Projets Instrumentaux
La mission spatiale franco-chinoise |
La mission spatiale franco-chinoise CFOSAT (Chinese-French Oceanic Satellite) est destinée à la mesure du vent et des vagues à la surface des océans. Les objectifs prioritaires concernent l’amélioration de la prévision océanique de surface (vent de surface, vagues), l’étude des processus liés à ces paramètres (génération, dissipation des vagues, interactions vagues/courant, vagues/couches limites atmosphérique et océanique, impact des vagues en zones polaires, rôle des conditions aux larges sur les états de mer en zone côtière), ainsi qu’une contribution à l’estimation du forçage océanique par le vent et à la climatologie des états de mer.
La mission, dont le lancement est prévu en 2018, repose sur une plateforme fournie et lancée par la Chine, qui embarquera deux instruments radars :
- l’instrument SWIM (radar spectromètre de vagues proposé par le LATMOS (PI D. Hauser) et développé par Thales-Alenia Space Industry sous responsabilité et financement CNES,
- le diffusiomètre SCAT à antenne tournante pour la mesure du vent de surface, proposé et mis en oeuvre par la Chine.
Ainsi une des particularités de la mission sera qu’elle permettra des mesures simultanées et colocalisées du vent et de l’état de la mer (vagues). Une autre originalité de la mission est l’instrument SWIM, dédié à la mesure du spectre directionnel des vagues (répartition de l’énergie des vagues en fonction de leur longueur onde et direction de propagation) qui repose sur un principe s’affranchissant des limites des radars imageurs actuels à synthèse d’ouverture (Synthetic Aperture Radar en Anglais). Il s’agit d’un radar en bande Ku (13.5 GHz) visant à faible incidence dans la gamme d’incidence 0 à 10° et balayant de façon azimutale, dont les caractéristiques sont spécialement adaptées à la mesure du spectre directionnel des vagues de grande longueur d’onde (longueurs d’onde 70 à 500 m environ). Le principe de mesure repose sur l’estimation des variations relatives de la section efficace de rétrodiffusion radar dues à l’inclinaison de la surface marine par ces vagues. Les observations permettront de répondre aux besoins de la météorologie marine et des recherches sur la surface marine, en complément des missions altimétriques (telles que JASON2 ou 3) qui ne fournissent pas d’information spectrale sur les vagues ou des missions embarquant un radar SAR dont les informations spectrales restent limitées par le principe de mesure.
Par ailleurs, la configuration d’observation multi-angulaire proposée par SWIM permettra de répondre à des objectifs annexes, concernant la caractérisation des calottes polaires ou de l’estimation de la rugosité et de l’humidité des surfaces continentales.
En France, les partenaires de ce projet sont, outre le CNES et le LATMOS, l’IFREMER, Météo-France, le SHOM, et des laboratoires CNRS/Universités (LSEET, LEGOS , LERMA, CESBIO notamment). Les travaux actuels au LATMOS portent sur la préparation du traitement des observations, leur validation et des coopérations sont menées avec Météo-France sur l’assimilation des données dans les modèles de prévision. Le LATMOS a également développé également une version aéroportée de la charge utile, radar en bande Ku dénommé KuROS, qui est embarquable dans l’avion de recherche ATR42.
Plus de détails :
- CFOSAT (satellite, mission, charge utile)
- Video (fr) CFOSAT : http://videotheque.cnes.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=25072
- Video (en) CFOSAT ; http://videotheque.cnes.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=25074
SWIM / CFOSATSURFACE MARINEChinese-French Oceanographic Satellite |
PROBLEMATIQUE / OBJECTIFS SCIENTIFIQUES :
Dans le cadre de ses objectifs sur la surface et l’interface marine, le LATMOS développe depuis de nombreuses années des instruments radar dédiés à la mesure des vagues et du vent, et a proposé la mission CFOSAT qui devrait être lancée en 2018. La France est responsable d’un des deux instruments de la charge utile, le radar SWIM proposé par le LATMOS pour la mesure des conditions d’état de mer (spectre des vagues, hauteur significative des vagues, densité de probabilité des pentes). La méthode de mesure des spectres de vagues est entièrement nouvelle pour une mesure depuis l’espace. Elle est inspirée des méthodes que nous avons développées depuis les années 90 à partir de mesures aéroportées (radar RESSAC puis STORM) et permet de s’affranchir d’un certain nombre de limites connues des radars imageurs pour l’observation des vagues depuis l’espace. Le radar SWIM mesurera la section efficace normalisée dans une géométrie multi-faisceaux pointant vers le nadir (comme un altimètre) et autour de 2, 4, 6 8, et 10° d’incidence alternativement, chaque faisceau effectuant un balayage cônique sur 360° autour de l’axe vertical. Les faisceaux pointant à 6, 8 10° seront utilisés pour estimer le spectre directionnel des vagues. Les travaux menés pendant la période 2009-2013 ont porté notamment sur la préparation des algorithmes d’inversion pour l’estimation du spectre des vagues à partir des signaux radar, et sur la préparation d’un radar aéroporté fonctionnant sur le même principe et à la même fréquence (13.5 GHz) que SWIM : le radar KUROS.
