Imagerie satellitaire météo - Images colorées à la recousse des visibles et infrarouges

Principes

Comme nous l'avons vu lors de la lecture et l'interprétation des masses nuageuses à partir du VIS et de l'IR, de nombreux cas de figure sont délicats à interpréter. On ne connaît pas l'état des particules d'eau (c.-à-d. liquide ou glace), certains phénomènes sont peu ou pas visibles (ex brouillard), et il faut dans tous les cas recouper ceux deux images ; on a parfois envie des les superposer !

Il faut savoir que les radiomètres des satellites météo n'ont pas qu'un seul canal dans l'IR et un dans le VIS, mais de nombreux dans chaque spectre. A titre d'exemple, les satellites de deuxième génération de Eumetsat comportent 12 canaux, dont 2 dans le visible et le reste dans le l'IR. Chacun de ces canaux est spécialisé dans la mise en avant d'un ou plusieurs phénomènes : certains révéleront le brouillard la nuit ou le jour, d'autres permettrons de différencier les états liquide ou glace de l'eau, les fumées ou poussières, les cendres volcaniques, la neige, la glace au sol ou en l'air, etc. De plus, le recoupement bien spécifique de certains canaux permet de mettre en exergue d’autres phénomènes bien ciblés (ex la convection forte).

Sans plus entrer dans le détail, les images colorées proposées par Météo France (typiquement sur son site AeroWeb) sont basées sur ce principe de combinaison de plusieurs canaux situés à la fois dans le visible et l'infrarouge. Elles proposent une lecture direct d'un grand nombre de phénomènes. 

Afin de pouvoir différencier et représenter ces différents phénomènes, des couleurs de bases sont utilisées pour représenter les différentes caractéristiques recherchées comme la température (donc l'altitude), la phase de l'eau (c.-à-d. liquide, glace), l'épaisseur des masses nuageuse, etc. La combinaison de ces caractéristiques (et donc le mélange de ces couleurs de base) donne des gammes de nouvelles couleurs que nous allons apprendre à lire et interpréter.

C'est une image très efficace d'utilisation, mais elle nécessite de maitriser les concepts liés aux images VIS et IR, ainsi encore une fois de posséder les fondamentaux des types de nuages et de leurs caractéristiques.

Guide de lecture

Voici les grandes lignes de sa lecture qui tourne autour de 3 couleurs de base (blanc, jaune, bleu) :

• Nuances jaunes : nuages bas et chauds (brouillard, St, Sc, petits Cu). Ces nuances jaunes tireront un peu sur les blancs pour les sommets un peu élevés (donc froids).
• Nuances blanches : nuages denses, épais et froids, généralement précipitants (amas de Cb des traînes actives, regroupement d'orages, systèmes convectifs tropicaux, masses nuageuses associées au corps des perturbations de nos latitudes tempérées comme les Ns).
• Nuances bleues : nuages élevés constitués de cristaux de glace, parfois transparents (ces nuages peu ou pas visible dans le VIS vont ainsi apparaître !) Ils sont de la famille des Cirrus (Ci, Cs, Cc).

Entre ces couleurs apparaissent d'autres nuances correspondant à l'étagement des nuages ou à leur opacité plus ou moins importante :

• Les nuages de l'étage moyen, tels que les Ac, ou Sc élevés, et les sommets de Cu con, sortent dans des tons crème à blanc cassé.
• Les Cs et Ci épais sortent dans un gris clair bleuté.
• Etc.

Des masques sont aussi utilisés par ces images. Ainsi, les nuages apparaissent sur fond bleu outremer au-dessus des océans (il n'y a donc aucune interprétation à faire à partir de la couleur de la mer dans ce cas). Les sols apparaissent dans les verts grisés au brun verdâtre pour les plus froids, à l'ocre jaune et au jaune or pour les régions désertiques africaines. La neige est identifiée comme telle uniquement de jour.

Premier exemple d'une image satellites « composées colorée »

Nous nous limitons pour l'instant à la lecture des différentes couleurs, sans aller jusqu'à l'interprétation des différentes masses nuageuses.

Des algorithmes différents sont utilisés pour les images de jour et de nuit, l'idée étant de fournir à chaque moment des gammes de couleur semblables pour les mêmes caractéristiques, permettant ainsi d'utiliser les mêmes règles de lecture dans les deux cas.

Là encore, une bonne façon d'apprendre à utiliser ce type d'image est de la pratiquer, en recoupant la lecture des images VIS et IR.

