TherMap - Thermal Maps for topographically determined regions

TherMap version 1.06© - released 01.04.2010

Le 6 août 2008, lors de l'ouverture des championnats mondiaux de vol à voile à Lüsse/Berlin (Allemagne), Dr. Beda Sigrist a reçu un diplôme d'OSTIV pour cette innovation, dans lequel ce travail est qualifié comme un "grandbond en avant dans l'analyse et l'optimisation de trajets de vol dans des orographies connues et inconnues". Pour des buts non professionnels l'utilisation de des cartes est libre. Pour une utilisation professionnelle ou une publication ultérieure l'autorisation écrite doit être demandée via l'adresse de courrier électronique TherMap citée à la fin de ce site, et le site mentionné comme en étant la source.

Cartes thermiques pour montagnes

Pour vents de pente
voir WindMap

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En positionant le curseur sur l'image de gauche on voit un extrait de carte TherMap, l'outil permettant de visualiser sur des cartes digitalisées le potentiel d'ascendances pour une date et heure donnée, en faisant abstraction des interférences éventuelles dues à la météo-rologie du jour. Pour les heures et dates les plus importantes, des images de cartes, montrant le potentiel d'ascendances, peuvent être chargées depuis ce site. Il est aussi possible d'obtenir au prix coûtant un jeu complet de cartes de l'Autriche, de la Suisse, des Alpes Françaises, des Pyrénées ainsi que du nord et du centre des Apennins sur des CDs.

Avant les vols, les cartes TherMap permettent d'étudier les itinéraires les plus promettantes, ou de les expliquer à des pilotes moins expérimentés, notamment à travers des régions peu connues. Après les vols, les trajets enregistrés (normalement sur fichiers IGC) peuvent être superposés aux cartes correspondantes de TherMap, afin de voir dans quelles mesures des itinéraires différents auraient peut-être été plus avantageux. Les cartes peuvent être importées comme cartes "raster" dans certains logiciels d'analyse de vol.

Pour améliorer la lisibilité, les textes et les lignes des coordonnées principales sont visualisés en noir-blanc combiné. Les couleurs des zones ascendantes ont par contre été maintenues, la recherche d'alternatives n'ayant pas amené à des solutions vraiment satisfaisantes. Une extension importante est cependant la nouvelle possibilité de superposer les cartes à Google Earth, où elles peuvent être accédées soit directement en 3D, soit lors de simulations de vol.

a. Cartes d'irradiation

Les modèles d’élévation digitalisés (Digital elevation models: DEM), comme par exemple celui du modèle satellite global de 90m SRTM , décrivent la surface terrestre de façon assez détaillée. Sur la base de ces données il est donc possible de calculer pour chaque lieu, date et heure, l'intensité d'irradiation solaire (W/m2), et de projeter celle-ci verticalement sur le carré de référence en dessous, afin de pouvoir visualiser le résultat sur des cartes d'irradiation correspondantes.

Les ascendances font partie du flux d'énergie initié par l’irradiation solaire. Il n’est donc pas surprenant que des cartes d'irradiation, peuvent être utilisées pour découvrir des zones ayant un plus grand potentiel d'ascendances, dans les alpes surtout pendant les heures matinales.

Les cartes d'irradiation ne montrent cependant que l'intensité d'irradiation momentanée, tandis que le rechauffement du sol et de l'air, nécessaire pour les ascendances, prend du temps. Il en résulte un décalage qui s'accentue surtout pendant les heures de l'après-midi. Cela explique le besoin d'obtenir des cartes de température montrant combien de chaleur est accumulée à chaque endroit et à chaque instant.

Région du glacier d'Aletsch au 20 juin, 10h UTC: L’intensité monte du vert via le jaune jusqu’au rouge.
Les point blancs sont des lieux de déclenchements potentiels d'ascendances

Pour des raison pratiques TherMap calcule l'accumulation de chaleur au sol à l'aide d'un algorithme numérique relativement simple et empirique pour caractériser l'évolution de la température suite à l’irradiation aux altitudes de vol habituelles. En plus de la température, TherMap tient compte de l’effet de refroidissement des forêts et des zones de végétation saisonnières, et fait une approximation pour tenir compte de l'effet réfractaire des surfaces enneigées (Albedo) au dessus des surfaces gelées. Avec ces adaptations les cartes de température résultantes s'avèrent aptes à faire des prévisions du potentiel d’ascendances pendant les heures de l'après-midi.

