Détecter les intempéries grâce au GPS

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La station de mesure sur le toit de l’Institut de géodésie et de photogram
La station de mesure sur le toit de l’Institut de géodésie et de photogrammétrie reçoit 24 heures sur 24 des données du GPS et d’autres systèmes de navigation par satellite. (Image : ETH Zurich / Benedikt Soja)

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont réussi à mesurer des orages accompagnés de fortes précipitations directement avec des données GPS. Les résultats de leur étude pourraient améliorer de manière significative l’observation et les prévisions météorologiques.

Le 13 juillet 2021, peu avant 2 heures du matin, un orage d’une rare violence s’est abattu sur Zurich : des rafales de vent hurlantes, des éclairs qui claquent sans cesse et une pluie torrentielle ont réveillé les gens en sursaut. Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale, a lui aussi mal dormi cette nuit-là. "C’était l’une des intempéries les plus violentes que j’ai jamais connues. Je me suis réveillé au milieu de la nuit et j’ai vu par la fenêtre que la tempête faisait rage", se souvient-il.

L’ampleur des intempéries s’est révélée le lendemain matin : des arbres tombés sur les routes et dans les parcs, des toits de maisons recouverts et des caténaires de tram arrachées dans différentes parties de Zurich. Des branches et des arbres entiers se trouvaient également au sol autour du Hönggerberg. "La tempête a dû passer exactement au-dessus de l’EPF", explique Soja.

Pannes des données GPS

Sur le toit de l’Institut de géodésie et de photogrammétrie du campus du Hönggerberg, une station de mesure enregistre 24 heures sur 24 les signaux de différents systèmes de satellites. Soja et ses collègues de l’institut ont été très étonnés lorsqu’ils ont examiné de plus près les données de la nuit de la tempête. "Il y a eu des pannes dans l’évaluation GPS. Mais au début, nous ne pouvions pas expliquer pourquoi", explique Matthias Aichinger-Rosenberger, ancien postdoctorant du groupe de Soja et aujourd’hui enseignant à l’ETH Zurich. Lorsque d’autres stations de mesure ont également signalé des défaillances dans la mesure des données du GPS et d’autres systèmes de navigation par satellite pour cette nuit-là, les chercheurs ont commencé à évaluer les données brutes de l’antenne du Hönggerberg.

Dans leur étude, publiée dans la revue spécialisée externe page Geophysical Research Letters call_made, ils ont pu montrer que les événements météorologiques extrêmes influencent la qualité des signaux GPS et que ces signaux se prêtent donc aussi à la mesure des intempéries. Un jour, ils pourraient même être utilisés pour la détection précoce et la prévision des orages.

Le rapport signal-bruit s’est effondré

Les scientifiques ont tiré leurs conclusions de l’analyse des données de l’orage du 13 juillet et d’une autre tempête de l’été 2021. Ils ont constaté que les événements météorologiques extrêmes avaient une influence sur le rapport signal/bruit. Celui-ci indique la puissance des signaux satellites qui nous parviennent sur la Terre. Plus le rapport est élevé, meilleure est la qualité du signal.

"Normalement, l’intensité du signal que nous mesurons avec notre antenne sur le toit ne varie que très peu", explique Aichinger-Rosenberger. Mais ce n’était pas le cas lors des deux jours de tempête : "Au moment de l’orage, le rapport signal/bruit dans les données GPS a diminué de manière significative. Dès que l’orage s’est déplacé, nous avons vu qu’il était à nouveau dans la fourchette normale".

Afin de déterminer le moment exact où l’orage a éclaté et de vérifier s’il correspondait à celui où le rapport signal-bruit a chuté, les chercheurs ont comparé leurs données avec les données radar de l’université de Berne. "Cela a confirmé notre hypothèse selon laquelle il existe un lien direct", explique Aichinger-Rosenberger.

Était-ce une forte pluie ou de la grêle ?

Les chercheurs sont certains qu’une forte précipitation est responsable de la baisse soudaine du rapport signal/bruit. On ne sait pas encore clairement quelle forme de précipitations - pluie ou grêle - a une plus grande influence et pourquoi. C’est ce que les scientifiques souhaitent découvrir à l’avenir.

