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Météorologie élémentaire

Observateur militaire effectuant un relevé des températures sous abri.

Les instruments de mesure (I)

La météorologie ne serait rien sans instruments de mesure qui nous permettent d'obtenir des valeurs objectives des paramètres atmosphériques : mesure de température, de pression, d'humidité, de direction et de force du vent, de visibilité, de densité, spectrométrique, etc. Mais comment fonctionnent ces instruments et quand furent-ils découverts ?

Nous n'allons pas décrire l'histoire de ces inventions qui sont développées dans de nombreux ouvrages. Nous ferons simplement référence à l'histoire pour être complet car nous insisterons surtout sur le fonctionnement de ces instruments et leurs variantes éventuelles.

La station et le parc météorologiques

On imagine a priori que la description d'une station d'observation météorologique se résume au parc météo et peut être décrite en cinq minutes du fait qu'elle ne semble offrir que quelques instruments sans complexité. Détrompez-vous.

Les instruments scientifiques que l'on trouve aujourd'hui dans une station météorologique sont variés et j'en ai dénombré au moins 40 regroupés en six familles ! Il y a d'une part les instruments installés dans le parc météorologique, emblématique de la profession :  l'abri météo bien connu contenant les différents thermomètres, et un peu plus loin la girouette, l'anémomètre, l'héliographe, le pluviomètre, le ceilomètre ou encore le pyranomètre. En complément les météorologistes utilisent le psychromètre à main qu'ils sortent de la station à l'heure des observations synoptiques.

Dans la station, bien à l'abri des intempéries, nous trouvons de nombreux instruments statiques et des enregistreurs reliés à des capteurs disposés à l'extérieur, dans l'air, au sol ou sous la terre : le baromètre, le barographe, l'anémographe, le thermographe, l'hygrographe, etc.

Certains instruments sont constitués d'éléments très simples comme d'un entonnoir abrité plongé dans un simple cône en verre gradué (le pluviomètre), d'autres utilisent des éléments organiques (l'hygromètre à cheveux). Ceux-ci cotoyent sans complexe des photocapteurs, des dispositifs lasers ou des thermocouples reliés à un ordinateur qui reçoit en parallèle les images satellites.

Ce matériel n'est donc plus aussi simple qu'il paraît à première vue. Il est en fait aussi disparate que complexe. Si la girouette est encore très simple à construire, l'héliographe nécessite déjà une mise en station tandis que l'élaboration des différents types de thermomètres doit obéir à un cahier des charges plutôt sévère (respect de la capillarité, vide d'air, etc). Ne parlons pas des ballons-sondes ou des ceilomètres qui relèvent de l'électronique. Ainsi qu'on le voit l'installation et la maintenance de certains de ces accessoires requièrent des compétences très spécialisées qui ne sont pas à la portée de Mr.Tout-le-monde ni même intuitives. Heureusement leur utilisation a été rendue très simple, parfois grâce à l'intégration de l'électronique et à l'aide de l'informatique.

En fait depuis toujours, les relevés météorologiques sont à la portée de toute personne rigoureuse et consciencieuse. Reste la question de la maintenance du matériel et bien sûr de sa normalisation dans le cadre d'une étude scientifique (réseau synoptique et climatologie).

Normalisation

L'installation d'un parc météorologique doit s'effectuer avec rigueur en respectant autant que possible les recommandations de l'OMM, l'Organisation Météorologique Mondiale (WMO). Cette installation relève d'une étude scientifique et tous les instruments que l'on y place obéissent à des règles internationales de normalisation afin que les mesures effectuée en tout points du globe soient comparables entre elles et puissent être reportées sur les cartes de pointage et analysées sur le plan climatologique à l'échelle mondiale.

Trois parc météorologiques : à gauche, celui installé par l'IRM dans les Hautes-Fagnes (B); au centre,celui utilisé par l'Ecole Nationale de Météorologie installée à Toulouse (F); à droite, gros-plan sur un abri géré par Météo France.

