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CM SAF - Climatologie basée sur les satellites

Début du projet 01.03.2017
Fin du projet 28.02.2022
Thèmes Climat
Météo
Région UE
Statut Projets achevés

Les Centres d'applications satellitaires (Satellite Application Facilities – SAFs) sont des centres de traitement de données satellites et font partie intégrante du segment sol des applications d'EUMETSAT. Depuis 2004, MétéoSuisse est partenaire du projet «Satellite Application Facility on Climate Monitoring» (Centre d'applications satellitaires pour la surveillance du climat – CM SAF).

A partir de données satellites, les SAF pour la surveillance du climat génèrent des relevés de données climatiques sur les paramètres physiques des nuages, le rayonnement de surface et le bilan radiatif aux bords de l'atmosphère, ainsi que sur vapeur d’eau présente dans l'atmosphère.

Nuages

Dans le cadre de la phase précédente du projet (2012-2017), MétéoSuisse a produit un relevé de données de nuages qui couvre la période des années 90 à aujourd’hui. Ce relevé de données repose sur les données des satellites Météosat de première et seconde génération, et couvre la plus part de l’Europe et de l’Afrique avec une résolution spatiale de 5 km. Ces données seront étendues jusque dans les années 80 pendant cette phase.

L'ensemble des données sur les nuages sont une source précieuse d'informations sur le climat. Il permet d'étendre ou de compléter les observations à l'œil nu (SYNOP) dans les régions présentant une faible densité d'observations au sol ou une forte variabilité spatiale de la couche nuageuse, p. ex. en zone montagneuse ou sur les côtes. Par ailleurs, les informations sur les nuages sont souvent nécessaires comme données d'entrée pour déterminer les paramètres physiques des données satellites, par exemple les caractéristiques des surfaces terrestres et océaniques, les flux de rayonnement de surface ou les variables atmosphériques telles que l'humidité et la température.

L'algorithme du masque de nuages repose sur les valeurs continues de couverture nuageuse et non sur la méthode traditionnelle de l'arbre de décision binaire. Ces valeurs sont calculées pour différents canaux de même que pour différentes résolutions spatiales et temporelles. Chaque valeur induit une probabilité de couverture nuageuse pour chaque pixel (nuageux: valeur > 0, ciel limpide (sans nuages): valeur < 0). Le résultat final – la probabilité de couverture nuageuse – est déduit par addition de toutes les valeurs disponibles et en tenant compte des différences de performance de ces valeurs entre la journée, la nuit et les périodes de chutes de neige.

Température de Surface Terrestre

La température de surface terrestre (Land Surface Temperature - LST) est une mesure de la température de la partie supérieure de la surface de la Terre. Du point de vue climatique, la température de surface de la Terre est essentielle pour étudier la surface terrestre et l'échange terre-atmosphère. Complémentaire de la température de l'air, la LST est une mesure de température indépendante pour quantifier le changement climatique.

La LST peut être déterminée à partir des mesures des satellites Meteosat de première et seconde génération dans les fenêtres atmosphériques infrarouges. En 2017, MeteoSwiss a publié un enregistrement de données climatiques à long terme sur la LST en tant que contribution au projet CM SAF. Cet enregistrement de 25 ans est disponible toutes les heures et couvre une grande partie de l'Europe et de l'Afrique avec une résolution spatiale de 0,05°. Il s'agit du premier enregistrement de données climatiques LST à long terme qui résout le cycle diurne, c'est à dire qui fournit des informations sur la température de surface de la Terre pour chaque heure de la journée. Ces travaux ont été menés en étroite collaboration avec le Centre d'applications satellitaires de surface terrestre (SAF LSA). Dans la phase actuelle, nous prévoyons d'étendre les données climatiques aux années 80.

La LST est dérivée de mesures satellites utilisant des modèles de transfert radiatif. Des instruments satellites mesurent la température au sommet de l'atmosphère. La contribution atmosphérique du rayonnement doit être corrigée pour mesurer avec précision la LST. Nous utilisons des informations provenant de modèles météorologiques tels que p. ex. la vapeur d'eau atmosphérique pour corriger la contribution atmosphérique. Nous utilisons également une émissivité climatologique mensuelle venant du satellite MODIS pour estimer le rayonnement thermique réfléchi par la surface.

Rayonnement de surface

Dans la phase actuelle du projet CM SAF (2017-2022), MétéoSuisse se penche sur le budget de rayonnement de surface (Surface Radiation Budget - SRB) qui est une variable climatique essentielle (ECV). MétéoSuisse dirige une activité CM SAF qui a pour but de générer un enregistrement de données climatiques sur 30 ans du SRB complet. Le SRB comprend le rayonnement solaire entrant à la surface, l'albédo, et le rayonnement thermique sortant et entrant à la surface. Le partenaire CM SAF RMI (www.meteo.be) modélise le flux d’enthalpie et de chaleur sensible en se basant sur les données de rayonnement calculées par MétéoSuisse et sur des informations satellites externes telles que la végétation et l'humidité du sol.

