<figure><img src="image_134.png" /><figcaption>Figure 8. Variations saisonnières du contenu en carbone hydrosoluble des eaux de pluie à la station de Lamto (Côte d'Ivoire) (d'après Cachier et al. [1991])</figcaption></figure>

la saison sèche, lorsque les feux de savane sont généralisés, l'acidité des pluies est encore plus importante et analogue à celle observée dans les régions industrialisées. La canopée des forêts parait contribuer à la production d'acides organiques et à la formation de particules pendant la saison humide quand l'influence des feux de biomasse est absente. Le tableau 2 montre une comparaison de la composition chimique de pluies dans la région de l'Amazone et dans deux stations d'Afrique Centrale. Dans la région Amazonienne, l'acidité des pluies est principalement due aux acides organiques produits par la végétation [Galloway et al., 1982 ; Andreae et al., 1990] tandis qu'en Afrique des taux élevés d'acidité minérale associés aux feux de biomasse sont observés. La pollution des eaux de pluie par les feux est confirmée par la présence de particules de carbone-suie. [Cachier et al., 1991] Dans la station Nord du Congo, située près de la zone de savane, la valeur moyenne annuelle du pH des pluies est très basse (4,4). On estime que 86% de cette acidité résulte des feux de biomasse qui relâchent dans l'atmosphère à la fois des acides organiques [Helas et al., 1991 ; 1993] et des oxydes d'azote, précurseurs de l'acide nitrique [Lacaux et al., 1991 ; 1993b]. Les conséquences sur les écosystèmes de cette acidité d'origine organique ou minérale due aux échanges atmosphère-biosphère sont encore inconnues.

## 4. CONCLUSION

Les tropiques subissent des bouleversements rapides. On a estimé que les forêts tropicales sont détruites avec un taux d'environ 1% par an, ce qui cause l'extinction d'innombrables espèces de la flore et de la faune. La conversion des savanes tropicales en broussailles, terres agricoles, et désert s'accélère. La combustion de biomasse, dans une large mesure provoquée par l'homme, a depuis des siècles été omniprésente dans la savane

tropicale mais s'accélère à présent. Elle exerce une influence majeure sur l'écologie et la chimie atmosphérique de la plupart des régions tropicales pratiquement toute l'année.

Il est clair que les modifications écologiques, les perturbations et le changement de l'occupation des sols induit par l'homme sont intenses dans les tropiques. Ces processus affectent la composition des espèces végétales, la microbiologie des sols, le cycle des éléments nutritifs et le bilan radiatif des écosystèmes [Nicholson, 1992]. Il en résulte une modification des émissions de gaz en traces qui ont un impact sur le bilan radiatif de la Terre et sur le cycle des oxydants [Keller et al., 1993].

Les augmentations futures de population humaine sont supposées être plus importantes dans les régions tropicales que dans n'importe quelle autre région du monde. Le développement économique dans les pays tropicaux va conduire, au travers d'une augmentation de la consommation d'énergie, à une intensification de la pollution anthropique directe de l'atmosphère dans les tropiques. Ceci est déjà le cas au Sud-Est de la Chine, par exemple, où la pollution urbaine s'accroît considérablement et où des taux élevés de précipitations acides sont observés [Dianwu et Xiong, 1986]. L'influence des tropiques sur l'atmosphère globale n'est pas limitée aux échanges biosphère-atmosphère, même si ces processus restent prépondérants dans la plupart des régions tropicales.

L'interaction entre le changement global, les changements climatiques, les processus biochimiques, l'augmentation de population, et la limitation des ressources affecteront vraisemblablement davantage les peuples des régions tropicales que de n'importe quelle autre partie du monde. Un travail de recherche important a été conduit au cours des années passées par de nombreuses équipes françaises européennes et africaines dans le cadre de programmes tels que DECAFE. Il devrait se poursuivre dans les années qui viennent à travers un nouveau programme intitulé EXPRESSO (EXPeriment for Regional Sources and Sinks of Oxydants) en cours de préparation.

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<table><caption>Tableau 2. Comparaison de l'acidité des pluies du bassin amazonien et de l'Afrique centrale. Contribution des feux de biomasse à l'acidité libre dans les pluies africaines (%).</caption><thead><tr><th rowspan="2">Pluie</th><th>Bassin amazonien</th><th>Congo Sud</th><th>Congo (Sud)</th><th>Congo Nord</th><th>Congo (Nord)</th></tr><tr><th>ABBLE 2A<br>µeq/l</th><th>µeq/l</th><th>Contribution des feux<br>(%)</th><th>µeq/l</th><th>Contribution des feux<br>(%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>H<sup>+</sup></td><td>5,8</td><td>18,1</td><td>12,3 (68%)</td><td>41</td><td>35,2 (86%)</td></tr><tr><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup></td><td>1,1</td><td>8,6</td><td>7,5 (87%)</td><td>19,4</td><td>18,3 (94%)</td></tr><tr><td>Acides organiques<br>(Fo+Ac)</td><td>5,2</td><td>7,4</td><td>2,2 (30%)</td><td>20,9</td><td>15,7 (75%)</td></tr><tr><td>pH</td><td>5,24</td><td>4,74</td><td>4,91</td><td>4,39</td><td>4,45</td></tr></tbody></table>
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# OBSERVATION SPATIALE DU BILAN RADIATIF DE LA TERRE :
LE PROJET ScaRaB

Robert KANDEL

Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France

## 1. INTRODUCTION

### 1.1. Le Bilan Radiatif de la Terre et le Climat

Les échanges d'énergie entre le système Terre-atmosphère et le cosmos se faisant pratiquement entièrement par rayonnement, la distribution géographique du bilan radiatif constitue le principal moteur de la circulation générale de l'atmosphère, et par là de celle des océans. Le rayonnement joue donc un rôle fondamental dans le système climatique [Kandel et Fouquart, 1992]. La détermination des éléments du bilan radiatif de la Terre (BRT), au sommet de l'atmosphère et au sol, a donc été, dès le départ, l'une des priorités du Programme Mondial de Recherche sur le Climat (voir p.e. WCRP-5 (WMO/TD-80) : First Implementation Plan for the World Climate Research Programme, Nov. 1985, Sect. 5.2, Radiation Budget Climatology Project). L'observation depuis l'espace est le seul moyen d'obtenir le bilan radiatif au sommet de l'atmosphère, dont les composantes sont : (i) le flux solaire incident ; (ii) le flux de rayonnement solaire réfléchi vers l'espace par l'ensemble atmosphère + surface ; et (iii) le flux de rayonnement thermique infrarouge émis vers l'espace par cet ensemble. Ce sont ces flux mêmes qui sont échantillonnés par un instrument en orbite qui fournit donc une observation quasi-directe des éléments du bilan radiatif.

Les modèles de circulation générale (MCG), avec une maille de l'ordre de 100 à 500 km, permettent des études climatiques à l'échelle régionale. Les moyennes spatiales des éléments du bilan radiatif sont définies sans ambiguïté à ces échelles, qu'il s'agisse des modèles ou des observations spatiales (Hartmann et al., 1986). Il n'y a pas lieu de chercher à déterminer les éléments du bilan radiatif sur une maille beaucoup plus fine, d'autant plus que le flux émis ou réfléchi à un point au sommet de l'atmosphère dépend des propriétés de l'atmosphère et de la surface sur un rayon de quelques dizaines de km au moins. Toutefois, la résolution spatiale des mesures doit être meilleure que la centaine de kilomètres, afin de pouvoir distinguer entre régions claires et régions nuageuses. Ceci est nécessaire pour des études de la rétroaction nuages-rayonnement dans la dynamique du climat [Ramanathan, 1987]. Des mesures faites dans des bandes spectralement plus étroites peuvent être utiles pour cette reconnaissance de la nébulosité, alors que les éléments du BRT sont des flux intégrés sur l'ensemble du spectre soit solaire soit thermique.

Pendant ces dernières années, les équipes françaises ont participé aux recherches sur le bilan radiatif et le climat dans : (i) la modélisation du climat et la comparaison des résultats de la modélisation avec les déterminations observationnelles des composantes du BRT; (ii) la conduite et l'analyse d'observations de terrain; (iii) la préparation, la validation et l'analyse des observations spatiales réalisées dans le cadre de l'équipe scientifique internationale de la mission ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) de la NASA; (iv) la préparation et la conduite des missions ScaRaB.

### 1.2. Problèmes de méthodologie de la détermination du BRT

Bien que l'observation spatiale du BRT fournit une mesure presque directe des grandeurs que l'on cherche à déterminer, un

certain nombre de problèmes techniques et méthodologiques se posent [Kandel, 1987 ; 1990]. Un instrument spatial ne peut fournir qu'un échantillonnage imparfait dans l'espace et le temps. En outre, avec une résolution spatiale inférieure à la centaine de kilomètres, nécessaire pour identifier des régions sans nuages, on ne peut qu'échantilloner les directions sortantes; on mesure des luminances et non des flux. En vue de maintenir autant que se peuvent la continuité et l'uniformité des déterminations des composantes du BRT depuis 1978, il convient de les aborder sur la base de la structure définie dans ERBE, en considérant les exigences définies en 1987 pour la poursuite de ce type de mesures [Stowe, 1988]. Les problèmes peuvent être résumés en considérant quatre points :

(i) L'instrument doit fournir des mesures (en Wm⁻²sr⁻¹) étalonnées sur l'échelle absolue, et ces mesures doivent permettre de séparer les domaines "ondes courtes" (SW : rayonnement solaire réfléchi) et "ondes longues" (LW : rayonnement infrarouge thermique émis), avec en principe une réponse spectrale plate sur chacune de ces bandes. Le "filtrage" instrumental qui correspond aux écarts de le la réponse réelle à cette réponse idéale doit être corrigé, mais les corrections spectrales dépendent à la fois des propriétés de l'instrument et du spectre de la scène visée [Smith et al., 1986].

(ii) La prise en compte du spectre de la scène peut nécessiter une identification de celle-ci. Pour cette identification, il faut, en plus de la position géographique du pixel qui nous fournit le "géotype" (pour ERBE : Océan, Terre, Côte, Désert, Glace/neige permanente), connaître l'état de la surface (pour ERBE : couverture variable de glace ou de neige), et surtout la couverture nuageuse (pour ERBE : scène claire, partiellement, fortement ou totalement couverte). Il faut donc une méthode d'identification de la nébulosité sur la scène [Wielicki et Green, 1989]. Ceci est de toute façon nécessaire si l'on veut pouvoir discriminer entre scènes partiellement ou totalement couvertes, et scènes à ciel clair, en vue de l'estimation du forçage radiatif de la nébulosité.

(iii) Pour convertir les luminances mesurées en flux, il faut prendre en compte l'anisotropie du champ de rayonnement émis ou réfléchi. La correction angulaire, qui peut être particulièrement importante pour le rayonnement SW réfléchi, dépend à la fois de la nature de la scène (couverture nuageuse notamment), et de la géométrie de l'observation [Smith et al., 1986]. Dans ERBE, et dans la version "compatible ERBE" du traitement ScaRaB, cette correction se fait en utilisant un ensemble de modèles angulaires [Suttles et al., 1988] où le choix se fait selon le type de scène/nébulosité déterminé par la procédure d'identification de scène. De façon générale, avec un ensemble limité (et donc nécessairement imprécis) de modèles angulaires, un échantillonnage incomplet des angles d'observation conduira à des erreurs systématiques (biais) dans les résultats.

(iv) En général on s'intéresse à des valeurs moyennes mensuelles des composantes du BRT et du FRN, éventuellement à des moyennes sur des périodses plus courtes (la décade, la journée). Lorsqu'on ne dispose pas d'un système de satellites instrumentés fournissant un échantillonnage complet du cycle diurne, il faut un procédé interpolation ou d'extrapolation diurne (PIED). Un échantillonnage temporel incomplet conduira à des biais dans les résultats si le PIED n'est pas correct [Cheruy et al., 1991].
### 1.3. Historique des missions passées d'observation du BRT; genèse du projet ScaRaB

Après les premières expériences des années 60, et les scanners ERB (Earth Radiation Budget) embarqués sur les satellites héliosynchrones (midi-minuit) Nimbus-6 et Nimbus-7 (novembre 1978 - juin 1980), la NASA a cherché à résoudre les problèmes de l'échantillonnage temporel et des variations diurnes avec un système de trois satellites : deux satellites polaires héliosynchrones de la NOAA, et le satellite ERBS de la NASA à inclinaison intermédiaire (57°) avec une précession permettant d'observer à toutes les heures locales au cours d'un mois. L'ensemble instrumental monté sur chacun de ces satellites comprenait deux radiomètres à champs fixes plus ou moins larges, d'un moniteur solaire, et d'un radiomètre à balayage (scanner) avec une résolution spatiale de 30-45 km (NFOV). Les équipes françaises du LMD et du LOA (Laboratoire d'Optique Atmosphérique de l'Université des Sciences et Technologies de Lille) ont participé à la définition des algorithmes de traitement des données ERBE [Brooks et al., 1986, Hartmann et al., 1986].

Le système ERBE aura fonctionné au complet (scanners sur ERBS, NOAA-9, NOAA-10) pendant quelques mois à la fin de 1986 seulement. Le scanner sur ERBS a fonctionné de novembre 1984 à mai 1990, et il y a eu deux périodes avec deux scanners en marche, ERBS et NOAA-9 de janvier 1985 à février 1987, ERBS et NOAA-10 de septembre 1986 à février 1989.

Dès 1985, on pouvait craindre un hiatus de plusieurs années après la fin des missions ERBE. Dans le cadre de ce qui était alors la Coopération Spatiale Franco-Soviétique, la France et l'Union Soviétique se sont engagées dans la construction d'un radiomètre à balayage conçu pour la mesure des éléments du bilan radiatif de la Terre, et son embarquement sur des satellites météorologiques polaires de la série Météor-3 dès les années 1990. Ce projet de radiomètre à balayage pour le bilan radiatif s'appelle ScaRaB (Scanner Radiatsionnogo Balansa ou Scanner for Radiation Budget). La République Fédérale Allemande s'est jointe au projet par la suite, et ce projet continue à être soutenu par la Fédération de Russie, et notamment par le service hydrométéorologique russe (RosHydromet). Le premier modèle de vol, installé à bord du satellite Météor-3/7, a été lancé par une fusée Cyclone le 25 janvier 1994, à partir du cosmodrome de Plessetsk, dans le nord-ouest de la Russie. L'orbite du satellite est polaire (inclinaison 82,5°) et circulaire (altitude 1200 km); elle n'est pas héliosynchrone, ayant une précession de 24 heures en heure locale en 209 jours. La mise en service de ScaRaB s'est effectuée le 24 février 1994. Les agences responsables des trois pays (France, Russie, Allemagne) ont publié un appel à propositions scientifiques à la fin de 1994; elles sont en cours de sélectionner une équipe scientifique internationale pour la validation des produits ScaRaB, l'amélioration des algorithmes, et l'exploitation scientifique des résultats.

## 2. MODELISATION DU CLIMAT ET OBSERVATION DU BRT

Si pour les courtes échelles de temps, on peut envisager dès maintenant la validation des modèles de prévision numériques en utilisant les observations du BRT, notamment en appliquant des méthodes variationnelles, de telles applications n'ont pas encore été réalisées. Aux échelles de temps allant de quelques mois à quelques années, on étudie d'une part le cycle annuel, qui est bien sûr d'origine astronomique mais dont la forme dépend fortement de la dynamique interne du système, d'autre part la variabilité interne du système. On peut noter que les radiomètres à champ étroit (scanners) n'ont jusqu'ici fourni des mesures de variations du BRT et du FRN que pendant un seul événement ENSO (El

Niño/Oscillation Australe), celui de 1986-87 observé par ERBE. Les autres ENSO, en particulier l'événement important de 1982-83, n'ont été observés qu'avec des instruments à grand champ, qui ne permettent pas une détermination du BRT et du FRN à l'échelle de 250 km.

Les observations ERBE du cycle annuel des composantes du BRT et du FRN ont permis d'examiner les performances des modèles de circulation générale du Laboratoire de Météorologie Dynamique [LMD : Bony et al., 1992 ; Bony et Duvel, 1993; Duvel et al., 1995] et du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme [ECMWF : Vesperini, 1990 ; Vesperini et al., 1992]. Il faut souligner que le fait d'inclure le cycle annuel et les composantes du FRN dans les comparaisons constitue une contrainte sévère pour les modèles, ce qui est essentiel compte tenu des différences de sensibilité constatées entre différents modèles [Cess et al., 1990].

Pour les tendances d'évolution du climat, la quasi-totalité des scénarios envisagés pour des changements climatiques importants font intervenir, directement ou indirectement, des perturbations des flux radiatifs (en particulier par augmentation de l'effet de serre due aux émissions anthropogènes du gaz carbonique). Cependant, la modélisation de la réponse du système climatique à cette augmentation des gaz à effet de serre reste peu fiable [Le Treut et Kandel, 1992]. Dans la comparaison réalisée par Cess et al. [1990], le modèle du LMD était un des plus sensibles, en fonction des rétroactions "vapeur d'eau" et climat-nuages-rayonnement, en fonction sans doute aussi de ses différentes paramétrisations [Bony et al., 1995 ; Duvel et al., 1993 ; Le Treut et Li, 1995], en particulier en ce qui concerne les interactions et rétroactions entre nébulosité et rayonnement.

Une autre approche vers l'estimation de la sensibilité du climat à l'intensification de l'effet de serre consiste à examiner les relations entre le flux infrarouge sortant mesuré, la température de surface, et éventuellement d'autres paramètres, observée en fonction de l'espace (variations géographiques) ou du temps (variations saisonnières, interannuelles). Duvel et Bréon [1991] ont montré que la considération de changements interannuels conduit à des conclusions différentes de celles obtenues par Raval et Ramanathan [1989], et Bony et Duvel [1993, voir aussi Duvel et al., 1993 ; Bony et al., 1995] ont examiné plus en détail ces relations.

## 3. L'INSTRUMENT ScaRaB

### 3.1. Description sommaire de l'instrument

L'instrument ScaRaB [Monge et al., 1991a, b] est un radiomètre à balayage perpendiculaire à la trace du satellite (cross-track scanner). Ce balayage est réalisé par la rotation d'un cylindre (rotor) autour d'un l'axe parallèle au vecteur vitesse du satellite, à l'intérieur d'un cylindre fixe (stator) de même axe. Le bloc de balayage a été réalisé au LMD en France, comme l'ont été l'électronique et la mémoire à bord. L'instrument comporte aussi un bloc d'étalonnage à bord, réalisé pour l'essentiel en Russie, comportant un certain nombre de source d'étalonnage qui sont décrites dans la section 3.2 plus loin.

Le rotor du bloc de balayage comporte quatre canaux, dont l'optique est constituée par un seul miroir sphérique pour chaque canal, le détecteur pyroélectrique se trouvant au foyer primaire. Le flux arrivant sur chaque détecteur est modulé par un hacheur, à la fréquence d'échantillonnage des éléments d'image. Le hacheur est réfléchissant, incliné de 45° sur l'axe optique, et oriente lorsqu'il est fermé la direction de visée du détecteur vers un corps noir de référence.

Il y a deux bandes spectrales larges permettant la mesure dans les domaines solaires et thermiques du spectre des rayonnements
réfléchis et émis par la Terre, et deux bandes plus étroites, l'une correspondant à la fenêtre atmosphérique dans l'infrarouge, directement comparable spectralement aux mesures des satellites météorologiques opérationnels, l'autre permettant une séparation des parties visible et proche infrarouge du domaine solaire. Les bandes sont :

1 - canal visible : 0,5 - 0,7 µm (filtre interférentiel)

2 - canal solaire : 0,2 - 4 µm (filtre en silice fondue)

3 - canal total : 0,2 - 50 µm (sans filtre)

4 - canal fenêtre : 10,5-12,5 µm (filtre interférentiel)

Le rayonnement dans la bande thermique (4 - 50 µm) est déduit par une différence pondérée des mesures dans les canaux 2 et 3. La projection au sol, au nadir, de l'angle instantané d'analyse (pixel) est un carré de 60 km de côté, avec les diagonales parallèles aux directions de balayage, et les centres des pixels sont placés aux noeuds d'un réseau à maille carrée de 42,5 km de côté au nadir (pour une orbite à 1200 km d'altitude). Le cycle de balayage est de 6 secondes, et il y a 51 pixels terrestres sur chaque ligne de balayage en mode M de mesure sur la Terre. Les cycles de balayage en mode M comporte également des visées de l'espace (pour les canaux 3 et 4 sensibles au rayonnement thermique) et de l'intérieure obscure du stator (pour les canaux 1 et 2), ainsi que des visées de certaines des sources du bloc d'étalonnage. D'autre part, il y a des modes E d'étalonnage qui sont commandés deux fois par 24 heures (modes E1/E2) et une ou deux fois par mois (mode E4). Lors de ces modes, une roue à filtres positionne différents filtres permettant de contrôler la réponse spectrale des canaux 2 et 3.

