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OBSERVATION LA MESURE AUTOMATIQUE DU VENT EN ALTITUDE

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OBSERVATION LA MESURE AUTOMATIQUE DU VENT EN ALTITUDE
6
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
OBSERVATION
LA MESURE AUTOMATIQUE
DU VENT EN ALTITUDE
Le profileur de vent en phase préopérationnelle
11
2
Vladislav Klaus , Jacki Pilon' », Guy Chérel'>
et Jean-Marie Donier »
1
(1) Météo-France,
CNRM
42 avenue Gustave-Coriolis,
(2) Météo-France,
SETIM,
r
31057 Toulouse
Trappes
Cedex
r
RESUME
À l'heure où Météo-France s'apprête à mettre en œuvre le premier
d'une série de profileurs de vent opérationnels, destinés à remplacer à terme
le radiosondage du vent par ballon, cet article se propose de répondre aux
questions que l'on peut se poser sur cette nouvelle technologie. La première
partie décrit cet instrument en mettant l'accent sur les améliorations
récentes, notamment par rapport aux radars strato-troposphériques de
recherche INSU-Météo, et en le situant par rapport aux développements
actuels dans le monde. On aborde ensuite le principe de la mesure, le fonctionnement du profileur et la manière dont est traité le signal pour fournir
en temps réel le profil de vent moyenne. Les algorithmes mis en œuvre à cet
effet ont été testés lors des expériences de validation réalisées sur le radar
INSU-Météo au CNRM à Toulouse, durant le printemps et l'été 1993. Les
résultats, présentés dans la dernière partie, laissent espérer une mise en
exploitation satisfaisante du profileur opérationnel dès la fin 1994.
ABSTRACT
In 1994, Météo-France will implement the first operational wind profiler which should replace in due course the balloon radio soundings of
wind. This paper tries to answer to the basic questions relative to this new
technology. The first part describes this instrument by emphasizing the
improvements made relatively to INSU-Météo strato-tropospheric (ST)
radars in the frame of current developments. Then this paper explains the
method to measure wind data in the atmosphere through mere télédétection
and to design the appropriate instrument for providing in real time the integrated wind profile. The algorithms implemented to this end have been
checked during validation experiments realized with the INSU-Météo ST
radar at CNRM in Toulouse, during Spring and Summer 1993. Results
given in the last part should lead to an operational exploitation of the profiler before the end of 1994.
L ' a n n é e 1994 représente un tournant important dans l'histoire de la m é t é o rologie opérationnelle en France. Elle donnera en effet lieu à la réalisation industrielle du premier profileur capable de mesurer le vent en altitude sans l'aide d ' u n
ballon. Ce nouvel instrument, basé sur la technique déjà ancienne des radars strato-troposphériques (ST), permet de mesurer, par tous t e m p s et de m a n i è r e entièrement automatique, les profils de vent sur la verticale avec une résolution t e m p o relle p o u v a n t d e s c e n d r e j u s q u ' a u quart d ' h e u r e . D a n s cet article, on tentera de
répondre aux questions que suscite cet instrument : Quel est l'état d ' a v a n c e m e n t
de cette technique ? Q u e m e s u r e p h y s i q u e m e n t ce radar ? C o m m e n t est-il conçu ?
Quelles sont ses performances et ses limites ? Quels résultats a-t-il déjà fournis ?
Sur quelles bases le profileur opérationnel a-t-il été défini ?
7
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
LA SITUATION
ACTUELLE
DES PROFILEURS
DE VENT
L e s r a d a r s m é s o - s t r a t o - t r o p o s p h é r i q u e s de r e c h e r c h e f o n c t i o n n e n t déjà
depuis le milieu des a n n é e s soixante-dix. L ' i d é e d ' e x p l o i t e r les échos a t m o s p h é riques en V H F et U H F a conduit au d é v e l o p p e m e n t de par le m o n d e d ' u n e cinq u a n t a i n e de radars, qui ont contribué à une meilleure c o n n a i s s a n c e des p h é n o m è n e s d y n a m i q u e s de m é s o - é c h e l l e , et n o t a m m e n t à l ' o b s e r v a t i o n des o n d e s de
gravité (Balsley et G a g e , 1982 ; K l a u s , 1988). En F r a n c e , une coopération entre
M é t é o - F r a n c e et p l u s i e u r s a u t r e s l a b o r a t o i r e s de la c o m m u n a u t é s c i e n t i f i q u e
( C R P E , I N S U ' et L S E E T ) a p e r m i s de mettre en œ u v r e dès 1985 un réseau de
recherche de quatre radars S T (Petitdidier et al., 1986) qui ont participé à plusieurs c a m p a g n e s internationales c o m m e Fronts 8 7 et Pyrex 9 0 . L e CNRM '" a
pris la charge de l'un des quatre radars transportables de ce réseau de r e c h e r c h e .
Il s'agit d ' u n s y s t è m e à 4 5 M H z , installé h a b i t u e l l e m e n t sur le site de M é t é o France à Toulouse.
(1)
2
(1)
1
BANDES DE FRÉQUENCE DES RADARS
Fréquence
3 0 - 3 0 0 MHz
3 0 0 - 1 0 0 0 MHz
Longueur d'onde
Bande
Usage météorologique
- 1m
VHF
Radar ST
100
- 3 0 cm
UHF
Radar ST
10
1-2 GHz
30
- 15 cm
L
2-4 GHz
15
- 7,5 cm
S
R a d a r précip.
4-8 GHz
7,5
- 3,7 cm
C
R a d a r précip.
8-12,5 GHz
3,7
- 2,4 cm
X
R a d a r précip.
12,5-18 GHz
2,4
- 1,7 cm
K
18-26,5 GHz
1,7
- 1,1cm
K
26,5-40 GHz
11
4 0 - 3 0 0 GHz
7,5
u
Radar recherche
- 7,5 mm
K
- 1 mm
mm
a
Radar recherche
Radar recherche
C e s instruments sont l o n g t e m p s restés des outils de recherche. Pendant les
c a m p a g n e s de m e s u r e s , on n'enregistrait que les d o n n é e s spectrales. C o m m e les
p r o g r a m m e s n'étaient pas encore assez fiables pour permettre un calcul a u t o m a tique du vecteur vent, le d é p o u i l l e m e n t en t e m p s différé exigeait de longs m o i s de travail faisant souvent appel au contrôle
visuel. M a i s au début des a n n é e s quatre-vingt-dix, u n e n o u v e l le é t a p e a été f r a n c h i e a v e c l ' a u t o m a t i s a t i o n c o m p l è t e d e s
m e s u r e s , grâce à l ' e x p é r i e n c e acquise dans le d o m a i n e de la
p h y s i q u e de la m e s u r e (Crochet, 1990) et aux progrès importants de l'informatique. Cette étape a naturellement ouvert la
voie au profileur destiné au réseau opérationnel (Pilon, 1989).
A u j o u r d ' h u i , plusieurs de ces instruments sont capables
de fournir a u t o m a t i q u e m e n t et en t e m p s réel les profils de vent
m o y e n n e s sur u n e p é r i o d e d ' u n e h e u r e . C i t o n s le « W i n d
Profiler D é m o n s t r a t i o n N e t w o r k » de la N O A A qui c o m p r e n d
31 profileurs U H F ( 4 0 4 M H z ) d é p l o y é s au centre des ÉtatsUnis (Chadwick, 1988). À Christmas Island dans l'océan
Pacifique, un radar V H F est en service depuis 1992, et les donn é e s sont à p r é s e n t a s s i m i l é e s p a r les m o d è l e s de p r é v i s i o n ,
après un contrôle s y s t é m a t i q u e d ' u n e année au C E P M M T " ' et
au N M C , centre a m é r i c a i n de m é t é o r o l o g i e ( G a g e et al., 1988). A u p a y s de
Galles, le radar d ' A b e r y s t w y t h (figure 1) transmet depuis un an ses d o n n é e s au
Meteorological Office, en v u e de c o m p a r a i s o n s s y s t é m a t i q u e s avec les m o d è l e s
et les r a d i o s o n d a g e s et à des fins d ' e x p l o i t a t i o n scientifique (Slater et al., 1991).
( 5 )
1
Fig. 1 - Vue générale du profileur
de vent dAberystwyth équipé d'un réseau
d'antennes de type Yagi
(7)
(1) Centre de recherches en physique de l'environnement ; (2) Institut national des sciences de
l'univers ; (3) Laboratoire de sondage électromagnétique de l'environnement terrestre ; (4) Centre
n a t i o n a l de r e c h e r c h e s m é t é o r o l o g i q u e s ; (5) N a t i o n a l O c é a n o g r a p h i e and A t m o s p h e r i c
Administration (USA) ; (6) Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme ;
(7) National Meteorological Center (USA).