Alain Herbuel

Imagerie satellitaire météo - Albédo

Première définition

L'albédo est le pouvoir réfléchissant d'une surface. Dans le domaine qui nous intéresse, on se limite à la réflexion du rayonnement solaire dans le spectre visible. Là couleur blanche étant la combinaison de toutes les longueurs d'ondes (donc toutes les couleurs) dans le visible, on dit en pratique qu'un corps est perçu comme blanc quand il réfléchit au moins 80 % de la lumière (à condition bien entendu que la source soit blanche, et l'on supposera dans le cas présent que notre source solaire l'est). Dans le même cas de figure, un corps réfléchissant moins de 3 % de la lumière nous apparaîtra comme noir (dans ce cas, ce corps absorbe la quasi totalité des longueurs d'ondes).

Rappelons que le Notion d'albédo n'a pas lieu d'être dans l'infrarouge !

De manière un peu plus formelle

L'albédo est donc le rapport entre l'énergie lumineuse réfléchie et l'énergie lumineuse reçue (on parle de rayonnement incident) ; la valeur obtenue est forcément < 1, et s'ils ne réfléchissent rien, l'albédo vaudra 0. La valeur d'un albédo sera donc comprise entre 0 et 1. Un miroir parfait est un objet ayant un albédo de 1.

Les nuages, les sols

Pour un nuage, cet Albédo dépend de sa nature (eau sous forme liquide ou glace, taille des particules), de son épaisseur, de la densité des éléments qui le constituent, et de l'angle d'incidence des rayons reçus. Il varie de 40% à 90% suivant les cas (dans le cas d'un albédo de 90%, nous obtiendrons un blanc très brillant !) 

S'il s'agit d'un sol, sa valeur dépend de la nature de celui-ci : terre, forêt, végétation, etc.

Voici quelques ordres d'idées pour les sols et les nuages :

• Mer, océan, lac : albédo très faible (7 à 10%). Apparence dans les noirs.
• Surfaces terrestres : albédo faible. Apparence dans les gris ou noir suivant le type de surface (forêt dans les sombres, sable dans les gris).
• Sable : 60%, dans les gris
• Culture 30%
• Forêt, Rocher : 12%, dans les sombres
• Nuages : albédo plutôt fort (et ça tombe bien, c'est ce qui nous intéresse !) Apparence dans les gris ou blanc.
• Neige  60%

Précision importante : l'albédo d'une masse d'air condensée est d'autant plus important que les gouttes d'eau sont petites et que leur présence est dense ; il dépend aussi de l'état de l'eau (c.-à-d. sa phase, liquide ou solide), de la forme du dessus du nuage (cumuliforme ou stratiforme), et de son épaisseur.

Quelques cas intéressants :

• La neige au sol reflète mieux que les gouttes d'eau sous forme de glace (on verra donc moins bien les nuages de la famille des Ci qui sortiront dans les gris blanc).
• La neige au sol est plus visible que l'eau (densité des particules d'eau plus dense).
• Les Cb fortement développés peuvent refléter jusqu'à 90% de la lumière, apparaissant ainsi très blancs, voire blancs brillant dans certains cas.

Encore une fois, le nuage est d'autant plus blanc qu'il est épais. Rappelez vous aussi que la lecture des images visibles ne va pas sans celles dans l'infrarouge, et que l'identification des masses nuageuses dans le visible se complète en prenant en compte la signature des nuages (ex nuages stratiformes, cumuliformes...)

Passons à la pratique  

Passons à la pratique avec quelques exemples de lecture dans le visible.

 

 

On voit déjà qu'une connaissance de la géographie (p.ex. formes, sols, forêts, mers, fleuves…) permet de localiser et de préciser les lectures. On voit aussi que ce seul canal VIS laisse un certain nombre d'ambiguïtés (hauteur des nuages, quid des nuages fins que l'on ne verra pas, etc.) Le complémentaire naturel de cette image dans le visible est celle dans l'infrarouge thermique. Notez enfin qu'une connaissance de base des types de nuages et de leurs caractéristiques de base est indispensable.

On commence aussi à voir pointer à l'horizon quelques avantages attendus pour les pilotes : préciser et recaler les informations de prévision (TAF, TEMSI), et préciser celles d'observation.

Alain Herbuel 

Imagerie satellitaire météo - Complémentarité des images visibles et infrarouges

Nous avons vu d'un côté les images VIS, et de l'autre celles en IR. Ceux deux images seules ne permettent pas d'interpréter totalement les masses nuageuses. En effet, une image IR ne donne pas l'épaisseur d'une masse nuageuse, et une image en VIS ne donne pas la température, et donc la hauteur, du sommet d'un nuage. La complémentarité de ces deux images semble maintenant évidente ! La lecture et l'interprétation de masses nuageuse en imagerie satellite passe forcément par le recoupement de ces deux images !

