Radar de précipitations
Figure 1 : Radar de précipitations du Deutscher Wetterdienst (Service météorologique allemand) à Essen-Bredeney
(51°24’20,5" N 6°58’01,6"E).
Figure 1 : Radar de précipitations du Deutscher Wetterdienst (Service météorologique allemand) à Essen-Bredeney.
(51°24’20,5" N 6°58’01,6" W)
Comment fonctionne le radar des précipitations ?
Radar de précipitations
Un radar de précipitations est un radar météorologique fonctionnant dans la bande S ou la bande C (rarement dans la bande X trop atténuée) avec une antenne parabolique isotrope à rotation axiale en azimut et à multiples élévations. Contrairement à ce que certains pensent, les nuages ne sont pas visibles aux longueurs d’onde utilisées.
Ce type de radar mesure :
- la réflectivité des cibles qui est proportionnelle au taux de précipitations. Le radar est donc utilisé pour localiser les zones de précipitations et pour mesurer quantitativement les précipitations. On peut obtenir ainsi les quantités de pluie tombées en intégrant dans le temps le taux variable de précipitations passant en un endroit de la surface. On peut aussi connaître la quantité de pluie dans le nuage en intégrant le taux verticalement au-dessus du même point ;
- Une analyse Doppler par paires d’impulsion permet d’obtenir la distribution de la vitesse radiale du déplacement des gouttelettes par rapport au radar. Ceci permet d’en tirer la vitesse radiale du vent en prenant pour acquis que les premières sont assez légères pour se déplacer approximativement avec le second. En faisant une analyse de ces vitesses sur 360 degrés, il est possible d’en tirer la vitesse du vent horizontal (analyse VAD) ;
- Dans les radars les plus modernes, le faisceau est divisé en polarisation horizontale (H) et verticale (V). Les échos revenant des précipitations sont analysés pour en extraire la différence de réflectivité entre V et H, la cohérence du signal V/H d’une impulsion à l’autre et le différentiel de phase selon la distance des retours de V et H. Ceci permet d’obtenir le type de précipitations et une meilleure estimation du taux d’accumulation indépendamment de l’atténuation.
parabolique
polarisation
d’alimentation
Figure 2 : Représentation schématique d’un radar météorologique sous un radôme.
Figure 2 : Représentation schématique d’un radar météorologique sous un radôme.
Les radars de précipitations sont toujours des radars 3D. L’angle d’élévation de l’antenne étant changé après chaque rotation du faisceau mince et l’opération étant répétée sur un certain nombre d’angles, il en résulte un balayage du volume entourant le radar. Le balayage total prend de 5 à 15 minutes selon le nombre d’angles et la précision désirée. Il s’agit d’un de renouvellement des données moindre que celui d’un radar de contrôle du trafic aérien mais avec une meilleure résolution. Comme on utilise des angles d’élévation distincts, il existe des trous de couverture entre les angles. Il n’y a pas non plus de données sous l’angle le plus bas et au-dessus de l’angle le plus élevé donnant un volume tronqué (figure 5). Le nombre et le choix des angles est donc critiques pour maximiser l’information.
Spécifications techniques
Le radar de précipitations est en général un radar à impulsions courtes à largeur de bande étroite avec un relativement long temps d’écoute entre celles-ci. L’émetteur est dans la majorité des cas un tube à vide de haute puissance (magnétron ou klystron). Cependant, les amplificateurs de puissance à semi-conducteurs sont parfois utilisés mais leurs impulsions sont de puissance inférieure en raison de la rigidité diélectrique limitée des semi-conducteurs. Il en résulte qu’on doit utiliser la compression de plusieurs impulsions modulée en intra-impulsions à large bande ce qui diminue la précision en raison de leurs lobes secondaires temporels. De plus, la sensibilité du récepteur est limitée car un récepteur large bande capte plus de bruit.
Figure 3 : En raison de l’élargissement du faisceau avec la distance, la cellule de résolution est plus grande à plus longue portée, donc le radar avec la plus petite distance est plus précis.
Figure 3 : En raison de l’élargissement du faisceau avec la distance, la cellule de résolution est plus grande à plus longue portée, donc le radar avec la plus petite distance est plus précis.
Pour obtenir la gamme dynamique d’un récepteur linéaire allant jusqu’à 105 dB, plusieurs récepteurs avec différentes sensibilités fonctionnent en parallèle. Le logiciel sélectionne alors le signal avec le meilleur rapport signal sur bruit qui n’est pas encore saturé.
Longueur d’onde
Pour couvrir un vaste territoire, il faut un réseau de radars dont le nombre va varier selon la portée utile de chacun des radars alors que la précision diminue avec la portée (voir la cellule de résolution de la figure 3). Le choix de la longueur d’onde utilisée dépend aussi du coût des radars, de la couverture recherchée et du type de précipitations dominantes.
Les radars de bande S sont relativement coûteux mais utilisent une longueur d’onde peu ou pas atténuée, même par les précipitations très fortes et la grêle, ce qui est idéal pour les régions qui sont surtout affectées par les systèmes orageux intenses comme les cyclones tropicaux et les orages tornadiques. La puissance de ces radars est de l’ordre du mégawatt.