8
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
A u C N R M , les d é v e l o p p e m e n t s i n f o r m a t i q u e s ont a b o u t i au d é b u t de
1993 à deux e x p é r i e n c e s de validation en t e m p s réel du radar 45 M H z I N S U M é t é o avec le s y s t è m e A r p è g e . C e s e x p é r i e n c e s font suite aux p r e m i e r s essais
réalisés à T r a p p e s en 1990 ( D o n i e r et al., 1991). T o u t e s les six h e u r e s , le profil
de vent, m e s u r é et restitué de m a n i è r e entièrement a u t o m a t i q u e , était e n v o y é au
SCEM
et c o m p a r é s y s t é m a t i q u e m e n t a v e c l ' a n a l y s e du m o d è l e . C e s e x p é r i e n c e s ont c o n s t i t u é la p r e m i è r e é t a p e d ' u n d é v e l o p p e m e n t qui p e r m e t entre
autres de doter, dès son installation, le futur profileur o p é r a t i o n n e l de M é t é o France d ' u n e chaîne de traitement ayant été testée sur le terrain.
( 1 )
A u niveau e u r o p é e n , outre la F r a n c e et le R o y a u m e - U n i , l ' A l l e m a g n e a à
son actif des d é v e l o p p e m e n t s déjà a n c i e n s sur ce type d ' é q u i p e m e n t a v e c le radar
Sousy ( C z e c h o w s k y et a l . , 1976). D ' a u t r e s p a y s sont intéressés par ces possibilités instrumentales. Il est d o n c logique dans ce contexte que des actions C O S P
aient été entreprises p o u r c o o r d o n n e r à l ' é c h e l l e e u r o p é e n n e les activités liées
aux profileurs de vent. La dernière en date, Cost 76, a pour objectif principal le
d é v e l o p p e m e n t de s y s t è m e s de radars p o u r le s o n d a g e du vent et de s o n d e u r s verticaux devant s'intégrer à terme dans les s y s t è m e s e u r o p é e n s d ' o b s e r v a t i o n . Elle
inclut é g a l e m e n t des s y s t è m e s de télédétection de la température, de l ' h u m i d i t é ,
etc. D a n s ce cadre, la France, a v e c le réseau de radars V H F de r e c h e r c h e (le seul
réseau m o b i l e de ce type dans le m o n d e ) , le projet de profileur opérationnel et les
diverses activités de d é v e l o p p e m e n t qui leur sont associées, apporte une contribution de premier plan.
2 1
LE PROFILEUR
DE VENT DU RÉSEAU
OPÉRATIONNEL
Les travaux effectués à M é t é o - F r a n c e sur les radars S T ont p e r m i s de cerner les possibilités et les limites de ces é q u i p e m e n t s , aussi bien au plan de la télédétection active depuis le sol q u ' a u plan t e c h n i q u e . Ainsi, à côté des objectifs liés
plus particulièrement à des activités de r e c h e r c h e sur l ' a t m o s p h è r e , et dont les
points c u l m i n a n t s ont été de grandes c a m p a g n e s coopératives c o m m e Fronts 87
et P y r e x 90, M é t é o - F r a n c e a s o u h a i t é faire bénéficier son réseau o p é r a t i o n n e l
d ' o b s e r v a t i o n de l ' e x p é r i e n c e acquise sur ces s y s t è m e s .
Antennes
Types
Yagi à 4 éléments
Hauteur
4,5 m
Répartition
156 antennes groupées en 5 sous-réseaux
Surface totale
4 000 m
2
Nombre de directions
5 faisceaux : vertical, obliques (N, E, S, W)
Technique utilisée
«Doppler Beam Swinging»
Angle des tirs obliques
11°
Largeur du lobe d'antenne
6°
Contraintes du diagramme
de rayonnement
-32 dB à moins de 20° au-dessus de l'horizon
Émission
Fréquence
52,05 MHz
Puissance crête
18 kW
Puissance moyenne
3,6 kW
Répartition des émetteurs
34 modules de 600 watts (crête) répartis
sur le champ d'antennes
Distribution de puissance
Contrainte du spectre
d'émission
Loi de Taylor du centre à la périphérie
du réseau d'antennes
-40 dB à 4,5 MHz de la fréquence centrale
Tableau 1
Caractéristiques principales du profileur opérationnel de Météo-France
(1) Service central d'exploitation de la météorologie ; (2) Coopération européenne scientifique
et technique.
9
e
L a M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Fig. 2a - Schéma général du profileur opérationnel doté
d'un réseau de 156 antennes de type Yagi (croix) pouvant
émettre à la verticale et dans 4 directions perpendiculaires
à 11 degrés du zénith dans un lobe de 6 degrés d'ouverture.
34 modules émetteurs-récepteurs (carrés) de 600 W crête
alimentent de 2 à 7 antennes suivant leur position dans le réseau.
C ' e s t a i n s i q u e le p r o j e t de r e m p l a c e m e n t , au
m o i n s partiel, des m o y e n s classiques de m e s u r e du vent
en altitude (ballons a s c e n s i o n n e l s ) par des profileurs de
vent, a été lancé. Il s'agit du projet Profil que le SETIM"»
a été chargé de mettre en œ u v r e . Le premier s y s t è m e , réalisé par les é t a b l i s s e m e n t s D e g r é a n e , est i n s t a l l é à La
F e r t é - V i d a m e ( E u r e - e t - L o i r ) . S e s c a r a c t é r i s t i q u e s sont
d o n n é e s d a n s le tableau 1 et le s c h é m a de son implantation dans la figure 2a.
Du p o i n t de v u e de l ' u t i l i s a t e u r , s e s c a r a c t é r i s tiques p e u v e n t se résumer ainsi :
- m e s u r e du vent en air clair de m a n i è r e p e r m a n e n t e à la verticale du lieu,
- altitudes s o n d é e s : 1 à 2 0 k m ,
- résolution verticale : 5 0 0 m et 1 5 0 0 m,
- pas de matériel c o n s o m m a b l e ,
- entièrement a u t o m a t i q u e ,
- accès à des m e s u r e s supplémentaires : altitude de la t r o p o p a u s e , m e s u r e
directe du vent vertical, p h é n o m è n e s de m é s o - é c h e l l e , profil de t e m p é r a t u r e virtuelle par la m é t h o d e R A S S .
(2)
N a t u r e l l e m e n t , p o u r p a s s e r des r a d a r s S T d é v e l o p p é s d a n s le c a d r e du
réseau de recherche au profileur de vent du réseau opérationnel, il a fallu tenir
c o m p t e de contraintes spécifiques et apporter quelques améliorations.
Fig. 2b - Schéma d'une antenne Yagi
L e s c o n t r a i n t e s sont liées au f o n c t i o n n e m e n t o p é r a t i o n n e l a u t o m a t i q u e
d e m a n d é à tout é q u i p e m e n t en service dans le réseau m é t é o r o l o g i q u e d ' o b s e r v a tion. Il s'agit n o t a m m e n t de la nécessité de fonctionner sans opérateur, 2 4 heures
sur 24 et par tous t e m p s , et, s'agissant d ' u n système à émissions radioélectriques,
d'utiliser une b a n d e de fréquences reconnue et protégée.
L e profileur opérationnel c o m p o r t e r a un certain n o m b r e de perfectionnements qui devront pallier les limites révélées par l ' e x p é r i e n c e de validation. C e s
perfectionnements t e c h n o l o g i q u e s portent sur les points qui suivent.
Sensibilité en altitude
L a figure 3 m o n t r e les p o r t é e s t h é o r i q u e s en altitude des r a d a r s S T en
fonction de la p u i s s a n c e m o y e n n e du signal émis et des p a r a m è t r e s caractérisant
le radar. Ces courbes s ' a p p u i e n t sur des estimations m o y e n n e s du C n e n altitude* , mais leur validité a pu être vérifiée au vu des performances obtenues a v e c le
radar I N S U - M é t é o , r e p r é s e n t é e s sur la figure 4. Le profileur industriel, devant
atteindre des altitudes dépassant 18 k m dans 80 % des cas, a été doté d ' u n e puissance m o y e n n e confortable et d ' u n bon gain d ' a n t e n n e .
z
30
Fig. 3 - Portées théoriques en altitude des radars ST en fonction
de la puissance moyenne du signal d'émission pour des résolutions
de 300 m (carrés) et 1 500 m (croix). Estimation d'après un profil
standard de Cn . Les 10 premiers kilomètres sont aisément atteints
pour des puissances faibles, mais il faut considérablement augmenter
cette puissance pour atteindre des altitudes dépassant 15 km.
