La méthode Héliosat-2

Heliosat-2 (Cano et al., 1986 ; Rigollier et al., 2004) est une méthode inverse qui déduit le rayonnement solaire à partir de la luminance perçue par le satellite. Elle réunit un model de calcul du rayonnement par ciel clair en chaque point géographique et à tout moment, et un model d'extinction du rayonnement obtenu dû à la présence de nuage. Elle a été développée à MINES ParisTech en collaboration avec plusieurs partenaires européens et est considérée comme l’une des plus performantes parmi les différentes méthodes utilisant des images du spectre visible des satellites météorologiques (Cano et al., 1986).

Heliosat-2 ne traite que des données préalablement étalonnées, donc converties en luminance qui est une grandeur physique reconnue et utilisable par les modèles de transfert radiatif de l’atmosphère. En chaque pixel de coordonnées (i,j) la luminance L perçue par le capteur du satellite à l’instant t est convertie en réflectance (ou albédo) apparente :

$\rho^t (i,j) = \frac {\pi L^t (i,j)}{I_0_{met} \xi(t) \;cos \theta_s(t,i,j)} \hspace{2cm}(1)$

avec :

$\rho^t(i,j)$ Réflectance apparente observée par le capteur à l’instant t
L^t(i,j) Luminance observée par le capteur à l’instant t
$I_0_{met}$ Irradiance solaire (W/m²) au sommet de l’atmosphère dans la bande visible de Météosat
$\xi(t)$ Correction de la distance Terre-Soleil
$\theta_s$ Angle zénithal du soleil à l’instant t, au point (i,j)

On considère n, l’indice d’ennuagement, qui est le paramètre clé de la méthode Heliosat-2, comme résultant d’un rapport entre ce qui est observé par le capteur et ce qui serait observé si le ciel était clair (sans nuages). Cela s’exprime par :

$n^t (i,j) = \frac {\rho^t (i,j) - \rho^t_{ground}(i,j)}{\rho^t_{cloud} (i,j) - \rho^t_{ground}(i,j)} \hspace{2cm}(2)$

avec :

$\rho^t(i,j) \qquad$ Réflectance apparente observée par le capteur à l’instant t (éq. 1)
$\rho^t_{ground}(i,j)$ Réflectance apparente du sol par ciel clair à l’instant t déterminée à partir d’une carte de référence et d’une série temporelle d’images satellitaires pour intégrer une éventuelle variation saisonnière.
$\rho^t_{cloud}(i,j)$ Réflectance apparente des nuages les plus brillants à l’instant t

$n^t (i,j) = \frac {\rho^t_{eff} (i,j) - \rho^t_{atm}(\theta_s, \theta_{\nu}, \phi)}{T_{atm}(\theta_s) \;T_{atm}(\theta_{\nu})} \hspace{2cm}(3)$

avec :

$\rho^t_{eff} (i,j)$ Réflectance effective des nuages
$\rho^t_{atm}$ Réflectance de l’atmosphère
$T_{atm}(\theta_s)$ Transmittance descendante
$T_{atm}(\theta_{\nu})$ Transmittance ascendante
$\theta_s$ Angle zénithal du soleil à l’instant t au point (i,j)
$\theta_{\nu}$ Angle de visée du satellite à l’instant t au point (i,j)

Si le ciel est clair, l'albédo apparent est proche de l’albédo apparent du sol et l’indice d’ennuagement n est proche de 0. Inversement si le ciel est totalement couvert, n est proche de 1. Ce principe de base n’est pas toujours exactement vérifié lorsque par exemple interviennent des couches multiples de nuages, ou lorsque l’albédo du sol varie brutalement (chutes de neige, ombres portées). L’indice d’ennuagement perçu par le capteur ne doit pas être confondu avec la nébulosité que relèverait un observateur au sol. n peut être considéré comme une mesure de l’atténuation du rayonnement solaire par l’atmosphère, et relié au rayonnement global par l’intermédiaire du Kc, quotient de l’irradiation observée par l’irradiation qui devrait être observée par ciel clair :

$K_c = \frac {G(i,j)}{G_c(i,j)} = f(n) \hspace{2cm}(4)$

avec :

G(i,j) Irradiation globale (composantes directe + diffuse) observée
Irradiation globale (composantes directe + diffuse) par ciel clair
f(n) Relation empirique reliant n au Kc (Rigollier et Wald, 1998) (fig. 3)

Fonction empirique reliant l’indice d’ennuagement à l’indice de ciel clair

G est donc calculable à partir de n et de G_c en chaque pixel et à chaque instant :

$G(i,j) = K_c \;G_c(i,j)$

Gc est calculé par le modèle ciel clair ESRA 2000 ; Rigollier et al., 2000).

Ce modèle nécessite des informations sur les propriétés optiques de l'atmosphère : absorption due à la vapeur d’eau et aux aérosols, et diffusion par les aérosols.

Heliosat-2 s'appuie sur les coefficients de turbidité de Linke (TL) qui intègrent ces deux informations (Kasten, 1996 ; Jacovides, 1997). Le TL décrit l’épaisseur optique de l’atmosphère pure sans nuage qui atténuerait le rayonnement direct tel que le fait l’atmosphère réelle par absorption et diffusion.
Des cartes mondiales de TL (pour un trajet optique ascendant et descendant, soit deux fois l’atmosphère) avec une résolution de 5° d’angle ont été créées (fig. ci-dessous) à partir de données de radiation, de vapeur d’eau et d’orographie, et par une méthode de fusion de données (Lefèvre et al., 2004).
Plus le TL est important, plus l’atténuation est forte. Sur une échelle allant de 1 (atmosphère pure) à 5 (polluée) voire 6-7 (très polluée) l’Europe présente des valeurs typiques de 3.5 qui peuvent varier fortement dans le temps ou l’espace.

Cartes de TL pour les moyennes mensuelles de janvier et juillet

UVED

EnvCAL - Suivi de l'environnement par télédétection

La méthode Héliosat-2

Fonction empirique reliant l’indice d’ennuagement à l’indice de ciel clair

Cartes de TL pour les moyennes mensuelles de janvier et juillet

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Définition

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