Mesures en altitude

Météo

Mesures directes et indirectes

En météorologie, les mesures en altitude concernant des paramètres atmosphériques entre le sol et 30 km d’altitude (environ).

Les paramètres principaux sont la température, l’humidité, la pression et le vent horizontal.

On appelle « basses couches » la tranche d’atmosphère comprise entre 0 et 3 000 m.

Les modèles de prévisions numériques modélisent l’atmosphère principalement entre 0 et 20 km d’altitude. Les observations en altitude sont essentielles pour l’initialisation correcte de ces modèles. Dans le passé, les seules mesures utilisées étaient des mesures directes, in situ : ballons sondes, mesures ponctuelles par avion.

Actuellement, une grande proportion des mesures est indirecte et provient des sondages radiométriques par satellites.

Il existe aussi des sondeurs acoustiques (SODAR) à partir du sol. Les nouveaux instruments en développement sont des sondeurs radioélectriques ou laser pour la mesure du vent, de la température.

Les mesures directes par radiosondage demeurent toutefois les plus précises ; elles sont d’ailleurs utilisées pour étalonner les autres systèmes de mesure.

Mesure du vent en altitude

Ballons

La plupart des méthodes mises en oeuvre sont fondées sur la mesure, à des intervalles de temps réguliers, des paramètres qui définissent la position d’un ballon libre s’élevant dans l’atmosphère : azimut, inclinaison, hauteur ou distance oblique par rapport au point de lâcher au sol.

Les positions successives conduisent au calcul du vecteur vent horizontal dans des tranches d’atmosphères épaisses de 300 à 1 000 m, avec l’hypothèse (justifiée) que le ballon est emporté par les courants d’air horizontaux.

Les ballons utilisés sont en latex naturel ou en caoutchouc synthétique (chloroprène). Ils sont gonflés à l’hydrogène ou, de plus en plus, à l’hélium pour des questions de sécurité. Ils permettent d’élever des charges de quelques centaines de grammes. C’est leur masse initiale qui détermine principalement l’altitude d’éclatement.

Le tableau suivant les caractéristiques des différents ballons utilisés :

Ballons et théodolite optique

Les ballons sont gonflés de façon à posséder une vitesse ascensionnelle connue de 200 ou 300 m/min. De nuit, ils sont dotés d’un point lumineux (pile et ampoule) pour permettre leur localisation. Les coordonnées spatiales du ballon sont calculées à partir des angles d’azimut et d’inclinaison relevés toutes les 30 s à l’aide d’un théodolite, complétés par une estimation de l’altitude du ballon à partir du temps, en considérant la vitesse ascensionnelle comme constante. Cette méthode n’est pas automatisée et n’est applicable que par ciel dégagé.

Radiothéodolite

Cet appareil permet la localisation, dans l’espace, d’un petit émetteur emmené par un ballon, en fournissant en permanence les deux angles d’azimut et d’inclinaison. Il est constitué par un aérien très directif formé par quatre antennes de surfaces égales, situées sur le même plan et maintenues par un support orientable.

Deux servomécanismes agissent sur les deux axes d’orientation du support pour que les quatre antennes demeurent toujours perpendiculaires à la direction de l’émetteur (dans ce cas, les antennes reçoivent la même énergie). Les deux coordonnées angulaires du ballon sont fournies à un microcalculateur. L’altitude du ballon est déterminée soit à partir d’une radiosonde complète, soit à partir d’une radiosonde limitée à la seule mesure de la pression.

L’altitude est alors calculée à partir de la pression mesurée et d’une correspondance pression-altitude fournie par l’opérateur du système.

Jusqu’à récemment, une radiosonde pression était appelée barocontacteur à cause de la technologie employée. Actuellement, les radiosondes pressions sont des radiosondes « dégradées », limitées à la seule mesure de pression.

Les radiothéodolites fonctionnent généralement en suivant un émetteur 1 680 MHz et exceptionnellement un émetteur 400 MHz. La portée maximale du radiothéodolite est de 150 km avec une incertitude angulaire de l’ordre de 0,2° pour une inclinaison supérieure à 20° . Au-dessous, la précision est fortement affectée par les réflexions des ondes sur le sol. Pour cette raison, le radiothéodolite est plutôt utilisé pour des sondages effectués jusqu’à une altitude réduite (10 km) ou dans les zones intertropicales où le vent en altitude reste faible et n’entraîne pas le repérage du ballon à des sites trop bas.