### 3.2. Etalonnage de l'instrument

3.2.1. Les sources d'étalonnage à bord. Rappelons que la visée "espace" se fait toutes les 6 secondes, vers le côté opposé au Soleil. Le bloc d'étalonnage à bord, réalisé par l'association NPO Planeta de Moscou, comporte des sources d'étalonnage de différents types : (i) des simulateurs de corps noir, à température activement régulée à 310 K et mesurée par sondes de platinium, visés toutes les 12 secondes par les canaux 3 et 4; (ii) une source double L22/L23 pouvant éclairer les canaux 2 et 3, alimentée par fibres optiques à partir de 2 lampes à filament de tungstène; (iii) deux sources L11 et L12 à lampes de tungstène et à fibres optiques, pouvant éclairer les canaux 1 et 2; (iv) deux sources L32/L33 (réalisées au LMD) à lampes de tungstène, sans fibres optiques, pouvant éclairer les canaux 2 et 3.

(i) Les simulateurs de corps noir du bloc d'étalonnage à bord, à distinguer des corps noirs de référence internes utilisés dans la modulation, permettent d'étalonner les canaux 3 et 4 toutes les 12 secondes. Pour le canal 3 (total), cet étalonnage ne s'applique qu'à la partie "ondes longues".

(ii) La source L22/L23 est allumée 5 fois par orbite, en mode M. Dans la mesure où le rapport L22/L23 reste stable, elle doit permettre de contrôler le rapport des réponses "ondes courtes" des canaux 2 et 3, ce rapport étant nécessaire pour opérer la soustraction spectrale qui donne le canal ondes longues synthétique (voir plus loin). D'autre part, dans la mesure où l'on connaît la brillance absolue de ces lampes, on peut étalonner le canal 2 et la partie SW du canal 3.

(iii) Les sources L11 et L12 ne sont allumées que pendant les modes d'étalonnage E1/E2, commandés deux fois par 24 heures; elles fournissent d'une part l'étalonnage du canal 1, d'autre part un étalonnage de deuxième niveau du canal 2.

(iv) Les sources L32 et L33 ne sont allumées que pendant les modes E4, les moins fréquents, ce qui minimise l'usure des lampes. Elles permettent l'étalonnage au troisième niveau des canaux 2 et (pour la partie ondes courtes) du canal 3.

3.2.2. L'étalonnage au sol. La fidélité des simulateurs de corps

noir du bloc d'étalonnage à bord a été vérifiée lors des étalonnages réalisés avec un corps noir certifié dans la cuve à vide de l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay [Monge et al., 1994]. Le coefficient de correction air/vide, nécessaire pour l'interprétation des résultats de l'étalonnage solaire, ont été déterminés à la même occasion, et la linéarité de réponse des canaux a été vérifiée.

Les luminances des sources d'étalonnage ondes courtes ont été mesurées lors de l'étalonnage solaire (pour le premier modèle de vol) à l'Observatoire du Teide (Tenerife), en utilisant le GCU (Ground Calibration Unit - Unité d'étalonnage au sol), réalisé par Sensorlab (Munich) sous la direction de l'Institut de Physique Atmosphérique du GKSS (Geesthacht, Allemagne : [Müller et al., 1995]). Avec le GCU, les canaux 1, 2 et 3 de ScaRaB visait un diffuseur aux propriétés connues, en même temps que l'irradiance solaire était mesurée par un pyrhéliomètre absolu, et que la transmission atmosphérique était contrôlée.

### 3.3. Le canal "ondes longues" synthétique.

Les canaux 2 et 3 de ScaRaB fournissent des luminances filtrées $L_k^f$ selon l'équation

$$L_k^f = (1/G_k) N_k = \int r_k(\lambda) L(\lambda) d\lambda \quad (1)$$

où $r_k(\lambda)$ est la réponse spectrale normalisée du canal k, $N_k$ et $G_k$ sont respectivement le compte numérique observé et le gain de ce même canal, et $L(\lambda)$ est la luminance spectrale de la scène observée [Dinguirard et Leroy, 1993]. La normalisation est donnée par la condition :

$$L_{ref} = \int L_k^{ref}(\lambda) d\lambda = \int r_k(\lambda) L_k^{ref}(\lambda) d\lambda \quad (2)$$

pour un spectre de référence $L_k^{ref}(\lambda)$, ce spectre de référence étant la fonction de Planck à 310 K pour le canal 3, et 5800 K pour le canal 2. On peut alors écrire pour la luminance ondes longues synthétique (filtrée) :

$$L_{LW}^f = L_{TW}^f - A' \cdot L_{SW}^f \quad (3)$$

où $A'$ caractérise la réponse relative ondes courtes/ondes longues dans le canal 3 (cf. [Monge et al., 1994; Viollier et al., 1995]). On peut aussi écrire une équation qui met en jeu les comptes numériques obtenus dans les canaux 2 et 3 :

$$L_{LW}^f = (1/G_3)(N_3 - A N_2) \quad (4)$$

où $G_3$ est le gain (ondes longues) du canal 3, bien déterminé par l'étalonnage sur le simulateur de corps noir, et $A$ caractérise la réponse relative des canaux 2 et 3 dans le domaine ondes courtes. On peut également montrer que :

$$A' = A G_3 / G_2 \quad (5)$$

ce qui permet une estimation du gain du canal 2 qui ne dépend pas de la connaissance de la brillance absolue des lampes sources du canal 2.

### 3.4. Les corrections spectrales

Dans ERBE, les corrections spectrales mettent en jeu un grand ensemble de coefficients choisi en fonction de la géométrie de l'observation et de la détermination du type de scène, transformant les luminances filtrées dans les trois canaux ERBE en estimation des luminances LW et SW non filtrées. Ces coefficients reposent sur la caractérisation spectrale et l'étalonnage des canaux ERBE. Thomas et al. [1995] ont montré, d'une part, que la correction spectrale ERBE ressemble fortement à une
soustraction spectrale entre les canaux TW et SW, comme dans l'éqn. 3 ci-dessus, d'autre part que pour les mesures de jour des scanners à bord de NOAA-9 et NOAA-10, il doit exister une erreur dans les coefficients de pondération, conduisant à une erreur dans les luminances non filtrées LW qui est une fonction linéaire des luminances filtrées SW. L'analyse tend à montrer que ces erreurs (qui peuvent atteindre la dizaine de pour-cent ou plus pour les luminances ondes longues des scènes de nuages bien éclairés et bien réfléchissants), ont pour origine des erreurs de l'ordre de 2% dans l'étalonnage absolue des canaux SW des scanners ERBE.

Pour ScaRaB, des calculs de transfert radiatif utilisant Lowtran-6 pour le domaine LW, appliqué à un éventail de scènes terrestres, conduisent à une correction spectrale négligeable si le canal synthétique LW est bien évalué [Viollier et al., 1995], ce qui dépend essentiellement sur la similarité à un facteur multiplicatif près des réponses spectrales SW sur la plus grande partie des canaux SW et TW. Les signatures spectrales SW ont été évaluées en utilisant 5-S [Tanré et al., 1990] et GAME [Dubuisson, Buriez, Fouquart, communication personnelle, 1993], et conduisent à la conclusion qu'une correction spectrale doit distinguer les scènes océaniques claires et peu nuageuses des autres scènes.

# 4. CONVERSION DE LUMINANCES EN FLUX

## 4.1. Introduction : identification de scène et corrections angulaires

Dans ERBE, l'identification de scène (essentiellement de sa couverture nuageuse) se fait à l'aide d'une estimation de maximum de vraisemblance (MLE) où l'on compare les luminances LW et SW (non filtrées) observées, avec des prédictions faites pour les 4 catégories de couverture nuageuse (et pour le géotype concerné), en tenant compte de la géométrie de l'observation, de l'éclairement solaire, et d'une manière très approximative de la variation diurne des températures [Wielicki et Green, 1989]. Les prédictions reposent sur les modèles angulaires [Suttles et al., 1988], et sur un certain nombre d'autres paramètres, et la correction angulaire (surtout dans le domaine ondes courtes) utilise ces mêmes modèles angulaires. Cet algorithme a été appliqué dans le développement du système de traitement secondaire pour les données de ScaRaB, car il faut maintenir la continuité, et de toute façon il n'existe pas aujourd'hui d'autres jeux de modèles angulaires, bien qu'un certain nombre de travaux d'amélioration soit en cours. Cependant il a fallu déterminer des valeurs " raisonnables " pour certains des paramètres auxiliaires qu'il n'ont pas été publiés ou divulgués. Cela s'est fait par analyse des résultats du traitement ERBE pour les données ERBS [Ahmed, 1994]. D'autre part, en appliquant le logiciel développée pour ScaRaB aux données ERBE pour avril 1985, Viollier et al. [1995] ont étudié la sensibilité des résultats à ce choix plus ou moins arbitraire de paramètres auxiliaires, et ils ont démontré la compatibilité réelle de ce logiciel avec ERBE. D'autre part, on étudie la possibilité d'améliorer les identifications de scènes en utilisant le canal fenêtre infrarouge de ScaRaB, et des analyses de températures de surface provenant du CEPMMT [Stubenrauch et al., 1995b].

## 4.2. Correction angulaire dans le domaine "ondes longues"

Les classes de couverture nuageuse utilisées dans ERBE, et les modèles de correction angulaire LW correspondants, ne sont pas pleinement satisfaisants parce qu'ils ne tiennent pas compte de l'altitude des couches nuageuses, alors que l'épaisseur atmosphérique au-dessus des sommets nuageux doit justement

influer sur l'anisotropie du rayonnement ondes longues sortant. Stubenrauch et al. [1993] ont montré qu'avec un canal dans la fenêtre infrarouge, couplé au canal synthétique ondes longues, on dispose d'un paramètre de "pseudo-absorptance" atmosphérique [d'ailleurs identique à l'effet de serre "normalisé" défini par Raval et Ramanathan [1989], qui permet de prendre en compte cette influence. Avec ce paramètre et l'angle de visée, on peut effectuer la correction angulaire LW sans référence à un type de scène explicitement déterminé. L'identification de scènes à ciel claire reste cependant nécessaire pour l'estimation du forçage radiatif de la nébulosité. Cette méthode est en cours d'essai sur les données ScaRaB, et elle peut également être adaptée au cas du canal fenêtre IR plus large prévu sur CERES.

## 4.3. Correction angulaire dans le domaine "ondes courtes"

Dans le domaine ondes courtes, l'analyse statistique des données ERBE sur ERBS (satellite dérivant en heure locale) permettent de vérifier les limites de la cohérence entre les modèles de distribution des réflectances bidirectionnelles utilisés pour les corrections angulaires ERBE, et les résultats [Goloub, communication personnelle, 1994]. D'autre part, on sait que les modèles angulaires ERBE doivent contenir des biais, puisqu'ils sont fondés sur des données Nimbus-7/ERBS, c'est-à-dire sur des données obtenues systématiquement près de midi en heure locale. Ce problème est particulièrement aigu pour la zone des déserts, pour laquelle les angles solaires sont de ce fait mal échantillonnés. Avec le satellite géostationnaire Météosat, dont le canal visible est large quoique à réponse spectrale triangulaire, on peut obtenir tous les angles solaires, au prix d'une restriction dans les angles de visée. A condition de pouvoir éliminer les scènes nuageuses [Capderou et Kandel, 1994], on peut utiliser ces données pour déterminer la réflectance bidirectionnelle des déserts, et les résultats montrent quelques différences systématiques avec ce qui a été supposé dans ERBE [Capderou et Kandel, 1995].

On compte sur des informations nouvelles pour pouvoir améliorer les modèles angulaires. D'une part les analyses de données de satellites non héliosynchrones (ERBS, ScaRaB/Météor-3) peuvent être approfondies, comme le peuvent les études de données Météosat. L'instrument POLDER (Polari- zation and Directionality of Reflectances), développé par le LOA (Lille) et par le CNES [Deschamps et al., 1994; Descloîtres et al., 1995], fournit déjà des mesures multispectrales et multiangu- laires dans sa version aéroportée, et il sera bientôt embarqué sur la plate-forme japonaise ADEOS. De même le double scanner CERES devra fournir des informations importantes.

# 5. MOYENNES SPATIALES ET TEMPORELLES

## 5.1. Les problèmes d'échantillonnage

Une fois les luminances des pixels convertis en flux LW et SW, on cherche, dans l'optique ERBE, à établir des valeurs moyennes spatiales sur des régions qui font 2,5° en latitude et longitude. Près du nadir, il y a typiquement une vingtaine de pixels ScaRaB dans chacune de ces régions, mais ce chiffre peut tomber à quelques unités en fin de ligne de balayage. Ceci ne pose pas de problème grave pour les flux moyennés sur l'ensemble des scènes dans la région. En revanche, pour les flux "ciel clair", il est vraisemblable que la taille du pixel de ScaRaB conduise à un échantillonnage faible qui dépend alors de façon critique d'une part de la carte de couverture neige/glace utilisée, d'autre part des détails de l'algorithme d'identification de scène.
### 5.2. Interpolation diurne "ondes longues"

Du fait que l'on dispose de deux mesures LW par période de 24 heures, l'on ne s'attend pas à des biais particulièrement forts dans les flux moyens mensuels LW, même lorsqu'il n'y a qu'un seul instrument en orbite. Le procédé d'interpolation et d'extrapolation diurne (PIED) employé pour les mesures LW dans ERBE était particulièrement simple, tenant compte des effet du réchauffement diurne des sols par un demi-sinus centré sur midi [Brooks et al., 1986]. Des analyses comparant les résultats ERBE avec ce que l'on peut déduire des données Météosat horaires ou tri-horaires (ISCCP), montrent cependant que le cycle diurne moyen peut être fortement déformé lorsqu'on applique le PIED ERBE sur des régions tropicales à forte convection, surtout si l'on ne dispose que d'un ou deux instruments en orbite [Cheruy et al., 1991].

Dans une analyse plus poussée, visant à formuler un PIED pouvant intégrer des données de type ISCCP venant des satellites géostationnaires, Thomas et al. [1995] ont mis à jour un cycle diurne factice dans les flux LW ERBE, ayant pour origine la propagation des erreurs d'étalonnage SW d'ERBE à travers la correction spectrale (voir plus haut). Une fois ces biais corrigés, on peut en effet utiliser les données Météosat dans les canaux de la fenêtre infrarouge et de la bande de vapeur d'eau, pour corriger les valeurs moyennes mensuelles et les cycles diurnes moyens. Ce nouveau PIED, employant les données B2 de Météosat, a été appliqué avec succès aux données ERBE de décembre 1986 (3 satellites), juillet 1986 (été hémisphère nord, ERBS+NOAA-9), août 1987 (ERBS+NOAA-10), et il fait disparaître des produits obtenus séparément avec NOAA-9 et NOAA-10, des biais hémisphériques qui correspondent au plus grand éclairement solaire du côté été [Kandel et al., 1994].

### 5.3. Interpolation diurne "ondes courtes"

Dans le domaine SW, l'on ne peut séparer les modèles employés pour l'interpolation diurne des modèles angulaires, puisque les résultats de ces modèles angulaires dépendent de l'angle solaire. Toutefois, le PIED ERBE, tout en tenant compte de la variation de la position solaire entre deux mesures, suppose implicitement que la " météorologie ", c'est-à-dire la couverture nuageuse, reste constante, ou varie linéairement entre les mesures. Ceci conduit à des biais lorsqu'on utilise les mesures faites par un satellite héliosynchrone au-dessus d'une région où il y a des variations diurnes systématiques de la nébulosité (cf. e.g. [Duvel, 1988]). On commence à évaluer ces biais [Kandel et al., 1995] et à expérimenter des PIED SW permettant d'utiliser des produits ISCCP à échantillonnage tri-horaire.

## 6. PREMIERS RESULTATS DE LA MISSION ScaRaB/Météor

Le premier mois complet d'observations ScaRaB sur Météor-3/7 est celui de mars 1994, et bien que l'on n'ait pas résolu complètement tous les problèmes liés à l'étalonnage, le traitement de ce mois a été poursuivi jusqu'aux produits de plus haut niveau, c'est-à-dire les valeurs moyennes régionales mensuelles. L'analyse de ces résultats, et des résultats obtenus pour d'autres mois à différents mois, permet les remarques suivantes. La réponse des différents canaux de ScaRaB/MV1 paraît stable et prévisible en fonction de la température (télémesurée). Ceci est parfaitement établi pour des réponses contrôlées par les visée des corps noirs d'étalonnage, dans les canaux 3 et 4; évidemment les corps noirs ne donnent pas d'information sur la partie ondes courtes du canal 3. Pour le canal 2 (SW), il y a moins de recoupements possibles, parce que certaines des sources à lampes ne paraissent pas stables, et parce

que les signaux obtenus sur les sources L22/L23 ne sont point compatibles avec ce qui a été mesuré au sol. Une autre perturbation réside dans le faible rayonnement thermique (entre 3 et 4 µm de longueur d'onde) transmis par le filtre en silice du canal 2 et provenant du stator lors de la visée " obscurité "; cette perturbation sera prise en compte dans le logiciel définitif. Malgré ces problèmes, il paraît possible de s'accorder sur un étalonnage du canal 2 réconciliant les comportements des différentes sources d'étalonnage, et la grande prévisibilité du gain du canal 3 qui est bien contrôlé. Il paraît également possible d'adapter à ScaRaB la diagnostique de la cohérence diurne des luminances LW, qui a permis détecter les difficultés de la soustraction spectrale ERBE [Thomas et al., 1995]. Avec l'hypothèse défendable que la réponse spectrale relative du canal 3, et en particulier le paramètre A' (voir éqs. 3 et 5 plus haut), reste stable, on peut comparer l'évaluation du paramètre A par les étalonnages en vol et au sol, avec une évaluation " géophysique " qui ne fait point référence aux étalonnages mais qui utilise la corrélation nocturne entre canaux 3 et 4 pour prédire la composante infrarouge du signal diurne dans le canal total 3.

## 7. PERSPECTIVES

Il existe deux autres modèles de vol de ScaRaB, fabriqués au LMD. Le MV2 doit être étalonné cette année, encore à Orsay pour les ondes longues, et avec le GCU allemand à Odeillo (Pyrénées Orientales, France) pour le domaine solaire. Il est prévu d'embarquer le MV2 sur le satellite Météor-3/8, mais la date de lancement reste incertaine. Le destin du MV3 n'est pas encore défini, et il dépend du développement éventuelle de Météor-3M par RosHydromet, ou de la construction d'un Météor-3/9.

Le CNES a proposé, et l'Agence Spatiale Européenne (ESA) a accepté, qu'un modèle adapté de ScaRaB soit embarqué sur la plate-forme Envisat-1 qui doit être lancée vers la fin de la décennie. Il est également envisagé d'embarquer des modèles améliorés de ScaRaB sur les plates-formes polaire européennes de météorologie opérationnelle, de la famille Metop. Il est certain que dans ce cas il faudrait envisager d'améliorer le traitement des données en incorporant des données provenant des autres instruments de la charge utile du satellite, et un certain nombre d'études ont été engagé dans ce sens [Stubenrauch et al., 1995a].

Malheureusement, il faut signaler qu'une anomalie de fonctionnement de ScaRaB s'est déclarée en mars 1995, et qu'il n'a pas été possible de faire repartir l'instrument. Une commission d'enquête cherche à analyser la panne et à en tirer les conséquences pour des modifications éventuelles de futures modèles.

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# LE RADIOMÈTRE HYPERFRÉQUENCE ATSR/M DU SATELLITE ERS-1

Laurence EYMARD

Centre d'études des Environnements Terrestres et Planétaires, 10-12 Avenue de l'Europe 78140 Vélizy

Laurence.Eymard@cetp.ipsl.fr

Le radiomètre ATSR/M est un capteur hyperfréquence passif, mesurant le rayonnement naturel mis par l'atmosphère et la surface à deux fréquences: 23,8 et 36,5 GHz. Cet instrument, proposé par la France comme passager sur le satellite européen d'observation de la terre ERS-1, a été conçu et réalisé sous la responsabilité du CETP (anciennement CRPE). Sa mission est de fournir le retard de propagation du signal altimétrique (radar mesurant la distance surface - satellite) dû à l'humidité atmosphérique. L'étalonnage au sol, puis le contrôle et l'amélioration de cet étalonnage en vol constituent des étapes clef de la qualification de l'instrument. La détermina- tion des paramètres pertinents pour éliminer la perturbation de propagation du signal altimétrique nécessite l'établissement et l'inversion des équations du transfert radiatif à travers l'atmosphère, et la validation de ces paramètres ne peut être totalement séparée de l'étalonnage instrumental.