Le radar ST INSU-Météo, émettant au maximum à 0,8 kW moyens,
atteint pour 300 m de résolution une altitude de 11 km. Le profileur opérationnel à 3,5 kW moyens devrait atteindre 20 km avec une résolution
de 1 500 m.
z
(1) Service des équipements et des techniques instrumentales de la météorologie;
(2) RASS : Radio-Acoustic Sounding System ;
(3) Cn : Coefficient de structure de l'indice de réfraction, lié aux fluctuations
spatiales de température et d'humidité.
2
10
La Météorologie 8e série - n° 7 - septembre 1994
Fig. 4 - Performances en altitude du radar INSU-Météo émettant
à 375 m de résolution en mode codé à une puissance moyenne
de 0,8 kW. Les 11 km d'altitude estimés à partir de la figure 3
sont atteints dans 80 % des cas.
Précision de la mesure
La mesure du vent horizontal peut être rendue plus précise au moyen d'un
système à cinq faisceaux. L'amélioration de la qualité de la mesure s'explique
aisément lorsque l'on examine les équations fournissant les trois composantes du
vent à partir des données radiales (encadré ci-dessous et figure 5).
Les contraintes liées au fonctionnement opérationnel concernent sa fiabilité et le respect de l'environnement électromagnétique.
Soient Vv, Vn, Ve, Vs et Vo les composantes radiales mesurées avec le profileur dans les directions respectives
verticale et obliques d'angle a par rapport au zénith (Nord, Est, Sud et Ouest), on obtient les trois composantes U, V et W
standard (Est, Nord et Verticale) au moyen des relations [1] suivantes :
Vv = W
Vn = V.sinα + W.cosα + δV/δx.z.sin2α + [δW/δx.z.sinα.cosα]
Ve =-U.sinα + W.cosα +
[1]
δU/δy.z.sin2α - [δW/δy.z.sinα.cosα]
Vs =-V.sinα + W.cosα + δV/δx.z.sin2α - [δW/δx.z.sinα.cosα]
Vo = U.sinα + W.cosαFig.
+ δU/δy.z.sin2α
+ [δW/δx.z.sinα.cosα]
5 - Schéma d'un
système radar
à cinq faisceaux d'antennes
Avec le système à trois faisceaux (V , V
v
roi
Kl
-v
U =
+
w . cot
a
+
et V
par exemple), on a typiquement :
e
r ÔW
ÔU
p
s_
n
. z. sin
-
a
i
. z.
COS a
v
V = —
r
ÔV
p
H
—
- W . cot ex +
. z. sin
1
ÔW
. z. cos
a
a
sin a
ôy
L ôy
J
sin a
ôx
L ôx
Si les dérivées du vent vertical (δW/δx et δW/δy) peuvent être négligées dans l'hypothèse d'une stratification horizontale (Clark et al., 1986), il n'en est plus de même pour celles qui concernent le vent horizontal δU/δy et δV/δx. Des
mesures expérimentales menées sur le radar MU au Japon (Van Baelen, 1990) ont montré que l'erreur peut dans certains
cas dépasser 10 m/s.
Avec un système à cinq faisceaux et toujours avec l'hypothèse d'une stratification horizontale, on peut calculer de
façon bien plus rigoureuse les composantes Nord-Sud et Est-Ouest au moyen de relations très simples :
[3]
U
=Vo-Ve/2sinα
V=Vn-Vs/2
sin α
Par ailleurs, le système à cinq faisceaux fournit directement deux composantes des variations horizontales du
champ de vent :
[4]
ΔU/ΔY
=
Ve+Vo/2
-
V
v
.
c
o
s
α/z
.
s
i
n
2
αetΔV/Δx=Vn+Vs/2-V
En outre, il sera possible d'éliminer plus aisément des échos parasites fugitifs par une comparaison systématique
entre les spectres de deux directions opposées.
11
La M é t é o r o l o g i e 8" série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Fiabilité
Le m o d e de fonctionnement sans surveillance p r o c h e du profileur entraîne
des contraintes importantes en ce qui c o n c e r n e la fiabilité opérationnelle du syst è m e . La m o y e n n e des d u r é e s de b o n f o n c t i o n n e m e n t d e m a n d é e a été fixée à
5 0 0 0 heures. Cette spécification a eu des répercussions sur l'architecture du syst è m e , et n o t a m m e n t sur le choix d ' a é r i e n s rigides, constitués d ' a n t e n n e s Y a g i , et
non p l u s de c â b l e s c o a x i a u x - c o l i n é a i r e s . L e f o n c t i o n n e m e n t du p r o f i l e u r est
contrôlé en de n o m b r e u x points et tout incident est signalé à un centre de télécontrôle. S e l o n la gravité de l ' i n c i d e n t , le profileur sera laissé en f o n c t i o n n e m e n t
j u s q u ' à l'intervention de la m a i n t e n a n c e ou arrêté i m m é d i a t e m e n t .
L a c h a î n e de t r a i t e m e n t , e n t r e la p r o d u c t i o n d e s d o n n é e s t e m p o r e l l e s
n u m é r i s é e s et la diffusion des m e s s a g e s m é t é o r o l o g i q u e s , est entièrement doublée. E n f o n c t i o n n e m e n t n o r m a l , il est ainsi p o s s i b l e de tester des é v o l u t i o n s
logicielles des p r o g r a m m e s de traitement, m a i s é g a l e m e n t de procéder à des traitements particuliers, pour satisfaire aux b e s o i n s de c a m p a g n e s coopératives sur
l'atmosphère.
Fréquences
électromagnétiques
La m i s e en œ u v r e d ' u n radar émettant en p e r m a n e n c e , dans le cadre de la
V e i l l e m é t é o r o l o g i q u e m o n d i a l e , e x i g e u n e a u t o r i s a t i o n c o n c e r n a n t les f r é q u e n c e s d ' é m i s s i o n - r é c e p t i o n , p o u r éviter des brouillages r é c i p r o q u e s vis-à-vis
d ' a u t r e s utilisateurs. U n e étude de compatibilité réalisée en 1990 sur le site de
T r a p p e s a p e r m i s d ' a b o u t i r à un accord a v e c le Conseil supérieur de l ' a u d i o v i s u e l
pour la g a m m e 4 7 - 5 8 M H z (Donier, 1991). E n particulier, le premier profileur
o p é r a t i o n n e l é m e t t r a à la f r é q u e n c e de 5 2 , 0 5 M H z , et il s e m b l e q u e M é t é o F r a n c e p o u r r a utiliser cette m ê m e f r é q u e n c e sur u n e large partie du territoire
métropolitain.
Les contraintes i m p o s é e s par l'utilisateur principal dans cette b a n d e ,
Télédiffusion de France, portent sur le d i a g r a m m e d'antenne qui devra assurer une
a t t é n u a t i o n d ' a u m o i n s 3 2 d B à m o i n s de 2 0 d e g r é s de l ' h o r i z o n t a l e , et sur
l'impulsion d'émission qui ne doit pas transmettre des fréquences à plus de - 4 0 d B
à 4,5 M H z de la fréquence centrale.
La contrainte sur le d i a g r a m m e d ' a n t e n n e a pu être satisfaite grâce à une
pondération de la puissance émise, qui décroît du centre vers la périphérie suivant u n e loi de Taylor. L e c h a m p d ' a n t e n n e s c o m p o r t e 156 antennes réparties sur
u n e surface circulaire de 4 0 0 0 m . Elle sont alimentées par trente-six m o d u l e s
émetteurs-récepteurs. C h a q u e m o d u l e dessert deux à sept antennes selon sa position du centre à la périphérie du réseau.
2
La contrainte sur l ' i m p u l s i o n d ' é m i s s i o n a été résolue par u n e c o n f o r m a tion de celle-ci en forme de fenêtre de H a n n i n g . Pratiquement, les flancs de m o n tée et de d e s c e n t e de l ' i m p u l s i o n d ' é m i s s i o n sont a t t é n u é s , ce q u i l i m i t e les
r e b o n d s p r o v o q u é s par les lobes secondaires dans le d o m a i n e spectral.
Quelques autres
caractéristiques
QUE MESURE
UN PROFILEUR
DE VENT ?
Le s y s t è m e , c o m p l é t é par une station de m e s u r e du vent au sol, délivrera
u n profil de v e n t ( c o m p o s a n t e s U , V , W ) p a r d e m i - h e u r e e n t r e 1 0 0 0 m et
5 0 0 0 m, et par heure entre 5 0 0 0 m et 20 0 0 0 m . L a résolution verticale sera de
5 0 0 m entre 1 et 15 k m et de 1 5 0 0 m a u - d e s s u s .