Pour vérifier ce premier constat de façon systématique, et améliorer le modèle dans la mesure du possible, des données IGC de vol ont été directement superposées aux cartes, en distinguant les phases ascendantes et descendantes par des couleurs. De cette façon le recouvrement entre les zones chaudes et leur influence sur les vols, pouvait être directement visualisée. L'extrait de la carte ci-dessous, d'un vol au dessus de la même région du glacier d'Aletsch, illustre ce phénomène.

Carte température de la région du glacier d'Aletsch au 28 juin, 12h UTC.
Notez déjà le bon recouvrement entre les zones chaudes et le trajet de vol
(bleu = ascendant, blanc = descendant)

Dans ses publications, le pionnier du vol alpin, Jochen von Kalckreuth, observe entre autres que les ascendances émanant de pentes de plus de 25 à 30 degrés ont tendance à suivre la pente jusqu’à ce que l’angle diminue en dessous de cette limite, ou se termine par une crête. Comme déjà mentionné TherMap tient maintenant également compte des limites de neige et de permafrost, comme lieux supplémentaires de déclechement d'ascendances.

c. Cartes de pression thermique

Les cartes d'irradiation ou de température montrent en principe les mêmes irradiances ou les mêmes températures à travers des zones ayant la même orientation solaire et la même pente. Pendant les heures d'après-midi les faces de montagne orientées vers le sud ont par conséquent tendance à être saturées de surfaces chaudes ce qui les rend trop diffuses pour nos besoins. Ce problème ne peut pas être résolu en ne retenant et en ne superposant que les endroits les plus chauds sur une carte topographique neutre. Avec les cartes de pression thermique, TherMap a trouvé une solution pour surmonter ces limitations.

L'idée de la pression thermique est basée sur l'observation qu'une "bulle d'air" chauffée sur une pente développe une portance, c'est à dire une force verticale qui peut être décomposée en une force, en direction de la plus grande inclinaison de la pente en dessous, et en une force perpendiculaire à cette pente. Le première composante crée la pression thermique le long de la ligne d'inclinaison maximale. En montant le long de cette ligne, cette pression se distribue proportionellement à la pente du sol, diminuant en plus lentement avec la distance depuis la bulle d'origine, jusqu'à un point de déclenchement d'ascendances. La force exercée par l'ensemble des bulles est calculée en utilisant les cartes de température comme indicateur. La pression thermique exercée sur chaque carré de surface est ainsi calculée et cumulée pour chaque endroit par un traitement de calcul supplémen- taire de l'ordinateur .

L'utilisation du concept de la pression thermique permet de produire des cartes beaucoup plus précises pour déterminer les lieux d'ascendances. L'image suivante illustre que les cartes de pression thermique montrent plus en détail les lieux d'ascendances, même pour les heures chaudes de l'été.

Carte de pression thermique du 28 juin, 12h UTC, avec le même trajet de vol. Les lieux d'ascendances sont montrés plus précisement que sur les cartes température, effet encore plus visible lorsqu'on tire le curseur sur l'image pour faire apparaître la carte précédente.

L'inclinaison des pentes et les crêtes étant un facteur déterminant pour les activités thermique, TherMap a ajouté de telles cartes pour faciliter la vue d'ensemble de chaque région. La coloration de ces cartes n'est déterminée que par le degré d'inclinaison des pentes.

