Le vent à la surface de l'océan.

Comment l'observer? Comment l'estimer au mieux?

 Jean Pailleux  

De quel vent parle-t-on?

La description et la compréhension des phénomènes affectant l'océan et l'atmosphère passent par l'observation ou l'estimation d'un grand nombre de variables essentielles, parmi elles le vent. Ces phénomènes sont particulièrement complexes dans le domaine d'interaction entre l'atmosphère et la surface terrestre (océanique ou continentale). Cette complexité se traduit en particulier par une forte variabilité spatio-temporelle des mouvements de l'atmosphère qui reste vraie jusqu'à des échelles très petites pour météorologues et climatologues (de l'ordre du décamètre sur l'horizontale et de la dizaine de secondes). Cette forte variabilité a conduit les météorologues à définir une variable «Vent vectoriel horizontal à 10 mètres au-dessus de la surface du sol», notée V10m. Ce vent, fixé conventionnellement à 10 m, est aussi moyenné conventionnellement sur 10 minutes de temps, de façon à permettre une observation et un traitement global assez homogènes de la variable vent horizontal (près du sol) sur la planète. Il est loin d'être suffisant pour décrire l'ensemble des phénomènes atmosphériques, et les météorologues lui associent souvent la notion de «vent instantané» qui est plutôt moyennée sur 3 à 5 secondes (toujours à 10 m au-dessus du sol). Une variation brutale (en quelques secondes) du vent instantané est appelée «rafale». Le «vent en rafales» tel qu’indiqué par plusieurs stations d’observation est la valeur maximale de la vitesse du vent instantané sur une période de quelques minutes (généralement 10). Dans les situations météorologiques classiques, les rafales sont parfois 2 à 3 fois supérieures en vitesse au V10m moyenné sur 10 minutes.

Malgré ces efforts de normalisation, le vent à 10 m reste souvent mal défini quand il s'agit de savoir à quelle particule d'air il s'applique exactement et de quelle échelle horizontale il est représentatif. Cela est vrai dans les zones continentales montagneuses, et aussi sur les océans : quand la surface de l'océan est affectée par des vagues de 10 m de haut, que peut signifier un vent à 10 m au-dessus de l'océan moyenné sur 10 minutes, et comment le mesurer, comment l'estimer ? On rejoint ici la complexité de l'interaction entres les deux couches limites (océanique et atmosphérique) qui a donné lieu à tant de recherches car elle est fondamentale pour la modélisation de l'atmosphère, de l'océan et du système climatique dans son ensemble.

Beaucoup de variables essentielles pour décrire l'interaction océan-atmosphère ne peuvent pas être mesurées directement, mais estimées indirectement, c'est-à-dire modélisées. Quand cette modélisation est simple (régression statistique, mini-modèle 1D de couche limite atmosphérique) on parle «d'observation traitée ou pré-traitée». Quand elle est plus complexe on dit que la variable est «modélisée ou analysée». 

Les observations de vent à 10 m

Il n'existe pas de séparation nette entre les observations qui seraient de pures mesures instrumentales d'une part, et d'autre part celles qui ne seraient accessibles que par la modélisation. Dans l'atmosphère, l'océan, et plus particulièrement dans les couches limites qui font l'interface entre les deux, l'on dispose d'un ensemble de variables plus ou moins proches de la mesure pure ou de la modélisation pure, mais presque toujours intermédiaires entre les deux.

Sur l'océan V10m est accessible par les systèmes d'observation suivants :

• anémomètres et girouettes montés sur les bateaux ;
• anémomètres et girouettes montés sur des bouées ancrées ou dérivantes ;
• radiomètres micro-ondes embarqués sur des satellites ;
• diffusiomètres embarqués sur des satellites ;
• altimètres embarqués sur des satellites.

Les observations de bateaux et de bouées sont assez proches de la mesure pure, la partie traitement comprenant la calibration d'un anémomètre et d'une girouette, ainsi que la gestion du mouvement du mât de mesure. Mais elles souffrent de deux limitations :

• elles respectent mal les normes (vent à 10 m moyenné sur 10 minutes par exemple), et donc sont affectées d'une forte erreur de représentativité, que les utilisateurs doivent s'efforcer de filtrer ;
• elles échantillonnent mal l'océan global du fait de la couverture de données limitée aux zones fréquentées par les navires de commerce et fortement variable au cours du temps.