En traversant une z o n e turbulente, tout signal électromagnétique
subit une diffusion. P l u s p r é c i s é m e n t ,
la diffusion s ' o p è r e l o r s q u e l ' é c h e l l e
de la t u r b u l e n c e est p r o c h e de la d e m i l o n g u e u r d ' o n d e du s i g n a l i n c i d e n t .
C e t t e d i f f u s i o n p r o v i e n t , n o n p a s de
l'agitation turbulente elle-même, mais
d e s v a r i a t i o n s l o c a l e s de l ' i n d i c e d e
réfraction r a d i o é l e c t r i q u e qui lui sont
a s s o c i é e s . D a n s l ' a t m o s p h è r e , cet indice (n) d é p e n d de la pression (P), de la
Fig. 6 - La diffusion d'un signal
électromagnétique dans une zone turbulente
12
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n ° 7 - s e p t e m b r e 1994
température (T) et de l'humidité (e, pression partielle de v a p e u r d ' e a u ) conformément à la relation :
6
[5]
5
( n - l).10 = 7 7 , 6 - | + 3 , 7 3 . 1 0 - ^ r
U n e partie du signal diffusé revient vers le radar et peut d o n c être captée
sur les antennes m ê m e s qui ont p e r m i s l ' é m i s s i o n du signal (radar m o n o s t a t i q u e ) .
La puissance ainsi reçue a été quantifiée grâce aux travaux de Tatarskii ( 1 9 6 1 ) .
Si la turbulence est h o m o g è n e et isotrope, la réflectivité T, qui désigne la section
efficace de rétrodiffusion par unité de v o l u m e , s ' e x p r i m e s i m p l e m e n t en fonction
de la l o n g u e u r d ' o n d e X du signal et d ' u n e g r a n d e u r unique, le C n , qui caractérise les fluctuations de l'indice de réfraction dans le milieu :
2
r(X) = 0,38. C n .
2
[6]
k
w
2
Le C n est appelé le coefficient de structure de l ' i n d i c e de réfraction de
l ' a i r . Il r e p r é s e n t e la m o y e n n e spatiale ( e x p r i m é e par «< >») d e s différences
d ' i n d i c e entre d e u x points distants de r c o n f o r m é m e n t à la relation suivante :
[7]
2
C
r
2
=
<[n(x r)-n(x)j >
+
D ' a p r è s la t h é o r i e de K o l m o g o r o v ( 1 9 4 1 ) , l ' e x i s t e n c e de la t u r b u l e n c e
dans la g a m m e d ' é c h e l l e c o m p r i s e entre 10 cm et 10 m est due au transfert de
l ' é n e r g i e t u r b u l e n t e d e p u i s la g r a n d e é c h e l l e où elle est e n g e n d r é e s o u s u n e
forme anisotrope, par e x e m p l e par les p a s s a g e s des courants-jet ou la convection,
j u s q u ' à l'échelle c e n t i m é t r i q u e où elle est finalement dissipée en chaleur par frott e m e n t v i s q u e u x (fig. 7). A cette étape intermédiaire, la turbulence est h o m o g è n e
et isotrope, et présente un spectre d ' é n e r g i e croissant r é g u l i è r e m e n t en fonction
de l'échelle à la p u i s s a n c e 5/3.
Fig. 7 - L'évolution de la
turbulence dans l'atmosphère
à partir de sa genèse. Au
cours de cette évolution,
l'échelle des mouvements
turbulents devient de plus en
plus faible. Dans une
première phase, il s'agit de
mouvements anlsotropes de
grande échelle. À l'échelle
intermédiaire (10 m à 10 cm),
la turbulence devient
homogène et isotrope avant
de se dissiper en chaleur par
frottement visqueux.
La p r é s e n c e quasi persistante de cette échelle de turbulence dans la troposphère et la stratosphère p e r m e t ainsi de recueillir, a v e c une g r a n d e probabilité,
des é c h o s sur la majeure partie du profil vertical, a v e c une p u i s s a n c e d ' é m i s s i o n
r e l a t i v e m e n t m o d e s t e de q u e l q u e s k W , si l'on se c o n t e n t e des vingt p r e m i e r s
k i l o m è t r e s d'altitude. D e plus, cette turbulence se répartit dans l ' a t m o s p h è r e suiv a n t des n a p p e s d ' u n e d i z a i n e de m è t r e s d ' é p a i s s e u r , e s p a c é e s en altitude de
q u elq u es dizaines à q u el q u es centaines de m è t r e s , c o m m e l'ont révélé les observ a t i o n s par radar ( W o o d m a n et Guillen, 1974) et par b a l l o n s (Barat et Bertin,
1984). L ' é p a i s s e u r de ces c o u c h e s dépend de l'origine de cette turbulence.
Les radars opérant cn V H F et U H F , c'est-à-dire dans une g a m m e de fréq u e n c e s c o m p r i s e entre 3 0 M H z et 3 G H z ( l o n g u e u r d ' o n d e entre 10 m et 10
c m ) , sont sensibles à cette turbulence h o m o g è n e et isotrope qui tient lieu de traceur naturel quasi p e r m a n e n t . C o m m e ces traceurs sont e m p o r t é s par le vent, la
m e s u r e de l'effet D o p p l e r sur le signal rétrodiffusé fournit toute l ' i n f o r m a t i o n
requise pour connaître le profil vertical du vent a u - d e s s u s du radar.
13
La Météorologie 8e série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
L e radar qui émet un signal de p u i s s a n c e Pe reçoit un écho de puissance
Pr c o n f o r m é m e n t à la relation suivante :
[8]
Pr
Avec
=
α
Ae
c
/
8.π.r2
.
Γ
(
λ
)
= coefficient de perte dans les lobes secondaires d ' a n t e n n e s
= surface d ' a n t e n n e
= célérité de la lumière
Τ
r
Pe.α2.Ae.c.τ
= largeur d ' i m p u l s i o n
= distance radiale
Γ(λ) -
réflectivité radar.
Par ailleurs, d a n s la basse V H F (50 M H z ) , une émission verticale d o n n e
lieu à un p h é n o m è n e de réflexion partielle du signal par suite d ' u n e stratification
horizontale de l'indice de réfraction radioélectrique dans les c o u c h e s stables. Le
milieu est alors caractérisé par un coefficient de réflexion | p 2 | qui r e n v o i e u n
écho s u p p l é m e n t a i r e dont la p u i s s a n c e s'écrit :
[9]
Pre
=Pe.Ae2/4.r2.λ2.|p2|
Cette stratification intervient n o t a m m e n t au voisinage de la tropopause, ce
qui p e r m e t sa détection par une simple c o m p a r a i s o n des puissances reçues entre
les tirs obliques et les tirs verticaux. Les travaux réalisés dans ce d o m a i n e offrent
des perspectives réelles pour m e s u r e r l'altitude de la t r o p o p a u s e de façon opéra­
tionnelle (Gage et al., 1986).
LA CONCEPTION
DE L'INSTRUMENT
Le réseau d'antennes
Disposant d ' u n traceur naturel se déplaçant a v e c le vent, il devient p o s ­
sible de concevoir l'instrument sur le principe des radars. P o u r m e s u r e r les trois
c o m p o s a n t e s du vent, il faut pointer le radar dans trois directions i n d é p e n d a n t e s
au m o i n s , le zénith et d e u x directions o b l i q u e s p e r p e n d i c u l a i r e s , orientées par
e x e m p l e l ' u n e vers le nord et l'autre vers l'est (eq. [2]). D a n s c h a c u n des cas, on
m e s u r e la c o m p o s a n t e du vent dans la direction du radar. P o u r les tirs obliques,
une inclinaison de 10 à 15° par rapport au zénith est un bon c o m p r o m i s entre les
besoins de limiter la distance radiale par rapport à l'altitude (la p u i s s a n c e reçue
décroît en 1/r2 en fonction de la distance radiale r) et de m e s u r e r avec précision la
c o m p o s a n t e horizontale (Strauch, 1983).
Fig. 8 - Le reseau d antennes colineaires coaxiales du radar ST INSU-Météo
Fig. trois
9 - Le
radar ST INSU-Météo
à 45 MHz
45 MHz avec ses
directions
de tir commutables
en alterna
et ses antennes «Coco» (câbles colinéaires-coaxiaux) à
Saint-Lary (Hautes-Pyrénées), pendant l'expérience Pyrex.
14
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Pour limiter les erreurs de détection du signal et éviter les biais éventuels
liés à la d i v e r g e n c e horizontale du vent, on préférera un s y s t è m e doté de quatre
directions obliques (eq. [1]).
