Les drones

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 L’activité Drone au CNRM

Le drone est un nouvel outil qui peut répondre à des enjeux scientifiques, en complément à des moyens conventionnels d’observation. Il répond à des enjeux scientifiques, il permet de cibler les zones à étudier, d’accéder à des milieux hostiles (panache des cendres volcaniques => projet STRAP , fumées industrielles), ou difficilement accessibles (brouillard => projets VOLTIGE ou SoFog3D, les premiers mètres au dessus de la mer => projet MIRIAD, zone polaire ...). Aussi, la souplesse d’utilisation de ces systèmes permet d’envisager le déploiement de flottes coordonnées pour assurer des mesures multiples et simultanées (projets SkyScanner ou NEPHELAE ).

Depuis 2010, le CNRM développe l’utilisation des drones dans la recherche. L’équipe DESR/CNRM/GMEI/MNPCA et Greg Roberts (expert en drones et en miniaturisation des capteurs) portent aujourd’hui ces projets.

Les premiers vols (projet VOLTIGE pour l’étude de la couche limite, financé par l’ANR et labellisé par l’Aérospace Valley) ont été effectués avec des mini-drones (moins de 1 kg) conçus et opérés par l’ENAC. Il s’agissait de modèles ultra-légers, à moteur électrique, et équipés d’un système de navigation automatique (Paparazzi). Leur charge utile étant limitée à 200g, seuls quelques capteurs peuvent y être installés (P.T.U., Rayonnement solaire ↑ & ↓ visible et IR, caméra, capteur nuage détection des gouttelettes).

À partir de 2013, des modèles plus performants ont été conçus par l’ENAC pour pouvoir accueillir une instrumentation plus élaborée (compteurs de particules, sonde de turbulence) et répondre à d’autres enjeux scientifiques (projet BACCHUS - rôle des aérosols et des nuages dans le changement climatique, financement UE-FP7). Peu à peu, les agents du CNRM se sont formés au pilotage, et les campagnes de mesures sont devenues européennes (CHYPRE 2014, IRELAND 2015).

Une étape importante a été franchie fin 2015, avec le lancement d’un nouveau projet d’étude de l’atmosphère à basse altitude, à l’aide de drones instrumentés. Ce projet, baptisé MIRIAD, a été soutenu par la région Midi-Pyrénées et l’Union Européenne.
L’objectif est d’effectuer des mesures à très basse altitude au-dessus de la mer avec des drones de taille moyenne (environ 25 kg) pour documenter les caractéristiques détaillées de l’atmosphère (température, humidité, vent, rayonnement, et aérosols marins) afin de mieux comprendre les échanges entre la mer et l’atmosphère et à terme améliorer les modèles climatiques.
Le choix s’est porté sur des drones Boréal de la société Toulousaine Boréal SAS. Ce sont des drones de 4m d’envergure qui peuvent parcourir 1000 km et emporter 5 kg d’instrumentation. Dotés de radars altimétriques, ils pourront réaliser des vols autonomes à très basse altitude au-dessus de la mer (jusqu’à 10 m dans des conditions favorables) permettant de caractériser les échanges dans cette zone d’interface jusqu’à présent inaccessible.
Deux campagnes de mesures internationales ont parachevées le projet :
– en 2019 RenovRisk depuis l’île de la La Réunion : des vols au dessus de l’Océan indien ont permis de caractériser la turbulence et les émissions de sels marins à l’approche des cyclones pour en améliorer la prévision. Au total 12 vols et 5012 km parcourus avec le vol le plus long de 6h18 pour 610 km parcourus.

– en 2020 Eurec4a depuis La barbade : équipé d’un transpondeur, les vols ont été coordonnés pour la première fois avec les autres avions de recherche (ATR42 de SAFIRE, HALO du DLR, Twin Otter du BAS…) et les navires océanographiques, totalisant ainsi 34h de mesures et 3260 km parcourus.

L’objectif est également de préparer l’avenir de Météo-France en évaluant l’apport et la faisabilité d’un passage à l’opérationnel des drones. Ces questions ont été abordés dans le cadre du projet BACC+ où des profils réguliers et automatisés ont été réalisés depuis l’hiver 2016 et en collaboration avec La Direction des Systèmes d’Observation (DSO) de Météo-France.
L’avenir se prépare aussi au niveau de la formation : l’Ecole Nationale de la Météorologie (ENM) est impliqué dans les différents projets : des TP drones sont organisés tous les ans lors de formation initiale des ingénieurs, et des élèves participent à des « projets drones » dans le cadre de leur stage de fin d’étude.

Aujourd’hui, le CNRM totalise plus de 100 heures de vols, et 300 vols. Son savoir-faire est reconnu au niveau international. En organisant en Mai 2016 la conférence internationale ISARRA qui a regroupée une centaine de chercheurs internationaux, le CNRM a renforcé son rôle d’acteur majeur dans le domaine des drones pour la recherche atmosphérique.