ATSR/M is a microwave radiometer, measuring the natural radiation from the earth at 23.8 and 36.5 GHz. It was developed under CETP responsibility in the framework of the ERS-1 Instrumental Offer to Tender. It provides to the altimeter the tropospheric path delay due to humidity. After ground calibration, the major steps of our work concerned the in-flight calibration verification, then the validation of the altimeter path correction, and water vapor content along the satellite track. The retrieval of such parameters is achieved through the approximate inversion of the radiative transfer equations, and validation cannot be completely separated from calibration.

## 1. INTRODUCTION

Au cours des années 70, l'intérêt pour les observations spatiales en hyperfréquence de l'océan s'est manifesté par le lancement du satellite américain SEASAT. Bien que celui-ci n'ait fonctionné que 3 mois, les données fournies par ses quatre principaux instruments (radar à ouverture synthétisée ou SAR en anglais, diffusomètre, altimètre et radiomètre hyperfréquence) ont révélé les potentialités de l'exploration de la surface océanique et de l'atmosphère aux longueurs d'onde centimétriques. A la même époque, l'Agence Spatiale Européenne a engagé un programme d'observation de la terre, qui a débuté par la réalisation du premier satellite météorologique géostationnaire européen METEOSAT. Le programme ERS a été lancé ensuite, avec pour objectif annoncé la réalisation d'une série de satellites défilants en orbite polaire, capables de suivre l'évolution des caractéristiques pertinentes de l'océan et des glaces polaires pour comprendre l'évolution du climat terrestre. Les instruments sélectionnés pour cette mission étaient, comme pour SEASAT, un SAR, un diffusomètre et un altimètre, auxquels ont été adjoints, à la suite de l'appel d'offre lancé par l'ASE en 1991, un couple de radiomètres infrarouge et hyperfréquence (ATSR/M - Along Track Scanning Radiometer / Microwave) ainsi qu'un instrument de mesure précise de l'orbite du satellite. Le satellite et ses instruments sont présentés sur la figure 1.

On trouvera une description du satellite et de ses instruments dans le numéro spécial de la revue de l'ASE [ESA bulletin, 1991] consacrée à ERS-1. En résumé, pour ce qui concerne l'océan, le satellite était destiné à la mesure: du vent de surface en vitesse et direction (diffusomètre), des caractéristiques du vent (en module), de la houle (hauteur caractéristique et longueur d'onde), et de la topographie dynamique de l'océan (élévation de la surface due essentiellement aux courants, aux marées et à l'orographie du fond) à partir des mesures altimétriques, des caractéristiques de petites échelle de la houle, des zones côtières et des glaces de mer (SAR) et de la température de la surface de la mer (radiomètre infra-rouge).

Le radiomètre hyperfréquence, quant à lui, avait pour mission première d'améliorer la précision de la mesure de trajet du signal altimétrique, perturbé par la présence d'humidité dans l'atmosphère. En effet, l'altimètre est un radar fonctionnant à 13,8 GHz et visant au nadir. Le signal émis traverse l'atmosphère,

puis il est rétrodiffusé par la surface et revient jusqu'au récepteur, en traversant à nouveau les couches atmosphériques. L'analyse des données porte d'une part sur l'intensité et la forme du signal détecté, et d'autre part sur son temps de parcours aller-retour, exprimé en terme de distance. Cette dernière mesure doit être extrêmement précise (incertitude de l'ordre de 1 à 3 cm), si l'on veut pouvoir en déduire des paramètres de la circulation océanique et du géoïde. En plus de la détermination précise de l'orbite, toutes les perturbations de propagation du signal radioé- lectrique doivent donc être prises en compte dans le traitement des données. Par rapport à la propagation dans le vide, le trajet est allongé par la traversée de l'ionosphère, puis par l'atmosphère neutre. Des modèles de perturbation ionosphérique ont été établis (allongement proportionnel au contenu en électrons libres, de l'ordre de 20 cm), prenant en compte les principaux cycles de variation ionosphériques (diurne, saisonnier, et solaire). Ces modèles sont ajustés par les mesures faites régulièrement par des radars ionosphériques, et fournissent la correction avec une précision de l'ordre de 3 à 4 cm. L'atmosphère neutre est un milieu diélectrique caractérisé en tous points par un indice de réfraction complexe, qui dépend de la concentration en chaque constituant. L'allongement du trajet aller - retour du signal radar (partie réelle de l'indice, intégrée le long du trajet) peut s'exprimer comme:

$$dh = 77,67 \times 10^{-5} \int_{0}^{h_a} \frac{p}{T} dz + 0,3744 \int_{0}^{h_a} \frac{e_v}{T^2} - 6 \times 10^{-6} \int_{0}^{h_a} \frac{e_v}{T} dz \quad (1)$$

Le premier terme est appelé «correction troposphérique sèche» (dh<sub>s</sub>), et le second (le dernier terme est en général négligé dans les calculs) est la «correction troposphérique humide» (dh<sub>v</sub>). Le terme dh<sub>s</sub> est de l'ordre de 2 m mais son incertitude est très faible, de l'ordre de 1 cm, car les champs de pression (p) et température (T) sont en général bien représentés dans les modèles météorolo- giques, grâce aux observations de routine. Ces paramètres de plus varient avec les grandes masses d'air, avec peu de fluctuations de petite échelle horizontale. La correction humide, en revanche, est fonction de la pression partielle de vapeur d'eau (e<sub>v</sub>), qui présente des variations importantes sur de courtes distances (quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres, par exemple au
<figure><img src="image_135.png" /><figcaption>Figure 1. Le satellite ERS-1 et ses instruments : en haut, les trois antennes du diffusomètre, puis la grande antenne du SAR. L'antenne de l'altimètre est à gauche, juste sous l'antenne du SAR, et les deux radiomètres sont situés à sa droite.</figcaption></figure>

travers de perturbations atmosphériques), occasionnant des changements de 10 à 20 cm sur dh<sub>v</sub> pour une valeur maximale de l'ordre de 50 cm. L'humidité atmosphérique est, de plus, le paramètre le plus mal évalué et le plus mal prévu par les modèles météorologiques.

C'est pour permettre une bonne correction troposphérique d'humidité que le radiomètre hyperfréquence a été proposé sur le satellite ERS-1. La construction de cet instrument a été financée essentiellement par la France, avec une contribution du Danemark. Le CNES a confié au CETP (alors appelé Centre de Recherche en Physique de l'Environnement - CRPE) la responsabilité de la conception, de la maîtrise d'oeuvre, de l'étalonnage au sol et de la qualification des mesures en vol.

Dans la suite, nous rappellerons tout d'abord les bases de la mesure radiométrique, et de ses relations avec les grandeurs géophysiques, puis nous présenterons le radiomètre ATSR/M, les étapes de son développement avant lancement, et de la qualification des mesures en vol.

## 2. LA RADIOMÉTRIE HYPERFRÉQUENCE ET LA RESTITUTION DES PARAMÈTRES GÉOPHYSIQUES

### 2.1. Principe de la mesure en radiométrie hyperfréquence.

Un radiomètre est un capteur passif du rayonnement naturel émis par le milieu visé. Le signal reçu par l'antenne (brilliance spectrale) s'exprime par la loi de Planck:

$$B_v = \frac{2hv^3}{c^2 \exp\left(\frac{hv}{kT}\right) - 1} \qquad (2)$$

où T est la température de la source, v la fréquence de mesure, c la vitesse de la lumière, h la constante de Planck et k la constante de Boltzmann. Lorsque le radiomètre vise la surface terrestre depuis l'espace, aux longueurs d'onde centimétriques (limite $hv/kT<<1$), la loi de Planck peut être simplifiée, conduisant à l'équation de Rayleigh-Jeans:

$$B_v = \frac{2kv^2T}{c^2} \qquad (3)$$

La mesure de brillance est convertie en mesure de température de brillance ($T_b$), en définissant cette grandeur comme la température du corps noir qui donnerait la même brillance que l'objet considéré. L'émissivité de cet objet est le rapport entre sa brillance à la température T et celle d'un corps noir de même température. La puissance reçue par l'antenne d'un radiomètre dans une bande de fréquence de largeur $\Delta v$ centrée sur la fréquence v s'exprime simplement par:

$$P = kT_b\Delta v \qquad (4)$$

2. Le transfert radiatif et la restitution des paramètres géophysiques.

Le rayonnement émis par l'atmosphère terrestre et reçu par un radiomètre spatial est régi par les propriétés d'absorption et de diffusion des principaux constituants de l'atmosphère. La figure 2 montre le spectre d'absorption de l'oxygène et la vapeur d'eau aux hyperfréquences. De ces caractéristiques découlent le choix

<figure><img src="image_136.png" /><figcaption>Figure 2. Spectre d'absorption atmosphérique en hyperfréquence (vapeur d'eau et oxygène) en air clair, pour des conditions atmosphériques moyennes (d'après Ulaby, [1981]).</figcaption></figure>
des fréquences utilisées, canaux «fenêtre» pour observer la surface, bandes d'absorption de la vapeur d'eau ou de l'oxygène pour obtenir une mesure sensible aux variations de ces paramètres.

L'équation du transfert radiatif (5) permet d'exprimer la variation de brillance, pour chaque couche de l'atmosphère supposée homogène horizontalement à l'échelle de la mesure et en équilibre thermodynamique local (mission = absorption). L'intégration de cette équation sur la colonne atmosphérique, dans l'angle de visée du radiomètre fournit la température de brillance reçue. Cependant, chaque couche atmosphérique émet un rayonnement vers le haut et vers le bas, donc il faut prendre en compte d'une part le rayonnement montant émis par l'atmosphère (terme a), et d'autre part le rayonnement descendant atmosphérique, auquel s'ajoute celui provenant de l'espace, de température $T_c$ (b), réfléchi par la surface et transmis à travers l'atmosphère, de transmittance totale $\Gamma$. La surface elle-même contribuant au signal (corps de température $T_s$ et émissivité $e$) (c), on peut écrire finalement:

$$T_b = T_m (1 - \Gamma) + (T_d (1 - \Gamma) + \Gamma T_c) (1 - e) \Gamma + e \Gamma T_s \quad (5)$$

(a)

(b)

(c)

avec $T_m$ la température apparente, intégrale du rayonnement montant, $T_d$ la température apparente, intégrale du rayonnement descendant, $\Gamma$ la transmittance atmosphérique, dépendant de la concentration des divers constituants, $T_c$ la température apparente de l'espace, $T_s$ la température de la surface, et $e$ l'émissivité de la surface.

Les modèles de transfert radiatif décrivent les différents termes de cette équation, en fonction de la répartition verticale des constituants atmosphériques, des propriétés de la surface et des caractéristiques de fréquence et d'angle de visée du radiomètre considéré, et simulent les températures de brillance mesurées.

Le problème à résoudre, à partir des mesures d'un radiomètre hyperfréquence, est donc l'inversion des équations du transfert radiatif à chaque fréquence, afin de déterminer certaines propriétés de l'atmosphère et de la surface. Celles-ci peuvent être, sur les océans, la vapeur d'eau intégrée sur la colonne atmosphérique, le contenu en eau des nuages, le vent de surface sur la mer, ou encore la température de surface, entre autres.

Nous ne présenterons pas le problème de l'inversion du transfert radiatif dans sa généralité, nous limitant aux radiomètres imageurs actuels (par opposition aux profileurs), comme SSM/I (Special Sensor Microwave Imager, radiomètre à balayage embarqué sur la série de satellites DMSP de la Marine des Etats-Unis), ou à visée au nadir, comme ATSR/M. Les fréquences de ces instruments ont été choisies pour permettre une bonne sensibilité du signal à la vapeur d'eau atmosphérique (bande centrée sur la raie de vapeur d'eau à 22,235 GHz), à l'absorption par les gouttelettes nuageuses (bande 30-40 Ghz), et au vent de surface dans le cas de SSM/I (bande 10-20 Ghz).

L'inversion analytique du transfert radiatif est rendue très complexe par la non-linéarité des équations. Des méthodes plus ou moins simples ont été mises au point pour effectuer cette inversion, ou plutôt pour relier les mesures radiométriques aux paramètres recherchés. En effet, certains auteurs comme Alishouse et al. [1990], Goodberlet [1989] ont simplement ajusté les coefficients d'un algorithme de restitution par régression multilinéaire entre les mesures de température de brillance et les paramètres géophysiques, ceux-ci étant mesurés en des points coïncidants aux mesures spatiales (dans le temps et l'espace). Cette méthode peut être efficace pour obtenir des paramètres mesurés en routine dans les stations météorologiques (vapeur d'eau, vent de surface), mais ne permet pas d'estimer les

paramètres liés aux nuages (contenu en eau, taux de précipitation). L'autre inconvénient est qu'elle n'est pas applicable dès le lancement, car il faut acquérir un grand nombre de mesures situ coïncidant aux observations spatiales, représentatives des diverses conditions climatiques terrestres (ce qui est difficile à réaliser sur l'océan). A l'opposé, certains auteurs préconisent d'inverser les équations de transfert radiatif, en ajustant par itération les paramètres géophysiques, à partir d'une situation initiale ou ébauche, de telle sorte que les températures de brillance simulées se rapprochent au mieux des mesures [Prigent et al., 1994, par exemple]. Cette méthode est plus «physique», mais suppose un jeu de profils météorologiques initial assez proche de la situation réelle. Elle est de plus très lourde à mettre en oeuvre, à moins d'inclure cette inversion dans la procédure d'assimilation de données d'un modèle météorologique.

La solution que nous avons retenue est proche de la méthode statistique, mais est indépendante de l'instrument, contrairement à celle présentée précédemment. Elle est fondée sur l'établissement d'une base de données météorologiques comprenant tous les paramètres nécessaires pour calculer des températures de brillance, représentant la plupart des conditions régionales et saisonnières rencontrées au cours d'une année. Nous avons choisi d'utiliser les champs analysés du modèle météorologique du Centre Européen de Prévision météorologique à Moyen Terme (CEPMMT): ces champs sont le résultat de l'assimilation de toutes les observations disponibles durant 24 h dans le modèle, et constituent la meilleure représentation globale de l'atmosphère un instant donné. L'utilisation de champs analysés sur les océans, régulièrement espacés dans le temps permet d'assurer la représentativité de la base de données en fonction des saisons. A partir de ces données, les températures de brillance sont simulées au moyen d'un modèle de transfert radiatif, puis, par régression multilinéaire, on ajuste les coefficients des algorithmes de restitution, qui sont de la forme suivante [Lojou et al., 1994]:

$$P = \sum_i a_i \log (T_{oi} - T_{bi}) + a0 + bU \quad (6)$$

avec : P le paramètre géophysique recherché (vapeur d'eau intégrée, correction troposphérique d'humidité, ou contenu en eau des nuages), U le vent de surface (terme ajouté dans le cas d'ATSR/M), $T_{bi}$ la température de brillance mesurée dans le canal i, $T_{oi}$ la température équivalente atmosphérique.

La correction altimétrique est souvent déduite du contenu en vapeur d'eau au moyen d'une relation polynomiale [Tapley, 1991; Liu et Mock, 1990], mais nous avons préféré établir un algorithme direct pour ce paramètre, afin de réduire les erreurs engendrées par une telle approximation.

## 3. LE RADIOMÈTRE ATSR/M

### 3.1. Caractéristiques du radiomètre

La mesure radiométrique est une détection du bruit naturel émis dans la direction de l'antenne. Ce signal est très faible en hyperfréquence, donc il faut éliminer au maximum le bruit causé par l'instrument lui-même (composants actifs surtout). Dans ce but, on effectue des mesures d'étalonnage en vol (mesure du rayonnement du fond du ciel, fixe et connu, d'environ 3K, et mesure d'une source «chaude», en fait à température ambiante). La qualité de la mesure est définie par la résolution radiométrique, donnée par:

$$\Delta T = \frac{T_{\text{bruit}}}{\sqrt{B \Delta t}} \quad (6)$$

avec : $T_{\text{bruit}}$ la température de bruit de l'instrument, B la
<figure><img src="image_137.png" /><figcaption>Figure 3. Schéma des deux radiomètres formant ATSR/M, dans la position de vol. Le réflecteur du radiomètre hyperfréquence est déployé, permettant la visée au nadir.</figcaption></figure>

largeur de bande en fréquence et $\Delta T$ la durée d'intégration du signal.

Ce paramètre définit le seuil de sensibilité du radiomètre à des variations de température de brillance. La précision absolue de la mesure est cependant nettement moins bonne, car elle dépend de toutes les sources d'erreurs, et en particulier de la qualité de l'antenne (transmission, directivité), et des variations lentes du gain. Le bilan global d'erreur conduit à une incertitude de l'ordre de 3 K sur la mesure de température de brillance.

Le radiomètre ATSR/M comporte deux canaux, aux fréquences 23,8 et 36,5 GHz. L'antenne principale est constituée d'un réflecteur de 60 cm de diamètre, sur lequel visent les cornets correspondants aux deux canaux. Les circuits de réception et détection sont indépendants, à l'exception d'un cornet pointant vers l'espace, utilisé pour l'étalonnage en vol. La figure 3 montre la structure du radiomètre, et la figure 4 le schéma du circuit hyperfréquence d'un canal. ATSR/M est un radiomètre de type Dicke: pour réduire le bruit instrumental, la mesure est effectuée de façon différentielle, par commutation rapide (1kHz) entre le circuit de l'antenne et une charge de référence à température ambiante. Cependant, seules les fluctuations rapides de bruit sont éliminées ainsi. Pour déterminer les variations du gain en fonction du temps, la mesure est commutée sur un circuit d'étalonnage comportant une seconde charge à température ambiante et un cornet visant le ciel. Cet étalonnage est effectué régulièrement, sa récurrence étant choisie de façon à bien contrôler les fluctuations de gain du radiomètre, sans perdre trop de mesures de l'antenne principale.

La mesure brute est transmise sous forme d'un compte numérique, proportionnel à la tension mesurée pendant le temps d'intégration (0,15s). Elle est reliée à la température de brillance du rayonnement entrant dans l'antenne par une fonction de transfert dépendant des caractéristiques de transmission et fuite de tous les éléments du circuit, ainsi que de leurs températures. La figure 4 indique tous les paramètres pris en compte dans cette fonction linéaire, de forme générale:

$$C_k = G[a_1 T_{\text{ref}} - a_2 T_k + \sum a_i T_i] \quad (8)$$

avec $C_k$ la mesure de l'antenne principale, ou de l'une des deux

voies d'étalonnage (trois équations en tout), G le gain instrumental, déterminé à partir des deux équations d'étalonnage, $T_{\text{ref}}$ la température de la charge de référence, $T_k$ la température à l'entrée de l'antenne principale, ou une des températures d'étalonnage, et $T_i$ la température de l'élément i du circuit.

Les coefficients de l'équation (8) sont des combinaisons des coefficients de transmission et fuite de chacun des éléments du circuit (coefficients indiqués sur la figure 4), également caractérisés par leur température $T_i$. Les commutateurs sont les éléments critiques de ces équations. En particulier, les coefficients $a_1$ et $a_2$ sont directement liés aux caractéristiques de transmission et perte du premier d'entre eux, qui effectue la commutation rapide entre le circuit menant à l'antenne et la charge de référence (de température $T_{\text{ref}}$ sur la figure 4).

Si l'on suppose que la fonction de transfert radiométrique est bien modélisée par ces relations, la qualité de la mesure radiométrique dépend de la précision sur les valeurs de ces coefficients (comprises entre $10^{-3}$ pour les coefficients de fuite, et près de 1 pour les transmissions). L'étalonnage au sol et en vol du radiomètre a pour objet essentiel leur détermination précise.

## 3.2. Étalonnage au sol

Une première série de mesures des caractéristiques de transmission et fuite des composants a été effectuée au laboratoire, au moyen d'un analyseur de réseau hyperfréquence. Cependant, ces mesures n'ont pas été considérées comme suffisantes car les caractéristiques des composants peuvent changer légèrement après montage. De plus, ces mesures ne peuvent inclure les antennes. La seconde étape de l'étalonnage au sol, sur le radiomètre complet (sauf le réflecteur), a eu lieu juste avant son intégration sur le satellite. Elle a consisté en une série de mesures, pour différentes températures internes, en mettant devant les antennes des cibles (corps noirs), elles-mêmes variant en température. Les coefficients internes de l'instrument ont été ajustés de façon à minimiser l'écart entre la température de brillance déduite des comptes radiométriques et la température des cibles. On a également déduit de ces mesures la loi de variation du gain en fonction de la température.