Pays :

Selon le trajet une ou plusieurs cartes du pays doivent être choisies :

Pays/région	Coin Nord-Ouest	Coin Sud-Est
Suisse	48° 00'’ N / 05° 30’ E	45° 30'’ N / 11° 00’ E
Autriche	48° 00'’ N / 09° 30’ E	46° 00'’ N / 16° 20’ E
Alpes de la France	47° 30'’ N / 05° 00’ E	43° 12'’ N / 07° 30’ E
Pyrenees	43° 20'’ N / 03° 00’ W	42° 00'’ N / 02° 30’ E
Apennin du nord	45° 00'’ N / 07° 30’ E	43° 30'’ N / 12° 30’ E
Apennin du centre	43° 30'’ N / 11° 30’ E	41° 00'’ N / 15° 00’ E

Date :

TherMap offre des cartes pour des dates choisies à partir du début d'avril jusqu'à mi-septembre (mois 4 à 9).
Sélectionnez la carte dont la date est la plus près de la date du vol. La date de la carte fait partie de son nom de fichier (mois – jour).

Heure:

L’heure UTC est maintenant utilisée. Trois cartes par jour sont inclues dans la collection de cartes, dont une pour la dernière heure complète avant la plus grande élevation du soleil, et deux autres 3 et 6 heures après. Si nous tolérons un écart jusqu'à 90 minutes entre l'heure d'une carte et le vol, ces trois cartes permettent de couvrir un interval de vol d'environ 8 heures.

UTC est normalement aussi utilisé dans les enregistrements de vol. Sélectionnez pour chaque étape de vol la carte dont l'heure est le plus près de l'heure de survol. Un vol prolongé nécessite donc plusieurs cartes. Ceci s'applique aussi aux analyses de vol, pour lesquelles les cartes TherMap peuvent être importées comme cartes "raster" dans les logiciels d'analyse de vol pour y visualiser le trajet de vol.

Limites des données radar: Les données radar ne sont pas très précises pour les élévations. Elles sont notamment peu fiables lorsque les signaux radar sont réfléchis par de l’eau ou des surfaces gelées. C'est pour cette raison qu’il est difficile d’identifier automatiquement des lacs sur la base des données radar. Dans TherMap les coordonnées de beaucoup de lacs ont été importées séparément, mais l'effort manuel a été un facteur limitatif. Ils n'a donc pas été possible de considérer tous les lacs. Certaines surfaces couvertes de glace sont topographiquement brouillées. Heureusement aucune de ces limitations ne représente un problème important pour l’utilisation des cartes TherMap.
Décalage de vent: Plus un planeur vole en dessus de la surface du terrain, plus il peut être décalé dans la direction du vent par rapport aux zones déclencheurs d’ascendances au sol. Des tels décalages peuvent donc être observés lorsqu’on analyse des vols influencés par les vents.
Autres influences: TherMap ne montre que l’effet de réchauffement solaire comme source d’ascendances. A certains endroits d’autres influences peuvent être plus fortes, par exemple les nuages, le vent, surtout dans des passages étroits de vallées, ou l'effet de refroidissement de surfaces d’eau ou de glace.

Agrandissement: Lors de leur observation les cartes devraient être agrandies à 100%. Les cartes originales contiennent jusqu’à 20 megapixels, ce qui correspond à environ 25 écrans standards . Il est important d'étudier les cartes en détail, si nécessaire en agrandissant à plus de 100%. Certains outils d’observation d’images, par exemple MS Picture Manager®, ont un avantage certain, car ils permettent de passer d'un extrait d'une carte à celui d'une autre sans changer le degré d’agrandissement.
Codification des couleurs: Les couleurs des cartes d’irradiation et de température changent du noir via le vert vers le jaune et le rouge. Les régions sans pressions thermiques apparentes restent noires. Le diagramme suivant montre les valeurs vario approximatives pour un planeur ayant un taux de descente de 0.5 m/sec.

Des zones vertes entourées de noir, par exemple dans les régions relativement plates ou en fin de journée, peuvent toujours indiquer le meilleur trajet pour traverser une étape difficile, tandis que pendant les heures de pointe en montagne on peut se limiter aux couleurs jaunes et rouges.
Visualisation en 3D: L'importation des cartes TherMap correspondantes en Google Earth® (KML Ground Overlays) ou SeeYou® (raster maps) prend quelques minutes, mais peut bien faciliter la préparation ou l'analyse postérieure des vols, surtout en mode 3D. Google offre l'avantage de pouvoir librement "survoler" les trajets d'intérêt, ce qui est intéressant pour la préparation des vols, tandis que les enregistrements de vol IGC sont en général déjà extraits dans SeeYou, et dès lors directement disponibles pour être superposés aux cartes TherMap, afin de pouvoir détecter des opportunités éventuellement ratées.

