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Le cyclone Dorian vu par les satellites

L'ouragan Dorian est le premier ouragan majeur de la saison cyclonique de l'Atlantique 2019. Il a commencé le 24 août au milieu de l'Atlantique et a été classé en Catégorie "ouragan" le 28 août. Il s'est intensifié rapidement en Catégorie 4 (ouragans majeurs) le 31 août et en Catégorie 5 le 1er septembre en atteignant les Bahamas. Ses vents puissants ont soufflé pendant une minute à 295 km/h avec une pression centrale minimale de 910 millibars. Dorian a touché terre une deuxième fois plusieurs heures plus tard dans la même région avec presque la même intensité. Ces particularités en font un cyclone de dimensions exceptionnelles. Le 3 septembre, Dorian s'est affaibli en Catégorie 2 et s'est déplacé vers le nord-nord-ouest et a regagné la Catégorie 3 dans des eaux plus chaudes le 5 septembre. C'est classé en Catégorie 1 qu'il a touché les États-Unis le 6 septembre. Dorian a dévasté les Bahamas et les États-Unis ont déclaré l'état d'urgence sur la côte.

Fig 1: CFOSAT: paramètres des vagues pour les traces 94 (08/30), 139 (09/01), 169 (09/01) et 216 (09/03) lorsque le cyclone se déplace vers l'ouest, superposés au modèle de hauteurs des vagues ECMWF, avec les positions de Dorian issues de la NOAA. Crédits CNES/CLS. Cliquez pour agrandir. Crédits CNES/CLS.

 

Plusieurs exemples donnés ci-dessous illustrent les mesures de paramètres des vagues (hauteur, direction,...), de la vitesse du vent ou du contenu énergétique des satellites CFOSAT (CNES/CNSA), Copernicus Sentinel-3 (ESA/EUMETSAT), Jason-3 et Jason-2 (CNES/NASA/EUMETSAT/NOAA), Cryosat-2 (ESA), SARAL/AltiKa (ISRO/CNES), Copernicus Sentinel-1 (ESA), Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, ESA) et Soil Moisture Active Passive (SMAP, NASA) ainsi que le modèle PSY4-QV3 (Mercator Ocean/CMEMS).

Mesure de la hauteur de vague par CFOSAT

Fig 2: Spectre directionnel de la pente des vagues calculé sur une boîte le long de la trace 216 de CFOSAT le 3 septembre à partir duquel on peut déduire les paramètres de vagues (hauteur, direction, longueur d'onde). Crédits CNES/CLS.

Développé conjointement par le CNES et l'agence spatiale chinoise CNSA (China National Space Administration), la mission Chinese-French Oceanic Satellite (CFOSAT) a été lancée le 29 octobre 2019, consacrée à la surveillance du vent et des vagues à la surface des océans, ainsi qu’aux applications scientifiques océaniques et atmosphériques.  Cette mission pré-opérationnelle embarque deux instruments principaux: le radar français SWIM (Surface Wave Investigation and Monitoring) pour déterminer la direction, la hauteur et la longueur d'onde des ondes de surface et le diffusiomètre chinois SCAT pour mesurer la vitesse du vent. L’objectif de cette mission est de fournir des observations de vents et de vagues d’une part aux agences météorologiques afin d’améliorer leurs modèles de prévision et d’état de la mer et d’autre part à la communauté scientifique pour la recherche océanographique et climatique afin d’améliorer également les modèles marins ainsi que la compréhension de l'influence de l'état de la mer dans les flux de surface.

Les mesures SWIM sont traitées par le segment sol français et certaines acquisitions ont été faites sur la trajectoire du cyclone Dorian. Le satellite fournit des mesures nadir le long de la trajectoire qui peuvent être utilisées comme missions altimétriques classiques, mais il fournit également le spectre des vagues dans deux dimensions, la direction des vagues, la longueur d’onde et la hauteur à partir des 6 faisceaux rotatifs de SWIM à différents angles (0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°). Ces paramètres sont estimés à partir des spectres directionnels de la pente des vagues qui sont eux mêmes calculés sur des boites de 70x90 km de chaque côté de la trace. Un algorithme de partitionnement est utilisé pour détecter jusqu'à 3 partitions dans le domaine du spectre et les paramètres spectraux des ondes (direction, longueur d'onde et hauteur) sont calculés sur le spectre complet et partitionné. Ces paramètres peuvent être représentés par des flèches. Le spectre a été calculé le long de la trace 216 le 3 septembre (fig 2)  et les paramètres des vagues sont tracés entre le 30 août et le 3 septembre (fig 1)