Le célèbre abri météorologique par exemple doit respecter certaines normes de construction et de fonctionnement. Il doit être placé à environ 1.50 m au-dessus du sol, gazonné si possible. Ses parois latérales doivent être constituées de persiennes, tandis que le toit comme le plancher doivent contenir des aérations pour assurer une ventilation naturelle des instruments (thermomètres, hygromètre, etc). Il doit également protéger les instruments contre les rayons directs du Soleil, même lors de l'ouverture de l'abri. C'est pour cette raison qu'il est orienté portes face au nord dans l'hémisphère nord. Dans les zones polaires et tropicales, en raison du déplacement du Soleil de part et d'autre des Tropiques, l'abri doit être muni de portes sur deux faces, ou pouvoir pivoter sur son pied.

Du fait qu'il existe des endroits où l'installation d'un parc météorologique conforme n'est pas possible en raison de la disposition des lieux (comme sur le toit d'un bâtiment), des accidents du relief (sur un sol rocheux ou désertique) ou d'autres difficultés, y compris financières, l'OMM accepte une certaine marge de manoeuvres, histoire que chaque équipe scientifique puisse tout de même apporter sa contribution, surtout dans les régions peu convertes par le réseau synoptique et isolées de plusieurs centaines de kilomètres de toute infrastructure, comme c'est le cas dans les contrées désertiques, aux pôles, en haute montagne ou en pleine mer.

Exemples de stations automatiques. A gauche, la station de l'Université de Waterloo au Canada. Au centre, la station installée sur le toit du Space Sciences Lab de l'Université de Berkeley. A droite, l'une des stations les plus hautes, celle de Buck Flats installée à plus de 3000 m d'altitude par l'Université de Californie et gérée par le WMRS.

L'installation d'un parc météorologique doit respecter certains règles : disposer d'un espace suffisant pour installer le matériel à l'écart des obstacles, utiliser du matériel agréé et effectuer les relevés à heure fixe. Ce dernier point représente sans doute la contrainte la plus sévère pour une personne seule car la météorologie ne s'interrompt pas durant la nuit ni durant les vacances ou les intempéries; les observations doivent avoir lieu toutes les heures ou toutes les 6 heures ainsi que chaque fois qu'un événement (pluie, averse, orage, etc) se manifeste ou s'arrête ou qu'un seuil est atteint (visibilité, plafond). On comprend dans ces conditions que ce travail parfois ingrat soit avant tout assuré par des professionnels, civils et militaires. Nous y reviendrons lorsque nous parlons des cartes météorologiques.

Réseaux synoptique et climatologique

L'installation d'une station synoptique dans le cadre du réseau météorologique mondial est donc réservée aux seuls professionnels. En revanche, le réseau climatologique est ouvert au public.

En effet, en complément du réseau synoptique, les services météorologiques nationaux ont implanté à des fins climatologiques des stations d'observation tenues par du personnel bénévole, qui mesurent, en général, une ou deux variables météorologiques (pluviométrie et thermométrie). Chacun peut donc monter sa propre station météo et l'équiper conformément aux recommandations de l'OMM. Elle peut être sous contrôle manuel ou automatique et transmettre ses données à distance par ondes-courtes telles les station intégrées présentées sur cette page.

En France, le réseau pluviométrique comprend environ 3500 stations amateur effectuant un relevé une fois par jour, soit un point de mesure de la pluie tous les 15 km environ; la densité de ce réseau, auquel s'ajoutent 2000 postes thermométriques, est sans égale et permet de réaliser des cartographies fines de la pluviométrie et de la thermométrie de la France. Depuis le millieu des années 1980, des réseaux de stations automatiques ont également été installés; aujourd'hui en France on compte plus de 400 stations pouvant être interrogées à distance. Ces installations sont souvent réduites à un robuste trépied culminant à quelques mètres de hauteur au sommet duquel sont installés les différentes sondes. Ces stations peuvent mesurer entre 5 et 10 variables quantitatives différentes.