Radar de poursuite

Les ondes hertziennes produites par l’émetteur du radar sont concentrées, à l’aide d’un aérien très directif, sur un réflecteur suspendu au ballon, qui les réfléchit vers le point d’émission. La distance oblique séparant le radar de la cible est déduite du temps que met le signal pour parcourir le double de ce trajet. La direction est repérée par ses 2 coordonnées angulaires. Le radar est doté d’un système de poursuite automatique et fournit les 3 coordonnées au système de traitement (STAR en France).

des caractéristiques typiques sont :

— longueur d’onde : 3 cm

— puissance : de 50 à 100 kW

— portée maximale : 150 km

— ouverture du faisceau : 1 à 3°

— largeur d’impulsion : 0,4 à 1 μs

— incertitude sur la distance oblique : ± 10 m

— incertitude sur les angles : ± 0,1°

Le réflecteur est composé d’un assemblage de 8 dièdres formant deux pyramides ayant une base commune. Les parois comprennent 12 panneaux de forme triangulaire, en papier métallisé. Les mesures du vent par radar sont les plus précises lorsque l’angle de site n’est pas trop faible. Avec des opérateurs entraînés, le radar permet d’obtenir des mesures dès les premiers 100 m.

Utilisation de signaux de radionavigation

Plusieurs systèmes de radionavigation sont utilisables pour la localisation d’un mobile, comme un navire.

Le système Oméga utilisait des ondes électromagnétiques de grande longueur d’onde (fréquence entre 10,2 et 13,6 kHz) émises par 8 stations réparties de par le monde et synchronisées entre elles. Un récepteur embarqué à bord d’un mobile recevait ces ondes et en mesurait le déphasage respectif. Ces déphasages permettaient le calcul de la position du mobile à partir d’une position initialement connue.

Pour la mesure du vent en altitude, la radiosonde possédait un module récepteur des signaux Oméga. Ces signaux étaient amplifiés et réémis en modulant la porteuse de l’émetteur de la radiosonde. Le système de réception de la station de radiosondage décodait les signaux Oméga et déterminait les positions successives de la radiosonde.

Le vent pouvait alors être calculé sur des périodes de 3 à 4 minutes, correspondant à des tranches d’atmosphère de 1 000 m d’épaisseur. L’erreur de mesure était généralement de l’ordre de 1 m/s, avec des erreurs possibles de 5 m/s en fonction des conditions de propagation. L’incertitude de mesure était toutefois indépendante de la distance séparant le ballon de la station de réception. Le système Oméga était utilisable pratiquement en tout point du globe.

Le système Loran C utilise des ondes de 100 kHz. Ce système est plus précis mais sa couverture est limitée à l’Europe, l’Atlantique Nord, le contient Nord-Américain. L’incertitude de mesure est de l’ordre de 0,5 m/s.

Sondeurs acoustiques : SODAR Un SODAR émet des impulsions sonores dans au moins deux directions quasi verticales et perpendiculaires entre elles. Les ondes réfléchies par les couches d’atmosphère successives (50 m) sont décalées par rapport à la fréquence initiale par effet Doppler, en fonction du déplacement de l’air dans la direction du tir.

Un traitement du signal avec analyse de Fourier pour la détection des décalages de fréquence conduit à la détermination du vent horizontal et du vent vertical, dans le cas de 3 directions de tir. Un SODAR détecte très bien les limites d’inversion de température qui sont particulièrement réfléchissantes. Les portées typiques de SODAR sont 500 et 1 000 m.

Autres moyens

Profileur de vent ou radar ST : le principe de mesure est identique au SODAR mais avec des ondes électromagnétiques dont la fréquence peut être comprise entre 50 et 900 MHz. La portée peut atteindre 20 km par tranches de 250 à 1 000 m. Ces appareils de recherche sont en cours d’industrialisation pour être utilisés dans des réseaux opérationnels.

Mesure du déplacement des nuages à partir de l’ imagerie satellitaire .

Mesures par radiosondage

Paramètres mesurés

Entraînée par un ballon, la radiosonde permet la mesure de trois paramètres :

pression, température et humidité, entre le sol et une altitude de 30 km ;

elle transmet par radio vers une station de réception.

Les mesures de température et humidité sont utilisées en tant que telles. Elles sont positionnées grâce à la pression. Elles servent aussi au calcul du géopotentiel qui représente l’altitude « fictive » déterminée à partir des équations de l’hydrostatique.

L’ altitude géopotentielle est calculée à partir des profils de température et humidité en fonction de la pression, en considérant une valeur unique de la pesanteur terrestre (au lieu de la valeur réelle). L’altitude géopotentielle est ainsi comparable en tout point du globe ; elle est quand même très proche de l’altitude réelle.

Une mesure du profil température/humidité effectuée par une radiosonde est toujours accompagnée de la mesure du profil du vent. Le ballon utilisé pour le sondage a une vitesse ascensionnelle typique de 300 m/min qui conduit donc à une durée de radiosondage comprise entre 1 h 30 et 2 h.