Hauteurs Significatives des Vagues mesurées par Jason-2, Jason-3, Copernicus Sentinel-3A et Sentinel-3B, Cryosat-2, SARAL/Altika

Les missions altimétriques ont croisé le Dorian entre le 29 août et le 4 septembre. La figure ci-dessous montre la hauteur de vague significative de Jason-2, Jason-3 et SARAL/AltiKa des produits IGDR et des produits Copernicus Sentinel-3A et Sentinel-3B Niveau-2 Plus (Level-2P). (ces produits sont distribués par Aviso+), Cryosat-2 NOP distribués par l'ESA et les produits CFOSAT L2 qui seront bientôt distribués par Aviso+.

Fig 3: Hauteur Significative des vagues (en m) sous la trajectoire du cyclone Dorian entre le 30 août et le 4 septembre 2019
pour les missions CFOSAT, Jason-2/3, Copernicus Sentinel-3A/B, SARAL/AltiKa et Cryosat-2.
Les positions et les vents soutenus maximums (en noeuds) du cyclone (origine NOAA) sont superposés.
Cliquez ci dessous pour animer:
 
Crédits EUMETSAT/CNES/CLS.

Fig 4: Evolution quotidienne des cartes de hauteur des vagues (en m) entre le 28 août et le 5 septembre 2019. (cliquez pour agrandir). Crédits European Copernicus Marine Service.

Les cartes instantanées de hauteur significative des vagues sont produites dans le cadre du Copernicus Marine Environment Monitoring Service. Ce produit de niveau 4 grillé (produit L4) combine les données le long de la trace (produits L3) de 5 altimètres (Jason-3, Sentinel-3A and 3B, Cryosat-2 et SARAL/AltiKa) pour donner une estimation du champ de hauteur de vagues en temps réel.

Cette figure montre l'évolution quotidienne des vagues (produit CMEMS nommé WAVE_GLO_WAV_L4_SWH_NRT_OBSERVATIONS_014_003) lorsque l'ouragan Dorian frappe le nord-ouest des Bahamas et dérive vers la Floride à l'ouest. L'évolution quotidienne met en évidence le développement et la propagation de hauteurs de vagues extrêmes, suite à l'intensification de l'ouragan.

 

La figure 5 ci dessous montre les mesures de hauteur significative des vagues altimétriques le long de la trace des missions Copernicus Sentinel-3A et Sentinel-3B (avant validation des mesures) superposées à la températures de surface des instruments SLSTR IR pour les 30 et 31 août et les 2 et 3 septembre. Ces figures sont obtenues à partir de l'outil de visualisation des données Sentinel-3 proposé par l'ESA (https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-3) en collaboration avec OceanDataLab.

 

Mesure de la vitesse du vent SAR 

Plusieurs acquisitions SAR ont été faites par les missions Copernicus/ESA Sentinel-1 et  RadarSat-2 lors du passage de Dorian.

Les images du radar à synthèse d'ouverture (SAR) embarqué contiennent en alternance des zones sombres et claires (voir les graphiques de gauche ci-dessous). Les zones sombres mettent en évidence les zones de faible rétrodiffusion (faibles valeurs en décibels) et témoignent de zones "calmes", comme l'œil du cyclone. Au contraire, les zones claires avec des valeurs de rétrodiffusion élevées présentent des surfaces rugueuses (vagues ou pluie). La carte à haute résolution du champ de vent de surface est dérivée des mesures de rétrodiffusion en combinant les polarisations verticale et horizontale (VV et VH) de l'instrument SAR (voir graphique de droite ci-dessous et le papier Mouche et al, 2019).

Grâce à l'initiative de l'ESA pour la surveillance spatiale des cyclones tropicaux, la campagne d'observation des ouragans par satellite (Satellite Hurricane Observation Campaign SHOC) consiste en un effort conjoint entre l'équipe de planification de la mission Sentinel-1, IFREMER et CLS. Une fois l'alerte déclenchée, le plan d'acquisition des missions Sentinel-1 A et Sentinel-1 B est modifié à court terme afin de capturer l'événement cyclonique au-dessus des océans avant l'arrivée à terre, y compris la haute mer et les zones côtières.

L'accès aux données RadarSat-2 a été soutenu par des fonds publics (Ministère de l'Education Nationale, de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, FEDER, Région Bretagne, Conseil Général du Finistère, Brest Métropole) et par l'Institut Mines Télécom, reçus dans le cadre du projet VIGISAT géré par Groupement Bretagne Télédétection (SIG BreTel). 