Reprenons les deux exemples des billets précédents (pour les retrouver, cliquez sur la catégorie de billets "Imagerie satellitaire météo"), et parcourrons quelques exemples typiques de lectures dans le rapprochement de ces deux types d'images.

Images visible et infrarouge, 02-07-2016 à 1200Z

• En A, nous voyons en VIS une masse nuageuse assez épaisse (car très blanche), qui s'étale de Grenoble à Digne. Mais en IR, seule la partie à l'ouest est très haute (car très blanche, donc très froide). Il s'agit certainement pour cette partie blanche en IR d'un Cb, ou d'un ensemble de Cb.
• En G D C B en IR, nous avons une gamme de gris allant du noir au banc, qui va nous guider dans notre lecture (cette gamme va nous servir d'échantillon dans les gris, donc dans les températures, et donc dans les altitudes des sommets et des surfaces). A gauche de G, nous avons un sol chaud en Espagne, en comparaison d'une mer Méditerranée (à droite de G) plus froide. On vérifie bien dans le VIS que la Méditerranée est dégagée de tout nuage, au risque de comparer un sol avec des sommets de nuages.
• En VIS, dans les zones D,C,B, pas facile de s'y retrouver, si ce n'est avec la texture des différentes masses nuageuses... L'image en IR va nous aider.
• En IR, en D, des sommets plutôt bas, en C, des sommets un peu plus hauts, et en B, des sommets hauts. Pensez au fait que des masses nuageuses peuvent se superposer, et en IR, on n'aura la température des nuages les plus hauts.
• En D et C, des nuages plutôt bas, et leurs textures en VIS laisse penser à des Sc ou Cu peu développés.
• En B et en IR, on a une nappe de nuages en arc de cercle de l'étage supérieur, et l'image VIS laisse voir plusieurs couches nuageuses, dont des nuages de type Ci. Cette nappe de Ci couvre en VIS les nuages situés en dessous.
• En E, cette bande de nuage est épaisse (très blanche en VIS), et son sommet est froid et haut. Cela fait penser au secteur chaud d'une perturbation, dont le front froid est à l'ouest. Nous reviendrons là dessus plus tard...
• En H, une série de Cb dispersés sur le continent européen, du nord au sud. Les cellules orageuses sont bien séparées, et très visibles en VIS. En IR, on a l'impression que toutes les cellules se touchent ; cet effet est certainement dû au fait que les enclumes des Cb se rejoignent, alors qu'ils sont clairement séparés en VIS (seule la partie la plus épaisse ressort en blanc).
• En Afrique du nord, en F, le sol est chaud en IR, donc noir. En visible, il présente différents tons de gris fonction de la nature du sol. Nous reviendrons sur cette notion que l'on nomme Albédo (à savoir la propriété de réfléchir les rayons solaires).

Les choses devraient commencer à s'éclaircir ! Nous reviendrons sur tout cela dans les billets suivants.

Alain Herbuel

Les rayonnements en météorologie spatiale #3

Rayonnement terrestre et images dans l'infrarouge

Environ 50% du rayonnement solaire atteint le sol, et participe ainsi à son réchauffement (on dit que cette cible absorbe le rayonnement). Le sol se réchauffe le jour car il absorbe plus de rayonnement qu'il n'en cède, et inversement la nuit.

On sait d'ailleurs que la température du sol est minimale en fin de nuit. Nous avons aussi déjà vu que tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0 Kelvin, -273°C) émet un rayonnement électromagnétique dont la valeur est fonction de la température. Ce rayonnement émis se fera dans le domaine de l'infrarouge (IR). Ainsi, le satellite mesurera ce rayonnement, et la valeur du signal sera ensuite convertie en valeurs de pixel qui seront plus ou moins noirs ou blancs, en passant encore une fois par tous les tons de gris. Nous obtenons alors des images dites « dans l'infrarouge » (traduire images dans le domaine infrarouge, car issues de cibles émettant un rayonnent, d'autant plus qu'elles sont chaudes). On trouve aussi le nom d'images dans l'infrarouge thermique (basées sur le rapport entre le rayonnement et la température des objets).  

Exemple d'image dans l'infrarouge

Les règles de lecture de ce type d'image peuvent se résumer de la façon suivante :

• Température plutôt « froide » : teintes de blanc, et par extension le dessus de la cible est d'autant plus « haut » dans le cas d'un nuage.
• Température plutôt « chaude » : teintes de noir, et par extension le dessus de la cible est d'autant plus « bas » dans le cas d'un nuage (à savoir proche du sol ou de la mer).

