RadarMétéo
1 -Principe
La mesure radar se base
sur l'émission dans l'atmosphère, à des intervalles de temps égaux,
d'impulsions d'énergie électromagnétiques puissantes et de fréquence élevée,
pendant une durée très brèves. Les cibles atmosphériques de toute nature qui interceptent
l'énergie incidente l'absorbe et la rayonnent dans toutes les directions. La
fraction de l'énergie rayonnée dans la direction du radar est captée par
l'antenne, transportée, avec le minimum de perte au moyen des guides d'ondes
vers le récepteur qui l'amplifie et la transmet à l'unité de traitement de
signal (Radar Vidéo Processor RVP) dans trois canaux vidéo; un canal
logarithmique pour le calcul de la réflectivité et deux canaux linéaires pour
le calcul de la vitesse radiale et la largeur spectrale.
Au niveau de la RVP le signal analogique reçu
du récepteur est d'abord digitalisé pour son traitement numérique. Les
algorithmes de traitement de signal résidant au niveau de la RVP effectuent des corrections
sur le signal digitalisé (élimination des bruits, correction de l'atténuation,
élimination des échos fixes,etc...) et déduisent en utilisant l'équation radar
la valeur de la réflectivité, de la vitesse radiale et de la turbulence,
constituant ainsi les données de base du radar. Les mesures traitées associées
à leur position sont ensuite acheminées vers un logiciel de commandes et de
visualisation pour l'élaboration d'images radar facilement exploitables.
Le mouvement de l'antenne
au cours de l'acquisition des mesures radar définit la nature du produit
élaboré. Ainsi lorsque l'antenne décrit un mouvement de rotation autour
d'elle-même en gardant un angle d'élévation constant, on obtient le produit PPI
(Plan Position Indicator). Lorsque l'antenne effectue un mouvement de
basculement dans un plan vertical en gardant un angle d'azimut constant, le
produit élaboré est RHI (Range Height Indicator). Quand l'antenne effectue une
série de balayages panoramiques à différentes élévations, on a un balayage
volumique.
2. Utilisations
2.1 Le produit PPI (Plan Position Indicator)
L'image PPI représente
toutes les cibles autour du radar qui ont intercepté les radiations de
l'énergie électromagnétique à la hauteur atteinte par le faisceau d'onde. Sur
l'image produite, la position du radar se trouve en général au centre de
l'image et les échos détectés sont représentés autour du radar. Leurs positions
géographiques peuvent être indiquées par leurs azimuts et la distance radiale
par des cercles concentriques (voir figure 1). Pour le cas de nos radars, il
existe un utilitaire qui permet de connaître la position (latitude, longitude,
distance au radar et altitude) des échos radar choisis. Toutefois l'exploitant
doit avoir à l'esprit que plus l'échos est situé loin du radar, plus son
altitude est élevée d'autant plus que l'angle d'élévation de l'antenne est
grand; ainsi avec une élévation de 1° une cible qui intercepte le faisceau
radar se trouvera à une altitude de 2400 m environ s'il est à une distance de 100 Km du radar et à une
altitude de 5800 m
s'il est à une distance de 200
Km du radar.
La réflectivité, ou la
vitesse radiale des échos détectés sont estimées au moyen de niveaux de
couleurs différentes.
figure 1
2.2. Le produit RHI
(Range Height Indicator)
L'image RHI (voir figure
2) représente la répartition verticale de la réflectivité dans une direction
donnée, on peut alors avoir des informations sur l'extension verticale de
l'échos, l'altitude de sa base (si elle n'est pas masquée) et de son sommet, et
la distribution de la réflectivité suivant la verticale. Comme pour l'image
PPI, la réflectivité est représentée par des niveaux de couleurs.
Sur une image RHI, la
position du radar se trouve en bas à gauche de l'image, l'axe des abscisses
représente la distance radiale, l'axe des ordonnées représente l'altitude.
Lorsqu'un nuage est
détecté dés sa phase initiale, l'image RHI permet de suivre son développement
et, connaissant les conditions météorologiques en présence, prévoir son
évolution.
Par l'exploitation des
images PPI à différentes élévations, on peut se constituer une idée sur les
échos météorologiques qui prennent place autour du radar, l'image RHI effectuée
suivant la direction des maxis de réflectivités permet d'étudier en détail les
phénomènes. Ceci est utile surtout pour les situations orageuses ou l'on peut
détecter très tôt les foyers orageux qui se développent au moyen de la
visualisation en mode PPI et connaître leurs caractéristiques en effectuant un
balayage RHI qui nous permettra de déterminer leurs extensions verticales et
leurs teneurs en eau permettant ainsi de se constituer une idée sur leurs
potentiels de précipitations.
