Réflectivité
Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)
Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)
Réflectivité
La réflectivité (Z) est la puissance retourné à un radar météorologique quand le faisceau rencontre des hydrométéores (pluie, neige, etc.). Il est défini par la surface équivalente radar σ par mètre cube pour de petites sphères ayant une permittivité, ou constante diélectrique, non nulle. Cette valeur varie comme la 6e puissance du diamètre d’une sphère de diamètre D. Comme chaque goutte ou flocons a un diamètre différent, la réflectivité est donc la somme de la réflectivité individuelle de toutes les gouttes ou flocons, ce qui donne :
La variation de diamètre et la constante diélectrique entre les différents types de précipitations (pluie, neige, bruine, grêle, etc.) est très grande et la réflectivité équivalente est donc exprimée en dBZ (10 fois le logarithme du rapport ou décibel Z).
Transformation en taux de précipitations
Comme ce qu’on obtient au sol est une quantité de précipitations, on veut trouver la relation entre la réflectivité et ce qu’on mesure. Le taux de précipitation (R) est égal au nombre de particules dans le volume sondé et leur vitesse de chute (v [D]). Le volume de chaque goutte étant proportionnel à D3:
Relation Z-R
On se rend compte que les deux équations ont essentiellement la même forme et qu’après quelques manipulations on obtient la relation suivante :
L’étude de la relation entre les réflectivités notées par radar et les observations aux stations météorologiques ont permis de trouver les valeurs de « a » et « b » pour différents types de précipitations. En 1948, les chercheurs Marshall et Palmer sont les premiers à avoir fait de telles études alors qu’ils étaient à l’Université McGill de Montréal, Canada. La relation qu’ils ont trouvé s’applique pour de la pluie continue dans les latitudes moyennes. D’autres ont trouvé des relations pour la neige, les orages, la pluie tropicale, etc. Cependant, ces relations sont tirées de moyennes temporelles et la relation à un instant donné peut en varier grandement.
En général, les valeurs utilisées dans la relation Z-R sont :
- Pluie continue : en été a = 300 et b = 1,5 ; en hiver a = 200 et b = 1,6 ;
- Neige : a = 1800 et b = 2,2 ;
- Orage : a = 55 et b = 1,6.
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. |
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Cas B |
De la pluie ou bruine faible donnera des échos faibles. |
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Cas C |
Dans le cas de pluie forte, parfois avec de la grêle, les retours seront très importants. |
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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 |
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) D⁶ où D 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.
Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)
Figure 1 : Distribution de gouttes: Nombre par mètre cube versus leur diamètre (D)
| Diamètre (cm) | Taux de précipitations (mm/h) | |||
| 0,25 | 1,25 | 2,5 | 12,5 | |
| %du contenu | ||||
| 0,05 | 28,0 | 10,9 | 7,3 | 2,6 |
| 0,10 | 50,1 | 37,1 | 27,3 | 11,5 |
| 0,15 | 18,2 | 31,3 | 32,8 | 24,5 |
| 0,20 | 3,0 | 13,5 | 19,0 | 25,4 |
| 0,25 | 0,7 | 4,9 | 7,9 | 17,3 |
| 0,30 | - | 1,5 | 3,3 | 10,1 |
| 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 stratiforme | Z = 200·R1,6 |
| Pluie orographique | Z = 31·R1,71 |
| Nuages convectifs | Z = 286·R1,37 |
| Neige | Z = 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:
Figure 3 : Légende de couleur sur un radar météorologique avec dBZ et mm/h
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) :
- Légère, moins de 2 mm/hr (pluie) et moins de 1 cm/hr (neige) ;
- Modérée, de 2 à 7 mm/h ;
- Forte, plus de 7 mm/h ;
- Très forte, plus de 16 mm/h ;
- Intense, plus de 32 mm/h ;
- Extrême, plus de 64 mm/h.
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.