On trouve bien entendu toutes les teintes intermédiaires entre le blanc et noir qui font les extrêmes de ce type d'image.

Maintenant, observez bien les teintes utilisées pour les cibles chaudes et froides dans l'exemple ci-dessus. On pourrait s'attendre à ce que les terres et les océans soient dans les tons de blancs (car chauds et donc plus de rayonnement), et les nuages élevés dans les noirs (car moins de rayonnement) ; hors, l'image est construite dans le sens opposés : les chauds sont noirs et les froids sont blancs. La raison se trouve dans le fait que, dans notre culture, nous avons plutôt l'habitude de visualiser (c.-à-d. d'imaginer mentalement) les nuages en blanc et par opposition les sols en noir (et par extension les mers). De plus, cela nous rapproche de la logique de « codage » et de lecture des images visibles (VIS) dans lesquelles les nuages sont aussi représentés dans les blancs.

Pour nous (c.-à-d. Les pilotes habitués à prendre les images satellites sur le site AeroWeb), les images IR sont toujours « inversées », et d'un point de vue mnémotechnique, rappelez-vous que les nuages, la glace et la neige sont blancs !

Notez aussi dans notre exemple que les notions de températures sont à prendre dans le sens relatif, comme souvent en Météo. Ainsi, un sommet de nuage peut être "chaud" à 10°C par rapport à un autre froid à 0°C.

Alain Herbuel

Le HOP! Tour des Jeunes Pilotes (HTJP) #19

Les Bleus ont le Blues...

Comme vous l'avez certainement noté, une Météo incertaine s'est installée de manière certaine sur nos régions... Vous suivez ?

Du coup, après un départ à 0930 avancé à 0700, le vol est annulé... Les Bleus sont punis dans leur chambre. Snif. Mais comme dit le proverbe bien connu des pilotes : il vaut mieux être au sol et regretter d'être en l'air, que l'inverse :o)

La navigation à l'origine devait les faire passer à l'est de Lyon, entre les centrale nucléaires de l'est lyonnais, pour une destination Chambéry. Voici le coin de carte.

Mais quelle est donc cette Meteo ?

En fait, c'est pas terrible... Les carte de précision de "temps significatif" nous disent qu'il y aura des orages (pour les pilotes, c'est le pire ! Un peu comme si vous étiez dans une machine à laver, programme essorage, mais à la fin, vous sortez de toutes les façons en morceau...) Ces orages sont présents assez localement, et cachés dans d'autres couches nuageuses. En résumé, on ne les voit pas. Là, ça se complique...

Ces orages sont présents sur tout le sud est France. Pour les accompagner, ils sont servis par un tas d'autres masses nuageuses qui les accompagnent.

Prévision pour 1200Z, soit 1400.

Prévision pour 1500Z, soit 1700.

Symbole intéressant, les deux petits chapeaux violets. Ils indiquent la présence de masses nuageuses plutôt compactes (disons qu'elles ne laissent peu ou pas voir le ciel, et présentent donc aucun trou par lesquels les avions pourraient passer au travers pour aller de dessous a dessus, et inversement). De plus, ces masses nuageuses sont collées aux reliefs (Massif central, Alpes, etc.) Ça se complique. On appelle cela des "montagnes obscurcies".

Sur les Ardennes, un symbole par très fréquent avertissant de la présence de ligne de grain fort (ici d'Ouest en est).

Profitons en pour jeter un œil aux images satellites de 1430Z !

En première approche, cette image "dans le visible" donne des couleurs d'autant plus blanches que les masses nuageuses sont épaisses. Les Cb, nuages d'orage par excellence, ressortent très blancs.

Arènes, Alpes, nord Massif Central... Et sud Chambéry :o)

En première approche, cette image maintenant "infrarouge" donne des nuages d'autant plus blancs que leur sommet est froid, donc haut (leur sommet est vers la tropopause, à savoir environ -50°C). Les enclumes des Cb qui apparaissaient très blancs brillant en visible vont être tout aussi blancs en infrarouge.

De grosses patates de sommets de Cb sont bien visibles aussi sur les Pyrénées, mais là, si les Bleus vont jusque là bas, c'est qu'ils se seront perdus :o)

Cette image de Meteo France maintenant propose la synthèse de tout cela. Disons qu'en brun on a les nuages bas, en bleu les hauts et froids, et plus on tire sur le blanc, plus on est en face de nuages convectifs et de glace.

En résumé, voler de Nevers à Chambéry aujourd'hui aurait été compliqué au début, sur le trajet, et à l'arrivée, même en passant pas les Pyrénéennes !

