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Un réseau d’observation climatique intelligente couvrant toute l’Afrique

JOHN SELKER, NICK VAN DE GIESEN et FRANK ANNOR

Les stations d’observation climatique et météorologique sont encore trop peu nombreuses en Afrique, alors que la production alimentaire, les prévisions quant aux récoles et l’atténuation du risque de catastrophe pourraient bénéficier d’une observation améliorée. Un nouveau réseau d’observation climatique et météorologique intelligente et à long terme s’emploie à présent à relever le défi clé de la surveillance météorologique sur le continent.

Seulement 300 stations météorologiques officielles d’Afrique communiquent leurs observations à l’Organisation météorologique mondiale (OMM). Elles sont inégalement réparties – la plupart se trouvent dans le nord et le sud du continent – d’où un manque cruel de données météorologiques pour le centre du continent. Les gouvernements nationaux, les planificateurs régionaux, les assureurs et les agriculteurs ne disposent donc pas de données pour prendre des décisions critiques quant aux activités influencées par les conditions météorologiques et climatiques ou aux investissements infrastructurels à réaliser pour promouvoir la résistance aux chocs climatiques. En outre, les rares données climatiques disponibles sont strictement contrôlées par les services météorologiques et sont donc généralement inaccessibles.

Grâce aux capteurs de meilleure qualité mais aussi moins coûteux et à une infrastructure de communication cellulaire fort développée permettant de mettre en ligne les données recueillies par les stations météorologiques, l’Afrique peut désormais avancer vers l’objectif d’acquisition de données climatiques précises. Telle est précisément l’idée à la base de la création de TAHMO (Trans-African Hydro-Meteorological Observatory, Observatoire hydrométéorologique transafricain) : développer un vaste réseau de stations de surveillance météorologique et climatique en Afrique subsaharienne, la distance entre deux stations ne dépassant pas les 30 km dans les régions où l’activité humaine est importante. Un tel objectif nécessite l’installation de 20 000 stations.

Jumelage d’écoles

Les stations TAHMO utilisent une technologie des capteurs intelligente et les TIC, d’où leur prix très abordable et leur solidité. Ces stations sont les plus souvent installées dans des écoles, qui les utilisent comme base pour des cours. Le programme scolaire ainsi enrichi encourage l’émergence d’une nouvelle génération de citoyens conscients du changement climatique et à l’épreuve de celui-ci. Les données des stations sont téléversées automatiquement sur un serveur internet et les écoles reçoivent des logiciels et des outils pédagogiques permettant aux élèves de visualiser et d’analyser les données météorologiques locales captées par « leur » station mais aussi les données enregistrées par les capteurs d’autres établissements scolaires.

TAHMO assure le jumelage d’écoles de toute l’Afrique et d’écoles des États-Unis et d’Europe (voir School2School.net).

Au début 2018, TAHMO disposait plus de 500 stations d’enregistrement de données dans 18 pays africains, avec, dans la plupart de ceux-ci, plus de 20 stations réparties sur l’ensemble du territoire national. TAHMO s’engage ainsi à mettre ces informations à la disposition du public en encourageant l’échange ouvert et gratuit de données météorologiques, à combler le déficit de données hydrométéorologiques en Afrique et à promouvoir l’utilisation de ces informations et leur communication. 

Des instruments de mesure intelligents

La surveillance météorologique repose sur l’utilisation d’une série de capteurs. Depuis le développement des smartphones, le coût de la technologie des capteurs a considérablement diminué et la solidité et la résistance des capteurs s’est améliorée. Les stations TAHMO tirent parti de toutes ces avancées.

Le pluviomètre standard à auget basculeur est à l’origine d’une multitude d’erreurs dans la mesure des précipitations, alors qu’on sait que ces dernières influencent le cycle de l’eau. Le moindre angle, la moindre erreur dans l’installation de la station fausse le calibrage. Il en va de même pour les poussières, le pollen, les insectes ou les graines qui se déposent dans le pluviomètre. Une simple toile d’araignée peut même empêcher son fonctionnement. TAHMO a donc pris la décision d’exclure toute pièce mobile dans ses stations. Les précipitations sont mesurées à l’aide d’une technologie testée sur le terrain pendant six ans, qui consiste à compter les gouttes qui descendent le long d’un guide pour tomber dans un entonnoir de captage. La taille des gouttes est fonction de la tension de surface de l’eau et de la gravité – des constantes universelles sur Terre (aucun calibrage n’est donc nécessaire).