2.3. Les produits volumiques
Comme on a vu, l'image PPI
à elle seule est insuffisante pour tirer toutes les informations se produisant
autour du radar. La technique du balayage volumique (balayage PPI à différentes
élévations) est ainsi nécessaire pour combler ces lacunes. La technique
multibalayage permet de se constituer une vision globale sur l'activité
météorologique se produisant autour du radar à différentes altitudes.
En effet à partir des
fichiers de données de réflectivité obtenus de plusieurs balayages en mode PPI
effectués avec différentes élévations de l'antenne, on peut obtenir plusieurs
produits radar, parmi lesquels : Column-Maxima, CAPPI, Echo-Top etc...
L'avantage des produits
volumiques est qu'ils donnent une information globale sur l'activité
météorologique autour du radar à différentes altitudes tout en performant des
calculs tels que le maximum de réflectivité, l'altitude maximale d'un échos.
Les inconvénients des produits volumiques résident dans le fait qu'ils sont
calculés à partir d'une interpolation et donc il y a une perte dans la
précision de la mesure.
2.3.1 Le produit Column-Maxima
L'image Column-Maxima est
obtenue par la projection sur le plan des réflectivités maximales. Le produit
Column-Maxima représente alors pour un pixel donné la valeur maximale des
réflectivités se trouvant sur la colonne atmosphérique au dessus du pixel.
Ce produit est très utile
pour situer les foyers orageux dès leur apparition, de ce fait il est recommandé pour le suivi des situations
orageuses (voir figure 3); sa combinaison avec l'image RHI permet une bonne
couverture des situations orageuses.
2.3.2. Le produit CAPPI
L'image
CAPPI (Constant Altitude PPI) permet de donner une représentation des échos se
trouvant à la m
ême
altitude. L'opérateur peut choisir l'image CAPPI allant de l'altitude 1 km à l'altitude 15 km pour un même balayage
volumique. Les produits CAPPI pour les altitudes les plus basses permettent de
donner une bonne estimation des précipitations qui atteignent le sol. Le
défilement des images CAPPI à différentes altitudes permet d'avoir une idée sur
la variation des précipitations suivant l'altitude, de déterminer le niveau qui
connaît l'activité la plus intense et donc de juger de l'évolution de la
situation
|
|
2.3.3. Le produit Echo-Top
Le
produit Echo-Top donne l'altitude du sommet d'un niveau de réflectivité choisie
par l'opérateur. Si le niveau de réflectivité choisi par l'opérateur est de 40
dbz, et si le niveau de couleur sur l'image indique la valeur 4 km, alors 4 km est l'altitude maximale
atteinte par le niveau de réflectivité 40 dbz.
Concernant
l'aéronautique; le produit Echo-Top permet de déterminer les altitudes que les
pilotes doivent survoler pour ne pas rencontrer des Réflectivités supérieures à
un niveau choisi.
Il
existe d'autres produits radar issus à partir d'un balayage volumique, mais on
se limite à ces trois produits qu'on a déjà expérimentés avec notre réseau radar
actuel.
2.3.4. Le produit vitesse radiale
L'image
PPI de la vitesse radiale permet d'avoir les vitesses radiales des échos autour
du radar. Les informations pour l'image PPI de la vitesse sont similaires que
celles de l'image intensité, la valeur de la vitesse radiale est également
estimée au moyen de niveaux de couleurs (voir figure 4). Le niveau de couleur
blanche indique la vitesse 0 m/s, les niveaux de couleurs qui se trouvent à
gauche représentent les vitesses des échos qui se rapprochent du radar d’où le
caractère "T" (Toward) se trouvant sur l'échelle de couleurs, les
niveaux se trouvant à droite du radar représentent les vitesses des échos qui
s'éloignent du radar ("A"= Away).
.2.3.5. La turbulence
La vitesse radiale donnée
par le radar représente la valeur moyenne des vitesses des particules dans le
volume échantillonné. On peut aussi avoir accès à la variation de la vitesse au
moyen du calcul de la variance dans ce volume qui est en relation avec la
turbulence.
Le produit de la
turbulence représente ainsi la variance de la vitesse radiale dans le volume
d'échantillonnage. Cette grandeur est constituée d'une part de la contribution
du cisaillement du vent dans le volume et d'autre part de la turbulence.
Cependant ce produit n'est exploitable qu'en présence de traceur pour
rétrodiffuser l'énergie vers le radar, en ciel clair, s'il n'y a pas de traceur
tels que la poussière ou des insectes, le radar ne peut détecter la turbulence
en ciel clair.
