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Types d’images du radar météorologique

Figure 1 : Produit radar « Sommets des échos » du DWD : la hauteur maximale où la réflectivité une valeur seuil donnée (ici 18 dBZ). Les couleurs correspondent à la hauteur en kilomètres où de ces hauteurs en chaque point,
(© 2020 Service météorologique allemand )

Figure 1 : Produit radar « Sommets des échos » du DWD : la hauteur maximale où la réflectivité une valeur seuil donnée (ici 18 dBZ). Les couleurs correspondent à la hauteur en kilomètres où de ces hauteurs en chaque point,
(© 2020 Service météorologique allemand )

Types d’images du radar météorologique

À partir des données mesurées par les radars météorologiques, différentes images pour des radars individuels et des composites pour un ensemble de radars sont générées. Ces images peuvent aussi être divisées en images de données brutes et de données dérivées.

Les images de données brutes sont simplement l’affichage des données recueillies lors du sondage radar sans traitement autre qu’une légende de couleurs des valeurs. Les images dérivées sont une combinaison mathématique de plusieurs informations reliées pour donner un produit interprétatif. Les composites sont des données de plusieurs radars pour donner une couverture d’une région plus large comme les images radar présentées à la télévision.

Produits radar bruts

Les données radar brutes (ou de base) sont la réflectivité, les vitesses radiales et les paramètres de polarisation de base (ZDR, coefficient de corrélation, ΦDP). Selon la méthode de balayage utilisée, les données sont affichées soit en PPI (avec antenne tournant en azimut), soit en RHI (avec antenne faisant un balayage en élévation dans une seule direction). Chaque balayage d’angle ou d’azimut peuvent être ainsi affiché individuellement.

Figure 2 : Affichage RHI (Range-Height-Indicator))

Figure 2 : Affichage RHI (Range-Height-Indicator)

Les données peuvent être affichées avec une échelle de niveaux d'intensité représentés par une gamme de couleurs, une résolution différente selon la distance ou l’angle, différentes plages maximales, différentes données brutes (selon la stratégie de sondage) ainsi que différents algorithmes de compression.

PPI

Avec un PPI, les cibles météorologiques sont représentées dans un plan polaire (semblable à une carte) avec le site radar au centre. La position des échos est déterminée par la direction et la distance. Une échelle de couleurs est utilisée pour afficher l'intensité des échos. Chaque rotation étant effectuée avec un angle d'élévation différent, le PPI ne présente donc que les données sur un seul balayage de cette élévation lors d'une rotation d'antenne.

Les couleurs de la représentation correspondent à la puissance réfléchie reçue par l'antenne radar à partir d'un emplacement spécifique. Cependant, un seul PPI ne peut pas donner une image complète de la structure verticale d'une zone de précipitations. Il ne montre qu'une coupe conique où les cibles sont de plus en plus élevées du sol avec la distance.

RHI

Dans un RHI (voir figure 2), un seul angle latéral est affiché. L'antenne radar pivote de haut en bas dans un azimut défini avec une très grande résolution. Un RHI permet d'étudier l'extension verticale et la distribution des échos (par exemple, pour déterminer la hauteur de la base des précipitations ainsi que leurs sommets dans un orage) mais se limitant seulement à l’azimut choisi. Le RHI classique est donc un produit dédié à la recherche qui commence toujours à l'emplacement du radar et se termine au bord de la plage de détection du radar selon l’angle d’élévation.

Figure 3 : Combinaison de différents angles d’élévation pour former le CAPPI (Constant Altitude PPI)

Figure 3 : Combinaison de différents angles d’élévation pour former le CAPPI (Constant Altitude PPI)

Données dérivées

Les données dérivées sont une combinaison de données provenant de plusieurs rotations d'antenne du radar météorologique.

Figure 4 : Produit radar CAPPI du DWD à une altitude de 3 000 m (10 000 pieds),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Figure 4 : Produit radar CAPPI du DWD à une altitude de 3 000 m (10 000 pieds),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Coupe verticale

Une coupe verticale des données radar (réflectivité, vitesse radiale, données polarimétriques) est similaire à un RHI mais ne provient pas du balayage d’un angle unique azimutal. En fait, c’est une coupe des données en trois dimensions recueillies sur 360 degrés et plusieurs angles d’élévation dans une direction donnée. Comme les données dans le volume radar ne proviennent pas d’une multitude d’angle, contrairement au RHI, mais d’un nombre limité d’angle, sa résolution est plus grossière et varie selon ce nombre.

Avec une « coupe verticale arbitraire », l'utilisateur peut déterminer les points géographiques du début et la fin de la coupe. Ainsi, l’affichage montrera les données d’une zone météorologique d’intérêt sans avoir le radar comme point de départ.

Réflectivité composite ou MAX-R

Le nom de réflectivité composite est utilisé aux États-Unis et certains autres pays alors que MAX-R est canadien. Dans une réflectivité composite, toutes les données du balayage de volume sont superposées. Chaque point de l'image radar fait ressortir ainsi la valeur maximale (en dBZ) de la réflectivité dans la colonne d'air au-dessus de ce point.

Ce produit est cependant influencé par tout artéfact dans les données. Par exemple, la présence d’une bande brillante, rehaussement de réflectivité dans la couche de fonte de la neige en altitude, créera une zone plus intense dans l’image sans que le taux de précipitations soit réellement plus intense.

