Le 13 juillet 2021, peu avant 2 heures du matin, un orage d'une violence exceptionnelle a balayé Zurich, avec des rafales hurlantes, des éclairs constants et des pluies torrentielles qui ont réveillé les gens en sursaut.
Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale, a peu dormi cette nuit-là. "C'était l'une des tempêtes les plus violentes dont j'ai jamais été témoin. Je me suis réveillé au milieu de la nuit et j'ai pu voir la tempête faire rage à travers la fenêtre", se souvient-il.
L'ampleur de la tempête était évidente le lendemain matin :des arbres tombés dans les rues et dans les parcs, des toits endommagés et des lignes aériennes de tramway détruites dans divers quartiers de Zurich. Le sol à proximité du campus du Hönggerberg était également jonché de branches et même d’arbres entiers. "La tempête a dû passer juste au-dessus de l'ETH", déclare Soja.
Une station GPS située sur le toit de l'Institut de géodésie et de photogrammétrie du campus de Hönggerberg enregistre 24 heures sur 24 les signaux de différents systèmes satellitaires. En examinant plus en détail les données de la nuit de la tempête, Soja et ses collègues de l'Institut n'en croyaient pas leurs yeux.
"Il y a eu des pannes dans le traitement des données GPS. Au début, nous ne pouvions pas comprendre ce qui les avait provoquées", explique Matthias Aichinger-Rosenberger, ancien postdoctorant dans le groupe de Soja et aujourd'hui maître de conférences à l'ETH Zurich. Lorsque d'autres stations ont également signalé des pannes dans la mesure des données du GPS et d'autres systèmes de navigation par satellite pour cette nuit-là, les chercheurs ont commencé à analyser les données brutes de l'antenne du campus de Hönggerberg.
Ils ont pu le démontrer dans une étude publiée dans la revue Geophysical Research Letters , que les événements météorologiques extrêmes influencent la qualité des signaux GPS et que ces signaux conviennent donc également à la détection des tempêtes. Il pourrait même être un jour possible de les utiliser pour la détection précoce et la prévision des orages.
Les scientifiques ont tiré leurs conclusions de l'analyse des données de la tempête du 13 juillet et d'une autre tempête de l'été 2021. Il est devenu évident que les événements météorologiques extrêmes ont eu un impact sur le rapport signal/bruit, ce qui indique comment Les signaux satellites qui nous parviennent sur Terre sont forts. Plus le rapport est élevé, meilleure est la qualité du signal.
"La force du signal que nous mesurons avec notre antenne sur le toit ne change normalement que de manière minime", explique Aichinger-Rosenberger. Cependant, cela n'a pas été le cas lors des deux jours de tempête :« Le rapport signal/bruit dans les données GPS a considérablement diminué au moment de la tempête. Nous avons vu qu'une fois la tempête passée, elle était revenue à son état normal. plage."
Afin de déterminer l'heure précise de l'arrivée de la tempête et de vérifier si elle correspondait à l'heure à laquelle le rapport signal/bruit a chuté, les chercheurs ont comparé leurs données avec les données radar de l'Université de Berne.
"Cela a confirmé nos soupçons selon lesquels il y avait un lien direct", a déclaré Aichinger-Rosenberger.
Les chercheurs sont convaincus que les fortes précipitations sont responsables de la chute soudaine du rapport signal/bruit. Ce qui n’est pas clair, c’est quel type de précipitation – pluie ou grêle – a le plus grand impact et pourquoi. C'est quelque chose que les scientifiques souhaitent apprendre à l'avenir.
Aussi simple que puisse paraître le résultat de l’étude, il s’agit d’une avancée majeure pour la recherche en géodésie spatiale.
"Il n'a encore jamais été prouvé que les orages violents et autres événements météorologiques accompagnés de fortes précipitations influencent de manière significative le rapport signal/bruit", explique Aichinger-Rosenberger. Jusqu’à présent, on pensait que le GPS était un système indépendant des conditions météorologiques. Il semble désormais que les données GPS soient suffisamment sensibles pour capturer de telles perturbations atmosphériques.
Ces découvertes pourraient ouvrir de nouvelles perspectives pour l'utilisation des données de navigation par satellite en météorologie.
"Nous souhaitons désormais collecter davantage de mesures afin d'améliorer la prévision des précipitations dans les modèles météorologiques", explique Soja. La prévision fiable des précipitations reste un défi majeur. "De nombreux autres paramètres météorologiques, tels que la température, peuvent désormais être parfaitement prédéterminés à l'aide de modèles météorologiques numériques. Malheureusement, ces modèles ne sont souvent pas assez performants en cas de précipitations."
Afin d'utiliser un jour les découvertes des chercheurs de l'ETH à des fins de prévision, il faudra les mettre en relation avec un modèle météorologique.
"Afin de transférer nos observations sur des paramètres spécifiques tels que la teneur en eau et en glace de l'air ou la direction de déplacement de la tempête, nous devons collecter et analyser des données supplémentaires. Ces résultats pourraient ensuite être incorporés dans un modèle météorologique informatisé dans afin d'améliorer la prévision des précipitations", explique Aichinger-Rosenberger.
Les tempêtes doivent encore passer directement au-dessus de la station de mesure des signaux GPS pour être détectées. Le réseau de stations de mesure n'étant pas suffisamment dense, la méthode n'est pas encore adaptée à la détection précoce des tempêtes.
«Si nous disposions par exemple de trente à quarante récepteurs fixes autour de Zurich, nous serions en mesure de capturer avec précision et à moindre coût les événements météorologiques extrêmes dans toute la ville», explique Soja. "Un réseau dense de stations pourrait également être utilisé pour déterminer où les tempêtes se déplacent et à quelle vitesse."
Un tel système de détection précoce pourrait à l'avenir être utilisé, par exemple, pour garantir la sécurité du trafic aérien, estime Soja :« Un réseau dense de stations GPS autour de l'aéroport permettrait de localiser une tempête en temps réel et d'alerter cette tempête. effet."
En plus d'affiner la méthode, les scientifiques envisagent également d'étendre leurs travaux de recherche à l'échelle suisse et européenne, afin d'élargir leur réseau en conséquence. Si la violente tempête de juillet 2021 a causé de nombreux dégâts locaux, elle a également permis d'acquérir des connaissances qui pourraient un jour être appliquées à l'échelle mondiale.
La géodésie spatiale est un domaine de la géodésie qui traite de la mesure et de la cartographie de vastes zones, en particulier de la Terre, à l'aide de la technologie spatiale. 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 déterminant de la géodésie spatiale. Les satellites GPS peuvent être utilisés pour déterminer la position des utilisateurs sur Terre avec un haut niveau de précision. Ceci est utilisé dans de nombreuses applications telles que les systèmes de navigation, d'arpentage et d'information géographique.
Plus d'informations : Matthias Aichinger‐Rosenberger et al, Détection des signatures d'événements de tempêtes convectives dans GNSS‐SNR :deux études de cas de l'été 2021 en Suisse, Geophysical Research Letters (2023). DOI :10.1029/2023GL104916
Fourni par l'ETH Zurich