2.3.6. La réflectivité différentielle
Le radar de Fès est un
radar à double polarisation, il est muni d'un dispositif lui permettant de
générer de manière successive des impulsions d'énergie de polarisations
horizontale et verticale. Il détermine alors la réflectivité différentielle par
la différence entre la réflectivité calculée à partir des retours de signaux
polarisés horizontalement et la réflectivité calculée des retours de signaux
polarisés verticalement.
Dans le cas des
gouttelettes liquides, au cours de leurs chutes et sous l'effet de la
résistance de l'air, elles s'aplatissent présentant ainsi une importante
extension horizontale qui devient plus importante que l'extension verticale;
d’où une réflectivité horizontale plus grande que la verticale et par suite une
réflectivité différentielle positive. Par contre, pour les particules de grêle,
il n'y a pas une grande variation entre l'extension horizontale et verticale
donc des réflectivités horizontales et verticales sensiblement égales, et par
suite des valeurs faibles de la réflectivité différentielle.
2.3.7. Les images composites
Les
produits composites sont élaborés à partir des mesures relevées dans chaque
site radar et acheminées vers le centre au moyen des lignes de
télécommunication spécialisées. Un logiciel sur la station de concentration
nationale permet d'élaborer l'image composite à partir de fichiers acheminés.
Une image composite est présentée comme si un seul radar fait le balayage de
tout le territoire. Sur les zones de chevauchement entre deux radars c'est la
réflectivité maximale qui est visualisée.
Quelques erreurs de la mesure radar
La
mesure radar peut être affectée d'erreurs dont l'origine peut être due aussi
bien aux limitations instrumentales du radar qu'à la nature même de la mesure
ainsi qu'aux propriétés physiques de la propagation des ondes
électromagnétiques dans l'atmosphère.
Erreurs engendrées par les imperfections de l'antenne radar
La
puissance rayonnée par le radar se répartit en un lobe principal et un certain
nombre de lobes secondaires inclinés par rapport au lobe principal. Ces
imperfections de l'antenne engendrent des erreurs sur la mesure radar.
Erreurs dues à l'ouverture du faisceau d'ondes
L'antenne
permet de concentrer l'énergie émise dans un faisceau d'onde de faible
ouverture légèrement divergent. Le volume d'échantillonnage du radar devient de
plus en plus grand au fur et à mesure que l'on s'éloigne du radar entraînant
les erreurs suivantes:
- Prés du radar et pour de faibles élévations d'antenne, une partie de l'énergie émise va intercepter le sol et les obstacles terrestres proches du radar engendrant des échos fixes.
- L'équation radar pour une cible distribuée est fondée sur des hypothèses dont l'une suppose que le volume d'échantillonnage du radar est complètement occupé par la cible. Or le volume d'échantillonnage du radar prend une grande extension angulaire lorsqu'on s'éloigne du radar du fait de l'ouverture du faisceau. Une cible météorologique localisée se trouvant à une grande distance du radar peut alors avoir des dimensions inférieures à celles du volume d'échantillonnage, il va y avoir d'une part une sous-estimation de son intensité, le volume de diffusion est plus petit que le volume d'intégration, d'autre part une erreur sur l'emplacement et les dimensions de la cible, puisque le radar suppose que toute l'énergie reçue est diffusée par le volume d'échantillonnage.
Erreurs engendrées par les lobes secondaires
Une
faible partie de l'énergie émise par l'antenne se trouve dans des lobes secondaires
qui sont inclinés par rapport au lobe principal et de ce fait interceptent les
obstacles prés du radar et créent des échos fixes. D'un autre côté les
algorithmes de traitement du signal radar supposent que toute l'énergie reçue
par l'antenne est rétrodiffusée par une cible qui a intercepté les radiations
dans le lobe principal. Ils vont cumuler le signal d'origine les lobes
secondaires au signal reçu du lobe principal entraînant deux types d'erreurs:
·
Surestimation de la réflectivité des cibles atmosphériques.
·
Apparition d'échos irréels dans le cas où il n'y a pas
de cibles atmosphériques sur le chemin du faisceau radar.
Il est
aisé de reconnaître les échos fixes générés par les lobes secondaires, on les
retrouve d'une image à l'autre, d'autre part ils sont de faible intensité vu
que l'énergie dans les lobes secondaires est faible. Les algorithmes de
traitement de signal Doppler utilisent l'information de la vitesse radiale pour
leur élimination. Par contre il n'est pas évident de déterminer la surestimation
des réflectivités due aux lobes secondaires.