Par ailleurs, le diagramme de rayonnement de chaque antenne (cornets plus réflecteur pour l'antenne principale, et cornet de ciel) a été mesuré aux deux fréquences. L'antenne principale vise la surface avec une ouverture de $1,5°$, alors que le cornet de ciel a

<figure><img src="image_138.png" /><figcaption>Figure 4. Schéma d'un circuit hyperfréquence du radiomètre. La partie détection électronique est représentée par un triangle. Les températures et les coefficients de transmission et de perte des différents éléments portés sur la figure sont pris en compte dans l'équation (8).</figcaption></figure>
un angle d'ouverture de 15° (valeurs à 3 dB). Ces mesures nous
ont permis d'établir pour les deux antennes la contribution des
principales sources de rayonnement au signal reçu, en dehors du
lobe principal. Ces sources sont le soleil, le ciel, les supers-
tructures du satellite, y compris l'antenne du radar SAR proche
du radiomètre, et la terre. Cette dernière contribution est la plus
grande (2% pour le cornet de ciel, et 20% pour l'antenne
principale) et la plus difficile à estimer, car elle varie selon la
proportion des différentes surfaces dans le champ de vue (la
température de brillance varie d'environ 100K entre la mer et la
terre).

4. ÉTALONNAGE ET VALIDATION EN VOL.

Le satellite ERS-1 a été lancé le 17 juillet 1991 de Kourou (Guyane française). Dès que le satellite s'est séparé du dernier étage de la fusée, le réflecteur du radiomètre ATSR/M s'est déployé. Dans les jours qui ont suivi, tous les instruments ont été successivement mis en fonctionnement. En raison de leur interface commune avec la plate-forme, le radiomètre hyperfréquence n'a été mis en route que 10 jours après lancement, en même temps que le radiomètre infra-rouge.

4.1. Contrôle du fonctionnement instrumental

Les données acquises à la station de réception de Kiruna (Suède) ont été immédiatement examinées, pour vérifier le fonctionnement de l'instrument. La figure 5 montre les variations des températures internes observées au cours d'une orbite. Grâce l'étalonnage au sol, la variation du gain en fonction de la température s'est avérée très bien représentée, ce qui a permis d'espacer les séquences d'étalonnage (effectuées toutes les 32 s). Le gain, même corrigé de sa variation avec la température, n'est pas constant au cours du temps. Les causes de cette évolution ne sont pas bien connues. La simultanéité de certaines perturbations sur les deux canaux indique qu'il s'agit le plus souvent de causes extérieures au radiomètre (extinction-allumage de la charge utile du satellite, par exemple). Cependant, lorsque le gain ne revient pas à sa valeur initiale après la perturbation, il faut modifier l'étalonnage. Ce type de problème est apparu au cours des deux premiers mois en orbite. L'analyse des mesures de l'antenne principale et des voies d'étalonnage nous a conduits à modifier la valeur du coefficient de transmission de la voie «ciel», de façon à ramener le gain à sa valeur normale [Bernard et al., 1993].

La seconde étape de l'étalonnage en vol consiste à vérifier que les antennes sont correctement pointées. L'angle de visée des deux canaux a été mesuré avant lancement, et la figure 6 montre la géométrie de visée en vol. Pour contrôler ces angles, nous avons examiné les mesures le long de traverses de côtes, profitant du très fort contraste de signal entre la terre et la mer. La connaissance des diagrammes d'antenne nous a permis de simuler le signal reçu au passage d'une transition terre-mer pour chaque canal, dans la configuration de vol théorique. Le contrôle du pointage a été effectué par comparaison entre mesures et simulations sur plusieurs traversées de côtes. Il a ensuite été affiné par comparaison des mesures hyperfréquences avec celles, coïncidentes, effectuées par le radiomètre infra-rouge [Tabary et Eymard, 1995].

4.2. Étalonnage en vol

Ayant l'assurance que l'instrument fonctionne de façon
nominale, nous avons entrepris l'étape principale de la qualifi-
cation des données: l'étude du comportement des mesures de
température de brillance et la validation des paramètres géophy-
siques restitués.

<figure><img src="image_139.png" /><figcaption>Figure 6. Géométrie de pointage des antennes.</figcaption></figure>

La difficulté de cette tâche réside dans le fait qu'il n'existe pas de cible naturelle ou artificielle permettant de tester directement les mesures radiométriques, contrairement au cas des radars. Il faut donc utiliser des milieux naturels de propriétés les mieux connues possibles, calculer les températures de brillance correspondantes et les comparer aux mesures du radiomètre en coïncidence. Ayant si nécessaire ajusté l'étalonnage du capteur, on peut alors valider les paramètres restitués.

Au cours de cette étude, nous avons utilisé deux modèles de transfert radiatif, l'un, M1, [Lojou et al., 1994], fondé sur les travaux de Ulaby [1981] et Waters [1976] pour l'absorption gazeuse et l'autre, M2, [Prigent et al., 1994] utilisant les résultats plus récents de Liebe [1989]. Appliquant ces deux modèles aux mêmes champs météorologiques coïncidant avec les mesures (analyses du CEPMMT de septembre et novembre 1991), nous avons obtenu des résultats nettement différents : les mesures 23,8 GHz ont été trouvées proches des simulations avec le premier modèle, tandis que les mesures 36,5 GHz sont apparues plus proches du second modèle (Tableau 1). Pour analyser ce désaccord, nous avons effectué les mêmes comparaisons sur les données du radiomètre SSM/I. Cette seconde analyse a révélé un bon accord avec les simulations utilisant le modèle M2, alors que le modèle M1 donne des valeurs de températures de brillance plus faibles à toutes les fréquences examinées (19, 22 et 37 GHz). Le résultat apparemment satisfaisant obtenu avec ATSR/M 23,8 GHz doit donc être reconsidéré: si le modèle sous-estime la vapeur d'eau (expliquant le désaccord dans le cas de SSM/I, lui-même supposé bien étalonné), il faut aussi conclure que ATSR/M présente un défaut d'étalonnage induisant une sous-estimation de la température de brillance à cette fréquence.

Nous avons donc réexaminé les paramètres clef de
l'étalonnage, en nous intéressant plus particulièrement aux
aspects peu ou non pris en compte durant l'étalonnage au sol: il
s'agit des effets de l'antenne (cornet + réflecteur) et des éléments
rayonnants dans les lobes secondaires. En effet, la mesure de
l'antenne peut s'écrire:

$$
T_a = \eta_{\text{ref}} (\eta_{\text{ML}} T_{\text{ML}} + \eta_{\text{SL}} T_{\text{SL}}) + (1 - \eta_{\text{ref}}) T_p \quad (9)
$$

avec $T_a$ la température à l'entrée du circuit radiométrique
(Figure 3), $T_{\text{ML}}$ la température dans le lobe principal
(température de brillance recherché), $\eta_{\text{ML}}$ l'efficacité de
<figure><img src="image_140.png" /><figcaption>Figure 5. Variations des températures internes en vol au cours d'une période orbitale, pour chaque canal: la température la plus élevée est observée dans la partie électronique (Tgunn), le commutateur d'étalonnage est la température moyenne de l'instrument (Th/c), tandis que le cornet de ciel est plus froid, car il est en contact avec l'extérieur (Tsh)</figcaption></figure>

l'antenne dans l'angle solide correspondant au lobe principal, $T_{SL}$ la température dans les lobes secondaires, $\eta_{SL}$ l'efficacité de l'antenne correspondant aux lobes secondaires (on a rapporté ici les contributions de tous les lobes secondaires à une contribution unique équivalente), $T_p$ la température physique du réflecteur et $\eta_{ref}$ le coefficient de transmission du réflecteur.

Une mauvaise connaissance des contributions dans les lobes secondaires peut causer une erreur atteignant 1 à 2 K sur la température de brillance, et une erreur sur le coefficient de transmission et la température du réflecteur peut avoir des répercussions 2 à 3 fois plus élevées. Nous avons donc examiné ces paramètres pour vérifier que l'écart constaté sur les températures de brillance peut leur être effectivement imputé. Il est apparu que le coefficient de transmission du réflecteur avait

été sous-estimé avant lancement, contribuant fortement à l'erreur observée. Nous avons également dû corriger la contribution du satellite (de température et émissivité en hyperfréquence mal connues), ainsi que le coefficient de transmission du cornet à 23.8 GHz [Boukabara, 1994].

### 4.3. Validation de la vapeur d'eau intégrée et de la correction altimétrique

Après avoir amélioré l'étalonnage, il reste à valider les paramètres géophysiques restitués. Comme nous ne disposons d'aucun jeu de mesures du contenu en eau des nuages, nous n'avons testé que la vapeur d'eau et la correction altimétrique.

Nous avions préparé pour le lancement un jeu d'algorithmes, tels que ceux présents au paragraphe 2.2, en utilisant le modèle
<table><caption>Tableau 1. Résultats statistique de la comparaison entre les températures de brillance ATSR/M data et celles simulées au moyen des modèles M1 et M2, en air clair (467 points). Δ Tb est l'écart entre les températures de brillance mesurées et simulées; a et b sont les coefficients de la droite de régression, de forme : Tb(simul.) = a Tb(mes.) + b, et R est le coefficient de corrélation.</caption><thead><tr><th></th><th>moyenne (K)</th><th>ecart type (K)</th><th>a</th><th>b</th><th>R</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="6"><strong>23.8 GHz</strong></td></tr><tr><td>Tb(ATSR/M)</td><td>153.8</td><td>14.2</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tb(M1)</td><td>155.6</td><td>12.0</td><td>-0.76</td><td>38.8</td><td>0.90</td></tr><tr><td>Δ Tb(M1)</td><td>-1.9</td><td>6.3</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tb(M2)</td><td>163.4</td><td>14.2</td><td>0.91</td><td>23.75</td><td>0.91</td></tr><tr><td>Δ Tb(M2)</td><td>-9.6</td><td>6.15</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="6"><strong>36.5GHz</strong></td></tr><tr><td>Tb(ATSR/M)</td><td>161.2</td><td>5.0</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tb(M1)</td><td>155.2</td><td>4.8</td><td>0.67</td><td>47.3</td><td>0.7</td></tr><tr><td>Δ Tb(M1)</td><td>5.9</td><td>3.8</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tb(M2)</td><td>160.7</td><td>5.5</td><td>0.92</td><td>12.0</td><td>0.84</td></tr><tr><td>Δ Tb(M2)</td><td>0.44</td><td>3.05</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

M1 et une base de données issue d'analyses du CEPMMT réalisées en 1985. Compte tenu des résultats initiaux de comparaison des températures de brillance mesurées et simulées à 23,8 GHz, on ne s'étonnera pas de trouver un assez bon accord entre les vapeurs d'eau restituées à partir de ATSR/M et celles calculées sur les profils d'humidité mesurés par radiosondages sur des bateaux (Figure 7). Ayant modifié l'étalonnage pour ajuster la température de brillance à 23,8 GHz à celle simulée avec le modèle M2, nous avons dû également revoir les algorithmes. Nous avons décidé de construire une nouvelle base de données à partir de champs du CEPMMT récents, de meilleure résolution verticale (31 niveaux au lieu de 19), et comportant une simulation de contenu en eau des nuages [Slingo, 1987] plus réaliste que dans notre première base de données. Nous avons utilisé le modèle M2 pour simuler les températures de brillance de ATSR/M et SSM/I, et vérifié la qualité des nuages simulés par comparaison avec des mesures du SSM/I [Gérard et Eymard, 1994], puis calculé les coefficients des nouveaux algorithmes. Nous obtenons un bon résultat pour la vapeur d'eau, comme le montre la figure 8 [Eymard et al., 1995]. Un résultat similaire est obtenu pour la correction altimétrique.

Nous avons donc établi que l'on peut étalonner en vol un radiomètre et valider les paramètres géophysiques restitués de façon satisfaisante, mais cette méthode suppose une grande confiance dans le modèle de transfert radiatif utilisé, et ne peut être indécrochante de celui-ci, puisqu'il sert à la fois à simuler les températures de brillance et établir les algorithmes de restitution (voir le paragraphe 2.2). Pour s'affranchir de cette limitation et compléter cette étude, il faudrait disposer de plusieurs modèles différents, adaptés par exemple à d'autres conditions de surface: sur les calottes glaciaires, ou sur des zones continentales pour lesquelles des modèles d'émissivité de surface existent ou sont en cours de développement. L'intérêt des pôles est la faible quantité de vapeur d'eau, permettant de s'affranchir partiellement de la modélisation de l'absorption de vapeur d'eau.

<figure><img src="image_141.png" /><figcaption>Figure 7. Première validation des contenus en vapeur d'eau par comparaison avec environ 1000 données de radiosondage (RS), avant correction de l'étalonnage, avec l'algorithme initial.</figcaption></figure>

## 5. CONCLUSION

Le radiomètre hyperfréquence ATSR/M a pour fonction principale de fournir l'allongement du trajet de propagation des mesures altimétriques, provoqué par l'humidité atmosphérique. C'est le seul instrument du satellite européen ERS-1 entièrement développé sous la responsabilité d'un laboratoire français. Le CETP, qui a assuré la maîtrise d'oeuvre de ce capteur, s'est également chargé de l'étalonnage au sol et des opérations de suivi, étalonnage et validation en vol. Nos travaux ont porté parallèlement sur la technique radiométrique (composants,
antennes, étalonnage au sol), et sur la physique de la mesure radiométrique (transfert radiatif et restitution des paramètres géophysiques recherchés).

L'analyse des mesures en vol a permis d'établir le bon fonctionnement de l'instrument. La qualification des températures de brillance a été effectuée au moyen d'un modèle de transfert radiatif et de sorties d'un modèle météorologique. L'étalonnage du radiomètre a été amélioré, puis nous avons validé les produits restitués, contenu en vapeur d'eau et correction altimétrique, par comparaison avec des mesures météorologiques coïncidantes effectuées sur les océans.

Le satellite ERS-1 a été lancé en juillet 1991. Il doit être remplacé en 1995 par ERS-2, qui emporte des instruments quasi-identiques. Le radiomètre hyperfréquence est cette fois un instrument de l'ASE. L'expérience que nous avons acquise avec ATSR/M a conduit l'ASE à nous confier les tâches d'étalonnage de l'instrument, au sol, pis en vol, ainsi que la validation des paramètres géophysiques.

*Remerciements:* Le bon fonctionnement du radiomètre après 4 ans en orbite a été obtenu grâce au travail de préparation accompli par l'équipe technique du CRPE. Cette étude a été soutenue par le CNES, le CNRS et le CNET.

## RÉFÉRENCES

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Eymard, L., L. Tabary, S.-A. Boukabara, E. Gérard et A. Le Cornec, The microwave radiometer on board ERS-1. Part 2 : Validation of the geophysical products. *IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing*, en révision, 1995.

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<figure><img src="image_142.png" /><figcaption>Figure 8. Validation finale des contenus en vapeur d'eau, sur les mêmes données après correction de l'étalonnage et mise au point d'un nouvel algorithme.</figcaption></figure>

Liebe, H. J., MPM - an atmospheric millimeter-wave propagation model. Intern. J. Infrared Millimeter Waves, 10, 631-650, 1989.

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Lojou, J.-Y., R. Bernard and L. Eymard, A simple method for testing brightness temperatures from satellite microwave radiometers. *J. Atmos. Oceanic Tech.*, 11, 387-400, 1994.

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Waters, J. W., Absorption and emission of microwave radiation by atmospheric gases. In *Methods of Experimental Physics, vol 12*, M.L. Meeks Ed., Part B, Radio Astronomy, Academic Press, section 2.3, 1976.
# VERS UNE MEILLEURE COMPREHENSION DES FLUCTUATIONS PLUVIOMETRIQUES AU SAHEL : L'EXPERIENCE EPSAT-NIGER

Thierry LEBEL, Jean LECOCQ, Frédéric CAZENAVE

ORSTOM- Groupe PRAO- LTHE, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9

Jean Denis TAUPIN, Michel GREARD

ORSTOM- Groupe PRAO- BP 11416, Niamey, Niger

Luc LE BARBE

ORSTOM- Groupe PRAO- BP 5045, 34032 Montpellier Cedex

Au cours de quatre campagnes successives (1990-1993), l'expérience EPSAT-Niger a permis d'acquérir un ensemble de données pluviographiques et radar sans équivalent à ce jour sur l'Afrique de l'Ouest. Un panorama rapide des données acquises et des conditions climatiques qui ont prévalu durant ces 4 années d'expérience est donné ici, permettant de dégager quelques éléments dominants de la climatologie des précipitations au Sahel. Il est suivi d'une description des travaux menés en vue d'obtenir des estimations de lames d'eau au sol plus fiables sur des surfaces dont la taille peut varier selon les besoins des hydrologues et des modélisateurs du climat. Une analyse des champs pluviométriques associés aux systèmes convectifs de méso-échelle est ensuite présentée, montrant qu'ils sont constitués de structures emboîtées dont la trace se retrouve jusque dans les cartes de cumuls saisonniers. Néanmoins la possibilité de calculer des statistiques pertinentes pour ces structures est limitée par la nature intégrée des données fournies aussi bien par le radar que par les pluviographes. Un effort majeur reste donc à accomplir pour prendre en compte la distorsion introduite par ces effets d'intégration et développer des procédures d'estimation des paramètres de modèles de champs pluviométriques sahéliens.

Made of four years (1990-1993) of intensive field campaigns, the EPSAT-Niger experiment allowed to collect a set of weather radar and recording raingauges data which is unique in West Africa. A broad overview of the data collected and of the climatic conditions that prevailed during those four years of experiment are given here. Some key statistics of the Sahelian rainfields are derived. The data processing used to obtain the relevant informations for hydrologists and climate modellers, that is areal rain depths, is then described. The analysis of the seasonal rain fields structure leads to identify nested structures that are related to the convective nature of the Sahelian rainfall. However the possibility of computing relevant statistics for the parameters characterising these structure is impeded by the integration carried out by radar and raingauge measurements. A major effort has thus to be undertaken to understand how the space or time integrations distort our visions of the convective structures and to derive estimation procedures for the calibration of space-time models of Sahelian rain fields.

## 1. INTRODUCTION

La pluie moyenne interannuelle sur l'Afrique de l'Ouest présente une organisation très régulière de ses isohyètes, orientées Est-Ouest. Sur la zone sahélienne en particulier, le gradient pluviométrique Nord-Sud est pratiquement constant, de l'ordre de 1 mm/km [Lebel et al., 1992]. Cette organisation est associée au mouvement saisonnier de la Zone InterTropicale de Convergence (ZITC), elle-même liée à la migration alternée de l'équateur météorologique du sud vers le nord entre les mois de février et de juillet, puis du nord vers le sud entre les mois de septembre et de décembre. Si les grands traits de la circulation générale qui commande le régime des précipitations en Afrique de l'Ouest sont assez bien connus, et depuis longtemps, très peu de travaux ont, en revanche, été consacrés soit au développement d'une climatologie précise des précipitations dans ces régions, soit à la modélisation des champs pluviométriques qui conditionnent le bilan hydrique régional. Or le bilan hydrique des zones tropicales influence largement le climat planétaire par le biais des échanges de chaleur latente associés aux systèmes convectifs qui génèrent l'essentiel des précipitations de la bande intertropicale. Une bonne connaissance de la répartition spatiale des précipitations à différentes échelles de temps est également essentielle pour évaluer et prévoir l'évolution des ressources en eau, dont la pénurie menace en permanence les régions telles que le Sahel.

Une raison fondamentale de notre manque de connaissance sur la dynamique et la variabilité des champs pluviométriques sahéliens est l'absence de mesures réalisées à des résolutions compatibles avec les échelles de variabilité des systèmes convectifs. Un premier effort pour remédier à cette lacune a été accompli au milieu des années 80 avec la mise en place d'un réseau dense de pluviomètres sur le degré carré de Ouagadougou [Hubert et Carbonnel, 1988]. L'expérience EPSAT-Niger visait à prolonger ces études préliminaires en mettant sur pied un dispositif donnant accès à l'étude des variabilités se développant aux échelles de l'ordre du kilomètre et de la minute, grâce à l'emploi de pluviographes et d'un radar bande C numérisé. Outre qu'il permet une étude fine de l'organisation et de la variabilité des champs pluviométriques dans une optique de modélisation, le dispositif EPSAT-Niger a également été conçu pour servir de validation aux estimations de pluie par satellite, qu'elles soient basées sur les données infra-rouges ou micro-ondes actuellement disponibles ou sur celles des futurs missions TRMM [Simpson et al., 1988] et TROPIQUES [Desbois, 1994]. Enfin, le dispositif EPSAT-Niger a également servi de support à l'expérience HAPEX-Sahel, dont l'objectif était d'améliorer la paramétrisation des échanges sol-atmosphère dans les modèles de circulation générale atmosphérique [Goutorbe et al., 1994].