Les radars de bande C sont moins coûteux mais utilisent une longueur d’onde atténuée par les pluies fortes. Cela est acceptable pour les latitudes moyennes et nordiques où les précipitations sont surtout de la pluie et de la neige faible à modérée. Par contre, dans les orages estivaux, ils performent moins bien. La puissance de leurs impulsions est en général 250 kW.
Les États-Unis, le Japon et la plupart des pays équatoriaux utilisent des radars de bande S. En Europe, en Australie et au Canada, le climat tempéré permet un mélange de radars en bande C et S. En effet, les pays les plus au nord ayant rarement d’orages, ils favorisent la bande C, alors que ceux du sud sont de plus en plus couverts par des radars de bande S. Par exemple, la France et le Canada ont un tel mélange.
Figure 4 : Couverture du réseau de radars météorologiques allemand. (Source: Deutscher Wetterdienst)
Densité des réseaux
En plus de la diminution de la résolution avec la distance, le faisceau s’élève graduellement au-dessus du sol en s’éloignant du radar à cause de la courbure de la Terre et du changement d’indice de réfraction de l’air en altitude. La portée optimale opérationnelle de 150 km est nécessaire pour estimer les accumulations de précipitations alors que le faisceau le plus bas ne dépasse pas 1 à 1,5 km au-dessus du sol. Une portée jusqu’à 250 km permet de suivre les précipitations à grande échelle ou orageuses sans dépasser la plupart des sommets.
Par exemple, le Deutsche Wetterdienst (service météorologique allemand) gère un réseau de 17 radars en Allemagne (figure 4). Ils sont répartis de manière à couvrir tout le territoire de la République fédérale d’Allemagne et se chevauchent en partie de sorte que si un radar tombe en panne, les données des appareils voisins peuvent être utilisées. L’un de ces radars est transportable, de sorte qu’en cas de temps d’arrêt planifié de longue durée, ce radar peut être déplacé vers ce site.
Dans le cas des pays pauvres du sud, la densité des radars sera moindre à cause de leur coût. Ceux-ci misent donc sur la probabilité de détection à grande distance, allant jusqu’à 800 km, des radars de bande S qui émettent des impulsions plus énergétiques. Cependant, au-delà de 250 km le faisceau ne peut détecter que la partie élevé des précipitations et n’est utile que pour repérer les cellules orageuses les plus importantes (à plus de 15 km d’altitude à 800 km de distance du radar). La couverture lâche de ces réseaux comporte donc des trous et ils sont le plus souvent utilisés pour couvrir seulement les zones densément peuplées.
Figure 5 : Stratégie de balayage pour un radar de précipitations.
(L’échelle des hauteurs est de 1 pour 5)
Figure 5 : Stratégie de balayage pour un radar de précipitations.
(L’échelle des hauteurs est de 1 pour 5)
Angles d’élévations et stratégie de sondage
Les radars à précipitations modernes ont une vitesse de rotation et une fréquence de répétition des impulsions (FRI) très dynamiques. Étant donné que les phénomènes météorologiques se déroulent dans la tropopause, la plage d’altitude est le plus souvent limitée à environ 18 km. C’est pour cette raison que les angles d’élévation et la fréquence de répétition des impulsions sont choisis pour couvrir la portée optimale tant en distance qu’en altitude. Ainsi, le FRI pourra être plus rapide et l’antenne pourra tourner plus rapidement dans les grands angles que dans les balayages à basse altitude.
Une stratégie de sondage utilisée en Allemagne est illustrée à la figure 5. Elle est divisé trois groupes d’angles : l’horizon, les angles de 5,5° en descendant et les angles supérieurs.
- Le cycle commence par le balayage azimutal de l’angle le plus bas pour obtenir des données à longue distance avec une fréquence de répétition des impulsions de 600 Hz et l’antenne tourne à une vitesse de 12° par seconde ;
- Ensuite, le balayage des angles inférieurs commence à 5,5° et diminue d’un degré après chaque rotation. Ces balayages utilisent une fréquence de répétition des impulsions de 600 ou 800 Hz. La vitesse de rotation de l’antenne augmente légèrement à 18° par seconde, seul le diagramme le plus bas utilise à nouveau les 12° par seconde pour la suppression des interférences des échos fixes ;
- Lors de la huitième rotation, le balayage supérieur commence avec l’angle d’élévation de 8° et une fréquence de répétition des impulsions de 800 ou 1 200 Hz. Les angles d’élévation de 12°, 17° et 25° utilisent 2 410 Hz à une vitesse de rotation de 30° par seconde ;
- Enfin, un scan est effectué verticalement pour étalonnage interne. L’antenne s’aligne au nord et attend le début du cycle suivant.
Tous les radars du service météo allemand démarrent simultanément. Par conséquent, la rotation des antennes est approximativement synchronisée et empêche ainsi les antennes d’interférer entre elles. Cette synchronisation permet d’obtenir des produits radar composites, soit une image couvrant tout le pays en même temps à partir des données de plusieurs radars.
La plupart des pays utilisent des variantes de ce type de sondage. Certains, comme les radars du réseau NEXRAD des États-Unis, varient le nombre d’angles selon la situation météorologique. Pour vaincre le dilemme Doppler, qui oppose la portée maximale non ambigüe des données en réflectivité à celle des vitesses non-ambigües Doppler, une double ou triple fréquences de répétitions des impulsions est souvent utilisé sur les angles bas.