Fig 6: (gauche) images SAR et (droit) cartes dérivées de champs de vents de surface avec  
(haut) données Copernicus Sentinel-1 modifiées (2019) du 30 août; 
(bas) données RADARSAT-2 du 1er septembre de Maxar, utilisées en routine par l'équipe SHOC.
L' algorithme utilisé est décrit dans Mouche et al., 2019

 

Vitesse du vent calculée par SMOS et SMAP 

Les missions Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de l'Agence Spatiale Européenne et Soil Moisture Active Passive (SMAP) de la NASA fournissent des images de températures de brillance de la terre en bande L (fréquence électromagnétique de 1.4 GHz). Étant donné que le rayonnement ascendant à 1.4 GHz est nettement moins affecté par les effets de la pluie et de l'atmosphère que par des fréquences micro-ondes plus élevées, les mesures SMOS offrent des possibilités uniques de compléter les observations satellitaires existantes de vents violents dans les cyclones tropicaux et par temps violent (Reul et al., 2012;Reul et al., 2016;Meissner et al., 2017) qui sont souvent erronées dans ces conditions. La base physique de la récupération de la vitesse du vent de surface dans des conditions météorologiques extrêmes à partir de radiomètres passifs à hyperfréquences est l'émission à partir d'une surface de mer rugueuse et recouverte d'écume. L'état de la mer dans les cyclones tropicaux est complexe et varie selon les secteurs dans la tempête, mais dans la région où la vitesse du vent dépasse la force de la tempête tropicale (>17 m/s ~34 nœuds), les vagues déferlantes produisent de grands bancs d'écume et de la turbulence en profondeur. Les bancs d'écume sont associés à une forte émissivité aux fréquences micro-ondes. La couverture horizontale de l'écume et l'extension de l'épaisseur à mesure que la vitesse du vent augmente vers la force de l'ouragan et l'augmentation de l'émissivité associée sont les principes de base pour la récupération du vent des radiomètres. Cette information peut être utilisée pour mesurer à distance la vitesse du vent de surface en cas d'ouragan. Plusieurs interceptions de l'ouragan Dorian sont disponibles à partir des deux capteurs les 3, 4 et 6 septembre alors qu'il se propage le long de la côte est des États-Unis.  

Les vitesses du vent sont traitées et distribuées aux centres opérationnels en temps réel (dans les 4 heures suivant l'acquisition) pour les deux capteurs, à la fois par l'ESA et l'Ifremer pour SMOS (www.smosstorm.org ) et par REMSS pour SMAP (https://podaac.jpl.nasa.gov/SMAP, www.remss.com ). Ces capteurs se limitent à fournir la structure des régions à forts gradients, comme l'œil et le mur de l'oeil des cyclones, en raison de leur résolution spatiale de 40 km. Malgré cela, ils fournissent des estimations essentielles et fiables des vents dans les différents degrés: coup de vent (34 noeuds - 62km/h), tempête (50 noeuds - 90 km/h) et destructeurs (64 noeuds - 118km/h) (Reul et al., 2017) permettant d'apporter du support pour générer des bulletins d'alertes cycloniques, de prévisions et pour les opérations.

Fig 7: Vents calculés par SMOS en m/s au passage des cyclones Dorian et Juliette le 3 septembre (gauche) 
et au passage de Dorian le 6 septembre (droit). Crédits ESA/Ifremer.

Fig 8: Vents calculés par SMAP en m/s au passage du cyclone Dorian le 31 août (gauche),
le 4 septembre (millieu) et le 9 septembre (droit). Crédits REMSS.

 

Mesure du contenu thermique de l'océan

La chaleur de l'océan est le combustible nécessaire au développement et au maintien de l'ouragan. Le potentiel de chaleur de l'océan, appelé potentiel de chaleur des cyclones tropicaux (Tropical Cyclone Heat Potential - TCHP), est la quantité de chaleur océanique disponible au-dessus de l'isotherme de 26 °C (température minimale requise pour la génération de cyclones) et donne des informations sur la condition de l'eau avant le passage de l'ouragan et montre également la chaleur pompée dans l'océan par le cyclone dans son sillage. Le TCHP est calculé à partir des données de température du modèle océanique global PSY4V3 développé par Mercator Océan International dans le cadre du Copernicus Marine Service européen. Les positions de l'ouragan et les vents soutenus maximums sont distribués par la NOAA. 