Météorologie: TherMap suppose une relation directe entre le réchauffement calculé de l’air et les ascendances (atmosphère non stable). L’utilisation des cartes TherMap n’est donc envisageable que pour des journées bien ensoleillées avec des condition météorologiques favorables (p.ex. base de condensation élevée). Lors de ces jours-là les cartes TherMap peuvent servir d’outil complémentaire aux prévisions météorologiques. Il incombe à chaque utilisateur de TherMap d’apprendre et de décider quand ces conditions sont remplies. En cas de vents prédominants il est recommandé des consulter aussi les cartes WindMap.
Evaluation d’itinéraires de vol: Il est recommandé d'utiliser TherMap avant le vol, pour une vérification complémentaire de la situation thermique au moment prévisible du survol d’une région. Cela peut par exemple être le meilleur endroit pour changer de côté d’une vallée, ou pour des trajets alternatifs en cas de retard ou d’obstacles imprévus.
Application pendant le vol: La consultation de cartes TherMap imprimés ne doit en aucun cas interférer avec l'observation de l'espace aérien. Des essais avec des outils de navigation mobiles, dans lesquels les "endroits chauds" de TherMap avaient été importés, ont montré que la distraction de l'observation de l'espace aérien reste un problème, sans parler de la lisibilité minable de la majorité des appareils. Il est possible que des modèles futurs vont offrir une meilleure lisibilité, mais il devraient alors aussi permettre d'automatiquement faire apparaître les points d'ascendance valables à l'heure actuelle, pour éviter de distraire le pilote par le chargement manuel des fichiers de cartes corrects.

La même carte de pression thermique en 3 dimensions, avec trajet de vol en mode "Vario"
(image réproduit à l'aide de SeeYou® en partant d'une carte de pression thermique importée)

Sélectionnez le pays ou la région désiré et la carte avec la date et le ou les heure(s) les plus près des heures de vol. (une carte représente environ 6-10 Mb). Ensuite il faut soit:

Voir avec Google Earth

Une vue en 3D permet souvent de mieux percevoir une situation, comme l'illustre cet exemple. L'utilisateur qui a déjà installé Google Earth© sur son ordinateur peut créer des telles vues selon son gré ou faire des simulations de vol avec "thermique visible"..

TherMap est basé sur les mêmes données topographiques (SRTM) que Google Earth. Si vous cliquez ici les cartes TherMap sont automatiquement liées avec votre application Google-Earth. Afin d'éviter une perte de résolution des images, les cartes originales ont été coupées en catelles de 2 degrés carrés, des rectangles qui sont visibles au niveau le plus bas de Google. La selection sur Google se fait donc selon la hiérarchie suivante:

TherMap-3D > Region > Date & heure > Champs (coordonnées du coin sud-ouest))

Afin d'obtenir des temps de réponse rapides , il est recommandé de sélectionner directement les champs désirés, qui seront superposés aux surfaces Google en quelques secondes. La transparence a été fixé à 50 pourcent, mais peut encore être adaptée manuellement (click droite sur le nom du champs -> choisir "propriétés" > actionnez glisseur transparence en haut de la nouvelle fenêtre).

Pour Google Earth, voire un logiciel de simulation sur Google Earth d'un vol enregistré (fichier IGC), des consignes sont données sous références 8 et 9.

Il n’est pas toujours possible d’accéder au site TherMap par une ligne à haut débit. Il peut donc parfois s’avérer plus simple d’avoir les cartes directement sur un CD. Des CDs peuvent maintenant être livrés à une adresse en Suisse ou un pays de l'UE. Pour commander il faut envoyer un E-Mail avec les indications suivantes:

pour des livraisons en Suisse CHF 30.- par CD au compte postal 18-16534-8 (Beda Sigrist, ch. de la Mulla 42, CH 1616 Attalens) ou

en Europe par transfert bancaire de EUR 24.- par CD au compe:

IBAN CH82 0900 0000 9126 4004 8
Destinataire: Sigrist Beda, CH 1616 Attalens)
BIC (Swift Code): POFICHPEXXX
Nom de la banque: Swiss Post, PostFinance, CH-3000 Bern

Les livraisons par courier normal se feront dès réception de la commande et du prépaiement correspondant. Il est évident que les prix n'incluent aucune contribution aux efforts de développement considérables de TherMap.

