, et c'est dans ce contexte que se déroulent les études préliminaires ADM. Elles aboutissent en 1999 à la conception d'un instrument fonctionnant par détection directe dans l'ultra-violet (355 nm), qui est retenu par l'ESA pour constituer sa deuxième mission «Earth-Explorers» après GOCE.
Voir : Site OSCAR "satellite GOCE" et Site OSCAR "Satellite ADM-Aeolus"

Cette mission spatiale (qu'on appelle désormais Aeolus ou ADM-Aeolus) est confiée à Airbus Defence and Space qui met au point l'instrument et le satellite dans son centre toulousain. Dès 2003 une maquette de l'instrument est réalisée qui produit des observations de vent correctes à partir du sol. Une description générale de la mission telle qu'elle est envisagée à cette époque est décrite dans Stoffelen et al. (2005). Mais dès que l'on met la maquette dans les conditions de l'espace, elle ne fonctionne plus. Il faudra plusieurs années de reconfigurations de l'environnement, de tests et de réajustements pour arriver à obtenir des données conformes aux spécifications attendues. Aeolus est enfin sur orbite en 2018, avec 11 ans de retard sur le plan initial. Il est maintenant le 5^e satellite de la série ESA/Earth-Explorers alors qu'il était initialement en 2^e position. Toutefois ces années de retard ont été mises à profit par les scientifiques à la fois pour perfectionner les spécifications de la mission, mieux préparer le traitement des données réelles et leur utilisation dans les modèles.
Voir par exemple Dabas et al. (2008), Tan et al. (2007).
Voir aussi la documentation scientifique complète (2018) sur le site de l'ESA

Comment les données Aeolus vont-elles être distribuées, évaluées et utilisées ?

Pour la plupart des observations satellitaires utilisables dans les modèles de prévision du temps, même nouvelles et purement expérimentales, un moyen très efficace de les évaluer consiste à les entrer dans une chaîne opérationnelle de prévision, et à d'abord les «assimiler en mode passif», c'est-à-dire à les soumettre à un monitoring qui les compare systématiquement à la meilleure estimation de l'état atmosphérique que l'on puisse obtenir sans utiliser les nouvelles données. Au bout d'une certaine période (quelques jours lorsqu'il s'agit d'un type d'observation déjà connu et utilisé ; quelques mois lorsqu'il s'agit d'un type de données nouveau), si le résultat du monitoring est jugé satisfaisant, il suffit de passer du «mode passif» au «mode actif» au niveau de l'assimilation pour que l'utilisation de l'observation devienne opérationnelle.
Pour voir comment fonctionne le monitoring des diverses observations du vent de surface, voir la FAQ "Le vent à la surface de l'océan. Comment l'observer ? Comment l'estimer au mieux ?"

Pour Aeolus, c'est le CEPMMT (Reading, Royaume-Uni) qui va tenir le premier rôle de monitoring, grâce à son système de prévision global. À partir des données brutes fournies par l'ESA, il va effectuer en temps réel les traitements nécessaires pour produire les vents HLOS (une seule composante horizontale) qui seront introduits dans son assimilation globale, et aussi mis à disposition de la communauté météorologique en temps réel (avec l'appui de Eumetsat). Cette communauté comprend tous les autres centres météorologiques impliqués dans la prévision numérique globale opérationnelle. On s'attend à ce que plusieurs d'entre eux puissent assimiler les vents Aeolus après les avoir soumis à leur propre système de contrôle/monitoring opérationnel (qui permet aussi une inter-comparaison avec d'autres types d'observation). Notons aussi que, le vent HLOS étant réduit à une seule composante (suivant une direction variable dans un repère terrestre), il est difficilement utilisable en-dehors d'un système d'assimilation météorologique global spécialement conçu pour traiter une large variété de types d'observation.

Le CEPMMT est donc une partie importante du segment sol d'Aeolus. Outre le vent HLOS, il doit produire un jeu de données météorologiques auxiliaires contenant température et pression (variables météorologiques auxquelles le vent HLOS est sensible, donc nécessaires au traitement).

L'évaluation des vents Aeolus par monitoring doit se poursuivre pendant quelques mois à partir de leur disponibilité. En parallèle du monitoring, des études d'impact seront menées pour évaluer le bénéfice apporté par les nouvelles données à la qualité de la prévision. Dès que ce bénéfice apparaîtra significatif, les données seront assimilées opérationnellement au CEPMMT. On espère que cette date-là ne sera pas trop proche de la fin de vie du satellite ! À partir de ce moment-là, le CEPMMT produira aussi des vecteurs vent aux points d'observation Aeolus à partir de son analyse opérationnelle, pour les usagers qui souhaitent faire des études avec un vecteur vent complet et sans système d'assimilation. Ces usagers devront avoir conscience que ces données de vent ne sont pas des observations pures : elles sont influencées par les mesures du lidar Aladin, mais aussi par le modèle du CEPMMT au travers de son assimilation, et en particulier par... toutes les autres observations assimilées !