La p r e m i è r e étape consiste d o n c à mettre en place un s y s t è m e d ' a n t e n n e s
capable d ' e n v o y e r p é r i o d i q u e m e n t une impulsion et de recevoir les échos dans
les directions précitées. La surface d ' a n t e n n e d é t e r m i n e la largeur du lobe principal, c'est-à-dire la finesse du faisceau. D a n s la basse V H F , à 5 0 M H z , ce c h a m p
d ' a n t e n n e s doit s ' é t e n d r e sur une z o n e d ' e n v i r o n 7 0 mètres de côtés si l ' o n v e u t
restreindre la largeur du lobe principal à 5 degrés. On utilisera, soit un réseau de
câbles colinéaires-coaxiaux (antennes « C o c o » ; Balsley et E c k l u n d , 1972), soit
des antennes de type « Y a g i » ( C z e c h o w s k y et al., 1985 ; F u k a o et al., 1983). L e s
figures 8 et 9 montrent le réseau d ' a n t e n n e s « C o c o » équipant le radar 4 5 M H z
INSU-Météo.
En alternant les directions de tir, on est capable de déterminer les trois c o m posantes du vent à des cadences pouvant atteindre cinq à six mesures par heure.
Comment est traité
le signal ?
Le traitement analogique
L e signal capté par les a n t e n n e s est a c h e m i n é v e r s un récepteur de type
cohérent, propre à tout radar exploitant l'effet Doppler. Ce récepteur p e r m e t de
filtrer le signal (filtrage adapté) et d ' é l i m i n e r la porteuse p o u r ne laisser en sortie
que l'information sur l ' a m p l i t u d e et la p h a s e D o p p l e r du signal reçu. C e s deux
informations i n d é p e n d a n t e s nécessitent deux sorties analogiques décalées de 90°
qui représentent ce que l'on appelle r e s p e c t i v e m e n t la partie réelle et la partie
imaginaire du signal (figure 10).
Fig. 10 - Schéma de la partie analogique
des radars VHF. Dans cette partie,
le signal reçu est filtré de façon à ne contenir
en sortie que les Informations utiles
sur le signal Doppler, c'est-à-dire
son amplitude et sa phase.
Ces deux éléments étant indépendants,
il est nécessaire de les restituer sur deux voies
que l'on appelle voie réelle et voie imaginaire.
Le traitement numérique
L e signal est ensuite échantillonné par le convertisseur analogique-digital.
C h a q u e échantillon prélevé à un instant Ti après la dernière i m p u l s i o n d ' é m i s sion c o r r e s p o n d à l ' é c h o p r o v e n a n t d ' u n e altitude m o y e n n e (figure 11) :
[10]
Ri = c.Ti/2
et d ' u n e c o u c h e d ' é p a i s s e u r δz proportionnelle à la largeur x de l ' i m p u l ­
sion émise suivant la relation :
[11]
δz
= C.τ/2
15
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n ° 7 - s e p t e m b r e 1994
Le nombre d'échantillons prélevés après chaque impulsion d ' é m i s s i o n d é t e r m i n e le n o m b r e de p o r t e s d ' a l t i t u d e . L e s
échantillons ainsi o b t e n u s sont regroupés en fonction de l'instant
d ' é c h a n t i l l o n n a g e de m a n i è r e à ce q u e c h a q u e g r o u p e soit représentatif d ' u n e p o r t e d ' a l t i t u d e (figure 12). C ' e s t ainsi q u e l ' o n
obtient les séries temporelles.
Pour chaque porte d'altitude, les séries temporelles se c o m p o s e n t d ' u n e suite de v a l e u r s discrètes (réelles et i m a g i n a i r e s )
e s p a c é e s de la p é r i o d e de répétition des i m p u l s i o n s ( P R I ) . C e s
séries temporelles renferment de manière plus ou moins significative la fréquence Doppler (fd) de l'écho au milieu d ' u n bruit aléatoire gaussien. La détermination de cette fréquence permettra de
d é t e r m i n e r la vitesse radiale ( V r ) , c o m p t e tenu de la l o n g u e u r
d ' o n d e du signal émis d ' a p r è s la relation suivante :
[12]
Fig. 11 - Echantillonnage du signal en sortie du récepteur :
après chaque Impulsion d'émission, le signal est échantillonné à des instants bien déterminés correspondant
chacun à une altitude donnée. On parvient ainsi à séparer
les informations provenant des différentes altitudes.
Fig. 12 - Regroupement des points d'échantillonnage
par porte d'altitude de manière à former les séries
temporelles. L'analyse spectrale de chacune
de ces séries temporelles permettra de déterminer
l'effet Doppler et par conséquent la vitesse
de l'écho à l'altitude correspondante.
V r = X.fd/2
A u - d e l à de 2 0 k m d'altitude, le signal reçu devient négligeable c o m p t e tenu de la p u i s s a n c e d e s é m e t t e u r s é q u i p a n t les
radars S T français (figure 4 ) . On peut d o n c se p e r m e t t r e
d ' e n v o y e r des i m p u l s i o n s séparées d ' u n délai c o r r e s p o n d a n t au
t e m p s nécessaire pour recevoir l ' é c h o depuis cette altitude, sans
risque d ' a m b i g u ï t é sur le signal reçu. O n obtient alors u n e période de répétition d e s i m p u l s i o n s ( P R I ) de l ' o r d r e d e 150 m s , soit
1/PRI = 6,6 k H z . O n r e m a r q u e q u e l ' é t e n d u e spectrale des séries
t e m p o r e l l e s ainsi o b t e n u e s c o u v r e un d o m a i n e très large (-3,3
k H z , + 3 , 3 k H z ) , ce qui c o r r e s p o n d à des vitesses radiales m a x i m a l e s de 10 k m / s p o u r u n e fréquence d ' é m i s s i o n de 5 0 M H z !
Sur de tels spectres, le signal dû au vent, e x t r ê m e m e n t p r o c h e de
la fréquence zéro, ne pourrait être détecté q u ' a v e c u n e résolution
très fine nécessitant u n e transformée de Fourier sur un n o m b r e
de points considérable.
La p r e m i è r e d é m a r c h e c o n s i s t e d o n c à filtrer les séries
t e m p o r e l l e s afin d ' é l i m i n e r les h a u t e s f r é q u e n c e s n e p o u v a n t
v i s i b l e m e n t p r o v e n i r d e s é c h o s d u s au vent. U n m o y e n rapide
très c o m m u n é m e n t utilisé consiste à r e m p l a c e r N e points c o n s é cutifs de la série temporelle par leur m o y e n n e (fig.13). C ' e s t ce
q u e l ' o n appelle l'intégration cohérente (Farley, 1983). Cette
opération p e r m e t de diviser le d o m a i n e spectral p a r N e et d e le
r a m e n e r ainsi à l ' o r d r e d e g r a n d e u r d u v e n t m a x i m u m o b s e r vable. Plus précisément, cette opération équivaut à :
- U n filtrage sous la forme d ' u n e convolution d e s points
de la série t e m p o r e l l e p a r u n e fenêtre r e c t a n g u l a i r e de largeur
N e . T e . D a n s le d o m a i n e spectral, cela consiste à appliquer une
fenêtre en [sin(p.x.Nc.Te)/sin(p.x.Te)] sur le spectre de puissance, p r o v o q u a n t ainsi u n e atténuation de l ' o r d r e de 3 d B sur les
b o r d s externes du spectre final c o r r e s p o n d a n t à d e s fréquences de
± l/(2.Nc.Te).
2
- U n r e p l i e m e n t p r o v o q u é p a r le s o u s - é c h a n t i l l o n n a g e .
Les signaux de fréquences situées en dehors du n o u v e a u d o m a i ne spectral se s u p e r p o s e n t à l ' i n t é r i e u r de ce d o m a i n e . Il faut
veiller à ne «replier» ainsi q u e d e s c o m p o s a n t e s du bruit b l a n c
aléatoire inhérent à la m e s u r e .
Fig. 13 - Traitement numérique des séries temporelles :
les sommations cohérentes portent sur la moyenne
de points consécutifs de la série temporelle. L'analyse
spectrale ou transformée de Fourier permet une
représentation mettant en évidence la dérive Doppler
du signal dû au vent. Il suffit de déterminer son abscisse
pour connaître directement la vitesse radiale.
C e type de filtrage, se traduisant p a r de simples addit i o n s , est très r a p i d e , m a i s s e s p e r f o r m a n c e s s o n t m é d i o c r e s
p u i s q u e l'atténuation est à peine de -13 d B pour des fréquences
de ± 2/(Nc.Te) qui viendront se replier sur le spectre. Cela n ' e s t
p a s suffisant pour éliminer les parasites importants, c o m m e les
échos d'avion. Aujourd'hui, certaines cartes de traitement de
type D S P , par e x e m p l e , peuvent assurer un filtrage qui c o u p e à
- 6 0 d B , é l i m i n a n t ainsi la g r a n d e m a j o r i t é d e s p e r t u r b a t i o n s
o c c a s i o n n é e s par les p a s s a g e s d ' a v i o n s . Un tel s y s t è m e va équiper le profileur opérationnel (Klaus et al., 1993).