Les vents diffusiométriques, altimétriques ou radiométriques (micro-ondes) sont au contraire très éloignés du statut de mesures directes, la mesure brute caractérisant plutôt l'état de la mer (vagues, houle, etc...) à partir de laquelle on essaie d'estimer la vitesse du vent à 10 m par divers modèles, et, dans le cas du diffusiomètre d'estimer aussi la direction. L'estimation d'un V10m se fait généralement par un centre de traitement qui s'appuie sur un modèle de couche limite 1D, lui-même nécessitant la connaissance d'autres variables météorologiques au point d'observation (température de la surface de la mer, température de l'air à diverses altitudes, indice de stabilité de la couche limite...). Cela rend le V10m difficile à estimer de manière indépendante pour chaque point d'observation, sans information météorologique annexe. La meilleure estimation du V10m ne peut être obtenue que par un traitement cohérent dans l'espace 3D et dans le temps, c'est-à-dire via un modèle sophistiqué assimilant les mesures sous une forme aussi authentique que possible.

La couverture de données d'un diffusiomètre embarqué (par exemple l'instrument à large fauchée ASCAT sur METOP) permet de bien échantillonner le vent océanique puisqu'elle recouvre presque tout l'océan non gelé en 12 h de temps. Elle est néanmoins tronquée par les surfaces océaniques de banquise sur lesquelles le diffusiomètre ne peut pas estimer le vent. De plus le domaine échantillonné fluctue au rythme des saisons du nord au sud en suivant le gel et la fonte de la banquise.

Les données radiométriques micro-ondes présentent généralement les mêmes propriétés que les données diffusiométriques en terme de couverture de données, avec une limitation de plus : elles permettent de restituer la vitesse du vent mais pas sa direction. De son côté, le diffusiomètre permet d'estimer la direction du vent, même si, en fonction de la géométrie de la mesure, il laisse parfois une incertitude entre 2 ou 4 directions possibles.

Les données altimétriques de vent sont restituées par des traitements un peu semblables aux données diffusiométriques, mais elles ne permettent pas d'observer la direction du vent, et surtout la couverture de données est beaucoup plus limitée du fait que l'observation ne se fait actuellement qu'au nadir sous la trace au sol de l'orbite du satellite (au lieu d'une fauchée de plusieurs centaines de km).

Comme expliqué précédemment, on ne peut pas simplement classer les données météo-océaniques en deux catégories, celles qui seraient des observations pures, et celles qui résulteraient d'une modélisation. En réalité, on a un spectre continu de données obtenues en partie par la mesure, en partie par la modélisation (ou une fusion avec d'autres données, ce qui n'est rien d'autre qu'une modélisation simple). Le vent à 10 m (V10m) se situe assez franchement du côté «modélisation», surtout pour les données obtenues à partir des satellites.

De l'autre côté de ce spectre (observé vs modélisé), la température de surface de la mer (SST) est une variable essentielle du système climatique qui est obtenue très directement à partir de mesures. On peut même l'estimer quasi globalement avec seulement des mesures de bateaux et de bouées, alors qu'il existe maintenant une multitude d'instruments spatiaux, surtout des radiomètres infrarouges, instruments pouvant s'inter-calibrer entre eux et avec les mesures in-situ. En y joignant les réseaux conventionnels des stations terrestres mesurant la température de l'air près du sol («sous-abri»), on peut estimer facilement la température à la surface de la Terre moyennée sur tout le globe, principal indicateur global du changement climatique.
Voir la FAQ : «Quelles observations pour estimer la température à la surface de la Terre?»

Monitoring et assimilation dans les modèles des données de vent à 10 m

Les observations de vent effectuées sur bouées et bateaux ont toujours été utilisées en prévision numérique du temps et aussi pour les réanalyses. Elles nécessitent souvent un prétraitement pour réaffecter à 10 m une mesure effectuée à une autre altitude. Un monitoring opérationnel vérifie au quotidien leur disponibilité et leur qualité, plate-forme par plate-forme, dans la plupart des centres de prévision. L'expérience montre qu'elles sont surtout utiles dans le cadre d'une analyse 3D combinant le champ de vent et le champ de masse, où elles aident à bien placer les centres dépressionnaires et anticycloniques (plus que pour donner la valeur précise du vent au point d'observation).

Les observations de vent diffusiométriques sont monitorées depuis 1991 (ERS1) et sont assimilées depuis 1996 dans beaucoup de modèles météorologiques. Le Technical Memorandum du CEPMMT N° 629 datant de 2010, et la bibliographie qui l'accompagne, expliquent en détail qu'un diffusiomètre n'observe pas exactement un V10m, ce qui a conduit pendant près de 20 ans à tâtonner beaucoup pour rechercher une bonne donnée interface entre des observations diffusiométriques et les systèmes d'assimilation, ainsi qu'un bon opérateur d'observation associé. Cette publication de Herbasch est un bon exemple de la complexité attachée aux opérateurs d'observation qui permettent de traiter les données satellitaires afin d'en restituer un V10m de façon cohérente dans l'espace et le temps. Le traitement des observations brutes fait constamment l'objet de recherches, de développements et d'améliorations. Lorsqu'une nouvelle réanalyse est planifiée, il est souvent important de refaire le traitement complet des observations de ce type, afin de garantir l'homogénéité de la série temporelle qui en résulte.