Des fréquences radioélectriques sont réservées aux radiosondes : 403 à 406 MHz et 1 680 MHz.

Technologie de la radiosonde

La particularité d’une radiosonde est d’être un instrument de haute qualité métrologique, réalisée en moyenne série industrielle à un coût réduit. Une radiosonde ne peut pas être sophistiquée mais elle doit être précise et fiable dans des conditions de température extérieure pouvant varier de + 40 à – 80 C°. Chaque radiosonde est étalonnée en usine et fournie avec ses coefficients d’étalonnage.

La radiosonde utilisée en France est dotée des capteurs suivants :

Figure 22 – Capteurs équipant une radiosonde

— une coquille anéroïde (figure 22 a) contenant une capacité électrique formée par deux disques solidaires des flancs de la capsule. La capacité varie de 4 à 10 pF pour une pression variant de 1 050 à 5 hPa ;

— un hygromètre capacitif (figure 22 b) formé par une couche de cuivre, une couche organique et une mince couche d’or ; la matière organique absorbe plus ou moins d’eau en fonction de l’humidité et fait varier la permittivité du condensateur ;

— un thermomètre capacitif recouvert d’un dépôt d’aluminium destinée à minimiser les erreurs dues au rayonnement solaire et au rayonnement infrarouge terrestre ;

— une capacité variable en fonction de la température mesurant la température interne de la radiosonde.

Ces quatre capteurs, ainsi que deux capacités servant de référence, sont commutés sur un oscillateur en formant un cycle de 6 fréquences. Ces fréquences, comprises entre 8 et 10 kHz, modulent l’émetteur 400 MHz. Cet émetteur est constitué d’une simple ligne demi-onde réalisée en circuit imprimé.

La puissance rayonnée est de l’ordre de 250 mW avec une dérive de la fréquence en sondage inférieure à 500 kHz.

L’alimentation du circuit électronique de mesure et de l’émetteur est fournie par une pile amorçable dont la tension de sortie est 18 V. L’ensemble est disposé dans un boîtier en polystyrène expansé.

Seuls les capteurs de température et d’humidité sont placés à l’extérieur sur un bras de 10 cm. La radiosonde en état de marche pèse 350 g. L’incertitude de mesure est de 0,5 hPa pour la pression, 5 % pour l’humidité, 0,5 C° pour la température.

L’erreur réelle de mesure est difficile à quantifier en absence de référence exploitable dans les conditions réelles de radiosondage. La performance globale d’une radiosonde est souvent jugée par les erreurs sur le géopotentiel. La dernière génération de radiosonde numérise les mesures au niveau de la radiosonde. La transmission radio des données est fiabilisée, tout en minimisant l’énergie nécessaire à l’émetteur.

Autres paramètres mesurables

Certaines radiosondes peuvent être complétées par des capteurs spécifiques utilisés à des fins de surveillance de l’atmosphère :

— capteur de mesure de l’ozone ;

— capteur de mesure de la radioactivité.

Système de réception et de traitement

Un système de réception est composé des équipements suivants :

— récepteur radio et son antenne directive ou omnidirectionnelle ;

— décodeur des informations brutes reçues de la sonde ; le décodeur calcule les paramètres pression, température, humidité à l’aide des coefficients d’étalonnage, généralement fournis sous forme de ruban perforé ;

— calculateur de traitement des informations et d’élaboration des messages TEMP (température) ou PILOT (vent en altitude) normalisés par l’OMM ;

— système de réception vent (radiothéodolite ou radar) ou récepteur de signaux de radionavigation (Oméga ou Loran C).

Les données brutes fournies par la radiosonde toutes les secondes sont filtrées et compactées grâce à un logiciel spécifique. Outre le filtrage, le logiciel visualise sur écran les profils mesurés, informe l’opérateur du bon déroulement du sondage. Le système est interactif, de façon à autoriser la supervision du radiosondeur ainsi que son intervention en cas de données erronées.

Mesures par satellite

Les satellites météorologiques défilants sont dotés d’un radiomètre mesurant l’énergie reçue dans une dizaine de longueurs d’onde. La connaissance du profil de température et d’humidité de l’atmosphère permet de calculer l’ énergie émise vers l’espace dans les différentes longueurs d’onde du proche infrarouge.

Inversement, la mesure de l’énergie reçue permet, par des calculs très complexes, la reconstitution du profil de température à l’origine du rayonnement. Ces mesures par satellite sont moins précises que les radiosondages, mais beaucoup plus denses spatialement, en particulier au-dessus des océans et de l’hémisphère Sud, pauvres en radiosondage. Au-dessus des océans et en absence de nuages, le radiomètre permet une mesure assez précise (1C°) de la température de surface de la mer.