www.radartutorial.eu Les Principes du Radar

Réflectivité versus précipitations

Le radar est devenu un élément essentiel de la mesure des précipitations et de la détection du temps violent. La formation de nuages et de leurs précipitations sont dus au transfert de chaleur et de mouvement dans l’atmosphère par différents processus. Dans les systèmes de grande échelle, comme les tempêtes de neige, c’est un mouvement mécanique qui soulève l’air. Dans un orage, c’est la différence de température entre l’environnement et une parcelle d’air plus chaude qui produit le même effet. Dans les deux cas, l’air soulevé se refroidit à cause du changement de pression et quand l’humidité contenue dans l’air atteint le point de saturation, il y a formation des nuages et relâchement de chaleur latente.

Le mouvement de l’air varie continuellement dans les nuages, selon les conditions ambiantes. Dans le cas d’un orage, ces mouvements sont rapides et comportent une phase de croissance, suivie de la maturité du cumulonimbus puis de sa dissipation. Dans le cas de précipitations continues, les mouvements sont plus lents et le plus souvent ont retrouve de la neige en altitude et de la pluie au sol. Il est donc important de suivre l’évolution de la structure des précipitations, pas seulement leur déplacement.

Le radar est un instrument de télédétection qui permet de couvrir une région entière et supplémente les données recueillies par les stations météorologiques de surface. Selon les besoins, la fréquence de sondage peut varier. Ainsi, pour estimer la quantité de pluie tombée durant une période donnée, un sondage au 15 minutes peut être suffisant, mais pour suivre un orage violent, une fréquence de 5 minutes est nécessaire.

Dans ces deux applications, l’intérêt du radar météorologique conventionnel est de mesurer le taux de précipitations. Celle-ci est mesurée par la réflectivité (Z) qui va varier grandement entre la bruine et les pluies torrentielles ou la grêle. Pour compliquer les choses, des échos non météorologiques peuvent se mêler aux précipitations. Les avions, les oiseaux, les échos de sol et autres artefacts sont généralement reconnaissables pour un utilisateur expérimenté, car ils ont des caractéristiques particulières, mais contaminent les données. C’est pourquoi on utilise une échelle logarithmique pour Z qui peut débuter autour de 0 dBZ et aller à plus de 80 dBZ.

Cas A

La réflectivité retournée par un nuage qui ne contient pas de précipitations est généralement nulle. Seul les radars ayant une très courte longueur d’onde, bande L, peuvent obtenir un très faible retour.

Fall A Fall A

Cas B

De la pluie ou bruine faible donnera des échos faibles.

Fall B Fall B

Cas C

Dans le cas de pluie forte, parfois avec de la grêle, les retours seront très importants.

Fall C Fall C

Tableau 1: Comparaison graphique de l’intensité des échos radar selon la précipitation.

1. Réflectivité versus type de précipitations ou de cibles non météorologiques

Tous les objets dans l’atmosphère vont retourner une partie du faisceau radar. Certains sont très réflectif alors que d’autres le sont beaucoup moins. Dans le tableau 1, nous avons une comparaison des réflectivités (Z) notées par un radar météorologique selon le type de précipitations ou d’artefacts. Le tableau ne comporte pas d’unités car il est juste pour montrer la relation entre les différents retours d’un radar météorologique. Il est important de se rappeler que la longueur d’onde utilisée par un radar d’un autre type peut être absorbée par les précipitations fortes et que la progression dans ce tableau ne reflète pas ce qui est noté par ce type de radar.

Réflectivité Précipitations/
Artefacts
Maximum





Minimum

Échos de sol
Aéronefs
Grêle et/ou pluie forte
Pluie
Neige fondante
Neige
Bruine

Tableau 2: Comparaison de la réflectivité entre les divers types de précipitations

Il est facile d’expliquer cette progression avec l’équation radar modifiée pour le radar météorologique et la définition de la réflectivité, soit:

Z = |K|² Σ N(D) D6D est le diamètre des cibles, N(D) le nombre de cibles de diamètre D et K est la constante diélectrique de la cible.

Le diamètre des gouttelettes de bruine est beaucoup plus petit que celui de la pluie ou de la grêle. La constante diélectrique, qui détermine la propension à réfléchir de la cible, est beaucoup plus petite pour la neige que pour la pluie mais le diamètre des flocons est plus grand que celle des gouttes. Finalement, le sol et les aéronefs sont très réflectifs et ont de grandes dimensions.