Une particularité des vents diffusiométriques est que certaines données observées se présentent sous forme d'un «vent ambigu» : la vitesse est mesurée (en fait plutôt estimée), mais 2 ou 4 directions sont possibles. Le lever d'ambiguïté se fait toujours en confrontant l'observation à son équivalent «modèle», ce qui revient à la confronter à l'ensemble des autres sources d'information disponibles sur l'état de l'atmosphère ou de l'océan.

Les observations de vent (vitesse seulement) résultant de la radiométrie micro-onde ont été assimilées épisodiquement dans les modèles opérationnels. Mais au CEPMMT (et probablement aussi dans la plupart des autres centres du même type), les systèmes d'assimilation de données utilisent plutôt les sondeurs sous forme de radiances (quantité plus proche de la mesure brute que ne peut l'être un vent à 10 m, nécessairement traité ou modélisé). Le choix actuel consiste donc à assimiler directement les canaux micro-ondes servant de base au traitement des vents à 10 m. Les canaux des sondeurs satellitaires font l'objet d'un suivi par les outils de monitoring, au même titre que les autres observations. La présentation de Lotfi Aouf fournit une estimation de ce que peuvent apporter les radiomètres micro-ondes (en 2016) à l'analyse des vagues et du vent à la surface de l'océan, en particulier des vents obtenus à partir du satellite SMOS (instrument MIRAS) au voisinage des cyclones tropicaux : "On the use of SMOS winds in the wave model MFWAM"

Les observations de vent altimétrique (vitesse seulement) n'ont pas été utilisées directement dans les modèles atmosphériques de prévision, du moins en Europe. Mais certaines entrent quotidiennement dans l'assimilation du CEPMMT, de façon passive, ce qui permet de les soumettre au monitoring et de comparer leurs performances avec les autres systèmes d'observation de V10m. Il faut surtout noter que les modèles globaux de prévision et de climat sont de plus en plus des systèmes de modèles couplés «océan – vagues - atmosphère». Dans le cas du CEPMMT, l'observation altimétrique entre bien dans le système, mais en étant assimilée dans le modèle de vagues plutôt que dans le modèle atmosphérique, sous forme de «Significant Wave Height» (SWH) plutôt que sous forme de vent restitué à 10 m. La Newsletter 149 du CEPMMT et son article de Saleh Abdalla donne un état de l'art de l'usage des données altimétriques dans les modèles atmosphériques, océanographiques et modèles de vagues.

Il s'agit à la fois des modèles de prévision opérationnels et des réanalyses. Pour les réanalyses, la construction de jeux de données altimétriques homogènes est utile, y compris pour les données de vent, même si ces dernières ne servent qu'en mode validation (par le monitoring). L'utilisation de ces jeux de données altimétriques se résume actuellement ainsi :

• donnée altimétrique sur la hauteur de l'océan (SLA : Sea Level Anomaly) assimilée dans les modèles océaniques ;
• donnée altimétrique sur les vagues (SWH : Significant Wave Height) assimilée dans les modèles de vagues ;
• donnée altimétrique sur les vents à 10m assimilée dans aucun modèle, mais utilisée en mode validation par rapport au modèle atmosphérique.
• Et comme ces 3 modèles sont couplés, l'information altimétrique entre dans tous.

Que disent les systèmes de monitoring sur la qualité et la quantité de ces observations ? Que disent les études d'impact ?

Le monitoring de Météo-France est actuellement (2017) accessible sous la page du site de Météo France : "METEOROLOGICAL DATA MONITORING"

On peut y suivre la situation en termes de quantité d'observations disponibles, et aussi en termes de qualité par inter-comparaison des différentes sources d'information, soit au jour le jour, soit sur une période récente de l'ordre de 2 mois, soit encore en remontant sur une plus longue période du passé. Se laisser guider par les mots clés comme «Data coverage maps», ou «Satellite observations». Dans le menu on peut choisir par exemple «Scatterometer» pour «Observation type», puis comparer avec d'autres observations.

Le monitoring du CEPMMT est accessible sur la page : "Monitoring of the observing system"

Puis procéder comme pour le monitoring de Météo-France, naviguer en se laissant guider par les différents boutons du menu permettant de choisir le type d'observation, le type de diagramme ou de carte, l'intervalle horaire d'observation, etc...