Anomalies de propagation
La figure ci-dessus montre
le chemin suivi par les ondes électromagnétiques; dans le cas d'une atmosphère
standard, le chemin suivi est la propagation normale des radiations; les
algorithmes de traitement de données tiennent compte de ce chemin pour
l'élaboration des produits. Cependant sous certaines conditions atmosphériques,
le chemin suivi par les radiations peut varier du cas standard, on est alors en
présence d'une anomalie de propagation qui peut être de trois types:
- La super-réfraction, c'est lorsque les conditions atmosphériques sont telles que la réfraction des radiations est assez forte pour que le faisceau se propage à des altitudes inférieures que dans le cas de la propagation normale. Ceci se passe en présence d'inversions thermiques nocturnes et matinales.
- La sub-réfraction, c'est lorsque les radiations suivent un chemin d'altitude supérieure à celui suivi dans les conditions normales.
- Le ducting, c'est quand les radiations se trouvent piégées dans une couche de forte réfraction. Ceci se passe rarement.
Erreurs générées par les anomalies de propagation
Lorsqu'on est en présence
d'une anomalie de propagation, il y aurait erreurs sur l'emplacement de la
mesure en altitude. L'exploitant, ne tenant pas compte de l'anomalie de
propagation, va commettre une erreur de jugement quant au choix de l'élévation
de l'antenne. S'il s'intéresse à la connaissance du contenu en eau en basse
altitude en choisissant une élévation d'antenne très petite, l'image radar
serait affectée d'échos fixes dans le cas d'une super-réfraction; par contre
les précipitations peuvent ne pas être détectées dans le cas d'une
sub-réfraction ou d'un ducting.
Il est possible de
déterminer l'existence des anomalies de propagation en utilisant des
radiosondages pour le calcul de l'indice de réfraction pour chaque couche de
l'atmosphère. Ainsi en présence d'une super-réfraction l'exploitant doit
choisir un angle d'élévation supérieur à celui habituellement choisi dans les
conditions normales de propagation pour éviter les échos fixes. Par contre s'il
y a existence d'une sub-réfraction, il est souhaitable de choisir un angle
inférieur à celui utilisé dans les conditions normales.
L'atténuation
Lors de sa propagation, la
puissance des radiations radar peut être atténuée. Cette atténuation dépend du
matériel constituant le milieu, de sa densité, de la distance traversée par les
radiations et de la longueur d'onde électromagnétique.
L'atténuation des ondes
utilisées par les radars météorologiques est surtout due à la vapeur d'eau
atmosphérique, elle dépend du contenu de l'air en vapeur d'eau. Elle est à peu
près négligeable pour les longueurs d'ondes 10 cm, mais croit rapidement
pour les petites longueurs d'ondes (0,01 db/km pour une longueur d'onde de 3 cm). "Nos radars
utilisent une longueur d'onde de 5
cm".
Cette atténuation est
corrigée par les algorithmes de traitement des données radar par un coefficient
constant qui représente l'atténuation linéaire de l'atmosphère. Mais lorsqu'il
s'agit de précipitations liquides ou solides, ceci devient moins facile vu leur
caractère variable suivant la situation météorologique.
La difficulté de la
reconnaissance de l'atténuation due aux précipitations sur l'image radar dépend
du type, de l'intensité et de l'extension verticale des précipitations. En
général les radiations sont atténuées en traversant une zone de fortes
précipitations. On peut alors remarquer derrière une zone de précipitations un
affaiblissement sinon l'absence totale d'échos, en effet l'énergie traversant
la région de fortes précipitations est de plus en plus affaiblie, et le retour
radar l'est aussi, les précipitations se trouvant derrière cette région sont
alors sous estimées parfois non détectées. Cependant ceci n'est pas toujours
évident à reconnaître car dans certains cas la forme des échos météorologiques
présente naturellement ces affaiblissements laissant croire la présence de
l'atténuation.
Ambiguïté de la distance
La fréquence d'émission
des radiations qui représente le nombre d'impulsions par seconde est
inversement proportionnelle à la durée de réception. Les algorithmes de
traitement de signal radar supposent que toute l'énergie reçue pendant la phase
de réception est le résultat de la rétrodiffusion des radiations de l'impulsion
précédente avec une cible atmosphérique se trouvant sur le chemin. On aura
alors une ambiguïté de la distance pour toutes les cibles atmosphériques se
trouvant à une distance telle que le temps aller-retour du radar à la cible est
supérieur à la durée de réception. La distance maximale de détection sans
ambiguïté est donnée par la relation suivante:
Dmax =
c/(2*nombre d'impulsion par seconde)
Cette ambiguïté de la
distance engendre une sous estimation de la distance de la cible et une sous
estimation de la réflectivité. Ceci se passe en général lorsque des cibles se trouvent
à une grande distance du radar.
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