Aussi simple que soit le résultat de l’étude, il s’agit d’une percée pour la recherche en géodésie spatiale. "Il n’a encore jamais été démontré que de gros orages ou d’autres événements météorologiques avec de fortes précipitations influencent significativement le rapport signal/bruit", explique Aichinger-Rosenberger. Jusqu’à présent, on partait du principe que le GPS était un système indépendant des conditions météorologiques. Il s’avère désormais que les données GPS sont suffisamment sensibles pour détecter les perturbations atmosphériques.

Prévoir les précipitations de manière plus fiable

Ces découvertes ouvrent de nouvelles perspectives pour l’utilisation des données de navigation par satellite dans le domaine de la météorologie. "Nous souhaitons maintenant collecter davantage de mesures afin d’améliorer la prévision des précipitations dans les modèles météorologiques", explique Soja. Car prévoir les précipitations de manière fiable reste un défi de taille. "De nombreux autres paramètres météorologiques, comme la température par exemple, peuvent désormais être assez bien prédits par des modèles météorologiques numériques. Mais pour les précipitations, ces modèles ne sont malheureusement souvent pas assez bons".

Pour pouvoir utiliser un jour les connaissances des chercheurs pour les prévisions, il faut les mettre en relation avec un modèle météorologique. "Pour pouvoir appliquer nos observations à certains paramètres comme la teneur en eau ou en glace de l’air ou la direction de l’orage, nous devons collecter et évaluer d’autres données. Ces connaissances pourraient ensuite être intégrées dans un modèle météorologique assisté par ordinateur, ce qui pourrait améliorer la prévision des précipitations", explique Aichinger-Rosenberger.

La détection précoce nécessite davantage de récepteurs

Les intempéries doivent encore traverser directement la station de mesure des signaux GPS pour être détectées. Comme le réseau de stations de mesure n’est pas assez dense, cette méthode n’est pas encore adaptée à la détection précoce des orages. "Si l’on disposait par exemple de trente ou quarante récepteurs stationnaires autour de Zurich, il serait possible de détecter un événement météorologique extrême au-dessus de la ville avec précision et à un coût très avantageux", explique Soja. "Avec un réseau dense de stations, on pourrait aussi déterminer où il se déplace et à quelle vitesse".

Selon Soja, un tel système de détection précoce pourrait être utilisé à l’avenir, par exemple pour rendre les vols plus sûrs. "Avec un réseau dense de stations GPS autour de l’aéroport, une tempête pourrait être localisée en temps réel et des avertissements pourraient être émis en conséquence".

Outre l’affinement de la méthode, les scientifiques prévoient d’étendre leur travail de recherche dans toute la Suisse, mais aussi au niveau européen, et d’élargir leur réseau en conséquence. Les violentes intempéries de juillet 2021 ont certes causé de nombreuses destructions au niveau local, mais elles ont aussi apporté des connaissances qui pourraient un jour être appliquées à l’échelle mondiale.

Géodésie spatiale

La géodésie spatiale est une discipline de la géodésie qui s’occupe de la mesure et de la cartographie de grandes zones, en particulier de la Terre, en utilisant des technologies dans l’espace. L’objectif principal de la géodésie spatiale est d’obtenir des informations précises sur la forme, la taille et le mouvement de la Terre.

Le GPS est un élément essentiel de la géodésie spatiale. L’utilisation des satellites GPS permet de déterminer avec une grande précision la position des utilisateurs sur la Terre. Cela est utilisé dans de nombreuses applications telles que la navigation, l’arpentage et les systèmes d’information géographique.

Références bibliographiques

Aichinger-Rosenberger M, Aregger M, Kopp J, Soja B : Detecting Signatures of Convective Storm Events in GNSS-SNR : Two Case Studies from Summer 2021 in Switzerland. Geophysical Research Letters 2023, 50. doi : page externe 10.1029/2023GL104916 call_made

Corinne Landolt