Les stations TAHMO mesurent la vitesse du vent à l’aide d’un anémomètre solide de « catégorie recherche » d’une précision nettement supérieure à celle des appareils mécaniques, à savoir de l’ordre de 0,01 m/s pour des vitesses allant de 0 à 60 m/s. Aucun entretien n’est à prévoir et comme il est basé sur la vitesse du son, l’anémomètre, une fois sorti de l’usine, ne doit plus être calibré. L’anémomètre sonique TAHMO utilise de 100 à 1 000 fois moins d’électricité que d’autres anémomètres à ultrasons, et toute la série de capteurs des stations peut donc fonctionner pendant des mois avec seulement cinq piles AA standard, même en cas de panne des panneaux solaires.

 

Précision

Les stations TAHMO remédient au problème de la sur-évaluation des températures et de la sous-évaluation de l’humidité relative – défaut courant avec les capteurs encastrés – en utilisant un thermomètre pour mesurer la température à l’air libre indépendant de la mesure de la température relevée avec le capteur d’humidité. Au niveau d’une station TAHMO, la température est en effet mesurée trois fois : à l’aide d’un thermomètre sonique (la vitesse du son étant fonction de la température de l’air) ; avec un thermomètre à aiguille intégré dans l’ouverture de l’anémomètre sonique ; et avec un thermomètre de précision, le capteur suisse, qui mesure la température par rapport à humidité relative (T/HR), intégré dans la partie supérieure de l’anémomètre sonique. Les températures de l’air relevées à l’aide des thermomètres soniques et à aiguille ne sont pas influencées par la chaleur à l’intérieur du boîtier, d’où leur exceptionnelle précision. Ces deux mesures sont ensuite utilisées pour corriger les valeurs relevées par le capteur T/HR qui correspondent à la température dans le boîtier de la station.

Toutes les stations TAHMO sont également équipées de capteurs de rayonnement solaire (pyranomètre), d’un GPS, d’un cap boussole, système de détection de la position (l’accéléromètre indiquant si la station est bien verticale), d’un détecteur de foudre ainsi que d’un système de communication cellulaire (GSM).

Réparations

N’importe quel matériel ou appareil finit un jour par tomber en panne et ces pannes peuvent être assez subtiles – par exemple, la mesure d’un rayonnement solaire plus faible à cause de l’encrassement ou des températures plus élevées à cause d’un écran fissurée. TAHMO planifie donc une redondance « locale » des mesures effectuées au niveau de chaque station en assurant de multiples mesures du rayonnement solaire (photodiode et panneau solaire), de la température (trois mesures indépendantes) et des précipitations (deux mesures). Nous organisons et planifions cette redondance spatiale en installant les stations suffisamment près les unes des autres (tous les 30 km environ) afin d’obtenir une corrélation spatiale élevée des valeurs des capteurs.

La modélisation des séries chronologiques de la distribution de probabilité des capteurs locaux et des capteurs de redondance spatiale nous permet d’identifier toute panne au niveau d’un ou de plusieurs capteurs. Ces modèles peuvent également prédire la valeur de la constante cible (température de l’air, rayonnement solaire, précipitations) et TAHMO peut donc inférer ces valeurs même en cas de panne d’un capteur. Le personnel de terrain du TAHMO est en outre payé en fonction de la qualité des données, d’où sa motivation à répondre aux SMS signalant un problème au niveau d’une station.

Collecte de données

La station météorologique TAHMO utilise l’enregistreur de données à énergie solaire EM60G de METER. Ce collecteur a été spécialement équipé d’un petit panneau solaire qui fournit à la station suffisamment d’énergie pour charger et alimenter les 5 piles AA. Il s’agit d’un enregistreur autonome 6 ports, spécialement adapté à la recherche de terrain (avis aux collaborateurs potentiels !). La station THAMO n’utilise qu’un seul port, et 5 ports sont ainsi libres et disponibles pour des études locales, par exemple sur l’humidité du sol, le débit d’un cours d’eau, le niveau des nappes phréatiques, etc. Cet appareil est logé dans un boîtier étanche et peut donc être utilisé pour des relevés en extérieur. Les mesures enregistrées par l’EM60G sont transmis sans fil au système de données en cloud de TAHMO, qui en assure le traitement, au terme d’une procédure d’assurance et de contrôle-qualité, avant de les communiquer aux gouvernements, aux écoles et à d’autres clients.

Le réseau de stations TAHMO favorise les avancées dans les domaines les plus divers – génie électrique, informatique, géodésie et télécommunications – permettant ainsi aux Africains de mieux utiliser les ressources en eau et de produire des aliments pour leur propre population ainsi que pour le reste du monde. Grâce à la précision des observations, les compagnies d’assurance disposent de toutes les données nécessaires pour proposer les primes les moins chères possible et garantir l’indemnisation correcte et équitable des agricultures ayant subi des pertes. 

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