Weather Information Systems

TFA Weather station

A l'ère de l'électronique, les instruments digitaux ou pilotés par ordinateur ont donc leur place dans une station climatologique bien que les professionnels accepteront avec rétissance que vous utilisiez certains systèmes commerciaux intégrés baptisés pompeusement "station météo"qui ressortent plus du gadget que de l'instrumentation scientifique. Ils seront acceptés à condition que leurs marges d'erreurs soient raisonnables, qu'ils puissent être calibrés (la plupart n'ont pas besoin d'étalonnage sauf le baromètre) ou dans la mesure où ils sont proposés par des compagnies réputées pour la qualité de leurs produits, telles certaines parmi les marques présentées ci-dessus.

Pour les installations les plus sophistiquées le contrôle s'effectue à distance par liaison radio ou GPS, tandis que les données sont stockées sur ordinateur, traitées puis représentées sous forme graphique. A heures précises les fichiers de données sont téléchargés sur un serveur distant et mis à disposition des scientifiques.

Station météo Internet, Wi-Fi et intégrées

Avec l'avènement de la micro-informatique et d'Internet, des liaisons san fil (Wi-Fi) et à haut débit, des centaines d'amateurs n'ont pas hésité à acquérir des stations météos intégrées et électroniques comme les différents modèles présentés sur cette page et à créer leur propre page "météo" sur Internet où ils présentent aux internautes leurs mesures sous différentes formes. Même les universités, des sociétés et même certaines communes ont investi dans ce type d'application.

C'est dans ce contexte qu'aujourd'hui plus de 25000 stations à travers le monde participent au réseau "Weather Underground". Si vous avez un peu d'espace pour installer une station météo, vous pouvez collaborer à ce projet (Voir le lien ci-dessous).

A voir : Projet de station météorologique personnelle (Wundergrund)

 

David VantagePro

Oregon Scientific

Voici pour information deux sites Internet amateur disposant d'une page météo en ligne, essentiellement à des fins de loisir et non professionnelle, chacune étant personnalisée en fonction de la marque du matériel utilisé ou des compétences en programmation de leur propriétaire : la station canadienne d'Alain Gazon et celle de Philippe Hakke en Suisse. Ce genre d'installation est en vogue et d'autant plus chez les jeunes passionnés d'informatique.

Si seul un bulletin météo en ligne vous intéresse, rappelons qu'il existe de nombreux sites Internet dédiés aux prévisions météos.

A consulter : Les prévisions météos en ligne (sur ce site)

Deux produits de PCE Instruments. A gauche, station météo active PCE-FWS 20 équipée de ses instruments de mesure. A droite, la station DCF sans fil (Wi-Fi). Cette société propose de nombreux instruments de mesure et des systèmes de contrôle pour différents domaines d'application.

Notons que si certains modèles de stations météos intégrées sont fournis avec des capteurs, des sondes Wi-Fi et permettent de gérer les données acquises au fil des jours sur le site, d'autres modèles sont vendus sans aucun capteur ni moyen d'enregistrement ou de mémorisation. Ce sont en fait des stations passives autonomes qui ne font que capter à distance quelques données émises par ondes-courtes et en temps-réel par des stations météos officielles. Elles sont bien sûr faciles à utiliser, même par un enfant, puisqu'elles ne nécessitent que quelques piles et peuvent être placées n'importe où dans la maison. Mais revenons à notre installation semi-professionnelle.

A présent que notre station est équipée, revenons à nos instruments. Présents autour de nous depuis des générations, ces accessoires semblent remonter à la nuit des temps. Et de fait, certains d'entre eux remontent à plusieurs millénaires.

Nous allons décrire cette quarantaine d'instruments dans l'ordre chronologique de leur découverte. Nous partirons de la girouette pour aboutir au satellite artificiel.

Deuxième partie

Mesure du vent

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