Profitons donc de cette journée pour rêver sur ces vues de la terre prises tout de même à 36 000 km de nous !

Alain Herbuel - (Aéroclub de Pérouges plaine de l'Ain (LFHC)

Sébastien Brehm (Participant au HTJP 2016)

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Les rayonnements en météorologie spatiale #2

Rayonnement solaire incident et images dans le visible

Le rayonnement solaire est la principale source de chaleur reçue par l’atmosphère (on parle de rayonnement incident). Une fois traversé le vide spatial et subit quelques atténuations, il arrive en haut de l’atmosphère. À partir de là, il continue à subir des atténuations (diffusion, absorption, etc.) dont une qui nous intéresse plus particulièrement : la réflexion.

La réflexion est la faculté de certains supports à renvoyer un rayonnement suivant un angle bien précis. La terre et les océans vont ainsi avoir des propriétés de réflexion plus ou moins importantes, mais aussi le brouillard, la neige, la glace et les nuages… Les capteurs des satellites vont ainsi mesurer ce rayonnement solaire réfléchi par ces objets (on parle de cible). Lorsque l’on s’intéresse au rayonnement réfléchi dans la bande visible, on obtient une image dite dans le visible, et par extension image visible (traduire image créée à partir de la réflexion du rayonnement solaire dans la bande visible).

Ces images représentent le pouvoir de réfection des différentes cibles visibles du satellite, et donc non cachées par exemple par d’autres couches nuageuses situées au-dessus d’elles. Par définition, ce type d’image n’est visible que de jour !

Les cibles ayant un fort pouvoir de réflexion sortiront en blanc, celles absorbant le rayonnement solaire (et donc présentant pas ou peu de réflexion) sortiront en noir, avec bien entendu toutes les nuances de gris intermédiaires.

Exemple d’image dans le visible avec sa gamme de gris

En première approximation, les nuages sortiront d’autant plus blancs qu’ils sont épais, les mers plutôt dans les noirs, la neige et la glace dans les blancs, et les terres dans des gammes de gris en fonction de leurs natures.

Alain Herbuel

Les rayonnements en météorologie spatiale #1

Télédétection spatiale avec les images satellite météo

Les images satellites météo reposent sur les techniques de télédétection spatiale, à savoir que des détecteurs installés sur les satellites vont capter des rayonnements émis par les objets auxquels nous nous intéressons (donc à distance à partir de l’espace).

Dans le cadre de cette petite série de billets, on ne s'intéresse qu'à l'imagerie satellite météo, et avec des capteurs « passifs » (à bord des satellites, on les appelle des « radiomètres »). Passifs car ils mesurent des rayonnements venant de la terre et de l'atmosphère (typiquement des nuages). Nous verrons comment par la suite.

Spectre électromagnétique

On appelle spectre électromagnétique la répartition des ondes en fonction de leur longueur d’onde, de leur fréquence, ou de leur énergie. Nous retrouvons classiquement dans la littérature des bandes de spectre dénommées par exemple visible, infrarouge, ondes courtes, ultraviolet, micro ondes, etc., chacune comportant des propriétés spécifiques. Celles qui nous intéressent ici sont les bandes (nommées aussi domaines) du spectre visible (VIS) et de l’infrarouge (IR). Elles sont bordées par celles des ultraviolets (UV) du côté des longueurs d’ondes plus courtes, et des hyperfréquences et ondes radio du côté des longueurs d’ondes plus longues.

Spectre électromagnétique (Source : http://canadiensensante.gc.ca/)

Une chose nous frappe immédiatement : seule une toute petite partie de ce spectre est sensible à l'œil humain ; c'est ce que l'on appelle le « spectre visible ».

Bandes de longueurs d’ondes utilisées en météorologie spatiale

Deux domaines vont principalement nous intéresser :

• Visible (VIS) : Correspond au spectre très étroit perceptible par l’œil humain.
• Infrarouge (IR) : Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0 Kelvin, 273°C) émet un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est fonction de sa température. En première approximation, il suffit de mesurer la longueur d’onde dans laquelle les corps rayonnent pour obtenir leur température. On peut ainsi mesurer à distance la température de la terre, des océans, les nuages, etc. Dans le cas des nuages, obtenir leur température revient à connaître leur altitude !

Pour rappel, plus on s'élève, plus la température diminue, avec les quelques repères suivants :

• Au niveau du sol, on a 15°C en moyenne.
• A 7500 ft, on a l'isotherme 0°C.
• A la tropopause (niveau de vol des avions de ligne), il fait environ -55°C à nos latitudes moyennes.

 Alain Herbuel