2. Relation Z versus taux de précipitations

Pour les précipitations, la relation entre Z et D n’est valide que dans les limites de la loi sur la diffusion de Rayleight. Z (mm6/m-3) est proportionnel au taux de précipitations R (mm / hr) que si D est au moins 10 fois plus petit que la longueur d’onde utilisée par le radar. Dans ce cas, on trouve que: Z = aRb

Les facteurs a et b vont varier selon le type de nuages qui produit les précipitations et le type de précipitations elles même. Cette relation dépend de la distribution de gouttes de pluie ou de flocons de neige. Pour reconnaître le type de précipitations, les observations de surface dans la région environnantes ont toujours été essentielles et certaines signatures dans les réflectivités. Plus récemment, l’utilisation de la double polarisation du faisceau radar est employée pour obtenir l’information plus directement.

a) Distribution de gouttes

Dès la fin des années 1940, des recherches ont trouvé diverses distributions qui ont amené diverses valeurs de a et b. La figure 1 montre, deux distributions dans les latitudes moyennes. La première est obtenue avec des précipitations stratiformes (pluie étendue) et la seconde avec des orages/averses. Nous pouvons voir que le nombre de gouttes avec un diamètre D va être différent dans les deux cas.

Distribution Marshall-Palmer
stratiforme
convective

Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)

Distribution Marshall-Palmer
stratiforme
convective

Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)

Diamètre (cm) Taux de précipitations (mm/h)
0,251,252,512,5
%du contenu
0,0528,010,9 7,3 2,6
0,1050,137,127,311,5
0,1518,231,332,824,5
0,20 3,013,519,025,4
0,25 0,7 4,9 7,917,3
0,30 - 1,5 3,310,1
0,35 - 0,6 1,1 4,3

Tableau 3: de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)

Dans le tableau 3, on peut voir aussi la variation du pourcentage de gouttes d’un certain diamètre par mètre cube d’air lors de pluie ayant différentes intensités. Ces distributions peuvent varier avec la température et vont certainement varier avec le type de précipitations (bruine, pluie, neige).

b) Relations courantes
Pluie stratiformeZ = 200·R1,6
Pluie orographiqueZ = 31·R1,71
Nuages convectifsZ = 286·R1,37
NeigeZ = 2000·R2

Tableau 4: Relation Z-R pour diverses situations. Z est en dBZ = 10 log Z retour de la précipitation / Z(1 mm6/m3)

Il est théoriquement possible avec un appareil appelé disdromètre de trouver la distribution exacte de diamètre des gouttes lors d’événement particulier, Mais en général on utilise des valeurs moyennes que l’on ajustera grâce aux mesures de précipitations des stations météorologiques environnant le radar. Dans le tableau 2, on retrouve les valeurs de a et b classiques:

Pluie

Figure 3 : Légende de couleur sur un radar météorologique avec dBZ et mm/h

Pluie

Figure 3 : Légende de couleur sur un radar météorologique avec dBZ et mm/h

En général dans les latitudes moyennes la relation Z = 200·R1,6 est utilisée dans la pluie et Z = 2000·R2 dans la neige. Il s’agit de la relation de Marshal-Palmer.

c) Échelle R versus intensités des précipitations

Les valeurs obtenues par la relation Z-R permettent déterminer l’intensité de la pluie (selon le FAA américain) :

3. Divers

Certains radars de très courte longueur d’onde, comme ceux de bande K et Ku, peuvent détecter des retours de gouttes de nuages ou de brouillard, de l’ordre du micron. Ces gouttes sont trop petites pour la longueur d’onde utilisées par les radars météorologiques conventionnels, soit les bandes X, C ou S.

La turbulence en air clair est détectable par la diffusion de Bragg. En effet, l’air a un indice de réfraction qui varie dans l’espace et une onde radar va être réfléchie par les zones où le changement est important, Cela permet de détecter des artefacts comme les fronts de rafales qui sortent des orages, les brises de mer ou la turbulence. Les radars à très courte longueur d’onde sont préférables (bande K et Ku) pour cette détection mais un sondage lent sur 360 degré autour du radar avec les bandes S, C ou X permet également de les voir, s’il n’y a pas de précipitations.