Plus de détails sur le segment sol Aeolus sont disponibles sur la News du CEPMMT.

Notons au passage que la mission Aeolus produira des observations d'aérosols et des sommets des nuages, même si l'observation du vent est son objectif principal.

Et le futur plus lointain ?

Aeolus est une mission expérimentale. Il s'agit de vérifier si un lidar spatial est capable de mesurer le vent sur une épaisseur de l'atmosphère de l'ordre de 30 km avec suffisamment de précision et de fiabilité. La durée de vie du satellite a été estimée à 3 ans. Le compromis choisi par les concepteurs du projet a été de favoriser plus la qualité de la mesure que la quantité d'observations produites, en particulier en effectuant une moyenne des signaux sur 87 km et en produisant seulement une composante de vent tous les 87 km, selon une ligne de visée unique fixée à 35° par rapport au nadir. La couverture de données (représentée ici sur une période de 12 h) est peu dense (quelques milliers de points d'observation) comparée à celle des sondeurs atmosphériques tels que IASI (quelques centaines de milliers d'observations, mais très rapprochées et très redondantes). Notons que le nombre d'observations (profils verticaux) Aeolus est du même ordre que le nombre de stations du réseau mondial de radiosondages, principale source directe d'information sur le profil vertical du vent jusqu'à maintenant, mais avec une répartition sur le globe plus homogène.

Couverture de données simulées Aeolus sur une période de 12 h. Image : CEPMMT (Michael Rennie)

La mission Aeolus sera un plein succès :

• si des données lidar sont finalement produites en temps réel sur une période proche de 3 ans,
• si elles s'avèrent suffisamment fiables et précises (d'après le monitoring du CEPMMT et des autres centres de prévision),
• si elles peuvent être assimilées dans un modèle en améliorant la prévision globale de manière significative.

Si la qualité des mesures de vent s'avère conforme aux spécifications attendues, l'impact d'Aeolus sur la qualité de la prévision devrait être sur l'hémisphère nord du même ordre que l'impact des vents de radiosondages. Sur l'hémisphère sud il devrait être au moins aussi important que sur l'hémisphère nord. On s'attend surtout à ce que l'impact soit très important dans les tropiques qui, contrairement aux régions extra-tropicales, ne permettent pas une bonne restitution du champ de vent à partir des observations de pression et température. Une fois qualifié pour améliorer la prévision globale, le lidar-vent spatial sera automatiquement qualifié pour améliorer les réanalyses climatiques.

La mission expérimentale Aeolus ne sera pas pérennisée, du moins pas tout de suite. Mais si elle est un plein succès, elle ouvrira la voie à plusieurs autres missions qui devraient permettre à partir des années 2020 ou 2030 de bien couvrir le globe en données de vent pleinement opérationnelles. En renforçant le nombre total d'observations et donc la couverture de données par rapport à Aeolus, on peut espérer une avancée majeure dans l'observation globale du vent, dans la qualité des prévisions et des réanalyses climatiques, du moins en ce qui concerne l'atmosphère. Concernant l'océan, l'apport potentiel d'Aeolus (et de ses successeurs éventuels) sera beaucoup plus faible car il ne peut être qu'indirect, via le couplage océan-atmosphère qui comprend une modélisation des deux couches limites (océanique et atmosphérique) et des différents flux allant de l'une à l'autre. Le vent à 10 m au-dessus de la surface océanique joue un rôle fondamental dans ce couplage. Il ne peut pas être observé directement par les instruments du type Aladin, mais son estimation sera améliorée dans une analyse ou une prévision à quelques heures ou quelques jours échéance par l'assimilation de mesures de vent obtenues à des altitudes plus élevées. Les mesures Aeolus sont des observations de grande échelle qui devraient surtout contribuer à mieux analyser les grandes ondes atmosphériques et donc à mieux analyser les systèmes tels que les tempêtes ou les cyclones en formation. Pour le vent à la surface de l'océan, on peut raisonnablement espérer une synergie au sein d'une assimilation entre les mesures de la rugosité océanique qui permettent de l'estimer à petite échelle et les mesures de lidar-vent (plus hautes dans l'atmosphère) qui permettent de l'estimer à grande échelle.

Au moment du lancement d'Aeolus, le 22 août 2018, plusieurs medias ont parlé de «méthode révolutionnaire pour observer l'atmosphère» dont on espérait qu'elle allait faire faire «un bond à la prévision du temps», pouvant par exemple «amener la prévision à 15 jours d'échéance au même niveau que la prévision actuelle à 7 jours». Ces termes peuvent peut-être représenter un objectif à long terme, à condition de bien les définir par des critères objectifs. Mais ils donnent aux non-spécialistes une vision beaucoup trop optimiste, en laissant croire que c'est le seul lancement d'Aeolus qui va permettre cela. Aeolus ouvrira peut-être une voie vers cela, mais par l'intermédiaire de nombreuses autres missions spatiales à venir, et conjointement avec toutes les autres sources potentielles de progrès pour la météo et le climat.