Un an après la fin de l'expérience cet article vise à fournir une synthèse de ses premiers acquis. Il passe en revue les données acquises (section 2) et les conditions climatiques rencontrées et
fournit quelques statistiques caractéristiques sur la distribution des cumuls pluviométriques et des intensités (section 3). L'apport des données d'EPSAT-Niger concernant l'estimation de lames d'eau est ensuite présenté, ainsi que les algorithmes de correction qu'il faut appliquer aux données radar pour cela (section 4). Enfin sont évoquées les perspectives de modélisation des champs pluviométriques à différentes échelles de temps, en se basant sur la possibilité d'identifier la trace hydrologique des cellules convectives à partir des données radar et de celles du réseau sol de 1993, conçu à cet effet (section 5).

## 2. DISPOSITIF DE MESURE

### 2.1. Zone et période d'étude

Le dispositif de mesure a été implanté dans la région de Niamey (Niger), où la pluie moyenne interannuelle sur la période 1905-1989 a été de 560 mm. Les quarante dernières années ont été caractérisées par la succession d'une séquence humide (moyenne interannuelle de 655 mm entre 1950 et 1967) et d'une séquence sèche (moyenne interannuelle de 495 mm entre 1968 et 1989). La zone couverte par le réseau de pluviographes représente 16.000 km² (Figure 1) et est délimitée par les latitudes 13° et 14°N, d'une part, par les longitudes 1,40° et 3°E, d'autre part. Le radar est situé dans la partie ouest de la zone d'étude, ce qui permet d'éviter les effets d'atténuation sur site (les pluies viennent systématiquement de l'est) et d'assurer que toutes les

stations sol soient incluses à l'intérieur du cercle de rayon 120 km au delà duquel la mesure quantitative par radar n'est plus possible.

Deux années d'étude préliminaire, 1988 et 1989, ont permis de tester et fiabiliser le dispositif. A partir de 1990, on a disposé d'une centaine de pluviographes à acquisition numérique (109 en 1992 et 1993) qui ont été maintenus jusqu'en 1993. A compter de 1994 le dispositif a été réduit à une trentaine d'appareils. Il sera maintenu tel quel en 1995 et, dans la mesure du possible, au delà, ceci pour obtenir une climatologie d'au moins 10 ans sur cette région et pour servir de validation éventuelle aux missions satellitaires TRMM et TROPIQUES.

### 2.2. Résolution et période d'échantillonnage

Le radar utilisé fonctionne en bande C ($\lambda$ = 5,4 cm). L'ouverture du faisceau principal est de 1,5° et la durée d'impulsion de 2 µs. En mode standard l'acquisition du signal rétrodiffusé s'effectue sur des portes de 500 m [Sauvageot et Despaux, 1990]. La résolution spatiale de la donnée radar varie en conséquence linéairement de 500 m x 500 m pour une distance de 20 km de l'émetteur à 500 m x 1500 m pour une distance de 60 km. La mesure est aussi intégrée verticalement, de telle sorte que les précipitations contenues dans le volume d'intégration vont arriver au sol en s'étalant sur une durée de quelques minutes (entre 1 et 5 minutes selon la vitesse de chute et la distance au radar).

<figure><img src="image_143.png" /><figcaption>Figure 1. Le réseau de pluviographes EPSAT-Niger en 1992.</figcaption></figure>
Les données sol, quant à elles, résultent d'une intégration spatiale sur 400 cm², que l'on pourra assimiler à une mesure ponctuelle, et d'une intégration temporelle sur une durée qui varie avec l'intensité de la pluie. En effet la donnée acquise est le temps, mesuré à la seconde près, séparant deux basculements consécutifs d'un auget (0,5 mm de pluie). La période d'intégration varie ainsi de 30 minutes pour une intensité de 1 mm/h à 5 minutes pour une intensité de 30 mm/h et 15 secondes pour une intensité de 120 mm/h.

La période d'échantillonnage du signal radar (c'est à dire l'acquisition d'un tour d'antenne durant environ 1 minute) varie de 15 minutes lorsque le système précipitant est hors de la zone de pluviographes à 5 minutes lorsque le système précipitant couvre l'aire cible pointée en figure 1. La couverture spatiale est continue.

A l'inverse, les pluviographes fournissent une mesure continue dans le temps (les cumuls sont donc connus exactement) mais discontinue dans l'espace, l'échantillonnage spatial étant réalisé par un réseau de base dont la maille est de 12,5 km environ, descendant jusqu'à 1 km sur les aires cibles (Figure 1).

## 3. LES DONNEES ACQUISES

### 3.1. Qualité des mesures

Quatre saisons des pluies (10 avril - 10 octobre) ont été suivies lors de la période intensive (1990-1993). Au cours de ces quatre saisons, 172 événements pluvieux ont été enregistrés, représentant plus de 99% de la pluie annuelle. Le taux de fonctionnement moyen des pluviographes s'établit à un peu moins de 95%. Les comparaisons effectuées sur deux sites entre pluie au sol et pluie à 1,50 m (hauteur standard des pluviographes d'EPSAT-Niger) ne révèlent aucune différence significative [Taupin et al., 1993b]. Conformément à ce qui est le plus souvent observé, et malgré un réglage régulier de tous les appareils, le cumul de la mesure par augets surestime systématiquement, bien que dans des proportions variables d'un appareil et d'une saison à l'autre, le cumul pluviométrique recueilli dans les seaux situés à la sortie du tuyau de vidange des appareils. Cette surestimation est en moyenne de l'ordre de 5%. Pour les pas de temps supérieurs à 24 h., les données augets sont donc corrigées par les valeurs de contrôle au seau.

Sur cette même période de 4 ans, 112 événements ont été suivis par radar, dont 83 appartiennent à l'ensemble des 172 événements enregistrés à l'aide du réseau sol. Malheureusement, des problèmes répétés d'alimentation électrique ont altéré la qualité des acquisitions de 1990 et, pour partie, de 1991. L'exploitation des ces données à des fins quantitatives est difficilement envisageable, sauf peut-être de façon très globale. A compter du mois d'août 1991 le radar a très bien fonctionné, permettant une bonne couverture de la Période d'Observation Intensive d'HAPEX-Sahel [Goutorbe et al., 1994] et l'acquisition de données sur une quinzaine de lignes de grains (on se reportera à Lebel et al. [1995a], et Taupin et al. [1993b], pour des commentaires plus détaillés sur le fonctionnement du radar).

### 3.2. Aperçu sur la climatologie

Les tableaux 1 et 2 donnent un aperçu de la pluviométrie enregistrée au cours des années 1990 à 1993. La moyenne annuelle sur le degré carré de Niamey ($P_{dc}$) s'établit à 472 mm sur les quatre années, chiffre inférieur à la moyenne de la période 1968-1989 à la station Niamey-Aéroport. La sécheresse des décennies 1970 et 1980, analysée par Nicholson [1981], Lamb [1983] et Hubert et Carbonnel [1987], entre autres, s'est donc prolongée au début de la décennie actuelle. La variabilité spatiale

<figure><img src="image_144.png" /><figcaption>Figure 2. Carte des isohyètes de la saison 1992 d'après Taupin et al. [1993b].</figcaption></figure>

des cumuls saisonniers apparaît extrêmement importante, puisque la plus forte valeur enregistrée par le réseau a été chaque année deux fois supérieure à la plus faible. La carte des cumuls 1992 (Figure 2) illustre également cette très forte variabilité qui reste un des résultats préliminaires les plus marquants d'EPSAT-Niger. Par contraste, la pluviosité moyenne associée à un événement pluvieux apparaît très stable d'une année à l'autre, comme le montre le tableau 2. Au Sahel, un Système Convectif de Méso-échelle (SCM) produit en moyenne 10 mm de pluie sur un degré carré (12.000 km²). L'analyse plus détaillée menée par Lebel et Le Barbé [1995] et Lebel et al. [1995b], montre que la distribution du cumul pluviométrique en un point et pour un événement pluvieux est exponentielle, la moyenne et l'écart-type étant de l'ordre de 15 mm pour le coeur de la saison des pluies. Ces valeurs ont été calculées à partir d'échantillons de pluies non nulles (la moyenne de 15 mm est donc une moyenne conditionnelle au fait qu'une pluie de 1 mm au moins ait été enregistrée à la station concernée). Si on fait l'hypothèse, raisonnable sur une telle surface d'où tout relief marqué est absent, que le processus pluviométrique est stationnaire, la différence entre la moyenne du cumul pluviométrique calculée pour un point, d'une part, et sur un degré carré, d'autre part, peut être attribuée au fait que la pluie ne touche pas toutes les stations du degré carré à chaque fois. Dans la mesure où nous disposons d'un réseau régulier et dense le rapport de la moyenne "degré carré" à la moyenne conditionnelle en un point peut être assimilée à la probabilité qu'un point donné soit touché par la pluie au cours d'un événement. Cette probabilité serait donc de l'ordre de 65 à 70 %. Lebel et al. [1995a] ont calculé par ailleurs qu'un peu plus de 90% de la pluie annuelle tombe au cours de ces événements de méso-échelle. Même si la définition de ces événements de méso-échelle repose jusqu'à présent uniquement sur des critères numériques déduits du réseau EPSAT-Niger, ce
<table><caption>Tableau 1. Statistiques (en mm) des mesures enregistrées par le réseau de base EPSAT-Niger (espacement des stations de 12,5 km environ) sur la période 10/04 - 10/10, comparées aux statistiques de la série temporelle de Niamey-Aéroport (N.A.). Les deux dernières colonnes donnent le cumul saisonnier sur le degré carré (13-14°N; 2-3°E), avec son écart-type d'estimation par krigeage, et aux deux stations de Niamey-Aéroport et Niamey-ORSTOM.</caption><thead><tr><th>Echantillon</th><th>Moyenne (μ<sub>p</sub>)</th><th>Ec.Type (s)</th><th>mini m</th><th>Maxi (M)</th><th>C.V.(%) (s/μ<sub>p</sub>)</th><th>(M-m)/μ<sub>p</sub> (%)</th><th>Lame d'eau degré carré</th><th>Niamey Aero / ORST.</th></tr></thead><tbody><tr><td>EPSAT 1990</td><td>396</td><td>63</td><td>292</td><td>659</td><td>16,0</td><td>93</td><td>396 ± 2</td><td>474 / 399</td></tr><tr><td>EPSAT 1991</td><td>523</td><td>95</td><td>341</td><td>725</td><td>18,2</td><td>74</td><td>522 ± 4</td><td>434 / 541</td></tr><tr><td>EPSAT 1992</td><td>513</td><td>71</td><td>389</td><td>782</td><td>13,9</td><td>77</td><td>511 ± 3</td><td>607 / 488</td></tr><tr><td>EPSAT 1993</td><td>459</td><td>83,9</td><td>315</td><td>622</td><td>18,6</td><td>65</td><td>460 ± 5</td><td>399 / 447</td></tr><tr><td>N.A. 50-89</td><td>566</td><td>123</td><td>294</td><td>980</td><td>22</td><td>114</td><td></td><td></td></tr><tr><td>N.A. 50-67</td><td>654</td><td>145</td><td>454</td><td>940</td><td>22</td><td>74</td><td></td><td></td></tr><tr><td>N.A. 68-89</td><td>495</td><td>108</td><td>294</td><td>689</td><td>22</td><td>80</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

qui est un obstacle à leur généralisation à d'autres circonstances, la notion d'événement pluvieux, entité bien repérable et aux propriétés statistiques stables, semble devoir constituer la pierre angulaire de toute climatologie des pluies au Sahel.

Une autre constatation importante résultant de l'analyse des données d'EPSAT-Niger est la relative stabilité des intensités pluviométriques enregistrées d'une année sur l'autre. Bien qu'un travail méthodologique approfondi reste à accomplir pour étudier les effets du mode d'échantillonnage réalisé par les pluviographes (intégration temporelle à pas variable, dont la période dépend de l'intensité de la pluie), les calculs préliminaires de Lebel et al. [1995b] indiquent que 50% environ du total pluviométrique annuel tombe avec des intensités dépassant 35 mm/h, et 35% avec des intensités dépassant 50 mm/h. Ces chiffres illustrent que la pluie au Sahel est tout aussi intermittente dans le temps que dans l'espace : 50% de la pluie annuelle en une station tombe en moins de 5 heures.

## 4. ESTIMATION DES PRECIPITATIONS

Un des premiers objectifs d'EPSAT-Niger était d'évaluer la précision des estimations de lames d'eau qui pouvaient être obtenues à l'aide de différentes combinaisons de capteurs. Une première série de réponses a été donnée à cette question en utilisant les seules données sol. L'apport des données radar n'a pu encore être évalué précisément du fait du temps nécessaire à l'étalonnage a posteriori du capteur, mais on entrevoit déjà les possibilités dans ce domaine. Enfin, quelques algorithmes satellitaires ont pu être testés sur de petites surfaces grâce aux vérités sol fournies sur le degré carré de Niamey.

### 4.1. Utilisation du seul réseau sol

La transformation d'un semis de valeurs ponctuelles en séries de lames d'eau sur des surfaces plus ou moins étendues est

<figure><img src="image_145.png" /><figcaption>Figure 3. Variogramme des cumuls saisonniers pour la saison des pluies 1991, d'après Lebel et al. [1995].</figcaption></figure>
<figure><img src="image_146.png" /><figcaption>Figure 4. Erreurs standards d'estimation par krigeage, calculées à l'aide d'un modèle de variogramme exponentiel de paramètre de forme $\beta=10\text{km}$.</figcaption></figure>

nécessaire pour la validation des données radar et satellite, d'une part, pour les calculs de bilan hydrique effectués par les équipes d'HAPEX-Sahel, d'autre part. Les surfaces concernées vont de $1 \times 1 \text{ km}^2$ (pixels radar et NOAA, modèles de réponse de végétation) à $100 \times 100 \text{ km}^2$ (bilan hydrique à l'échelle du degré carré, recharge des aquifères, validation des sorties de MCG).

Ce travail a d'abord été entrepris, par une approche géostatistique, à de grandes échelles de temps, de l'événement (quelques heures) à la saison. Thauvin [1992], puis Taupin et al. [1993a] ont mis en évidence des distances de décorrélation étonnamment faibles (de l'ordre de 30 km) sur les cumuls saisonniers. Thauvin [1992] a calculé une série d'abaques fournissant les erreurs types d'estimation de lame d'eau sur des carrés compris entre $1 \times 1 \text{ km}^2$ et $100 \times 100 \text{ km}^2$. Une analyse plus

attentive du variogramme saisonnier montre qu'il est en fait constitué d'un emboîtement de structures et que le palier de corrélation observé par Thauvin n'est pas unique : il correspond simplement à la structure la plus facile à mettre en évidence du fait des échelles de mesure du réseau. On détecte ainsi pour la saison 1991 (Figure 3) une succession de tronçons où le variogramme passe par des phases de croissance et de plateau. Les calculs menés par Lebel et al. [1995b] permettent de faire correspondre des structures fondamentales à chacune de ces zones (voir en section 5). Néanmoins, pour des distances d'interpolation comprises entre 1 et 60 km, des modèles de variogramme à palier unique, avec une portée $r$ de l'ordre de 30 km, constituent une bonne approximation de la structure réelle des champs de pluie par événement aussi bien que des champs de
<table><caption>Tableau 2. Statistiques des événements pluvieux ayant touché plus de 30% des stations du réseau EPSAT-Niger (pluie en mm; durées en heures:minutes). La moyenne sur le degré carré est celle de la série des n lames d'eau estimées par krigeage des valeurs ponctuelles pour chaque événement de la saison. Elle est accompagnée de l'écart-type de la série</caption><thead><tr><th></th><th>Nombre (n)</th><th>Moyenne sur le degré carré</th><th>Minimum sur le degré carré</th><th>Maximum sur le degré carré</th><th>Maximum en un point</th><th>Durée Minimale</th><th>Durée Maximale</th></tr></thead><tbody><tr><td>1990</td><td>39</td><td>9.6 ± 7.4</td><td>0.9</td><td>27.2</td><td>103</td><td>2:50</td><td>11:10</td></tr><tr><td>1991</td><td>47</td><td>10.5 ± 8.4</td><td>0.5</td><td>36.4</td><td>162</td><td>2:10</td><td>16:40</td></tr><tr><td>1992</td><td>48</td><td>10.0 ± 9.5</td><td>0.5</td><td>43.4</td><td>92</td><td>1:35</td><td>11:45</td></tr><tr><td>1993</td><td>38</td><td>10.5 ± 8.5</td><td>0.2</td><td>37.3</td><td>96</td><td>0:30</td><td>9:05</td></tr></tbody></table>

pluie saisonnier (on se reportera à Lebel et al. [1995b], pour une explication de ce fait apparemment paradoxal). L'abaque de la figure 4 a été calculé en utilisant un variogramme exponentiel de paramètres de forme a égal à r/3 (10 km), ce qui signifie que, dans le cas strictement stationnaire, le coefficient de corrélation entre 2 points séparés de 30 km est de l'ordre de 20% (r2 = 0,05).

Le paramètre cartographié est un écart-type d'estimation unitaire, $\sigma_u$, qui doit être multiplié par l'écart-type (en mm), $\sigma_p(k)$, du champ pluviométrique $k$ considéré pour obtenir un écart-type d'estimation, $\sigma_e(k)$, en mm [Lebel et al., 1987] :

$$ \sigma_e(k) = \sigma_p(k) \cdot \sigma_u \quad (1) $$

Cette formulation, qui résulte directement des hypothèses de stationnarité et d'ergodicité liées à la mise en oeuvre du krigeage climatologique, présente une difficultés de mise en oeuvre liée au calcul de $\sigma_p(k)$. On sait qu'il est en effet difficile d'estimer correctement un écart-type pour des populations à distribution très dissymétrique, comme c'est le cas pour les champs pluviométriques, lorsqu'on dispose de moins d'une trentaine de réalisations de la variable aléatoire. En ce qui concerne EPSAT-Niger ce n'est pas réellement un problème puisqu'on a au minimum une soixantaine de stations disponibles sur un domaine suffisamment homogène pour que les hypothèses de stationnarité tiennent. Par contre, l'application de l'abaque de la figure 4 pour une situation non expérimentale nécessite des adaptations si la répartition des stations n'est pas homogène et leur nombre insuffisant pour estimer $\sigma_p(k)$ de manière fiable. Une étude des estimateurs de $\sigma_p(k)$, fonction notamment du réseau d'observation et de la moyenne calculée sur ce réseau pour un champ donné doit donc être réalisée. En attendant un ordre de grandeur peut-être obtenu en utilisant les résultats de Lebel et al. [1995b], mentionnés en section 3.2, montrant que l'écart-type climatologique de la distribution des cumuls par événement (conditionnellement au fait qu'il pleuve effectivement au point considéré) était égal à 15 mm environ et à 13,5 mm en incluant les valeurs nulles. On peut adopter comme estimateur climatologique de $\sigma_Z(k)$ une valeur constante $\sigma^* = 15$ mm. On pourra objecter, à juste titre, qu'il s'agit là d'une approche grossière. Néanmoins, faute d'une étude détaillée, qui reste à réaliser, de la stationnarité de $\sigma_Z(k)$ et des effets de l'intermittence des champs pluviométriques sur son estimation (prise en compte ou non des valeurs nulles, stationnarité de la probabilité d'apparition des valeurs non nulles), l'utilisation conjointe de l'abaque de la figure 4 (où $\sigma_u$ est cartographié sous forme d'isolignes) et de l'équation (1) modifiée :

$$ \sigma_e = 15 \sigma_u, \sigma_e \text{ en mm,} \quad (2) $$

permet de calculer des écarts-types ($\sigma_e$) assez fiables et plutôt majorés pour la plupart des situations courantes.

Bien qu'une série d'abaques plus complète ait été calculée, les valeurs obtenues pour des surfaces comprises entre 100 et 1000 km² sont les plus significatives. Sur l'abaque de la figure 4, la densité du réseau EPSAT-Niger correspond à peu près à la droite horizontale d'ordonnée égale à 10. Pour les surfaces au delà de 1000 km², l'erreur d'estimation standard est inférieure à 15%. Elle croît de 15 à 30% lorsque la surface décroît de 1000 à 100 km².