16
La M é t é o r o l o g i e 8e série - n ° 7 - s e p t e m b r e 1994
L ' a n a l y s e de Fourier d e s séries t e m p o r e l l e s c o n d u i t à la r e p r é s e n t a t i o n
spectrale en a m p l i t u d e qui m e t en évidence le signal dû au vent sous u n e forme
p r o c h e d ' u n e g a u s s i e n n e , et un bruit blanc aléatoire p r o v o q u é par le r a y o n n e m e n t
c o s m i q u e et par la chaîne de réception. O n ne s'intéresse en fait q u ' a u spectre de
p u i s s a n c e ou a u x densités spectrales é n e r g é t i q u e s , c'est-à-dire au m o d u l e carré
des parties réelle et imaginaire du spectre d ' a m p l i t u d e . L ' a b s c i s s e du signal utile
fournit directement la vitesse radiale du vent à l'altitude c o n s i d é r é e . L ' a i r e q u ' i l
o c c u p e rend c o m p t e de l'intensité de la turbulence.
2
P .A ./ ./ .c.T.a .VN
m
[13]
e
1
2
j
.r (À.)
D=
4.ic.r .2F .K.(T + a.T ).p
2
N
Avec
P
m
A
e
S
c
= p u i s s a n c e m o y e n n e d'émission
= surface d ' a n t e n n e
f1
= perte d u e a u filtre du récepteur
¡2
= perte d u e a u x s o m m a t i o n s
c
= célérité d e la lumière
cohérentes
Τ
α
= d u r é e d'impulsion
= coefficient d e perte
d a n s les l o b e s s e c o n d a i r e s
Nj
= nombre d e sommations
r
Ffvj
= d i s t a n c e radiale
= f r é q u e n c e limite du s p e c t r e
(fréquence d e Nyquist)
K
= c o n s t a n t e d e Boltzmann
incohérentes
T
s
=
T
c
= t e m p é r a t u r e d e bruit c o s m i q u e
β
F(k)
=
t e m p é r a t u r e d e bruit
du r é c e p t e u r
coefficient d e largeur du filtre
a d a p t é d a n s le r é c e p t e u r
= réflectivité radar
Fig. 14 - Exemple de profil
de spectres bruts obtenu
en temps réel avec le radar
strato-troposphérlque INSU-Météo
(«CO»: mode codé, tir vers l'ouest
à 13° du zénith). Chaque spectre
correspond à une altitude
particulière. Les abscisses
sont données en m/s. La vitesse
radiale du signal dû au vent est
déterminée par l'abscisse
moyenne du pic atmosphérique.
Le graphique en bas à droite
représente un agrandissement du
spectre de la porte 16 située à
9 090 m d'altitude.
Les spectres ainsi o b t e n u s c o n t i e n n e n t un bruit
b l a n c gaussien aléatoire s u p e r p o s é au signal dû au vent
qui est d é t e r m i n i s t e (figure 13). P o u r un radar V H F ,
leur c a d e n c e est de l ' o r d r e de la dizaine d e s e c o n d e s .
D u r a n t cet intervalle et à l'échelle c o n s i d é r é e , le vent
m o y e n varie très peu et les profils de spectres restent
quasiment identiques. O n peut d o n c mettre à profit cette
faible variabilité des profils pour accroître la détectabilité du signal utile, n o t a m m e n t aux altitudes élevées. En
additionnant les profils, on d i m i n u e la variance du bruit,
a u g m e n t a n t de ce fait la d é t e c t a b i l i t é du signal utile.
Celle-ci s ' e x p r i m e p a r le rapport entre l ' a m p l i t u d e du
signal et la f l u c t u a t i o n m o y e n n e du b r u i t ( B a l s l e y et
G a g e , 1982), c o m m e le m o n t r e l ' e n c a d r é ci-contre.
Cette addition de spectres s ' a p p e l l e sommation
incohérente, d a n s le sens où l'utilisent les radaristes,
car l'information de phase, c'est-à-dire la répartition du
s i g n a l e n t r e v a l e u r s r é e l l e s et i m a g i n a i r e s n ' e s t p l u s
conservée.
On peut diminuer artificiellement la variance du
bruit en réalisant un lissage du spectre par fenêtre glissante (Klaus et al., 1990). Par ce m o y e n , on parvient à
r e t r o u v e r d e s s i g n a u x très faibles n o y é s d a n s le bruit
a l é a t o i r e . N a t u r e l l e m e n t , c e s t r a i t e m e n t s l i m i t e n t la
c a d e n c e de p r o d u c t i o n d e s profils verticaux «intégrés».
Dans la version de base des radars S T , le traitem e n t s ' a c h è v e p a r la f o u r n i t u r e en t e m p s réel d e c e s
profils de spectres sur support m a g n é t i q u e . La figure 14
m o n t r e un tel e n r e g i s t r e m e n t q u i c o m p r e n d 3 6 portes
d'altitude c o m p o r t a n t c h a c u n e 2 5 6 points de spectres.
17
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Calcul des profils
de vent en temps réel
Pour que le s y s t è m e info-numérique du radar puisse calculer et fournir en
t e m p s réel des produits plus élaborés c o m m e la vitesse et la direction du vent, le
Cn , etc., il faut n o n s e u l e m e n t extraire certains p a r a m è t r e s pertinents à partir des
spectres, mais aussi c o m b i n e r j u d i c i e u s e m e n t les résultats des m e s u r e s o b t e n u e s
p o u r c h a c u n e des directions de tir.
2
—I
Fig. 15 - Vue d'ensemble de l'électronique
radar 45 MHz INSU-Météo dans sa version
de traitement en temps réel au moyen de
calculateurs de type PC. Le PC de gestion
s'occupe de la gestion du radar à l'aide de
la carte séquenceur et assure le traitement
du signal à l'aval du récepteur ou plus précisément du convertisseur analogiquenumérique (CAN) jusqu'à la fourniture des
profils de spectres. À cet effet, il comprend
une carte d'intégration cohérente et une
carte de traitement (carte DSP) qui réalise
le filtrage des séries temporelles et l'analyse spectrale. Le PC de traitement détermine sur chaque spectre le signal dû au
vent et restitue le profil moyen sur une
durée programmable. Ces deux calculateurs sont reliés entre eux par un réseau
interne et communiquent avec l'extérieur à
l'aide du système Numéris.
L e traitement des d o n n é e s se fait en plusieurs étapes.
Calcul des moments
L a p r e m i è r e t â c h e c o n s i s t e à c a l c u l e r , à p a r t i r d e s p r o f i l s de s p e c t r e s
bruts, les profils de m o m e n t s . Plus p r é c i s é m e n t , on r e c h e r c h e sur c h a c u n d e s
spectres d ' a l t i t u d e les s i g n a u x qui apparaissent a u - d e s s u s du bruit, en sélectionnant celui qui r é p o n d le m i e u x a u x caractéristiques d ' u n signal dû au vent. C e
calcul est réalisé en p l u s i e u r s étapes suivant le s c h é m a de la figure 16 :
- C a l c u l d u n i v e a u m o y e n d e b r u i t . O n u t i l i s e , s o i t la m é t h o d e
d ' H i l d e b r a n d - S e k h o n (1974), soit une m é t h o d e plus simple consistant à prendre
la v a l e u r m i n i m a l e d e s m o y e n n e s
effectuées sur plusieurs intervalles
contigus du spectre.
- Élimination du pic central par
écrêtage.
- L i s s a g e é v e n t u e l du s p e c t r e
p a r u n e fenêtre g l i s s a n t e . O n r é p è t e
p l u s i e u r s fois d e suite u n e m o y e n n e
glissante sur trois p o i n t s successifs de
p o n d é r a t i o n respective 1, 2 et 1.
- S o u s t r a c t i o n du n i v e a u de
bruit m o y e n .
- R e c h e r c h e des p l a g e s du
spectre contenant plus d'un nombre
d o n n é de points consécutifs positifs.
Fig. 16 - Schéma de la tâche de traitement des spectres bruts. Après avoir sommé plusieurs profils successifs dans une même direction de tir (sommation de spectres dite intégration incohérente), on recherche pour chaque spectre les signaux pouvant être interprétés comme des signaux dus au vent. La sélection du signal s'opère ensuite suivant des
critères de continuité spatio-temporelle sur plusieurs mesures successives.