(a) | (b) | (c) |
(a): Spectre omni-directionnel de hauteur de vagues fourni par la sortie du modèle de prévision des vagues WAM-MF (noir) et le résultat issu de la simulation et de l’inversion (rouge)
(b) Spectre directionnel donné par le modèle WAM –symétrisé en direction
(c) Spectre directionnel issu de la simulation et de l’inversion. Les partitions de houle et mer du vent sont indiquées par des contours bleu et rouge, respectivement. Ces résultats se rapportent à un cas simulant la tempête qui a conduit au naufrage du Prestige (13 novembre 2002).
Pour plus d'information, sur la mission franco-chinoise CFOSAT (video de 3mn 46s):
http://videotheque.cnes.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=25072
RESULTATS :
Nous participons, avec le CNES, au développement de l’outil de simulation simuSWIM qui permet de simuler, à partir d’un spectre de vagues donné, une surface de mer, le signal radar tenant compte de la diffusion par la surface et des défauts instrumentaux (bruits,..). Ces données simulées sont ensuite inversées pour restituer un spectre de vagues. Différents types d’état de mer et différentes versions de l’inversion sont testées pour mettre au point la chaîne de traitement qui sera utilisée pour la mission CFOSAT. La figure illustre les résultats dans un cas d’état de mer représentant les conditions de tempête associée au naufrage du « Prestige » (13 novembre 2002). Elle montre que l’état de mer tel que prévu par le modèle WAM est bien restitué par la simulation (à l’ambigüité en direction près) dans ce cas de très forte mer (hauteur des vagues 5.8 m, vent de surface 22 m/s) composé d’une houle dominante (longueur d’onde dominante 300m direction NO-SE) et d’une mer du vent (longueur d’onde dominante 90m dans la direction SW-NE). Par l’analyse d’un ensemble de cas, on a pu montrer que la plus grande incertitude concerne l’estimation de l’énergie du spectre (supérieure à 20% dans certains cas), tandis que la direction et la longueur d’onde dominantes des spectres de vagues pourront être estimées dans la plupart des cas avec une incertitude inférieure à 15° et 10%, respectivement, conformément à la spécification scientifique. Il est prévu d’utiliser les mesures de la visée nadir pour réduire l’erreur sur l’énergie du spectre.
Le radar aéroporté KuROS a été mis en œuvre pour la première fois pour des tests en avril 2012 à bord de l’avion de recherche ATR42. La première campagne de mesures géophysique s’est déroulée en association avec la campagne HYMEX-SOP2 en février-mars 2013. Les radars SWIM de CFOSAT et KuROS seront également utilisés pour l’étude des surfaces continentales avec un accent mis sur les zones semi-arides et la cryosphère.