Aeolus : une contribution au système mondial d'observations parmi beaucoup d'autres

Le lien web de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale) donne une liste complète des satellites environnementaux actuels ou déjà programmés pour les années à venir. Il s'agit de plusieurs dizaines de satellites et de types d'instruments. Si l'on compte individuellement chaque instrument à l'intérieur d'un même type, on dépasse largement la centaine. Chaque année voit le lancement de plusieurs satellites servant peu ou prou les besoins de la météorologie et du climat, mais les données ne sont pas toutes disponibles en temps réel pour la météorologie opérationnelle.

L'automne 2017 a été riche en lancements de satellites : un satellite européen, un chinois et un américain.
Voir : la News "Automne 2017, plusieurs nouveaux satellites pour la météo et le climat".

Cette année 2018 a vu en mai le lancement de deux satellites« GRACE-FO » (GRACE Follow-On) documenté sur la News "Mise en orbite des deux satellites GRACE-Follow on"

La particularité de cette mission gravimétrique est de comprendre deux satellites jumeaux dont on mesure en permanence l'inter-distance.

Le 25 juillet a vu le lancement par Ariane-5 depuis Kourou de 4 nouveaux satellites Galileo, s'ajoutant aux 22 existants, dont 18 sont opérationnels. La constellation Galileo d'une trentaine de satellites devrait être complète en fin d'année 2019.

Deux satellites chinois ont été lancés :

• FY-2H, le 5 juin 2018, satellite géostationnaire dédié à la météorologie opérationnelle ;
• GF-11, le 31 juillet 2018, sur une orbite héliosynchrone, satellite dédié à l'observation des surfaces continentales à haute résolution.

Pour en savoir plus, taper le nom du satellite dans la case « Quick search » du site web OSCAR de l'OMM.

Le même site web donne une liste impressionnante de satellites devant être lancés avant la fin de l'année 2018.

Parmi eux citons :

• CFOSAT, satellite franco-chinois, dont le lancement est prévu en octobre, qui sera muni d'un diffusiomètre ;
• Metop-C, satellite européen, dont le lancement est prévu en novembre, qui sera muni de sa dizaine d'instruments volant actuellement sur Metop-A et Metop-B.

La vraie originalité d'Aeolus, c'est qu'il emporte le seul instrument capable de mesurer depuis l'espace des vents sur l'épaisseur de l'atmosphère, c'est-à-dire de fournir des profils verticaux de vent, un peu comme les radiosondages. Les dynamiciens de l'atmosphère savent que la connaissance du gradient vertical de vent (cisaillement) est un élément précurseur important pour anticiper le développement de phénomènes extrêmes (orages, tempêtes, cyclones).

Une fois en service, Aeolus pourra fournir directement ce type d'observation conjointement avec trois autres systèmes d'observation basés au sol :

• les radiosondages ;
• les profileurs (radars ou lidars fonctionnant à partir de stations) ;
• les observations d'avions au voisinage des aéroports.

Depuis l'espace, il existe d'autres mesures de vent, mais toujours obtenues à un niveau d'altitude unique.

Voir les FAQ :
Quelles observations pour surveiller l'évolution du climat ?
Le vent à la surface de l'océan. Comment l'observer ? Comment l'estimer au mieux ?

Bibliographie

Dabas A., M.L. Denneulin, P. Flamant, C. Loth, A. Garnier, A. Dolfi-Bouteyre, 2008: Correcting winds measured with a Rayleigh Doppler lidar from pressure and temperature effects, Tellus, 60A, 206–215.

Mégie, G. and R. T. Menzies, 1980 : Complementarity of UV and IR differential absorption lidar for global measurements of atmospheric species. Appl. Opt., 19, 1173-1183.

Souprayen, C., A. Garnier, A. Hertzog, A. Hauchecorne and J. Porteneuve, 1999 : Rayleigh-Mie Doppler wind lidar for atmospheric measurements. I. Instrumental setup, validation, and first climatological results. Appl. Opt., 38, N°12.

Stoffelen, A., J. Pailleux, E. Källén, J.M. Vaughan, L. Isaksen, P. Flamant, W. Wergen, E. Andersson, H. Schyberg, A. Culoma, R. Meynart, M. Endemann, and P. Ingmann, 2005: The Atmospheric Dynamics Mission For Global Wind Field Measurement. Bull. Amer. Meteor. Soc., 86, 73–87.

Tan, D. G. H., E. Andersson, M. Fisher and L. Isaksen, 2007: Observing system impact assessment using a data assimilation ensemble technique: Application to the ADM-Aeolus wind profiling mission. Q. J. R. Meteorol. Soc., 133, 381-390.