Un satellite météorologique est un satellite artificiel qui a comme mission principale le recueil de données utilisées pour les prévisions météorologiques et de manière indirecte l'étude du climat de la Terre. Ces engins emportent différents instruments qui mesurent le rayonnement électromagnétique dans plusieurs longueurs d'ondes permettant de déterminer plusieurs paramètres physiques et chimiques caractérisant l'atmosphère et la surface de la Terre : température, taux d'humidité, composition des nuages, aérosols, rayonnement solaire incident et réfléchi, vent de surface Les données recueillies permettent de prévoir l'évolution du temps à plus ou moins long terme.
Il existe deux catégories principales de satellites météorologiques aux objectifs complémentaires. D'une part les satellites géostationnaires qui du fait de leur orbite restent au-dessus d'un point fixe de la Terre au niveau de l'équateur à une altitude de ce qui leur permet d'observer une grande partie de l'hémisphère qui leur fait face. La deuxième catégorie est constituée par des satellites circulant sur une orbite polaire généralement héliosynchrone (satellites à défilement) qui, du fait de leur altitude généralement comprise entre 600 et , permettent d'effectuer des observations caractérisées par une résolution spatiale beaucoup plus élevée mais qui ne survolent que deux fois par jour chaque région.
Les satellites météorologiques, dont le rôle principal était initialement de compléter le réseau de stations météorologiques au sol dans les régions non couvertes (océans, régions inhabitées ou faiblement peuplées, plus généralement hémisphère sud), fournissent de nos jours des données qui jouent un rôle essentiel pour la prévision météorologique sur l'ensemble du globe. Les satellites météorologiques ont contribué à fiabiliser celle-ci et à allonger la portée temporelle des prévisions. Par ailleurs les mesures effectuées, caractérisées par une couverture à l'échelle du globe et une continuité s'étendant sur plusieurs décennies, permettent d'affiner la modélisation du climat de la Terre et de suivre son évolution dans le contexte du changement climatique en cours.
Le premier satellite météorologique opérationnel est TIROS-1 développé par les États-Unis et lancé dans l'espace le . En 2025, les principales puissances spatiales mettent en œuvre des satellites météorologiques : les États-Unis (NOAA et NASA), l'Europe (Agence spatiale européenne (ESA) et EUMETSAT), l'Inde, la Chine, la Russie, le Japon et la Corée du Sud. Tous ces satellites fournissent une couverture globale de l'atmosphère. Chaque nouvelle génération de satellite dispose de capteurs passifs ou actifs aux performances généralement croissantes (résolution spatiale, spectrale et radiométrique) ou capables d'effectuer des mesures sur un plus grand nombre de canaux ce qui permet de les utiliser pour différencier les divers phénomènes météorologiques : nuages, précipitations, vents, brouillard et d'obtenir une représentation dans les trois dimensions. Des programmes de coopération internationale ont été mis en place très tôt pour optimiser les observations (attributions de positions en longitude complémentaires au niveau de l'orbite géostationnaire) et faciliter les échanges des données recueillies entre les pays disposant de moyens d'observation.
Définition
Un satellite météorologique est une catégorie de satellite artificiel qui se définit par l'usage des données qu'il collecte à savoir la prévision météorologique et de manière indirecte le suivi et la modélisation du climat de la Terre. La météorologie a été très tôt un des grands domaines d'application de l'activité spatialeLes satellites d'application s'opposent aux satellites scientifiques qui collectent des données pour tenter d'expliquer les processus.. En effet les satellites permettent d'obtenir à des intervalles de temps régulier des données sur de grandes surfaces dont la juxtaposition permet de couvrir l'ensemble de la Terre sans contrainte imposée par les frontières politiques. Les satellites météorologiques font partie de la grande famille des satellites d'observation de la Terre qui comprend également les satellites à haute résolution à usage civil ou militaire (satellite de reconnaissance) et les satellites qui par exemple cartographient la topographie de la surface, le champ magnétique ou le champ de gravité de la Terre. Les satellites météorologiques circulent sur des orbites géostationnaires ou sur des orbites basses généralement polaires. Optimisés pour assurer une couverture complète du globe à fréquence rapprochée, les instruments des satellites météorologiques ont une résolution spatiale moyenne (quelques centaines de mètres à quelques kilomètres). Une autre de leurs spécificités est qu'ils sont mis en œuvre par des services d'état car ils relèvent d'un service public même si certains produits météorologiques font l'objet d'une commercialisation. Enfin leur développement s'inscrit dans le cadre de programmes internationaux (Veille Météorologique Mondiale).