- Si cette p l a g e existe, d é l i m i tation d ' u n e z o n e c o n t e n a n t un
s i g n a l u n i q u e et c a l c u l p o u r c e t t e
z o n e des trois m o m e n t s , p l u s e x a c t e m e n t le r a p p o r t signal/bruit, l ' a b s c i s s e et la d e m i - l a r g e u r . O n c a l c u l e
a l o r s la g a u s s i e n n e c o r r e s p o n d a n t e
que l ' o n soustrait du s p e c t r e avant de
r e c o m m e n c e r l ' o p é r a t i o n au n i v e a u
précédent.
18
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La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Par cette m é t h o d e , on peut enregistrer plusieurs signaux susceptibles de
représenter le vent radial. L a figure 17 d o n n e un e x e m p l e de traitement du profil
de spectres représenté sur la figure 14.
Fig. 17 - Exemple de profil de spectres
réalisé avec le radar VHF INSU-Météo
(voir fig.14). On a représenté pour
chaque spectre les signaux détectés
issus du traitement. En règle générale,
le signal dû au vent se distingue des
signaux erratiques par son importance
en termes de rapport signal/bruit. Sa
sélection s'effectue de toute manière à
partir de tests de continuité spatio-temporelle. En bas à droite, une loupe du
spectre de la porte 16 (9 090 m en altitude au-dessus du niveau de la mer)
montre comment le traitement a modéllsé le signal par une gaussienne dont
les paramètres (Rsb : rapport
Signal/Bruit, V : vitesse en m/s, ET :
largeur en m/s) sont donnés dans la
première colonne (-2,8, -25,5 et 4,3
respectivement).
Sélection du signal dû au vent
sur chaque spectre
Pour c h a q u e m o d e de tir, on prend trois profils successifs dans le m ê m e
plan vertical : N o r d - V e r t i c a l - S u d (ou E s t - V e r t i c a l - O u e s t ) . P o u r c h a c u n de ces
plans, on dispose d o n c de trois vecteurs Vrn, V r v et Vrs (ou V r e V r v et Vro) pour
réaliser la c o m p o s a n t e horizontale c o r r e s p o n d a n t e V (ou U). A cet effet, on ne
garde pour deux tirs obliques diamétralement o p p o s é s que les couples de signaux
compatibles deux à deux, au point de v u e de la vitesse et de la puissance. S'il reste
plusieurs de ces couples, on accorde la priorité à celui qui possède la puissance
maximale.
;
A c e s t a d e , rien n ' i n d i q u e q u ' i l s u b s i s t e à c h a q u e a l t i t u d e u n c o u p l e
u n i q u e de signaux répondant aux conditions. On peut citer par e x e m p l e :
- Le cisaillement de vent, qui peut e n g e n d r e r sur le m ê m e spectre d'altitude d e u x signaux p h y s i q u e s .
- L a p r é s e n c e d ' u n petit avion se d é p l a ç a n t à vitesse m o d é r é e ou d ' u n
g r o u p e d ' o i s e a u x migrateurs.
M a i s une telle éventualité reste faible. En tout état de c a u s e , et contrairement à la m é t h o d e e m p l o y é e pour le s y s t è m e à trois faisceaux, on calcule directement p o u r c h a c u n des couples obtenus Vrn et V r s (ou V r e et Vro) et les c o m p o santes horizontales m o y e n n e s U et V débarrassées de l'influence du vent vertical
c o n f o r m é m e m e n t aux relations [2].
U n e attention particulière est portée au profil de vent vertical pour détecter é v e n t u e l l e m e n t les é c h o s de pluie d a n s le cas de fortes précipitations.
On vérifie la continuité radiale en éliminant essentiellement les signaux
singuliers par un e x a m e n sur trois portes successives.
Pour c h a q u e m o d e de fonctionnement et pour c h a q u e c o m p o s a n t e (U, V et
W ) , on détermine les profils m o y e n s à partir de N profils successifs de m ê m e type.
Plus précisément, pour c h a q u e porte d'altitude, on recherche l'intervalle de vitesse
(U, V ou W ) dans lequel les signaux apparaissent au m o i n s dans 75 % des cas. On
vérifiera par la m ê m e occasion que les valeurs obtenues pour des altitudes c o m m u n e s à plusieurs m o d e s de fonctionnement du radar sont cohérentes entre elles.
- D a n s l'affirmative, le signal retenu est la m o y e n n e des valeurs apparaissant sur le spectre. Si l ' o n veut affiner la m e s u r e , il sera possible de p o n d é r e r les
valeurs en donnant la priorité aux profils les plus récents. O n peut aussi r e m o n t e r
d a v a n t a g e d a n s le t e m p s p o u r a u g m e n t e r le n o m b r e N de profils successifs en
négligeant les profils les plus anciens d a n s le calcul final du vent m o y e n .
19
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La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
- D a n s le cas contraire, le point est rejeté : on ne retient a u c u n e m e s u r e à
l'altitude c o n s i d é r é e . O n p e u t é v e n t u e l l e m e n t c o m p l é t e r le profil par interpolation p o u r c o m b l e r les « t r o u s » e n t r e l e s p o r t e s s i g n i f i c a t i v e s . O n n e fait p a s
d'extrapolation au-delà de l'altitude m a x i m a l e et en deçà de l'altitude m i n i m a l e .
Fusion des profils obtenus5
pour chaque mode;
La relation [13] montre que l'on améliore la détectabilité en augmentant la
durée d ' i m p u l s i o n , c'est-à-dire en dégradant la résolution en altitude. Pour les altitudes élevées où le signal est le plus faible, une résolution de 1 5 0 0 m est suffisante. Un cycle de m e s u r e s pourra d o n c comporter une alternance de tirs en m o d e
haute résolution (500 m ) p o u r les altitudes faibles, et en m o d e basse résolution
(1 5 0 0 m) pour les altitudes dépassant 15 km. Le profil intégré complet proviendra
d o n c de la fusion de plusieurs profils obtenus à des m o d e s de résolution différents.
- Si les m o d e s de fonctionnement ont la m ê m e résolution et si les profils
se recouvrent à certaines altitudes, on retient le meilleur signal en t e r m e s de facteur de qualité. C e facteur de qualité tient c o m p t e e s s e n t i e l l e m e n t de l ' e r r e u r
aléatoire sur l'estimation du m o m e n t d ' o r d r e 1 en fonction de la p u i s s a n c e et de
la largeur du signal, et de la variance du bruit. Il est obtenu à partir de calculs statistiques sur des spectres s i m u l é s , déjà partiellement effectués au C N R M .
- Si les m o d e s utilisés c o m p o r t e n t u n e a l t e r n a n c e de b a s s e et de haute
r é s o l u t i o n , on retient la h a u t e r é s o l u t i o n tant q u e le signal c o r r e s p o n d a n t est
considéré c o m m e le meilleur en t e r m e s de facteur de qualité. A u - d e l à , on choisit
le profil à basse résolution. Cette m é t h o d e évite d ' a l t e r n e r des points de m e s u r e à
résolution variable.
Calcul de la vitesse•
et de la direction du ventt
ESSAISi
ET VALIDATIONi
DU TRAITEMENT
EN TEMPS RÉEL
Q u a n d les profils m o y e n s U et V ont été d é t e r m i n é s , on calcule la vitesse
F F et la direction D D du v e n t en tenant c o m p t e des a z i m u t s d ' a n t e n n e . O n y
ajoutera un facteur de qualité qui p e r m e t t r a d ' é v a l u e r p o u r c h a q u e niveau d ' a l t i tude l'erreur sur la m e s u r e . L ' e n s e m b l e sera stocké dans un fichier qui servira de
b a s e à la constitution du m e s s a g e P I L O T ou B U F R pour l'assimilation dans le
m o d è l e de prévision n u m é r i q u e .
L e s essais c o n t i n u s d e la version «profileur de v e n t opérationnel» se sont
d é r o u l é s sur le site du C N R M , à T o u l o u s e , en m a r s - a v r i l p u i s en j u i l l e t - a o û t
1993, a v e c le radar V H F I N S U - M é t é o doté de trois faisceaux d ' a n t e n n e s . L e but
de ces expériences était de :
- Tester la capacité du s y s t è m e informatique du radar à fournir des d o n nées de vent en t e m p s réel et de les c o m p a r e r «à c h a u d » avec les d o n n é e s d ' a n a l y s e s f o u r n i e s p a r le s y s t è m e A r p è g e a v e c l e c o n c o u r s d e l ' é q u i p e
S C E M / P r é v i / C o m p a s . Il s'agit de ce que l'on appelle le « m o n i t o r i n g » , qui peut
d'ailleurs s ' a p p l i q u e r à tout instrument m é t é o r o l o g i q u e transmettant ses d o n n é e s
en t e m p s r é e l . L ' i n t é r ê t d ' u n e t e l l e m é t h o d e p o u r v a l i d e r u n i n s t r u m e n t a
d'ailleurs été clairement d é m o n t r é ( H o l l i n g s w o r t h et al., 1986).
