Etude d'un radar spatial pour la mesure des précipitations
Résumé
La multiplication des satellites d'observation de la terre, la grande variété des mesures qui en résultent, témoigne de l'apport de ces observations au développement des sciences de la terre: la climatologie, l'océanographie, la terre solide, etc... Les mesures satellitaires permettent d'étudier les phénomènes à moyenne et grande échelle et de couvrir les régions océaniques ou les régions difficilement accessibles aux instruments terrestres. Dans le domaine de la climatologie, l'amélioration de la connaissance du bilan hydrique de l'atmosphère tropicale constitue l'une des étapes essentielles à réaliser pour progresser dans la compréhension des mécanismes du climat et de ses variations aux échelles allant du mois à quelques années. C'est en effet dans la région intertropicale que l'atmosphère subit le forçage le plus important à partir de l'absorption de l'énergie solaire, stockée en majeure partie sous forme de chaleur latente. La redistribution de cette énergie est ensuite effectuée via le cycle de l'eau par les phénomènes de condensation et des précipitations. Partant de ces réflexions, le séminaire de prospective scientifique du CNES, tenu à Deauville en 1985 a abouti à une proposition d'expérience spatiale BEST (Bilan Energétique du Système Tropical) regroupant plusieurs laboratoires français, le CRPE, le LMD, le SA et le LOA. Ce projet de mission spatiale entend contribuer à l'amélioration de la compréhension globale du bilan énergétique dans les régions tropicales en mesurant des paramètres essentiels intervenant dans le cycle de l'eau: les transports, les flux de vapeur d'eau et les précipitations. Par ailleurs, le programme expérimental GEWEX (Global Energy and Water cycle Experiment, 1987) a été suscité depuis 1986 par le Comité Scientifique Conjoint du PMRC (référence). Ce programme, à l'échéance 1995-2000, prévoit en addition à des mesures sols et in situ, la mise en oeuvre de systèmes spatiaux de deux types: des plate-formes en orbites polaires analogues à celles envisagée par le NASA ou l'Agence Spatiale Européenne et une plate-forme en basse inclinaison dédiée spécifiquement à l'observation des régions tropicales. Le projet BEST peut donc aussi être considéré comme un candidat possible pour cette dernière plate-forme. Pour aborder l'étude du bilan hydrique en région tropicale, la mission BEST propose de regrouper un ensemble cohérent d'instruments complémentaires sur un satellite à basse inclinaison (« 30°). La version minimale de la mission comprenait: - Un radar pour la mesure des précipitations avec une haute résolution spatiale. - Un radiomètre hyperfréquence multicanaux à large champ de vue, complétant les mesures de précipitation par radar et fournissant une estimation du contenu en vapeur d'eau. - Un lidar Doppler pour la mesure des vents. En option, avaient également été prévues des possibilités de mesures du profil vertical d'humidité par lidar à absorption différentielle, de mesures du vent par lidar pour l'observation des déplacements nuageux, et des mesures par radiométrie à large bande du flux solaire et infra-rouge au sommet de l'atmosphère. Les études de définition des trois instruments ont été réparties entre les divers laboratoires participant au projet suivant leurs domaines de compétences et sont effectuées en liaison avec le Centre Spatial de Toulouse. Le CRPE est ainsi naturellement impliqué dans la définition du radar. Cet instrument est destiné essentiellement aux estimations des moyennes de précipitations sur une période de l'ordre d'un mois sur des régions de 500 Km x 500 Km; il permet aussi d'avoir une cartographie de précipitation sur une région donnée. L'étude présentée ici concerne donc la définition d'un radar spatial de mesure des précipitations. Elle est développée dans le cadre d'un travail de thèse technologique sur bourse CNES depuis Octobre 1986. L'objectif essentiel de ce travail est de fournir une première définition du radar de la mission BEST. Elle repose essentiellement sur le développement de travaux de simulation de fonctionnement du radar et de ses performances sous les contraintes et exigences scientifiques et technologiques de la mission BEST. Le contenu de la présente note technique est censé rappeler l'essentiel du travail accompli depuis un an et demi. On présente donc les fondements du problème, l'argumentation suivie pour définir les exigences de la mesure radar et la définition du système proposé avec les performances prévues. Ces éléments ont été intégrés à un rapport de présentation synthétique de la mission BEST, en cours d'édition par le CNES (BEST 1988). On indique ensuite les points que l'on envisage d'approfondir ou de développer pour mener à terme la présente étude. y Le plan suivi est décrit ci-dessous. Dans le chapitre I, on rappelle les principales méthodes de mesure des précipitations depuis l'espace et les fondements théoriques de la mesure radar. Le chapitre il est consacré à la description des algorithmes de restitution des taux précipitants à partir des mesures radar. C'est une simple présentation de ces algorithmes; une étude comparative de simulation de leurs performances a été entreprise et sera relatée ultérieurement. Le chapitre El donne une description des paramètres intervenant dans l'étude du système et les équations qui les relient. On examine ensuite le bilan de liaison pour les échos radar provenant de la pluie et des échos provenant du sol. Enfin, on étudie les contraintes scientifiques et technologiques que l'on doit respecter dans la définition du système. Le chapitre IV est consacré aux problèmes d'échantillonnage dans la ceinture tropicale couverte par le satellite. On examine la grille de mesure obtenue pendant une période de temps qui résulte de la combinaison du mouvement du satellite et du balayage de l'antenne. Le chapitre V présente les paramètres essentiels de définition et les performances du système étudié, appliqué au radar de la mission BEST. Le chapitre VI conclut sur l'état actuel des travaux réalisés et présente les prolongements en cours. Certains points nécessitant des calculs détaillés ont été développés dans les annexes A à F, l'annexe G présente les logiciels qui ont été développés pour simuler le fonctionnement et la mesure du radar, et l'annexe H liste les principaux symboles utilisés dans ce document.
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