Qui est derrière TherMap ?

TherMap est une initiative privée de Beda Sigrist, un pilote de vol à voile suisse ayant de solides bases techniques et scientifiques. Impressionné par la précision des outils de prévision méteorologiques régionaux Regtherm/Toptherm, il a commencé à investiger les possibilités d’utilisation de données topographiques dans le sens du modèle TherMap. Avec des conseils d' Olivier Liechti, l’initiateur de Regtherm et Toptherm, l'encouragement de l'OSTIV ainsi que les recom-mendations de pilotes de vol à voile réputés, il a poursuivi le développement de TherMap depuis 2005. La Société d’Aviation de la Gruyère lui a offert la possibilité d'héberger ces pages sur son site internet. Il a ainsi été possible de continuellement améliorer le modèle TherMap et de doter ce site de cartes toujours meilleures. Notez que Beda a entretemps aussi développé WindMap, l'outil complémentaire montrant le potentiel de vents de pente sur des cartes.

Peut-on acheter la solution TherMap ?
Non, ce n’est pas prévu. Il serait évidemment intéressant de pouvoir directement offrir l’outil de génération des cartes. Mais TherMap est un produit assez récent qui doit encore amélioré et étendu. Si une telle application était distribuée aux utilisateurs, il faudrait d’abord la transformer en un package professionnel et mettre en place des procédures de mise à jour afin que les clients aient toujours la dernière version à disposition. Les coûts d’exploitation d’une telle option nécessiteraient une approche commerciale. En plus des conséquences financières pour les clients, une telle approche causerait aussi des conflits avec SRTM, qui met à disposition ses données seulement à des fins non commerciales.

Quelles sont les possibilités d’utiliser TherMap pour des régions topographiquement plus plates ?
C'est toujours une question ouverte. Avec l'introduction de cartes de pression thermique TherMap fonctionne maintenant aussi avec des terrains moins accentués, comme par exemple le Jura. Dans des régions encore plus lisses les différences locales de la densité d'irradiation diminuent et les endroits potentiels sont en général plus atomisées. En plus, les vols sur ces terrains se font normalement à une distance plus importante du sol, ce qui rend plus difficile de déceler les relations entre les trajets de vol et la source des ascendances sur la surface terrestre. Cependant toute ascendance ayant une cause physique, on ne peut pas exclure que des données autres que la topographie, par exemple sur les caractéristiques de l'irradiation infrarouge du sol, pourraient un jour apporter une solution complémentaire.

Quel sont les possibilités de créer des cartes TherMap adaptés aux condition météorologiques du jour?
Cette question ne peut pas être répoindue à présent. Des Diagrammes météorologiques par heure sont connus pour les Alpes, couvrant des régions de 50-100 kilimètres. Ces données pourraient en principe servir de base pour calculer des prévisions détaillés avec TherMap. Les donnèes de départ ne sont cependant pas gratuites. Des données utilisées pour des traitement automatiques doivent cependant être payées. En plus les coûts traitement journalières s'y ajoutent, pour la mise à disposition des cartes TherMap du jour. La demande effective pour des telles cartes n'est pas certaine. Laissons donc la réponse au futur.

Peut-on élargir TherMap pour des régions autres que l'Europe ?
Le développement de TherMap est le résultat d'un échange intensif d'informations entre experts et pilotes expérimentés, car les modèles utilisés ne traitent que partiellement des processus physiques, tandis que d'autres parties décrivent plutôt la perception de pilotes expérimentés. Pour traiter de nouvelles régions il est donc important d'avoir des partenaires compétents et expérimentés, afin de pouvoir valider les modèles adaptés, car les conditions climatiques et saisonnières de l'Europe ne s'appliquent pas nécessairement. Avec l'aide de collègues de nouvelles zones géographiques ce serait cependant un plaisir d'étendre l'application de TherMap au delà des régions actuelles.