[Tison et al., ESTER, C-ACT, 2011]
PARTENARIATS :
Avions ou Ballons
NOM |
TRANSPORT |
INSTRUMENT |
OBJECTIFS |
ALTO | Lidar | Mesure du profil vertical de la concentration en ozone par absorption différentielle | |
CAROLS | ATR-42 | Radiomètre Hyperfréquence | Estimation du contenu en eau des sols et la salinité des océans et validation des algorithmes d'inversion des données SMOS |
KUROS | ATR-42 | Radar |
Mesure du vent et des vagues. Validation de la mesure des instruments de la mission spatiale CFOSAT |
LEANDRE2 | Falcon-20 | Lidar |
Mesure du rapport de mélange de la vapeur d'eau dans la basse et moyenne troposhhère (campagne HYMEX) |
LNG | Lidar rétrodiffusion | Etude des aérosols, des nuages et des PSC (nuages stratosphériques polaires) | |
PROGRA2 | Airbus A-300 0G | Système imageur | Etude de la diffusion de la lumière par des particules solides en lien avec des observations du système solaire |
RALI | Falcon-20 | Radar - Lidar | Etude des nuages et de leur impact sur le bilan radiatif et le bilan en eau atmosphérique |
RASTA | ATR-42 Falcon-20 | Radar impulsionnel monostatique | Etude des propriétés dynamiques, microphysiques et radiatives des nuages faiblement précipitants troposphériques (campagne HYMEX, campagne HAIC) |
SAMU | Spectromètre de masse | Mesure atmosphériques de constituants minoritaires et des composés organiques oxygénés | |
SAOZ | Ballon | Spectromètres UV-Visible | Mesures de profils verticaux de O3, NO2, OClO, BrO, H2O (Plus de 100 vols depuis 1991) |
STORM | Radar | Mesure du vent et des vagues. |
Stations au Sol
NOM |
LIEU |
INSTRUMENT |
OBJECTIFS |
ALTO | Observatoire de haute Provence | Lidar | Mesure de l'ozone troposphérique |
APSIS | Guyancourt | reacteur de photochimie | étude de la photochimie des atmophères planétaires dans le VUV |
BASTA | Sirta | Radar | Observation continue des nuages |
CURIE | Qualair | Radar bande X | Etude de la turbulence de la couche limite planétaire |
DRAKKAR | Sirta | Radiomètre Hyperfréquence | Mesure du rayonnement électromagnétique afin de connaître le contenu intégré en vapeur d'eau et en eau liquide sur la colonne d'eau située au dessus du radiomètre. |
HYDRIX | Mont Vial | Radar en bande X, double polarisation (opéré par Novimet) | Mesure rapide et fiable des précipitations à l'échelle locale (~100 kms) |
LIDAR Qualair | Paris | Lidar | |
LIDARS Réunion | Ile de la Réunion | Lidars |
Mesure de la température stratosphérique, de l'ozone troposphérique et de la vapeur d'eau (Lidar RMR) Mesure de l'ozone stratosphérique (Lidar O3 stratosphérique) |
LNA | Sirta | Lidar rétrodiffusion nuages et aérosols | Observation continue et routinière de l'atmosphère |
LOANA | Dumont d'Urville | Lidar | Etude de l'ozone stratosphérique |
LTA | Observatoire de haute Provence | Lidar | |
OCARINA | Plateforme de mesures sur trimaran | Caractérisation des échanges entre Océan et Atmosphère | |
ODS | Océan Arctique | Télescope | Dans le cadre de l'Equipex IAOOS, étude de l'épaisseur optique de l'atmosphère en milieu arctique |
PAMPRE | Guyancourt | plasma poudreux | Simulation expérimentale des atmosphères planétaires |
PICARD Sol | PICARD Sol | Télescope | Comparaison de la forme du soleil observé depuis l'espace (PICARD) et le sol. |
RASTA | Sirta |
Radar Doppler 95 GHz |
Estimation des paramètres macro-physiques, micro-physiques et dynamiques des nuages |
ROXI | Sirta | Radar Doppler en bande X | Etude des propriétés microphysiques des précipitations |
RONSARD |
Arrêté 2010 |
Radar Doppler en bande C | Etudes dynamiques et microphysiques des systèmes précipitants |
SAOZ | Réseau | Spectromètres UV-Visible | Mesures des colonnes verticales d'O3 et NO2, au crépuscule. |
SAMU | Inra | Chromatographe | Mesure des radicaux OH et HO2 à faible concentration |
Sirta | Spectro-pluviomètre | Mesure de la taille et du nombre des gouttes de pluie, par absorption d'un faisceau IR. |
Projets Instrumentaux
Le LATMOS conçoit et développe des instruments innovants dans le but de les mettre en œuvre depuis différentes localisations