En termes de quantité de données disponibles, le nombre de points d'observation de vents Jason-2 est presque 100 fois plus petit que le nombre de points d'observation de vents METOP-A (échantillonnage altimétrique deux ordres de grandeur en-dessous de celui du diffusiomètre – observation seulement au nadir pour l'altimètre – monitoring début 2017).

Concernant la qualité des observations, les indicateurs classiques du monitoring sont les moyennes (biais) et écarts-types des quantités «Obs-Guess» et «Obs-Analyse». Pour tous les diffusiomètres et altimètres examinés à ce jour (printemps 2017), l'écart-type de «Obs-Guess» oscille toujours aux environs de 1.5 m/s : il faut l'interpréter comme la comparaison entre chaque vent satellitaire et la meilleure estimation de ce vent au même point prenant en compte tous les autres types d'observation (sauf le vent satellitaire lui-même). On observe une forte variabilité des biais lorsque l'on passe d'un instrument à l'autre (Metop-A à Metop-B par exemple concernant les diffusiomètres ASCAT) ou même d'un angle de visée à l'autre.
L'étude de ces biais et écarts-types (et de leur variabilité dans l'espace et le temps) se fait dans les différents centres de prévision numérique : ces études permettent de corriger des défauts soit dans le traitement des données de base, soit dans le système d'assimilation ; ces corrections sont importantes en vue des futures réanalyses car elles permettent de retraiter les séries d'observation en les perfectionnant, tout en perfectionnant le système d'assimilation.

On ne note donc pas de différence systématique de qualité entre les différents instruments que l'on peut examiner : diffusiomètres disponibles en temps réel, altimètre de Jason, RapidScat, etc. Ce dernier instrument (testé sur la station spatiale internationale), malgré quelques fluctuations de qualité, a été intégré pendant quelques mois dans l'assimilation opérationnelle de Météo-France (et aussi du Met Office britannique). Il a cessé de fonctionner le 19 août 2016.

Par rapport aux mesures in-situ, la principale faiblesse affectant à la fois les vents diffusiométriques et altimétriques apparaît dans les diagrammes de dispersion du monitoring : c'est l'incapacité à mesurer les vents extrêmes, soit parfaitement calmes, soit supérieurs à 25m/s. Ce point est documenté dans la présentation de Giovanna Di Chiara et Saleh Abdalla au séminaire du CEPMMT de septembre 2014. Voir en particulier les diagrammes de dispersion de ses diapos 31 et 32.

Paradoxalement, la même présentation montre des études expliquant que les vents diffusiométriques aident de manière significative à la localisation et à la prévision de cyclones tropicaux (où le V10m dépasse parfois les 40 m/s et même les 100 m/s en rafales). Ceci s'explique par le fait que les cyclones sont souvent entourés d'une «ceinture» de vents de l'ordre de 10 à 20 m/s, vus par les diffusiomètres. Assimilés de façon cohérente avec les autres observations (pression, température) ces données diffusiométriques permettent de mieux caractériser la position du centre du cyclone, sa forme et sa structure. En synergie avec les autres observations, les données diffusiométriques peuvent donc beaucoup, même si elles peuvent peu par elles-mêmes. Les résultats de Lotfi Aouf (lien ci-dessus) conduisent à une conclusion analogue, appliquée aux vents issus de la radiométrie micro-onde (SMOS).

Les deux publications suivantes (de Saleh Abdalla et Giovanna Di Chiara, en 2015) font un résumé exhaustif de l'impact des diffusiomètres et des altimètres sur les analyses et prévisions du CEPMMT :

Active techniques for wind observations: scatterometer

Active techniques for wind and wave observations: radar altimeter

L'on y étudie comment diffusiomètres et altimètres affectent les analyses et prévisions des trois modèles couplés : océan, vagues, atmosphère. Il est par exemple assez remarquable que les observations altimétriques de SARAL (assimilées seulement dans le modèle océanique et le modèle de vagues) affectent la prévision météorologique en pression et température de manière détectable même à une échéance de 4 à 7 jours (figure 14 de la publication du dernier lien).

Le suivi du changement climatique est très exigent pour les équipes en charge des réanalyses, surtout en termes de cohérence pour les recherches, restitutions et retraitements de séries anciennes de mesures observées. Voir dans la Newsletter du CEPMMT (N°144, page 8) l'article «Rescuing satellite data for climate» (par Paul Poli et al.) :

Il est important que ce travail soit effectué lors de la planification de chaque nouvelle réanalyse pour la plupart des observations de satellites, en particulier celles des diffusiomètres et des altimètres.    

Mise à jour en février 2021