Hauteur de MAX-R ou Max-CAPPI

Le produit précédent peut être accompagné d’un affichage secondaire qui donne l’altitude de ce maximum calculé à chaque point de l’image. Cette carte a une signification particulière pour les conseils de vol météorologique aux pilotes afin de repérer la hauteur au-dessus du sol où se trouve le cœur de précipitations dans les orages, souvent reliés à la grêle, mais aussi pouvant donner la hauteur du niveau de congélation en cas de bande brillante.

Coupes
verticales
Coupe N-S
Cappi
Coupe E-O
Ligne de coupe N-S
Ligne de coupe E-O

Figure 5: Structure d'un affichage Vol-CAPPI

Coupes
verticales
Coupe N-S
CAPPI
Coupe E-O
Ligne de coupe N-S
Ligne de coupe E-O

Figure 5: Structure d'un affichage Vol-CAPPI

Sommet des échos

La carte sommets des échos est générée en repérant dans les données la hauteur maximale des échos qui dépasse un certain seuil (généralement 7dBZ) à chaque point de l’affichage. On obtient ainsi une carte de la hauteur d’où commencent les précipitations au-dessus du sol, ce qui est légèrement au-dessous du sommet des nuages, une donnée importante pour l’aviation.

CAPPI

Un CAPPI (Constant Altitude PPI) est une représentation horizontale et bidimensionnelle des variables radar à une certaine hauteur. Un CAPPI est donc une coupe horizontale interpolée à partir de plusieurs mesures de PPI à différentes altitudes du volume sondé (figure 3). L’affichage sera similaire à un PPI.

Cependant, selon la distance au radar, il est possible qu’il n’y ait pas de données au niveau de la coupe (ex. figure 3 au-delà de 140 km). Les données au-delà de cette distance sont extrapolées de l’angle minimum sondé par le radar (angle le plus bas) qui est alors au-dessus du niveau de coupe. On parle alors de la section pseudo-CAPPI (pCAPPI).

Vol-CAPPI

Une autre option d'affichage est appelée Indicateur de position du plan d'altitude à volume constant (Volume-CAPPI) qui combine au centre une représentation CAPPI des données à une altitude donnée avec des coupes verticales du nord au sud et d’ouest en est (affichées à droite et en haut) obtenue à l'aide d'un curseur en forme de croix au point d’intérêt. Les coupes peuvent être générées automatiquement selon des critères définis (ex. la réflectivité la plus forte dans le CAPPI) ou interactivement par l’utilisateur.

Masse liquide verticalement intégré (VIL)

La masse liquide verticalement intégré (VIL) dans les nuages est un algorithme radar qui estime la masse totale d'eau liquide contenue dans un nuage par mètre carré au-dessus d’un point. Elle est calculée en faisant la somme des réflectivités dans la colonne de précipitations allant de l'angle le plus bas sondé, jusqu'au sommet du nuage. Cet algorithme est utilisé pour déterminer les cœurs de précipitations intenses dans une masse de précipitations qui sont associés avec le potentiel de dommages par les vents, la grêle et la pluie torrentielle dans les orages.

La VIL étant calculée sur la base de la réflectivité mesurée par le radar, tout artéfact qui influence la réflectivité a un effet sur le VIL. Ainsi la présence de grêle augmente fortement la valeur de VIL par rapport à de la pluie environnante.

Accumulations

À partir des réflectivités, il est possible de faire une intégration temporelle des taux de précipitations instantanée sur une période déterminée. Par exemple, si on a un CAPPI produit à chaque 5 minute, on peut déterminer le déplacement des précipitations d’une image à l’autre et calculer comment de pluie il est tombé en chaque point de la couverture radar durant ce 5 minutes. En refaisant ce calcul à chaque 5 minute, on peut trouver la quantité de pluie tombée à chaque point de l’affichage durant une heure, 6 heures, etc…

Ce produit est appelé « accumulations de précipitations » ou parfois « lame d’eau ». Il est donné en millimètres d’épaisseurs ou en litres d’eau par mètre carré.

Produits de double polarisation dérivés

En plus des produits de base de double polarisation, Il existe des produits dérivés qui sont une combinaison de ceux de bases comme le différentiel de phase spécifique (KDP), qui donne les accumulations de précipitations malgré l’atténuation du faisceau radar, et les algorithmes de types de précipitations (voir l’article du NWS)

Composites versus radar individuels

Les images précédentes peuvent toutes être produites pour un seul radar. La combinaison des images radar de différents radars en une image composite ouvre d'autres possibilités d'analyse et de prévision météorologiques. Tous les types de données brutes ou dérivées peuvent être mis sous forme de composites mais le plus connu est la carte de précipitations. Ces images donne une vue d'ensemble à grande échelle mais leur inconvénient est la moindre précision par rapport aux produits individuels.

Ainsi, la superposition des réflectivités de tous les sites radar d’une région ou d’un pays (ex. Allemagne) forme une évaluation standard bidimensionnelle de la distribution de réflectivité radar avec une résolution de 1 km × 1 km. Seuls les PPI ou les CAPPI des différents radars météorologiques sont utilisé avec une mise à jour à chaque fois qu’un cycle de sondage est terminé, typiquement de 5 à 10 minutes. Ces images ou leur séquence en animation sont publiées dans les médias.

Les cartes de MAX-R, VIL, sommets de échos, accumulations, etc… peuvent aussi être mise en composites. Ces derniers sont utilisés par les météorologues et autres utilisateurs spécialisés pour suivre les orages ou d’autres phénomènes.

Boucles radar

Les images d’un radar particulier ou d’un composite de radars peuvent être mises en boucle et montrer l’évolution temporelles des précipitations (intensités, formation, diminution, etc…) La boucle la plus connue est celle des réflectivités dans les bulletins météo.

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