On aura remarqué que l'erreur d'estimation standard ne dépend pas de la lame d'eau enregistrée sur la surface d'estimation, mais de la pluviosité d'ensemble de l'épisode $k$ considéré, par le biais du paramètre $\sigma_p(k)$. On réalise donc une erreur relative plus grande sur une faible lame d'eau (inférieure sur la surface d'estimation à la lame d'eau produite sur l'ensemble de la surface concernée par l'épisode) que sur une forte lame d'eau (supérieure sur la surface d'estimation à la lame d'eau produite sur l'ensemble de la surface concernée par l'épisode). Le cas des précipitations extrêmes du type de celle enregistrée le 4 août 1989 [Thauvin, 1992] échappe peut-être à ce schéma, mais il est impossible de se prononcer sur ce point avant qu'une climatologie complète des données EPSAT-Niger ait été réalisée.

## 4.2. Etapes préalables à une quantification basée sur les données radar

Bien que la forte densité du réseau de pluviographes EPSAT-Niger permette de calculer des lames d'eau avec une précision correcte pour la plupart des applications hydrologiques, la donnée radar peut fournir une information complémentaire précieuse pour les petites surfaces (inférieures à 50 km²). En dehors des questions d'estimation des précipitations au sens strict le radar a également un potentiel en matière de modélisation spatio-temporelle des précipitations, comme cela sera évoqué plus loin. Dans tous les cas, l'utilisation de ces données nécessitent néanmoins un étalonnage soigné au préalable.

Le site de Niamey est a priori très favorable à la mesure des précipitations par radar, du fait de l'absence de bande brillante aux altitudes de mesure et d'un relief très peu marqué. Malgré ces conditions favorables, deux sources d'erreur majeures demeurent: i) l'instabilité de la chaîne de réception qui entraîne des variations d'étalonnage d'une acquisition à l'autre; ii) l'atténuation du signal, non négligeable du fait de la longueur d'onde utilisée (5,4 cm) et de l'intensité des précipitations observées. La difficulté réside dans le fait que ces deux sources d'erreurs interagissent comme l'ont confirmé nos études.

Tout d'abord, un recalage de la chaîne de réception a été effectué en se basant sur les échos de sol, renvoyés essentiellement par les lobes secondaires du faisceau radar et bien visibles sur les images de la figure 8, à l'intérieur de la couronne de 20 km. Cette procédure a confirmé la bonne qualité des données acquises en 1992 et 1993, le niveau des échos de sol variant peu d'un événement à l'autre, par contraste avec celles de 1990 et
<figure><img src="image_147.png" /></figure>

<figure><img src="image_148.png" /><figcaption>Figure 5. Simulation de l'atténuation du signal d'un radar bande C à travers un hyétogramme caractéristique d'une ligne de grains sahélienne. En partant d'un hyétogramme connu a priori, on simule le hyétogramme vu par le radar, auquel on applique ensuite un algorithme de correction récursif de type Hitschfeld-Bordan. Dans le premier cas l'algorithme converge, la correction est possible et le hyétogramme corrigé est assez proche du hyétogramme vrai. Dans le second cas il diverge et crée des déformations importantes par rapport à la réalité.</figcaption></figure>

1991, pour lesquelles les échos de sol sont d'un niveau moyen de 24 db inférieur et varient fortement [Taupin et al., 1993b; Lecocq, 1994]. Si l'étude des échos de sol permet d'analyser la qualité des données et de recaler toutes les acquisitions à un niveau comparable, elle ne constitue en aucune manière un étalonnage du radar, faute de référence à une grandeur de réflectivité connue a priori. Après avoir montré que les méthodes traditionnelles d'étalonnage par comparaison directe des valeurs radar et des valeurs sol étaient très influencées par le choix de l'algorithme d'interpolation des données pluviométriques ponctuelles, et imprécises du fait de la non correction d'atténuation, Lecocq et al. [1994] proposent une méthode qui permet d'identifier séparément la constante d'étalonnage, d'une part, et la correction d'atténuation d'autre part. En s'appuyant sur

l'expression de l'atténuation totale $L^2(r)$ sur le trajet radar-cible de l'onde :

$$L^2(r) = \exp \left( -0,46 \int_{0}^{r} K(r) dr \right) \quad (3)$$

où $K(r)$ est le taux d'atténuation et $r$ la distance au radar, on montre que le logarithme du rapport entre la précipitation vraie ($P_v$) et la précipitation déduite du signal radar atténué ($P_a$) est une fonction linéaire de la distance au radar:

$$\log \frac{Z_v(r)}{Z_a(r)} = \text{b.log} \frac{P_v(r)}{P_a(r)} = K_1 r + K_2 \quad (4)$$

$Z_v$ et $Z_a$ étant les réflectivités vraie et apparente. Pour $r = 0$, il n'y a pas d'atténuation et la constante $K_2$ peut donc être traitée comme une constante d'étalonnage. Les données étant acquises en dbZ ($z = 10.\log Z$), on exprime la constante d'étalonnage comme le nombre de dbZ à ajouter ou enlever pour passer du signal mesuré au signal étalonné, soit :

$$c = z_v - z_a = 10K_2 = 10 \left( \text{b.log} \frac{P_v}{P_a} (r=0) \right) \quad (5)$$

Pour être mise en oeuvre cette méthode requiert un alignement de pluviographes suffisamment rapprochés les uns des autres et dans l'axe d'une radiale radar. Le dispositif ARCOL offrant une telle configuration, Lecocq et al. [1994] ont appliqué la méthode à 6 SCM de 1993, ce qui a permis de montrer que l'étalonnage de la chaîne de réception surestimait le signal reçu d'une valeur de 1 à 3 dbZ selon les événements considérés, et de corriger les données en conséquence.

Une fois le signal de retour ainsi réajusté, on peut procéder à une étude de l'atténuation. Comme le souligne Sauvageot [1982], "les erreurs dues à l'atténuation pour une mesure de précipitation par rétrodiffusion....entraînent des incertitudes excessives sur les mesures". Ceci est particulièrement vrai en bande X (3 cm), alors qu'en bande S (10 cm) l'atténuation ne constitue plus un problème majeur. La bande C est une configuration intermédiaire pour laquelle une analyse soigneuse doit être réalisée au cas par cas. En ce qui concerne EPSAT-Niger, un simulateur développé au LTHE [Delrieu et al., 1992] a permis de montrer que pour un profil type de précipitation au travers d'une ligne de grains, l'algorithme récursif d'Hitschfeld et Bordan [1954] était utilisable sous certaines conditions (Figure 5). En se basant sur le résultat de ces simulations, l'algorithme de HB a été mis en oeuvre pour corriger les effets d'atténuation sur les veilles radar de 1993 [Benichou et al., 1995]. L'exemple de la figure 6 montre l'intérêt du travail préliminaire d'étalonnage. En effet, en l'absence d'étalonnage il est impossible de corriger l'image brute car, rapidement, l'algorithme de HB diverge (zones blanches sur l'image non calibrée et corrigée là où il y a des échos sur l'image brute). En effectuant une remise à niveau de -2.8 dbZ, calculée par la méthode décrite précédemment, on obtient une image étalonnée et corrigée des effets d'atténuation globalement semblable à l'image brute, mais avec une différence sensible sur les lames d'eau estimées (5,2 mm/h pour l'image brute contre 4,2 mm/h pour l'image calibrée et corrigée sur tout le degré carré, soit des valeurs de respectivement 25 et 20 mm/h environ si on se limite à la zone pluvieuse).

S'il apparaît que l'essentiel des images radar des campagnes 1992 et 1993 peuvent être corrigées des effets d'atténuation, deux
<figure><img src="image_149.png" /><figcaption>Figure 6. Image radar de la ligne de grains du 17 août 1993 à 21:10 UTC. Le degré carré de Niamey est figuré sur la première image. La calibration est de -2,8 dbz ("image calibrée"). La correction d'atténuation sans calibration ("image non calibrée et corrigée") se traduit par des divergences de l'algorithme de correction qui produisent des zones dépourvues d'échos (correction impossible à effectuer), alors qu'après calibration la correction d'atténuation est possible. Valeurs moyennes estimées sur le degré carré : image brute= 5,2 mm/h; image calibrée et atténuée$^{1,15,3,1}$ mm/h; image non calibrée et corrigée= 11,2 mm/h; image calibrée et corrigée= 4,2 mm/h). Correction d'atténuation par la relation $K = 2 \times 10^{-3} R^{1,15}$, et transformation en taux de pluie par la relation $Z = 411 R^{1,35}$.</figcaption></figure>

points doivent néanmoins être soulignés : 1) on se situe à la limite de la divergence des algorithmes récursifs de type Hitschfeld-Bordan et toute erreur, même minime, sur

l'étalonnage peut déboucher sur une incapacité à corriger l'atténuation; 2) il existe des situations où un radar bande C effectuant des mesures dans l'axe de déplacement d'une ligne de
08/08/1993 Site ARCOL

<figure><img src="image_150.png" /><figcaption>Figure 7. Structure interne d'un système convectif, vue par le réseau spécifiquement mis en place pour 1993. Malgré le cumul sur 5 minutes, les cellules sont bien visibles là où existent des alignements de stations parallèles au front convectif. On remarquera que partout où le réseau de pluviographes est moins dense, et bien qu'il existe des stations de bordure qui n'apparaissent pas ici, l'algorithme d'interpolation crée des dômes d'une étendue irréaliste par comparaison avec ce qui est observé dans la zone d'instrumentation dense. Espacement des isohyètes : 1 mm.</figcaption></figure>

grains et en avant de celle-ci est trop fortement atténué au travers du front convectif pour que les données obtenues puissent ensuite être corrigées de l'atténuation par un algorithme récursif classique. Ceci constitue une limite à l'utilisation des radars bande C pour étudier les précipitations tropicales, ou du moins impose des précautions lors du traitement des données.

4.3. Validation d'algorithmes satellitaires

Les données EPSAT-Niger permettent de calculer des vérités sol sur de petites surfaces avec une erreur d'estimation inférieure

à 5%. Arnaud et al. [1994] ont pu ainsi tester des méthodes d'estimation de pluie par satellite sur des surfaces allant du pixel METEOSAT (5x5 km²) au degré carré, opération impossible avec les données des réseaux météorologiques nationaux. Jobard et Desbois [1992] ont également tiré parti de la résolution des données de Niamey pour étudier la sensibilité des algorithmes satellitaires aux effets d'intégration spatiale et temporelle. Les données EPSAT-Niger ont par ailleurs été utilisées par Arnaud et al. [1992] pour mettre au point une méthode de suivi automatique et de caractérisation du cycle de vie des systèmes convectifs sahéliens.
<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Figure 8. Supeposition des images radar et des isohyètes calculées à partir du réseau sol pour deux images de la ligne de grains du 8 août 1993. On remarque une bonne concordance générale entre images sol et radar dans la zone d'instrumentation intensive. Ailleurs (partie Sud de l'image) le réseau sol n'a détecté aucune des cellules vues par le radar. La donnée radar est instantanée, alors que la donnée sol est intégrée sur 5 minutes. Espacement des isohyètes : 1 mm sur 5 minutes, soit 12 mm/h.</figcaption></figure>

## 5. IMPACT HYDROLOGIQUE DES STRUCTURES CONVECTIVES

On a vu qu'il est possible d'identifier sur le variogramme des cumuls saisonniers de la figure 3 la trace de structures correspondant à la variabilité interne aux événements pluvieux, et ce alors que 47 événements ont été observés en 1991. Ce fait est assez remarquable. Il traduit une certaine persistance des structures spatiales au travers des changements d'échelle

temporels et amène à s'interroger sur le meilleur moyen d'en rendre compte. Les données d'EPSAT-Niger permettent d'espérer compléter le schéma de fonctionnement des lignes de grains d'Afrique de l'Ouest tel que proposé par Chong et al. [1987] à la suite de COPT-81, par une étude consistante de l'impact hydrologique des structures convectives qui les composent. On a mentionné plus haut certaines propriétés statistiques établies pour le degré carré de Niamey : stabilité des distributions d'intensité entre années sèches et années plus humides, et stabilité également de la distribution des cumuls sur les événements pluvieux. Ces résultats d'ordre climatologique doivent maintenant être complétés par une modélisation des champs pluviométriques.

Depuis les travaux précurseurs d'Amorocho et Brandstelter [1967], puis Austin et Houze [1972], identifiant le haut degré de hiérarchisation et d'agrégation des structures précipitantes au sein des systèmes convectifs, de nombreux modèles, dont on trouvera une revue très complète dans Foufoula-Georgiou et Georgakakos [1991], ont été proposés pour représenter les champs pluviométriques associés aux Systèmes Convectifs de Méso-échelle. Ces modèles reposent sur les concepts de cellules convectives, amas et bandes, dont les évolutions spatio-temporelles sont explicitées d'une manière plus ou moins complexe. Deux choses sont à noter : d'une part, les procédures d'i-érence des paramètres, permettant de caler les modèles sur des champs observés, n'existent souvent pas, les auteurs se contentant de prendre des valeurs moyennes proposées dans la littérature pour la taille et la durée de vie des cellules par exemple. D'autre part, jusqu'à une époque récente, les seules données adaptées à une analyse fine de la structure des champs pluviométriques associés aux SCM de la zone tropicale étaient celles de GATE, qui concernaient l'océan. Sur le continent africain, les données du réseau dense de pluviomètres de Ouagadougou ont permis à Hubert et Carbonnel [1989] de tester l'approche fractale pour modéliser l'occurrence de pluie, mais l'absence de données à petit pas de temps (pluviographes ou radar) limite les résultats obtenus.

Les données EPSAT-Niger comblent une grande partie des lacunes de GATE et du réseau de Ouagadougou : elles concernent une région continentale, elles associent données sol et données radar, elles s'étalent sur 4 ans, ce qui devrait permettre d'obtenir des climatologies significatives sur les structures convectives.

En fait, une des principales difficultés à résoudre pour caler les modèles conceptuels de précipitation est l'identification sur les systèmes précipitants observés des structures qui constituent ces modèles. A l'expérience, il s'est avéré que les données sol du réseau à maille régulière implanté entre 1990 et 1992 ne permettait pas, par exemple, de détecter les cellules pluvieuses. Parallèlement, l'examen des données radar et les problèmes pressentis pour les étalonner, incitaient à mettre au point pour 1993 un dispositif sol visant à fournir une validation quantitative aux structures éventuellement détectées par radar. L'efficacité de ce dispositif est illustrée par la figure 7 sur laquelle on voit pour 4 pas de temps successifs de 5 minutes le déplacement des structures pluvieuses associées à la ligne de grains du 8 août 1993, telles qu'observées par le réseau sol. La comparaison avec les images radar (Figure 8) montre que les données sol et radar sont en bon accord uniquement là où le réseau est très dense et organisé en transects parallèles à l'axe du front convectif. Un obstacle de taille pour la comparaison des images radar et sol et le calcul de climatologies susceptibles de servir au calage des modèles, vient de ce que la mesure radar est un "instantané" intégré sur un volume, alors que le pluviographe fournit une mesure ponctuelle intégrée dans le temps (cf. section 2.2). Un effort d'analyse doit donc être fait pour préciser ce qu'est une
cellule convective en terme de précipitation et comment les mesures intégrées réalisées par les différents capteurs permettent d'en calculer les caractéristiques, ne serait-ce que sous une forme statistique.

Un autre concept qui mérite d'être précisé est celui d'événement pluvieux. Hormis quelques cas simples (la ligne de grains parfaitement formée en est un), il y a souvent ambiguïté entre l'identification qui peut être faite depuis le sol (les capteurs, y compris le radar n'ont qu'une fenêtre de vision limitée) et depuis l'espace (le satellite opère une couverture globale mais il voit les nuages et non les structures précipitantes qui intéressent l'hydrologue). Or, la mise en oeuvre des modèles mentionnés plus haut dans un mode d'analyse, voire d'estimation, présuppose que l'on soit capable de distinguer entre l'intermittence interne aux systèmes pluvieux et la séparation entre deux systèmes. Cette nécessité s'applique également à la mise en oeuvre des méthodes d'estimation par seuils, très en vogue actuellement dans une optique satellitaire (des applications de la méthode des seuils à partir des données d'EPSAT-Niger ont été proposées par Braud et al. [1994] pour les champs de pluie horaire et par Sauvageot et al. [1995], pour les taux de pluie instantanés). Des critères liés au réseau sol d'EPSAT-Niger ont été proposés par Thauvin [1992] et repris par Lebel et al. [1995] pour identifier des événements pluvieux sur des bases d'extension spatiale et non pas seulement en fonction de la forme du hyétogramme à une station donnée. Ces critères sont : 30 % des stations du réseau de base en activité doivent avoir enregistré de la pluie (au moins 2,5 mm), sans qu'il y ait d'arrêt complet des précipitations sur l'ensemble de la zone pour une durée de plus de 30 minutes. Cette définition présente l'avantage d'être objective et facile à mettre en oeuvre. Elle est à l'origine des statistiques présentées dans le tableau 2. Son gros inconvénient est d'être dépendante des moyens et de la fenêtre d'observation. Aussi, paraît-il important de mettre au point une méthode permettant d'identifier tous les événements pluvieux (et pas seulement les mieux structurés qui représentent environ 60 % du total pluviométrique annuel, d'après Lebel et al. [1995a]), en se basant sur des critères plus universels que ceux adoptés jusqu'à présent. Il est à noter qu'un travail à paraître montre que l'on peut différencier les systèmes précipitants sahéliens en fonction de la distribution des aires pluvieuses internes, et que cette classification a un impact sur les paramètres des modèles à seuil, ce qui renforce l'intérêt d'une identification fiable et reproductible des événements pluvieux.

## 6. BILAN ET PERSPECTIVES

L'expérience EPSAT-Niger a permis de réunir un jeu de données unique en son genre sur les systèmes précipitants sahéliens, associant les données d'un radar bande C et d'un réseau dense d'une centaine de pluviographes couvrant une superficie de plus de 10.000 km² pendant une durée de quatre ans. Avec une maille de 12,5 km de coté environ, le réseau de pluviographes permet de calculer des cumuls pluviométriques sur la durée d'un événement, avec une erreur d'estimation moyenne inférieure à 15% pour les surfaces allant de 1000 à 10.000 km². Cette erreur croit jusqu'à 30 % pour des surfaces de l'ordre de 100 km². Un résultat important dans cette première étape d'exploitation des données, est que l'erreur commise sur des cumuls décadaires, mensuels, voire annuels, est du même ordre que celle concernant les cumuls par événement. Les données pluviographiques permettent également des études de distribution spatio-temporelle pour des échelles de temps égales ou inférieures à celles de l'événement pluvieux, fournissant ainsi des informations d'ordre climatologique sur le nombre d'événements observés au cours d'une saison des pluies et, surtout, sur l'apport

pluviométrique moyen de tels événements. La distribution du cumul sur l'événement en un point semble être pratiquement exponentielle, très stable d'une saison à l'autre, avec une moyenne et un écart-type de l'ordre de 15 mm. La distribution spatio-temporelle est, elle, très intermittente. Plus de la moitié du cumul saisonnier en un point tombe en moins de 5 heures, et des écarts de 100% entre des points séparés d'une dizaine de km ont été observés. De tels écarts, admis jusqu'à présent à l'échelle de l'événement, n'avaient jamais été mesurés pour des pluies annuelles. Ils se comprennent assez bien lorsqu'on sait que 50% environ de ce total annuel tombe avec des intensités dépassant 35 mm/h, et 35% avec des intensités dépassant 50 mm/h.

Cette forte variabilité spatiale, caractéristique à toutes les échelles de temps, implique de prendre en compte les structures convectives constitutives des systèmes précipitants sahéliens pour modéliser les champs pluviométriques, même lorsqu'on cumule plusieurs événements. Les données radar peuvent aider à cela, à condition d'avoir été au préalable correctement étalonnées. Un important travail méthodologique a donc été entrepris dans cette direction. On a pu montré en particulier qu'en bande C, l'atténuation du signal radar à travers les lignes de grains était très significative et devait être soigneusement corrigée pour pouvoir utiliser quantitativement les données d'EPSAT-Niger.

Les efforts des équipes qui exploitent les données d'EPSAT-Niger à des fins hydrologiques vont maintenant porter sur le développement d'un modèle de champs pluviométriques prenant en compte la dynamique propre aux systèmes convectifs de méso-échelle sahéliens. Pour ce faire, une climatologie plus exhaustive que celle disponible jusqu'à présent sera réalisée à partir des données sol et les données radar seront utilisées, ce qui était impossible pour ce type d'application avant leur étalonnage. Parallèlement, on cherchera à préciser les implications de l'intermittence des champs de pluie pour la mesure satellitaire, associée ou non à une vérité sol (pluviographes et/ou radar). Les données d'EPSAT-Niger pourraient notamment servir à simuler les conséquences de l'échantillonnage réalisé par les missions spatiales TRMM et TROPIQUES et à la validation des algorithmes d'estimation qu'il est prévu d'implanter dans ce cadre.

