Depuis l'automne dernier, les scientifiques de la NASA ont volé un instrument avancé 3D Doppler Wind Lidar à travers les États-Unis pour collecter près de 100 heures de données, y compris un vol à travers un ouragan. Le but? Pour démontrer la capacité unique de l'instrument de Profileur de vent d'aérosol (AWP) pour rassembler des mesures extrêmement précises de la direction du vent, de la vitesse du vent et de la concentration en aérosol – tous des éléments cruciaux pour une prévision des intempéries précises.
Les phénomènes météorologiques comme les orages violents et les ouragans se développent rapidement, donc l'amélioration des prédictions nécessite des observations de vent plus précises.
« Il y a un manque de mesures mondiales du vent au-dessus de la surface de la Terre », a expliqué Kris Bedka, le chercheur principal de l'AWP au Langley Research Center de la NASA à Hampton, en Virginie. « Les vents sont mesurés par des avions commerciaux alors qu'ils se rendent vers leurs destinations et par des ballons météorologiques lancés jusqu'à deux fois par jour à partir de seulement 1 300 sites à travers le monde. De l'espace, les vents sont estimés en suivant le mouvement des nuages et des vapeur d'eau à partir d'images satellites. »
Cependant, dans les zones sans nuages ou où les modèles de vapeur d'eau ne peuvent pas être facilement suivis, il n'y a généralement pas de mesures de vent fiables. L'instrument AWP cherche à combler ces lacunes avec des profils de vent 3D détaillés.
Monté sur un avion avec des ports de visualisation en dessous, AWP émet 200 impulsions d'énergie laser par seconde qui se dispersent et réfléchissent sur les particules d'aérosol – telles que la pollution, la poussière, la fumée, le sel de mer et les nuages - dans l'air. Le mouvement des particules sur les aérosols et les nuages provoque un changement de longueur d'onde d'impulsion laser, un concept connu sous le nom d'effet Doppler.
L'instrument AWP envoie ces impulsions dans deux directions, orientées à 90 degrés les unes des autres. Combinés, ils créent un profil 3D de vecteurs de vent, représentant à la fois la vitesse du vent et la direction.
« Le profileur de vent d'aérosol est capable de mesurer la vitesse et la direction du vent, mais pas seulement à un point donné », a déclaré Bedka. « Au lieu de cela, nous mesurons les vents à différentes altitudes dans l'atmosphère simultanément avec des détails et une précision extrêmement élevés. »
Les vecteurs aident les chercheurs et les météorologues à comprendre la météo, de sorte que les mesures de l'AWP pourraient progresser considérablement la modélisation et les prévisions météorologiques. Pour cette raison, l'instrument a été choisi pour faire partie du programme de coentreprise de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), qui recherche des données à partir de nouvelles technologies qui peuvent combler les lacunes dans les systèmes de prévision météorologiques actuels. Le programme météorologique de la NASA a également connu des avantages mutuels dans les investissements de la NOAA et a fourni un soutien supplémentaire pour augmenter le retour sur investissement pour les deux agences.
À bord de l'avion Gulfstream III (G-III) de la NASA, AWP a été associé à l'observatoire Lidar à haute altitude de l'agence (HALO) qui mesure la vapeur d'eau, les aérosols et les propriétés des nuages par une absorption différentielle combinée et un lidar à haute résolution spectrale.
En travaillant ensemble pour la première fois, les vents mesurés AWP, les données de vapeur d'eau et d'aérosol ont collecté des halo et des droprsondes NOAA (petits instruments sont tombés d'un tube au fond de l'avion) ont rassemblé la température, la vapeur d'eau et les données de vent.
« Avec notre ensemble d'instruments à bord de petits avions abordables à opérer, nous avons une capacité très puissante », a déclaré Bedka. « La combinaison de l'AWP et du Halo est un ensemble de télédétection par temps aéroporté de nouvelle génération de la NASA, que nous espérons également voler à bord des satellites au profit de tout le monde à travers le monde. »
L'animation ci-dessus, basée sur les données AWP, montre la complexité et la structure des couches d'aérosols présentes dans l'atmosphère. Les modèles de prédiction actuels ne simulent pas avec précision comment les aérosols sont organisés tout au long de l'atmosphère, a déclaré Bedka.
« Quand nous avons décollé ce jour-là, j'ai pensé que nous trouverions une atmosphère claire avec peu ou pas de retour d'aérosol parce que nous volons dans ce qui était la première véritable explosion de l'air canadien frais de l'automne », a décrit Bedka. « Ce que nous avons trouvé était tout à fait le contraire: un environnement riche en aérosol qui a fourni un excellent signal pour mesurer avec précision les vents. »
Pendant les vols de coentreprise, l'ouragan Hélène touchait terre en Floride. L'équipage AWP de deux pilotes et cinq membres de l'équipe scientifique a rapidement créé un plan de vol pour recueillir des mesures de vent le long des bandes extérieures de la grave tempête.
« Un profil de vent 3D peut améliorer considérablement les prévisions météorologiques, en particulier pour les tempêtes et les ouragans », a déclaré Harsheh Patel, responsable du programme de coentreprise par intérim de la NOAA. « La NASA Langley est spécialisée dans le développement de la technologie cohérente Doppler Wind Lidar et ce concept AWP a un potentiel pour fournir de meilleures performances aux besoins de la NOAA. »
Les vols de l'AWP Lidar servent de terrain d'essai pour une éventuelle intégration dans une future mission satellite.
« La nécessité d'améliorer les modèles de vent 3D mondiaux nécessite une plate-forme spatiale », a ajouté Patel. « Des instruments comme AWP ont des applications spatiales spécifiques qui potentiellement s'alignent avec la mission de la NOAA de fournir des données critiques pour améliorer les prévisions météorologiques. »
Après les vols de la NOAA, AWP et Halo ont été envoyés en Californie centrale pour l'expérience intensive des capteurs à micro-ondes hyperspectraux de Westcoast & Heartland et l'expérience de profilage passif actif. Ces missions ont étudié les processus atmosphériques dans la couche limite planétaire, la partie la plus basse de l'atmosphère, qui entraîne les conditions météorologiques que nous éprouvons sur le terrain.