Fig 9: La localisation et l'intensité du cyclone Dorian sont tracés sur le contenu énergétique de l'océan (TCHP); le contour gris à 50kJ/cm2 est la valeur seuil du TCHP nécessaire au développement/durabilité de l'ouragan. Cliquez pour ouvrir l'animation.

Plus d'information:

  • General

  • Accès aux données:

    • les produits CFOSAT L2 seront bientôt distribués par Aviso+
    • données de hauteurs significative des vagues des produits Copernicus Sentinel-3 Level-2 Plus: site AVISO+ en collaboration avec EUMETSAT.
    • produits OGDR Jason-2/Jason-3/SARAL/AltiKa: site AVISO+.
    • produits combinés des hauteurs significatives des vagues avec Jason-3, Sentinel-3A&B, Cryosat-2 et Saral/Altika, distribué par le Copernicus Marine Service, produit WAVE_GLO_WAV_L4_SWH_NRT_OBSERVATIONS_014_003
    • missions Copernicus Sentinel-1 et Sentinel-3: site de l'ESA.
    • Soil Moisture and Ocean Salinity data distribués par l'ESA et Ifremer www.smosstorm.org 
    • Soil Moisture Active Passive distribués par REMSS et NASA https://podaac.jpl.nasa.gov/SMAPwww.remss.com
    • produits Cryosat-2 NOP site de l'ESA
    • modèle PSY4-V3 model, 1/12° de Mercator Océan distribué par le Copernicus Marine Service, produit GLOBAL_ANALYSIS_FORECAST_PHY_001_024
    • positions et vents soutenus distribués par la NOAA

  • Vidéo sur l'observation des cyclones et mesures des hauteurs de vagues: 

    • 2016, vidéo produite par le CNES, Mira production exécutive
    • 2008, vidéo produite par le CNES, Mira production exécutive

  • Références scientifiques (en anglais):

    • Sur l'observation du vent par Copernicus Sentinel-1:

      • Mouche Alexis, Chapron Bertrand, Knaff John, Zhao Yuan, Zhang Biao, Combot Clement (2019). Co-polarized and Cross‐Polarized SAR Measurements for High‐Resolution Description of Major Hurricane Wind Structures: Application to Irma Category 5 Hurricane. Journal Of Geophysical Research-oceans, 124(6), 3905-3922. https://doi.org/10.1029/2019JC015056 
      • Extreme winds with Sentinel-1 : A. A. Mouche and B. Chapron and B. Zhang and R. Husson, Combined Co- and Cross-Polarized SAR Measurements Under Extreme Wind, in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. PP, Issue 99, pp1-10, 10.1109/TGRS.2017.2732508, 2017

    • Sur les vents calculés par SMOS et SMAP:

      • Reul Nicolas, Chapron Bertrand, Zabolotskikh E., Donlon C., Mouche Alexis, Tenerelli Joseph, Collard F., Piolle Jean-Francois, Fore A., Yueh S., Cotton J., Francis P., Quilfen Yves, Kudryavtsev V. (2017). A new generation of Tropical Cyclone Size measurements from space . Bulletin Of The American Meteorological Society , 98(11), 2367-2386 . Publisher's official version : doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00291.1   ,
      • Reul Nicolas, Chapron Bertrand, Zabolotskikh E., Donlon C., Quilfen Yves, Guimbard Sebastien, Piolle Jean-Francois (2016). A revised L-band radio-brightness sensitivity to extreme winds under tropical cyclones: The 5 year SMOS-Storm database . Remote Sensing Of Environment , 180, 274-291 . Publisher's official version : doi.org/10.1016/j.rse.2016.03.011
      • Reul Nicolas, Tenerelli Joseph, Chapron Bertrand, Vandemark Doug, Quilfen Yves, Kerr Yann (2012). SMOS satellite L-band radiometer: A new capability for ocean surface remote sensing in hurricanes . Journal Of Geophysical Research-oceans , 117, - . Publisher's official version : doi.org/10.1029/2011JC007474
      • Meissner, T., L. Ricciardulli, and F. Wentz, 2018: Remote Sensing Systems SMAP daily Sea Surface Winds Speeds on 0.25 deg grid, Version 01.0. [NRT or FINAL]. Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA. Available online at www.remss.com/missions/smap/ 

    • Sur l'utilisation des données altimétriques: Carrère L, F. Mertz, J. Dorandeu, Y. Quilfen and J. Patoux, 2009: "Observing and Studying Extreme Low Pressure Events with Altimetry"

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