Cet enregistrement de données climatiques sur les flux terrestres consiste en un ensemble de plusieurs décennies de données calculées toutes les heures. Les ECV de flux de rayonnement terrestre, de chaleur et de de vapeur d’eau permettront une analyse du rayonnement de la surface vers l'atmosphère et du bilan hydrique pour toute la période Meteosat en Afrique et en Europe. Cet objectif sera principalement atteint en consolidant et en unifiant les développements précédemment séparés de CM SAF, LSA SAF et du Secrétariat d'EUMETSAT en les exécutant conjointement.

MétéoSuisse s'appuie ici sur une longue expertise pour dériver le rayonnement des données satellitaires. Depuis 2007, MétéoSuisse a contribué à la création d'ensembles de données climatiques et de leurs composants pour le rayonnement global (= rayonnement solaire à la surface de la terre). Les données de rayonnement solaire sont particulièrement utiles pour la planification et l'exploitation de centrales solaires, la conception de bâtiments et l'estimation des rendements des récoltes. De plus, des séries chronologiques longues et de haute qualité pour le rayonnement solaire sont un outil précieux pour la science du climat.

Publications

Stöckli, R., Bojanowski, J.S., John, V.O., Duguay-Tetzlaff, A., Bourgeois, Q., Schulz, J., Hollmann, R. (2019) Cloud Detection with Historical Geostationary Satellite Sensors for Climate Applications. Remote Sens, 11, 1052.

Bojanowski, J., Stöckli, R., Tetzlaff, A., Finkensieper, S., Hollmann, R. (2018) Performance Assessment of the COMET Cloud Fractional Cover Climatology across Meteosat Generations, Remote Sensing, 10.

Duguay-Tetzlaff, A., Bento, V.A.,  Göttsche, F.M., Stöckli, R., Martins, J.P.A., Trigo, I., Olesen, F.,Bojanowski, J.S., Da Camara, C., Kunz, H. (2015) Meteosat Land Surface Temperature Climate Data Record: Achievable Accuracy and Potential Uncertainties. Remote Sens., 7, 13139-13156.

Posselt, R., Mueller, R., Stöckli, R., Trentmann, J., Liniger, M.A. (2014) A surface radiation climatology across two Meteosat satellite generations, Remote Sensing of Environment, 142, 103-110; http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2013.11.007

Posselt, R., R. Müller, J. Trentmann, and R. Stöckli (2012). Remote sensing of solar surface radiation for climate monitoring -- the CM-SAF retrieval in international comparison, Remote Sensing of Environment, 118, 186-198; doi:10.1016/j.rse.2011.11.016

Posselt, R., R. Müller, R. Stöckli, and J. Trentmann (2011). Spatial and Temporal Homogeneity of Solar Surface Irradiance across Satellite Generations, Remote Sensing, 3, 1029-1046; doi:10.3390/rs3051029

Mueller R., J. Trentmann, C. Träger-Chatterjee, R. Posselt, R. Stöckli (2011). The Role of the Effective Cloud Albedo for Climate Monitoring and Analysis. Remote Sensing, 3, 2305-2320; doi:10.3390/rs3112305

Dürr, B.; Zelenka, A.; Müller, R. & Philipona, R. (2010). Verification of CM-SAF and MeteoSwiss satellite based retrievals of surface shortwave irradiance over the Alpine region International Journal of Remote Sensing, 2010, 31, 4179 - 4198

Dürr, B. & Zelenka, A. (2009). Deriving surface global irradiance over the Alpine region from METEOSAT Second Generation data by supplementing the HELIOSAT method, International Journal of Remote Sensing 30(22), 5821 - 5841.

Schulz, J.; Albert, P.; Behr, H. D.; Caprion, D.; Deneke, H.; Dewitte, S.; Dürr, B.; Fuchs, P.; Gratzki, A.; Hechler, P.; Hollmann, R.; Johnston, S.; Karlsson, K. G.; Manninen, T.; Mueller, R.; Reuter, M.; Riihela, A.; Roebeling, R.; Selbach, N.; Tetzlaff, A.; Thomas, W.; Werscheck, M.; Wolters, E. & Zelenka, A. (2009). Operational climate monitoring from space: the EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring (CM-SAF), Atmos Chem Phys 9(5), 1687 - 1709.