Pour remplir ses objectifs le satellite météorologique dispose d'instruments de télédétectionLes instruments de télédétection permettent de mesurer à distance des phénomènes en analysant le rayonnement électromagnétique émis par ceux-ci par opposition aux instruments qui effectuent des mesures in situ c'est-à-dire l'environnement immédiat du satellite. qui lui permettent de collecter les caractéristiques de l'atmosphère terrestre et de la surface de la Terre qui jouent un rôle direct dans les phénomènes météorologiques et leur évolution : température de l'atmosphère et de la surface, taux d'humidité, rayonnement solaire incident et réfléchi, direction et vitesse des vents, type et composition des nuages, aérosols, composition chimique de l'atmosphère. Les satellites météorologiques utilisent des instruments qui analysent et quantifient le rayonnement électromagnétique (de l'ultraviolet aux micro-ondes en passant par la lumière visible et l'infrarouge) émis ou réfléchi par l'atmosphère terrestre et la surface. Ces instruments peuvent être passifs ou actifs (radar). Dans ce dernier cas ils analysent la réflexion du rayonnement émis par l'instrument.
Orbite des satellites météorologiques
Les orbites des satellites météorologiques sont généralement de deux type : géostationnaire et circumpolaire.
Satellite en orbite géostationnaire
Positionnés directement au-dessus de l’équateur terrestre et à une distance de ( les satellites géostationnaires orbitent de façon synchrone avec la Terre ce qui leur permet de fournir en continu des informations sur la même portion du globe, surtout dans les spectres visibles et infrarouges. À l'altitude élevée qui est la leur ils fournissent une vue globale de l'hémisphère visible depuis leur position soit environ 40 % de la surface terrestre. Ils constituent une source d'informations idéale pour les phénomènes météorologiques à grande échelle dans le domaine de la météorologie, l'hydrologie et l'océanographie. Les images répétitives fournies (fréquence de l'ordre de quelques minutes pour les satellites les plus récents) permettent d'identifier dès leur apparition et de suivre le développement des phénomènes météorologiques tels que les ouragans, tempêtes, tornades et crues violentes ainsi que les variations des conditions météorologiques au fil de la journée.
L'orbite géostationnaire présente un désavantage majeur par rapport à l'orbite polaire : la résolution spatiale, du fait de la distance plus importante, est au mieux de l'ordre du kilomètre. Cette résolution est maximale à leur sous-point (à leur nadir), le point de l'équateur à la verticale duquel ils sont situés et elle diminue en allant vers les bords du disque terrestre à cause de la parallaxe de l’angle de visée de plus en plus rasant. Ainsi, par exemple, au-dessus de de latitude Nord ou en dessous de de latitude Sud, les données collectées deviennent pratiquement inutilisables.
Les capteurs emportés par ces satellites sont principalement des radiomètres imageurs capable de produire des images avec une résolution spatiale et temporelle30 minutes sur l'ensemble du champ de vue, 2,5 minutes sur un sous-ensemble pour le satellite MTG. élevées dans un grand nombre de bandes spectrales allant du visible à l'infrarouge thermique ( spectrales pour l'instrument FCI du satellite européen MTG). MTG emporte également un sondeur infrarouge (IRS) qui permet de disposer des informations sur la température et l'humidité de l'atmosphère toutes les alors que cet instrument jusque là emporté par les satellites à défilement ne produisait ces données que deux fois par jour (par satellite). Le satellite européen emporte également un détecteur d'éclairs dont les données sont utilisées sur le plan opérationnel pour alerter la population en cas d'orages violents. Les données recueillies sont utilisées par les météorologues pour suivre les systèmes météorologiques visuellement en plus d’extraire des données dérivées (température et albédo) pour connaître la structure de l’atmosphère et des nuages. Ces données sont injectées dans les modèles de prévision numérique. Les médias agrémentent également leurs bulletins météo d’animations en boucle venant de ces satellites.
Satellites en orbite polaire (à défilement ou défilants)
Complémentaires des satellites géostationnaires, les satellites en orbite polaire (dits également satellites à défilement) orbitent autour de la Terre à basse altitude (~700 – ) selon une trajectoire caractérisée par une inclinaison orbitale élevée (environ 90°) les faisant survoler les pôles. Ils circulent généralement sur une orbite héliosynchrone caractérisé par le fait que leur plan orbital est maintenu perpendiculaire à l’axe joignant le Soleil et la Terre. Cette caractéristique est obtenue de manière passive en exploitant la dérive du plan orbital générée par le bourrelet équatorial de la Terre. Ainsi à chaque orbite ils survolent les régions observées à la même heure solaire deux fois par jour (par exemple du matin et du soir). Les soviétiques se sont longtemps distingués en plaçant leurs satellites météorologiques Meteor sur une orbite polaire non héliosynchrone jusqu'en 1993. Le maintien d'une heure solaire de survol nécessite de fréquentes corrections de l'orbite. Aussi jusqu'à récemment les satellites défilants de la NOAA laissaient l'orbite dérivée sachant que le respect d'une heure de survol précise ne constitue par une exigence forte pour les besoins météorologiques contrairement à d'autres satellites d'observation de la Terre. Les différentes agences météorologiques se coordonnent pour que les survols de leurs satellites se fassent à des heures complémentaires et fixes : ainsi les satellites européens MetOp/MetOp-SG effectuent leur survol du noeud ascendant à (descendant ), les américains JPSS et chinois FY-3 à et d'autres satellites chinois FY-3 à .