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# LE PROGRAMME CNRS "PIREN-SEINE" : UNE ACTION DE RECHERCHE
PLURIDISCIPLINAIRE ET MULTIPARTENARIALE
SUR LE FONCTIONNEMENT GLOBAL D'UN BASSIN FLUVIAL.

Ghislain de MARSILY et Eliane FUSTEC

Université Pierre-et-Marie Curie, Laboratoire de Géologie Appliquée, BC 123, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05

La Seine constitue un bassin hydrographique très fortement aménagé, où l'activité agricole et industrielle est intense, et la densité de l'habitat très élevée mais dont les ressources en eau sont très modestes, voire même insuffisantes pour satisfaire aux besoins et maintenir un niveau de qualité acceptable. En 1989, le CNRS et les différents responsables de la gestion de l'eau décidaient de mettre conjointement en place un programme intégré de recherche pour comprendre le fonctionnement actuel du bassin dans son ensemble (quantité et qualité) et aider à orienter les décisions en matière d'aménagement et de gestion des eaux. Cet article présente le contenu du programme, son fonctionnement et les principaux résultats scientifiques obtenus jusqu'à présent.

The Seine River, which flows through Paris, drains a watershed where the density of population is very high (ten millions inhabitants in the urban area of Paris), and where both the agricultural and industrial activities are very strong. The water resources of the basin are on the contrary very small compared to the demand. The watershed is therefore heavily equipped and artificially managed. In 1989, The National Center for Scientific Research (CNRS), together with various authorities and utilities in the basin, decided to launch an integrated scientific research program first to understand the present functioning of the system over the whole watershed (both for quantity and quality), and then to help design new equipment and management rules to improve the water availability and quality in the basin. This paper summarizes the content of the program, its mode of operation, and its major scientific findings up to now.

## 1. INTRODUCTION

Le programme de recherche PIREN-SEINE a été créé pour une première phase de quatre ans par le CNRS en 1989. Les raisons de cette initiative sont doubles :

Le Programme de Recherche Interdisciplinaire sur l'Environnement (PIREN) du CNRS avait déjà mis en place des programmes de recherche sur d'autres grands fleuves français (le Rhône, le Rhin, la Garonne, la Durance). Ces programmes, très intégrés aux actions de gestion et d'aménagement de ces fleuves, avaient permis d'apporter des éléments scientifiques objectifs aux problèmes que se posaient les responsables et les élus. Le CNRS, dans le cadre de son Comité "Grands Fleuves", avait donc vocation à proposer des programmes de recherche sur les deux autres fleuves importants du pays, la Loire et la Seine. Les tentatives de monter un programme "Loire" ont malheureusement échoué, il faut sans doute le regretter. Sur la Seine, au contraire, les possibilités étaient multiples.

La Seine constitue, par rapport aux autres fleuves français, un cas particulièrement complexe et scientifiquement peu étudié. Il s'agit d'un bassin très fortement aménagé (barrages, écluses et voies de navigation, prélèvements d'eau pour l'AEP, rejets et traitements d'eaux usées, ...), et qui concentre une population ainsi qu'une activité agricole et industrielle exceptionnelles, alors que les ressources en eau sont très limitées en été (le débit naturel de la Seine en amont de Paris peut tomber en dessous de 20 m³/s, comme en 76, ce qui est inférieur aux besoins). La gestion de cet ensemble d'aménagements ainsi que la programmation des équipements nouveaux imposés par des élus en vue d'améliorer la qualité des cours d'eau et par les réglementations européennes (zones sensibles, rejets en Mer du Nord) est devenue de plus en plus complexe. Jean BRACHET, alors Délégué de Bassin Seine-Normandie, et également membre du Comité "Grands Fleuves" du CNRS, a été le principal artisan de la mise du programme, et a participé au choix et à l'élaboration des thèmes de recherche à afficher en priorité.

Le PIREN-SEINE a donc d'abord fonctionné de 89 à 92, selon des modalités et sur des thèmes que nous décrirons dans un

instant ; en particulier, il a oeuvré sous l'autorité de deux comités de contrôle : le premier, présidé par M. André SANTINI, ancien Ministre, Président du Syndicat des Eaux d'Ile-de-France, vice-président du Comité de Bassin. Ce Comité rassemble les représentants de l'ensemble des institutions intéressées par les travaux du PIREN-SEINE et qui lui apportent leur concours. Le second, présidé par M. Henri DECAMPS, Directeur de Recherche au Centre d'Ecologie des Ressources Renouvelables du CNRS à Toulouse puis par M. Jean-Claude LEFEUVRE, Professeur, rassemble une quinzaine de scientifiques français et étrangers, chargés d'évaluer la qualité scientifique des travaux proposés ou produits par le programme.

En avril 1993, Le PIREN-SEINE a organisé un colloque scientifique pour rendre compte de l'ensemble de ses travaux ; parallèlement, les deux Comités ci-dessus donnaient un avis favorable à la poursuite du programme, et le CNRS décidait de prolonger le PIREN-SEINE pour une nouvelle période de quatre ans (93-96) dans le cadre d'un Groupement de Recherche (GDR) intitulé "Analyse et Modélisation des Systèmes Fluviaux Anthropisés". La thématique de recherche a été renouvelée en fonction des résultats déjà acquis, et des besoins exprimés, en particulier lors de la première phase d'élaboration du Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SDAGE), démarrée en 1992, et qui doit se poursuivre jusqu'en 1996.

## 2. FONCTIONNEMENT ET MOYENS

Le programme PIREN-SEINE rassemble une soixantaine de chercheurs de la fonction publique appartenant à diverses disciplines, plus une quinzaine de thésards et quelques chercheurs étrangers ou appartenant au privé. La liste des équipes est donnée en fin de l'article. L'essentiel des salaires des chercheurs est donc supporté directement par leurs organismes d'appartenance (CNRS, Education Nationale, Grandes Ecoles d'Ingénieurs, CEMAGREF, INRA, EDF, ou Ministère de la Recherche pour certaines bourses de thèse) et représente en moyenne une contribution sur fonds publics de l'enveloppe de recherche de 25 MF par an.
L'organisation de la recherche est structurée en plusieurs sous-
thèmes, qui sont chacun animés par deux responsables ; un
comité de direction se réunit périodiquement pour examiner les
résultats obtenus, choisir les actions à mener et organiser les
campagnes, répartir le budget. Une fois par an, des journées
internes permettent de confronter l'ensemble des résultats
obtenus.

Les fruits de la recherche sont consignés dans des rapports
techniques annuels remis aux organismes qui participent au
programme, des rapports de synthèse annuels et quadriennaux, et
des publications scientifiques dans des revues internationales. Un
document de synthèse sur les résultats des quatre premières
années du programme [Fustec et Marsily, 1994] constitue les
Actes du Colloque "La Seine et son Bassin" de la Recherche à la
Gestion", organisé en 1993 par le PIREN-SEINE pour rendre
compte de ses travaux.

Des modèles de calculs pour prédire l'évolution du système sont aussi élaborés, et sont ou seront mis à la disposition des partenaires pour, après mise en forme complémentaire pour satisfaire leurs besoins propres, leur permettre de les utiliser pour la gestion.

Dès le démarrage du programme, l'essentiel des Institutions Nationales et de la Région Ile-de-France ont bien voulu prêter leur concours au PIREN-SEINE (liste en fin de cet article). Il s'est agi tout d'abord de suggestions et demandes sur la nature des recherches, de mise à disposition de données, de personnel pour participer aux travaux, ou de moyens techniques, et enfin de contributions financières pour réaliser les travaux de recherche. En effet, sur l'ensemble de ses programmes "Grands Fleuves", le CNRS n'est en mesure d'apporter (outre le salaire de ses chercheurs), qu'une contribution au fonctionnement relativement modeste, incitatrice, de l'ordre de 10% du coût de fonctionnement du programme, à charge pour celui-ci de trouver à l'extérieur les moyens dont il a besoin. Ceci a pour effet de mieux faire prendre en compte par les programmes les besoins réels des régions.

Depuis 6 ans, le budget de fonctionnement annuel moyen du programme est de 5 MF. Ce budget est établi annuellement, en fonction des orientations scientifiques choisies, des moyens nécessaires, et du "consentement à payer" des Institutions. Le choix des programmes fait l'objet de réunions préalables avec les dites institutions, puis le "Comité de Coordination" du programme, sous la présidence de M. SANTINI, après s'être fait exposer les résultats de l'année précédente, arrête définitivement le programme de l'année suivante et fixe le budget.

Le Comité "Grands Fleuves" du CNRS, lui, est informé des
choix scientifiques initiaux de chaque phase de quatre ans du
programme, sur lequel il émet un avis, mais sa fonction
principale est de donner un avis annuel a posteriori sur la qualité
scientifique des travaux réalisés.

3. THEMES SCIENTIFIQUES ET RESULTATS, PHASE 89-92

3.1. Thème 1 : Fonctionnement de l'écosystème

Les raisons du choix de ce thème sont doubles :

En premier lieu, les rejets de la région parisienne en aval
d'Achères constituent une sujétion très forte pour la qualité des
eaux, ses effets se font sentir jusqu'à l'embouchure et en Manche.
Il existe aussi des champs captants en nappe alluviale en aval
d'Achères, dont la qualité des eaux dépend du fonctionnement du
système. Or, il est prévu par les élus de revoir et d'améliorer
l'ensemble de l'assainissement des eaux usées. Si l'on modifie
l'état actuel, comment va évoluer le système ? Vers quel nouvel
état, vers quelle biocénose va-t-on tendre ? Est-ce que les
moyens mis en oeuvre pour l'assainissement auront bien les

effets attendus ? Pour pouvoir répondre à ces questions, il fallait
commencer par étudier et mieux comprendre les cycles majeurs
de la matière vivante dans la Seine (dégradation de la matière
organique, croissance du plancton, cycles de l'ammoniaque, des
nitrates, du phosphore et enfin de l'oxygène, qui conditionnent en
particulier la nature et la densité des peuplements de poissons).

Par ailleurs, en amont de Paris, là où la qualité de l'eau est bien
meilleure, se posent néanmoins des problèmes de qualité liés à
l'eutrophisation. On observe en effet, principalement au
printemps, des épisodes de "blooms" algaux qui peuvent être
gênants pour la production d'eau potable. Ce phénomène semble
être en croissance sur le long terme en raison de l'augmentation
régulière des apports de nutriments (azote et phosphore) aux
rivières. S'ajoutent à cette tendance des fluctuations erratiques,
dues en particulier aux effets climatiques, l'année 1993 ayant, par
exemple, été très sévère. Ce phénomène est également lié au
fonctionnement des cycles biologiques dans le réseau hydrogra-
phique. Comment cette tendance va-t-elle évoluer ? Quelle en est
la cause ? Comment peut-on s'en protéger ? Pour le savoir, il
fallait étudier de près les multiples processus impliqués. A la
demande des Institutions concernées, l'Oise et la Marne ont été
choisies en priorité.

Les travaux sur ce thème ont duré quatre ans et ont constitué la
partie la plus importante du programme. Tentons d'en résumer en
quelques mots les acquis.

Dans la partie aval, le fonctionnement de l'écosystème est
dominé par les rejets d'Achères. Plusieurs constituants
déterminent l'état du système : l'ammoniaque, la matière
organique, les nitrates et les phosphates.

L'ammoniaque : c'est l'élément le plus toxique pour les
poissons quand il est dissocié en NH3 et, de plus, son oxydation
en nitrate consomme de l'oxygène et appauvrit donc la rivière en
cet élément. Il s'infiltre dans les alluvions sous la Seine et
constitue une menace pour les captages. Il a cependant été mis en
évidence que l'oxydation de l'ammoniaque ne se produit que très
lentement dans la Seine car les bactéries appropriées
(nitrifiantes) ne sont initialement présentes qu'en faible quantité
dans le milieu. Elles se développent lentement, et ne deviennent
vraiment actives que lorsque le fleuve arrive dans la zone
estuarienne : c'est l'endroit le plus critique où la qualité de l'eau,
souvent anoxique en été, interdit le rétablissement des espèces
migratoires amphihalines (saumon, alose, lamproie marine, ...)
qui existaient autrefois dans la Seine. L'ammoniaque est
évidemment le premier élément qu'il est prévu de traiter ; il
faudra cependant examiner l'influence d'un éventuel ensemen-
cement de la Seine en bactéries nitrifiantes issues des stations de
traitement, susceptibles de déplacer vers l'amont la zone actuelle
d'anoxie. Il est encore nécessaire de développer de nouvelles
méthodes de biologie moléculaire pour identifier les stocks de
bactéries nitrifiantes (mais aussi de bactéries hétérotrophes
oxydant la matière organique) afin de comprendre les
mécanismes de régulation de ces deux peuplements de bactéries.

La matière organique : elle est rejetée en grande quantité et
consomme également de l'oxygène pour son oxydation. Contrai-
rement aux bactéries nitrifiantes, les bactéries qui dégradent la
matière organique sont déjà abondantes et actives dans la Seine à
l'amont d'Achères. Leur action se trouve, de plus, "renforcée" par
de nouvelles bactéries, rejetées par la station d'Achères, plus
grosses que celles provenant de l'amont. L'origine précise de ces
grosses bactéries, que l'on trouve déjà dans les eaux d'égouts, n'a
pas encore été précisée. On a étudié cependant en détail, pour les
deux classes de bactéries, leur rôle et le rythme avec lequel elles
oxydent la matière organique. C'est ce rythme qui détermine la
teneur en oxygène de l'eau du fleuve. Pour bien comprendre le
fonctionnement, il a fallu par ailleurs définir, savoir mesurer et
comprendre la dynamique de deux classes de matière organique,
Secteur Marne Poses

PROSE-HYDRO

Modèle hydrologique détaillé
basé sur les équations de Saint Venant

<figure><img src="image_152.png" /></figure>

<figure><img src="image_153.png" /></figure>

PROSE-QUAL

Couplage du modèle PROSE-HYDRO
avec le modèle des processus écologiques,
utilisable en régime permanent ou transitoire.

<figure><img src="image_154.png" /></figure>

MONET

Couplage du modèle des processus écologiques
avec une version simplifiée de l'hydraulique,
décrivant sur le suivi d'une masse d'eau
en régime permanent.

<caption>Figure 1. Modélisation des secteurs situés à l'aval de Paris: modèles PROSE et MONET.</caption>

celle qui est facilement oxydable et celle qui l'est moins. Il faut
préciser aussi que cette matière organique, et les grosses
bactéries qui y sont associées, décantent peu à peu et vont
constituer une couche peu épaisse et lentement mobile de vase au
fond de la Seine. Cette couche de vase est très réductrice, le
milieu est anoxique. Cet effet est, dans une certaine mesure,
bénéfique pour la Seine car il favorise la réduction des nitrates en
azote gazeux (dénitrification) mais aussi en ammoniaque. La
décantation de la matière organique favorise une réoxygénation
progressive en surface, à laquelle les écluses et le mouvement
des péniches contribuent également. Mais elle induit aussi un
effet négatif : les eaux qui s'infiltrent dans la nappe alluviale sont
réductrices et, du fait de la dégradation de la matière organique,
plus riches en ammoniaque que celles de la Seine. Il est évident
qu'une meilleure élimination de la matière organique des eaux
usées est nécessaire pour améliorer la qualité de l'eau par une
meilleure oxygénation et une production moindre
d'ammoniaque ; mais l'effet bénéfique de la dénitrification serait
alors réduit.

Les nitrates et les phosphates : les rejets d'Achères contiennent des quantités importantes de phosphates (de l'ordre de 10 t/j de phosphore, par rapport à 4 t/j venant de l'amont) ; pour les nitrates, les apports amont de la Seine et de l'Oise sont de l'ordre de 33 t/j (en N), alors que l'apport d'Achères se fait surtout sous forme d'ammoniaque (60 t/j), dont 20 t/j sont transformées en nitrates avant l'estuaire. Ces chiffres concernent les périodes d'étiage, en particulier en 1991. A part la légère dénitrification dans les vases du fond et dans celles qui s'accumulent dans l'estuaire, nitrates et phosphates progressent jusqu'à la mer. Vu

leur quantité importante, et le rapport nitrate/phosphate optimal
pour la croissance des algues, ils devraient permettre un fort
développement des algues microscopiques (phytoplancton).
Cependant, la faible transparence de l'eau qui induit une
réduction de la photosynthèse, limite la croissance de celles-ci
dans ce secteur aval de la Seine. Mais l'importance de ces apports
de nutriments et de l'intensification de certains processus à partir
de l'estuaire entraînent une eutrophisation croissante en baie de
Seine.

Une contribution très importante du programme est d'avoir
développé des modèles de comportement de l'écosystème,
baptisés MONET et PROSE, pour ce dernier sur la base d'une
hydraulique fine représentant notamment l'écoulement de l'eau
au pas de temps de 10 minutes entre Montereau et Poses (Figure
1). Tous les mécanismes décrits brièvement ci-avant y sont
représentés. Aucun modèle n'avait pris en compte jusqu'ici, avec
ce degré de détail, le fonctionnement du système. Ce modèle
peut maintenant être utilisé de manière prévisionnelle, pour
examiner comment va se comporter le système en fonction de
l'évolution des installations de traitement des eaux usées. Une
comparaison entre les résultats de ces modèles avec ceux fournis
par les divers modèles existants est en voie d'achèvement. Ces
modèles seront ensuite mis à la disposition des Institutions qui le
souhaitent, afin qu'elles puissent les adapter à leurs besoins et les
utiliser à leur gré.

Qu'en est-il maintenant du fonctionnement de l'écosystème en
amont de Paris ? Les problèmes de qualité de l'eau sont, nous
l'avons vu, dominés par le cycle du plancton (le phytoplancton et
le zooplancton, constitué d'animaux minuscules qui "broutent" le
phytoplancton). Dans certaines rivières, ce sont les algues macrophytes fixées au fond qui dominent. Dans les deux cas, nos travaux ont montré que les facteurs qui déterminent la croissance algale sont de différents types : la température et la lumière, la vitesse du courant, la profondeur et la transparence de l'eau, la teneur en nitrates et en phosphates. Nous avons obtenu un résultat important pour les décisions d'assainissement : dans les zones amont, c'est le phosphore qui est l'élément limitant de la croissance algale, et non les nitrates, qui sont en quantité excédentaire par rapport aux besoins des algues. Le phosphore étant d'origine essentiellement urbaine, et les nitrates d'origine essentiellement agricole, il semble donc prioritaire de déphosphater les eaux usées urbaines, pour éviter l'eutrophisation des rivières en amont. Il faut pour cela déterminer quelles sont les techniques de traitement les plus efficaces et les moins coûteuses pour atteindre cet objectif, et donc choisir quels sont les meilleurs facteurs de maîtrise de l'eutrophisation. Dans la deuxième phase du programme, il est prévu d'étudier aussi comment les systèmes annexes des rivières (retenues, bras morts, gravières, zones alluviales humides) peuvent contribuer à l'élimination naturelle des nitrates, et parfois même des phosphates.

Le PIREN-SEINE a établi des modèles de croissance des algues au printemps, qui permettent de prévoir leur développement et qui sont mis à la disposition des Institutions qui prélèvent de l'eau dans les rivières en amont de Paris (modèles SENESTRE sur la Seine, EUSTACHE sur la Marne, GREFFUHLE sur l'Oise). Ces modèles sont capables de prévoir l'évolution de la qualité de l'eau en fonction des aménagements projetés, en particulier le niveau de traitement des eaux dans l'amont du bassin.

Le PIREN-SEINE a aussi décrit les peuplements de poissons dans le bassin, leur variabilité en fonction de l'état du milieu (qualité de l'eau et existence ou état des zones de reproduction). Il a mis en évidence la fragilité et la pauvreté spécifique en espèces de la zone aval, avec cependant une adaptation et des stratégies spécifiques de survie étonnantes (croissance plus rapide et maturité plus précoce, protection en cas d'anoxie du fleuve dans des zones refuges telles que bras morts, gravières reliées à la Seine, etc...). L'aménagement des zones annexes aux rivières a une très grande influence sur la qualité écologique du milieu.