 Les projets

– VOLTIGE (ANR) 2013 - 2015
Vecteurs d’Observation de La Troposphère pour l’Investigation et la Gestion de l’Environnement

– BACCHUS (UE FP7) 2013 - 2017
Impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate : towards a Holistic UnderStanding

– SkyScanner (RTRA-STAE) 2014 – 2017
stratégie d’utilisation d’une flotte de drones pour étudier l’entraînement-mélange dans les Cu

– STRAP (ANR) 2014 – 2017
Synergie Transdisciplinaire pour Répondre aux Aléas liés aux Panaches volcaniques

– MIRIAD (FEDER-FSE) 2015 - 2019
système de Mesures scIentifiques de flux de suRface en mIlieu mAritime embarqué sur Drone

– NEPHELAE (ANR) 2018 - 2021
Réseaux pour l’étude de l’entrainement et la microphysique des nuages par l’exploration adaptative

 Les publications

Sanchez, K. J., G. C. Roberts, R. Calmer, K. Nicoll, E. Hashimshoni, D. Rosenfeld, J. Ovadnevaite, J. Preissler, D. Ceburnis, C. O’Dowd, and L. M. Russell, Top-down and Bottom-up aerosol-cloud-closure : towards understanding sources of uncertainty in deriving cloud radiative flux, Atmos. Chem. Phys., doi:10.5194/acp-2017-201, 2017

Corrigan, C., G. Roberts, M. Ramana, D. Kim, and V. Ramanathan (2008), Capturing Vertical Profiles of Aerosols and Black Carbon over the Indian Ocean using Autonomous Unmanned Aerial Vehicles, Atmos Chem Phys, 8, 737-747.

Hattenberger, G., G. Cayez, and G. Roberts (2013), Flight tests for meteorological studies with MAV, paper presented at International Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition, IMAV 2013, Toulouse, France.

Lamraoui, F., G. C. Roberts, and F. Burnet (2017), Macroscopical properties of shallow cumulus clouds throughout continental diurnal cycle, in preparation, In preparation.

Ramana, M., V. Ramanathan, D. Kim, G. Roberts, and C. Corrigan (2007), Albedo, Atmospheric Solar Absorption, and Atmospheric Heating rate measurements with light weight Autonomous stacked UAVs, Q J Roy Meteor Soc, 133, 1913-1931.

Ramanathan, V., M. Ramana, G. Roberts, D. Kim, C. Corrigan, C. Chung, and D. Winker (2007), Warming trends in Asia amplified by brown cloud solar absorption, Nature, 448, 575-578.

Reymann, C., A. Renzaglia, F. Lamraoui, M. Bronz, and S. Lacroix (2017), Adaptive sampling of cumulus clouds with UAVs, Autonomous robots, 1-22.

Roberts, G., M. Ramana, C. Corrigan, D. Kim, and V. Ramanathan (2008), Simultaneous observations of aerosol-cloud-albedo interactions with unmanned aircraft, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 7370-7375.

Roberts, G. C., G. Cayez, J.-P. Dralet, and F. Burnet (2015), Des avions de recherche ultra-légers et sans pilote pour la recherche atmosphérique : une application civile de la technologie des drones, Météo & Climat, 47.

Crispel, P., G.C. Roberts, All-sky photogammetry technique to georeference a cloud field, AMT, 2017. (In Preparation)

Calmer, R., G. C. Roberts, and J. Preissler, 3D wind measurements with Remotely Piloted Aircraft, AMT, 2017. (In Preparation)

Sanchez, K. J., G. C. Roberts, R. Calmer, K. Nicoll, E. Hashimshoni, D. Rosenfeld, J. Ovadnevaite, J. Preissler, D. Ceburnis, C. O’Dowd, and L. M. Russell, Top-down and Bottom-up aerosol-cloud-closure : towards understanding sources of uncertainty in deriving cloud radiative flux, Atmos. Chem. Phys. Disc., doi:10.5194/acp-2017-201, 2017.

Lamraoui, F., G. C. Roberts, and F. Burnet, Macroscopical properties of shallow cumulus clouds throughout continental diurnal cycle, in preparation, JAS, 2017. (In Preparation)

Roberts, G.C., and G. Cayez, Des drones ultra légers pour observer l’atmosphère, INP Communique, 39, p. 15, 2013.

Roberts, G.C., and G. Cayez, Les drones décollent pour étudier l’atmosphère, Rapport Recherche Météo France 2012, p. 52 – 53, 2013.

Roberts, G.C., F. Burnet, S. Barrau, Mesure des flux d’aérosols et d’énergie au-dessus des océans par un drone à grand rayon d’action : le projet MIRIAD, Rapport Recherche Météo France 2016, p. 32, 2017.

 Les actualités

projet BACCHUS
– Démarrage de la campagne Bacchus à Chypre
– Vidéo : des mini-drones instrumentés pour la recherche en météorologie
– Préparation campagne Bacchus-Irlande
– Retour de la campagne Bacchus en Irlande au Mace Head

conférence ISARRA Mai 2016
conférence internationale ISARRA consacrée à l’utilisation des drones pour la recherche atmosphérique

projet MIRIAD
- Lancement du projet : Des drones pour la recherche météorologique et Innovation : des drones pour mieux connaître l’atmosphère
– livraison du drone Boréal Février 2016
– vidéo de présentation du projet par Michel Gavart (société AJS)

– vidéo Projet MIRIAD : des drones pour améliorer les modèles Mars 2018