## 3.2. Thème 2 : Barrages-Réservoirs

Ce thème a été motivé par les questions suivantes :

Tout d'abord, en étiage, les besoins en eau à satisfaire sont principalement en région parisienne ; en revanche, les barrages-réservoirs sont situés en amont (barrages Aube, Marne, Seine, Pannecière sur l'Yonne). Entre les deux, 200 km de rivières forment un système complexe et dont le rôle était mal connu. En particulier, les mesures réalisées avaient laissé penser qu'une partie importante de l'eau relâchée aux barrages ne se retrouve pas à Paris. Y avait-il des pertes dans le lit de la rivière, des prélèvements sauvages ?

Ensuite, comment l'eau relâchée par les retenues, de température et de composition un peu différentes, affecte-elle l'équilibre écologique de la rivière en aval ?

Quel est également l'état de stabilité des berges des rivières ? En quoi les aménagements ou la gestion le mettent-ils en péril ? Quel remède éventuellement proposer ?

Enfin, un problème d'une autre dimension est attaché au thème barrages. Il s'agit d'un problème sociologique, que l'on peut qualifier en termes généraux de "conflit amont-aval". L'origine du "conflit", c'est l'utilisation pour les besoins de la Région Ile-de-France de territoires amont pour y construire des

barrages, d'où découle une gestion artificielle des cours d'eau pour servir les intérêts de l'aval, éventuellement aux dépens de ceux de l'amont. Un exemple d'un tel conflit est la demande de protection des plaines cultivables amont contre les crues de printemps. Est-ce que la sociologie, les calculs économiques pouvaient apporter un éclairage utile au problème ?

Résumons les résultats acquis sur ces questions :

Sur le devenir des lâchures, une réponse claire a été apportée. Après avoir réalisé et observé une lâchure expérimentale de 20m³/s pendant 10 jours en septembre 90, il a pu être montré, sans ambiguïté, que les déficits en eau à Paris par rapport aux débits relâchés sont dus au stockage temporaire de l'eau dans les berges du fleuve. Cet effet est sensible pendant les premiers jours (de 15 à 30% du débit lâché), mais s'atténue avec le temps, et devient négligeable au bout d'un mois (quelques pour cent), d'après les extrapolations par le calcul. De plus, cette eau n'est pas vraiment perdue, mais revient naturellement à la rivière quand la lâchure s'arrête. Enfin, il a été montré comment une gestion conjointe des lâchures et des barrages de navigation pouvait accélérer la propagation des eaux et réduire les pertes. Un modèle de propagation des lâchures a été construit, et est à la disposition des gestionnaires.

L'influence thermique des lâchures sur le régime des rivières est en général négligeable et sans effet très notable ; seul Pannecière, dont la hauteur de retenue est la plus forte, et donc le gradient de température plus élevé, a un effet plus notable, mais qui ne semble pas dominant. Quant à l'effet de la différence de qualité des eaux, il est plutôt bénéfique et améliore l'écologie du milieu, si toutefois les débits relâchés sont assez réguliers. Il y a en effet une bien moindre teneur en nitrates et phosphates dans les eaux qui sortent des retenues que dans celles qui y entrent. Nous ne parlons pas ici de l'effet des vidanges décennales, qui font l'objet d'un programme particulier dans la deuxième phase du programme.

L'étude de la stabilité des berges a montré, en fait, une étonnante mobilité du lit dans les zones de la Seine en amont de la confluence avec l'Aube, sur les 100 dernières années. Cependant, les aménagements ont beaucoup artificialisé le tracé, avec des conséquences nombreuses pour les habitats de poissons et le maintien des zones de reproduction, conduisant à une banalisation des espèces. Certains types d'interventions humaines conduisent à des érosions régressives, parfois gênantes, qui contribuent à la charge en matière en suspension des cours d'eau. Le rôle stabilisateur ou perturbateur de la végétation a été examiné.

En matière socio-économique, deux actions ont été menées. La première a cherché à appliquer, pour la première fois en France, l'analyse économique coûts-bénéfices à la gestion des retenues de la Seine. Cette méthode permet d'apporter un éclairage sur l'ensemble des conséquences d'un mode de gestion, en considérant tant les valeurs marchandes que non marchandes. Pour ces dernières, des enquêtes utilisant "l'analyse contingente" ont permis de prendre en compte des aspects tels que la valeur écologique du Parc Régional de la Forêt d'Orient. Des éléments objectifs sur la mise en culture des zones inondables au printemps ont été apportés, montrant en particulier que les bénéfices potentiels pour l'agriculture d'une protection contre les crues de printemps étaient bien inférieurs à la valeur économique attribuable au maintien de zones humides, sans même parler des coûts associés à un éventuel déficit en eau en Ile-de-France en étiage estival.

La seconde action dans ce domaine concerne l'étude des processus de décision au sein du bassin. Suivant en cela un mode d'approche déjà utilisé avec succès lors de l'étude des réseaux de transport en Ile-de-France, un groupe de réflexion, le GREBAR, a été mis en place, constitué de représentants des Institutions
responsables de la gestion des eaux dans le bassin. A titre d'exemple, le GREBAR s'est interrogé sur l'aménagement de la Bassée, en considérant les divers enjeux en présence (agriculture, exploitation de graviers, zones inondables, ressources en eau souterraine, zones humides, loisirs, etc...). Une plaquette "Quel avenir pour la Bassée ?" a été éditée et largement diffusée, pour fournir une contribution et des éclairages critiques aux décisions des élus et des responsables. La suite des travaux du GREBAR a consisté en une réflexion sur le thème "Quels nouveaux ouvrages, pour quels nouveaux usages ?", dont on reparlera dans le chapitre suivant à propos des travaux proposés pour la suite du programme.

### 3.3. Thème 3 : Usage du sol et qualité des eaux

Les raisons d'être de ces recherches sont les suivantes :

Dans l'ensemble du bassin, mais de façon plus marquée à l'amont, d'où proviennent les eaux prélevées en Ile-de-France, les pratiques agricoles ont une influence déterminante sur la qualité des eaux. Cependant, ces pratiques sont en constante évolution, et pourraient aussi être codifiées pour préserver cette qualité (maintien de zones enherbées près des ruisseaux par exemple, ou cultures hivernales, ou type d'assolement, ...). Il était donc important d'étudier leurs liens. Une demande pressante des distributeurs d'eau concernait en particulier les matières en suspension (MES) en périodes orageuses, qui avaient connu ces dernières années, de façon inexpliquée, des pointes de concentration particulièrement gênantes pour le traitement. Les intrants agricoles (nitrates, phosphates, pesticides) sont aussi visés.

Par ailleurs, dans les zones proches des grandes agglomérations, l'urbanisation et la transformation en espaces de loisirs (Eurodisneyland, golfs, ...) constituent un changement d'usage du sol en constante progression. Quelle en est l'influence sur la qualité des eaux ?

La méthode d'approche choisie est ambitieuse, car elle vise à étudier ces relations sur un site expérimental, puis à être en mesure d'extrapoler ces résultats à des territoires beaucoup plus vastes, allant jusqu'au bassin entier. La démarche suivie pour ce faire est actuellement en cours, et devrait être poursuivie lors de la deuxième phase du programme. Le bassin choisi est celui de la Marne, avec des échelles imbriquées de plus en plus grandes (Grand Morin, Vannetin, Leudon, et enfin la parcelle agricole). Une partie importante du travail concerne l'érosion des sols, et la façon dont les particules arrachées sont transportées dans la bassin ; le rôle des drains agricoles enterrés, qui sont extrêmement répandus dans le bassin, est particulièrement étudié, car les premières mesures réalisées ont montré qu'ils contribuent de façon notable à la production de particules fines dans les eaux.

A chacune des échelles d'observation sont associées des stations de mesure avec prélèvements automatiques, pour suivre les événements. En parallèle aux mesures, des levés de détails des caractéristiques des sols, des pratiques culturales, des profils des ruisseaux et des opérations d'entretien qu'ils subissent sont réalisés. Ces informations sont reportées sur un Système d'Information Géographique, et par ailleurs confrontées aux données récoltées par le Recensement Général de l'Agriculture ou fournies par les images aériennes et satellitaires. Ces deux derniers moyens ont pour but de permettre l'extrapolation, c'est-à-dire le passage d'une échelle à l'autre et, à terme, à l'ensemble du bassin. Depuis 1991, toutes les crues ont été suivies, mais ce sont les crues de l'hiver 93-94 qui ont été les plus marquantes et riches en informations. Le rôle de la richesse en matière organique des sols, des pratiques culturales, des curages de rivières a été mis en évidence. Le suivi des pesticides est également en cours.

Des enquêtes et bilans des installations de traitement des eaux usées en zones mi-rurales, mi-urbaines ont été également entreprises. Une modélisation de la naissance et du transport des MES dans les terres à nu en hiver, dans les ruisseaux et enfin dans les cours d'eau majeurs, a enfin été réalisée avec succès. Ces travaux très importants sont à mener à leur terme au cours de la deuxième phase.

### 3.4. Thème 4 : Les rejets pluviaux et leur impact en Seine

Est-il besoin de justifier l'intérêt porté aux rejets urbains en Seine par temps d'orage, particulièrement en période estivale ? Les mortalités de poissons en Seine que provoquent le débordement des égouts sont bien connues, et font la "une" des journaux. Les élus de l'Ile-de-France ont d'ailleurs inscrit le traitement des eaux pluviales au programme de l'amélioration de l'assainissement en Ile-de-France. D'un point de vue scientifique, le PIREN-SEINE s'est attaché à étudier les questions concernant leur influence sur le milieu naturel, que jusqu'ici seule l'Agence de l'Eau avait étudiée. Ceci impliquait de :

* Déterminer les processus de désoxygénation en Seine, et en particulier les rôles respectifs des apports de matières organiques dégradables, et de la respiration du phytoplancton provenant de l'amont.

* Quantifier les apports en micropolluants par les rejets urbains de temps de pluie.

* Analyser le devenir des suspensions, vecteurs de la plus grande partie des pollutions.

Ce programme est également à poursuivre en deuxième phase, les résultats actuels n'étant que partiels. Les observations ont été effectuées pendant chaque été depuis 1991, principalement sur le tronçon Suresnes-Chatou. On a ainsi mis en évidence le rôle non négligeable du phytoplancton provenant de l'amont, qui semble responsable d'une chute de la teneur en oxygène même avant qu'il ne commence à pleuvoir ! En effet, du fait des nuages, le phytoplancton ne produit plus d'oxygène par photosynthèse, mais au contraire se met à en consommer, par respiration. Ensuite arrive l'orage, et les débordements d'égouts qui font chuter encore la teneur en oxygène ; enfin, si le temps reste couvert, la remontée en oxygène après l'orage est lente, toujours à cause de la respiration du phytoplancton.

On a aussi montré que la sédimentation des MES en Seine est fonction de l'ampleur des déversements, les petits rejets ne donnant pas lieu à une sédimentation importante. Des techniques originales de mesure in situ des flux de MES d'une part (trappes à sédiments), de la granulométrie des MES d'autre part, ont été développées, car c'est la taille de ces particules, particulièrement fragiles, qui détermine leur vitesse de sédimentation et la qualité des eaux. Une grande part du travail a porté sur la mise au point d'une méthodologie de mesure, pour bien analyser les effets puis leurs causes. On a mis en évidence la pollution des eaux par l'ammoniaque, les PCB, et certains métaux lourds, les échanges ultérieurs entre sédiments déposés au fond et eau de Seine conduisant, dans certains cas, à la fixation ou au relargage des métaux. On a noté une très grande différence du comportement des métaux entre le laboratoire et le terrain, dont il faut encore déterminer les causes.

On a aussi recherché un indicateur biologique de l'effet de ces pollutions, et seules jusqu'ici les algues cladophores (algues filamenteuses fixées) ont montré une sensibilité aux flux de métaux, contrairement aux dreissènes (moules) et aux aselles (petits cloportes d'eau douce). Enfin, une modélisation du transport des rejets est en cours, calée sur des essais de traçages
<figure><img src="image_155.png" /></figure>

Directeur du Programme : G. de MARSILY

Adjointe au Directeur : E. FUSTEC

Conseiller Scientifique : M. MEYBECK

Responsable de la Gestion : E. SOLER

<caption>Figure 2. Structuration du programme PIREN-SEINE "Analyse et Modélisation des Systèmes Fluviaux Anthropisés".</caption>

en Seine à la Rhodamine. On a pu aussi vérifier le bon comportement du modèle déjà existant FLUPOL (modèle développé par l'Agence de l'Eau, le SEDIF et la CGE) qui détermine, pour un bassin versant urbain, les flux et la charge polluante apportés par un orage donné. On peut donc prévoir assez précisément les apports, en fonction des précipitations, qui peuvent être mesurées en temps réel par le Radar météorologique. Ce travail très important sur la mesure et l'analyse de l'effet des déversements d'orage doit donc se poursuivre en deuxième phase du programme.

### 3.5. Conclusions de la première phase du programme

Des brèves indications données ci-dessus, il ressort à l'évidence que le PIREN-SEINE est un programme qui vise à améliorer les connaissances sur le système "Bassin de la Seine", et sur son fonctionnement. Une part majeure des efforts est donc vouée à la mesure, à l'observation sur le terrain, à l'acquisition de données. Avant d'apporter des réponses aux questions posées, il s'agit d'avoir, d'abord, l'humilité de bien observer. C'est d'ailleurs là bien le rôle d'un programme de recherche CNRS, qui ne doit en rien se substituer aux études que, parallèlement, il est nécessaire de conduire pour choisir des aménagements. Mais
l'observation doit pouvoir conduire à la prévision, c'est pourquoi,
secondant l'observation, et parfois même la guidant, le reste des
travaux du PIREN-SEINE porte sur la construction de modèles.
Ces modèles sont des outils de recherche, mais peuvent à terme
passer dans le domaine de la gestion et de la prise de décision,
moyennant des adaptations, des modifications, ou parfois des
simplifications. C'est là l'une des applications concrètes des
résultats de la recherche.

Les travaux décrits ci-dessus, s'ils amènent des réponses
concrètes à certaines questions posées, ne sont visiblement pas
achévés. C'est donc dans un sens de continuité des efforts déjà
développés qu'ont été choisis les thèmes de recherche pour la
deuxième phase du programme, 1993-1996, actuellement en
cours.

4. PROGRAMME DE RECHERCHE DE LA DEUXIEME
PHASE (1993-1996)

La structuration du nouveau programme est synthétisée sur l'organigramme de la figure 2. En terme de milieux physiques, on y retrouve les deux thèmes déjà présentés ci-avant, "Bassins Ruraux" et "Bassins Urbains", un thème nouveau "Corridor Fluvial", et maintenant trois thèmes transversaux communs à l'ensemble des milieux, "Micropolluants", "Socio-Economie", et "Synthèse et Modélisation". Il existe enfin un lien étroit avec un programme "Seine Aval" en cours de montage, auquel collabore le PIREN-SEINE, et qui fait intervenir les Universités Normandes et IFREMER. Ce programme a pour but de comprendre le fonctionnement de la zone estuarienne, et le devenir de l'ensemble des flux de matières exportés par le bassin, dans un milieu vivant, complexe, et assurant la transition avec le milieu marin.

4.1. Thème 1 : Bassins Ruraux"

Ce thème constitue la suite logique des travaux décrits ci-
avant, qu'il s'agit de mener à leur terme. L'objectif est de
comprendre l'influence des activités rurales sur la qualité des
eaux, en particulier les matières en suspension, les nitrates, les
phosphates et les pesticides, pour proposer des mesures de
protection ou des pratiques moins agressives. Un nouvel élément
est ajouté : les bactéries nitrifiantes, qui sont abondantes dans les
terres agricoles et devraient se retrouver partiellement emportées
par l'érosion, mais qu'on ne retrouve qu'en faible quantité dans
les rivières, comme on l'a signalé plus haut : la nitrification des
rejets ammoniacaux d'Achères ne se réalise pas, on l'a vu, avant
l'estuaire, du fait de l'absence de ces bactéries, il s'agit de
comprendre pourquoi. Les trois sous-thèmes suivants sont
proposés :

Etablissement des relations de cause à effet entre les pratiques rurales, les facteurs socio-économiques, et la dégradation de la qualité des eaux, aux différentes échelles ; suivi de la mobilité des particules érodées dans les bassins, en utilisant des traceurs naturels (retombées radioactives des essais nucléaires des années 60) ou artificiels (particules magnétiques).

Suivi des flux de polluants (fertilisants, pesticides) et de bactéries nitrifiantes, en relation avec la mobilité des MES auxquelles certaines de ces substances ou microorganismes sont liés. Bilan de cette mobilité dans l'environnement, jusqu'à l'aval.

Validation et perfectionnement, par intégration des
informations spatialisées apportées par le Système d'Information
Géographique, du modèle d'exportation des MES par les rivières
mis au point en première phase, afin de pouvoir le faire
fonctionner à l'échelle du bassin entier de la Marne, en utilisant
les données de télédétection pour déterminer l'activité rurale et
les propriétés des sols.

4.2. Thème 2 : Corridor Fluvial

Il s'agit en partie d'un thème nouveau, mais qui est aussi une
poursuite de la recherche sur le "Fonctionnement de
l'Ecosystème". Le PIREN-SEINE, comme d'autres programmes,
a réalisé qu'il n'est pas possible de limiter l'analyse du système à
l'axe fluvial, mais qu'il faut y inclure les interactions de cet axe
fluvial avec tous les hydrosystèmes qui sont en relation avec lui,
dans le corridor : bras morts, zones humides, nappes alluviales,
gravières, etc... Il a en effet été montré que ces "annexes hydrau-
liques" ont un rôle très important vis-à-vis de la qualité de l'eau.
Ainsi, par exemple, une part très significative des nitrates des
nappes souterraines en zones de grande culture est éliminée du
système lors de leur passage dans le corridor fluvial. Ce rôle
épurateur, très important à comprendre et à quantifier, constitue
en quelque sorte un assainissement naturel des pollutions
diffuses d'origine agricole. Il est même éventuellement possible
de l'amplifier, par des aménagements appropriés. On range dans
ce thème le rôle épurateur et fixateur des barrages réservoirs,
dont il a déjà été montré, en 1993 par exemple, qu'ils éliminent
par dénitrification une grande partie des nitrates qu'ils reçoivent,
et retiennent par décantation une grande partie des phosphates.
Quatre volets sont proposés :

Inventaire des types d'occupation des sols du couloir fluvial à l'échelle du bassin et étude de la mise en eau des lits majeurs en période de crue, en fonction de la géomorphologie des lits et de l'hydraulique. Ces derniers aspects sont actuellement développés sur la Seine amont et sur l'Aube et seront étendus à la vallée de la Marne.

Etude du fonctionnement de zones humides représentatives et des perturbations engendrées par certaines activités humaines (agriculture, exploitation de granulats...): deux sites ont été retenus pour des recherches approfondies. Le premier est représenté par une large plaine alluviale (10.000 ha), à la confluence de l'Aube et de la Seine, où subsistent de vastes secteurs boisés mais où l'agriculture s'est largement implantée. Un dispositif de 100 piézomètres destiné à un suivi fin du fonctionnement biogéochimique de cette plaine inondable a été installé en 1993. Le secteur de la Bassée, à l'aval, constitue le deuxième site d'étude. Ce secteur, fortement marqué par l'extraction de matériaux alluvionnaires, a été retenu pour l'analyse des interactions entre les gravières en eau, les eaux souterraines et les eaux de surface. Les travaux engagés ont déjà mis en évidence l'importance de la dénitrification et de la rétention du phosphore dans ces milieux mais aussi une grande variabilité spatiale de ces processus, liée à des facteurs intrinsèques ou aux activités humaines. Des modèles couplant le fonctionnement hydraulique et biogéochimique de ces systèmes sont en cours d'élaboration.

Analyse et modélisation du fonctionnement écologique des barrages réservoirs (Seine, Marne, Aube): les travaux portent sur la dynamique de la matière organique, de l'azote, du phosphore et de la silice en liaison avec le processus d'eutophisation et s'y ajoute l'analyse du devenir des micropolluants. Une attention particulière est accordée à l'ensemble des processus qui se manifestent à l'interface eau-sédiments. Des modèles plus ou moins affinés du fonctionnement du réservoir Marne sont en cours d'achèvement et de couplage avec le modèle établi pour la Marne. La même opération est engagée sur les deux autres réservoirs.

Etude du rôle des annexes hydrauliques, telles que les anciens
méandres, noues, gravières en communication avec la rivière:
leur rôle sur les transferts de matière est pris en compte mais ce
volet aborde surtout le rôle fondamental des annexes hydrau-
liques dans le maintien de l'équilibre des populations de poissons
(zones de nourriture, de reproduction, de nurserie, de refuge en