- Évaluer les p e r f o r m a n c e s du radar 4 5 M H z I N S U - M é t é o cn m o d e entièr e m e n t a u t o m a t i q u e . Il s'agissait d ' e s t i m e r dans cette configuration la précision
des m e s u r e s et la sensibilité en altitude.
Mode de traitement!
A u c o u r s de ces p h a s e s d ' e s s a i s , les m o d e s de f o n c t i o n n e m e n t ont été les
suivants (tableau 2) :
Intégrations cohérentes
Intégrations incohérentes
Gammes d'altitude
Directions de tir
Cycle
Durée d'un cycle
Période 1 : mars-avril 93
Période 2 : juillet-août 93
512
16
512
16
3-12 km (C, Haute résolution
codée 375 m, 800 W moyens)
0,7 - 7 km (H, Haute résolution
375m, 80 W moyens)
7 - 16 km (B, Basse résolution
2250 m, 480 W moyens)
Nord (N), Est (E)
...HN-HE-BN-BE...
26 mn 40 s
Nord (N), Est (E)
...CN-CE...
13 mn 20 s
Tableau 2 - Configuration expérimentale du radar VHF INSU-Météo durant les deux périodes de validation
20
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Bilan de l'expérience
Bilan technique
Le s y s t è m e a fonctionné de m a n i è r e quasi i n i n t e r r o m p u e durant c e s d e u x
périodes. Les é c h o s d ' a v i o n s , très fréquents d a n s la région, nous ont conduits à
vérifier les spectres avant leur s o m m a t i o n de façon à éliminer ceux qui présentaient des parasites importants. Ensuite, on a testé plus particulièrement la continuité t e m p o r e l l e en ne validant le signal q u e s'il était présent d a n s u n e m ê m e
z o n e spectrale dans plus de 75 % des cas. Par cette m é t h o d e , le traitement automatique assure m a i n t e n a n t une b o n n e c o h é r e n c e à la fois spatiale et temporelle
d e s profils. A titre d ' e x e m p l e , n o u s a v o n s représenté sur la figure 18 l ' é v o l u t i o n
du vent le 3 m a r s 1 9 9 3 .
Fig, 18 - Évolution horaire du profil de vent enregistré
en basse définition avec le radar 45 MHz INSU-Météo au CNRM,
à Toulouse, le 3 mars 1993.
Bilan m é t r o l o g i q u e
L e radar a fonctionné de m a n i è r e n o m i n a l e tout au long de l ' e x p é r i e n c e .
La figure 19 m o n t r e les p o u r c e n t a g e s de m e s u r e s de vent significatives en fonction de l'altitude. C e s valeurs sont déduites des profils de vent m o y e n n e s sur des
périodes de deux heures, incluant quatre ou cinq cycles de m e s u r e s . Pour c h a c u ne de ces périodes, le signal était validé s'il apparaissait dans une m ê m e z o n e du
spectre dans 75 % des cas.
Fig. 19 - Courbes statistiques traduisant le taux de détection
du signal en fonction de l'altitude pour le mode basse définition
(2 250 m, croix, puissance moyenne 480 W),
haute définition (375 m, triangles, puissance moyenne 80 W)
et haute définition codée (375 m, étoiles, puissance moyenne 800 W).
Ces résultats sont tirés des deux campagnes de validation de 1993
à partir de profils moyennes sur deux heures.
Plusieurs r a d i o s o n d a g e s réalisés par l ' é q u i p e C N R M / G M E I / 4 M n o u s ont
p e r m i s de c o m p a r e r les m e s u r e s a v e c le profileur de vent. C o m p t e tenu de la
décorrélation spatio-temporelle entre ces deux m o y e n s de m e s u r e , il est difficile
de valider la précision des d o n n é e s par cette seule m é t h o d e . On peut aussi utiliser
les c o m p a r a i s o n s ponctuelles a v e c les sorties d ' a n a l y s e des m o d è l e s (fig. 20).
La c o m p a r a i s o n a v e c les sorties d ' a n a l y s e du m o d è l e A r p è g e , o b t e n u e s
durant le mois d'avril 1993 p o u r 0 h U T C et 12 h U T C , montrent un biais m a x i mal de l'ordre de 4 m/s et un écart-type m a x i m a l de 6 m / s (figure 21). C e s résultats sont à mettre en parallèle avec les m ê m e s types de c o m p a r a i s o n s , réalisées
pendant la m ê m e période, entre les r a d i o s o n d a g e s de B o r d e a u x et les sorties du
m o d è l e . D a n s ce dernier cas, les v a l e u r s m a x i m a l e s du biais et de l'écart-type
sont de l'ordre de 2 m/s et de 5 m/s respectivement. C e s résultats m o n t r e n t que
durant la p r e m i è r e c a m p a g n e de validation, le profileur de vent testé est encore
un peu en d e ç à des p e r f o r m a n c e s du r a d i o s o n d a g e . P l u s i e u r s p o i n t s m é r i t e n t
c e p e n d a n t d'être m e n t i o n n é s :
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
21
Fig. 20 - Exemples de comparaisons des profils de
vent mesurés au moyen du
radar ST INSU-Météo à
Toulouse (croix) avec les
radiosondages réalisés par
l'équipe CNRM/GMEI/4M
(trait plein, figures du haut)
et les données d'analyse
du modèle du CEPMMT
(triangles, figures du bas)
- L e biais important à 8 5 0 hPa (1 5 0 0 m) s ' e x p l i q u e par la p r é s e n c e du
vent d ' A u t a n mal perçu dans les m o d è l e s s y n o p t i q u e s . C o m m e le m o n t r e le signe
positif de ce décalage, le radar a m e s u r é une vitesse plus élevée que celle déduite
du m o d è l e . Du fait de la direction de ce vent (est-sud-est), cela concerne essentiellement la c o m p o s a n t e zonale (U).
- L e s e r r e u r s m a x i m a l e s i n t e r v i e n n e n t à une altitude de l ' o r d r e de 4 0 0
hPa, soit environ 7 0 0 0 m. C ' e s t à cette altitude que c o m m e n c e le profil à basse
résolution (2 2 5 0 m ) . C o m p t e tenu du fort gradient négatif de la turbulence à ce
niveau, les é c h o s radar p r o v i e n d r o n t de la partie b a s s e du v o l u m e de m e s u r e .
C o m m e le gradient vertical de vent est g é n é r a l e m e n t positif, on aura t e n d a n c e à
mesurer u n e c o m p o s a n t e trop faible. C ' e s t ce qui explique le biais négatif systém a t i q u e pour les altitudes supérieures à 4 0 0 hPa (7 0 0 0 m ) . Le vent zonal, en
général plus m a r q u é , d o n n e l o g i q u e m e n t u n biais plus élevé.
Par contre, durant la s e c o n d e c a m p a g n e de validation où les profils du
radar étaient e x c l u s i v e m e n t en haute résolution (375 m ) , on enregistre un biais de
l ' o r d r e de 2 m/s et u n écart-type de 4 à 5 m / s , ce qui se r a p p r o c h e très sensiblement des p e r f o r m a n c e s o b t e n u e s par le r a d i o s o n d a g e s y n o p t i q u e , et des résultats
obtenus a v e c le radar d ' A b e r y s t w y t h (Radford et W a t e r s , 1992) et le radar Sousy
(Neisser et al., 1994).
E n c o n c l u s i o n , c o m p t e tenu des limitations p r o p r e s à l ' i n s t r u m e n t d a n s
son état actuel (trois faisceaux d ' a n t e n n e s , p u i s s a n c e limitée), les résultats obtenus à haute résolution sont très e n c o u r a g e a n t s . Par contre, la b a s s e résolution
(2 2 5 0 m ) ne p e r m e t pas des m e s u r e s précises à des altitudes inférieures à 10-12
km. À cause du vent d ' A u t a n propre à la région toulousaine, les c o m p a r a i s o n s
a v e c des m o d è l e s synoptiques dans les 1 5 0 0 p r e m i e r s mètres d ' a l t i t u d e ne p e u vent être très fiables.
22
e
La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Développements>
prévus
L e p r o g r a m m e de d é v e l o p p e m e n t sur le radar de recherche de T o u l o u s e se
poursuivra suivant d e u x axes :
- M i s e en place d ' u n s y s t è m e à cinq faisceaux d ' a n t e n n e s au lieu de trois.
Cette configuration, déjà p r é v u e sur le profileur opérationnel, doit permettre de
réduire c o n s i d é r a b l e m e n t les erreurs dans la sélection du signal utile et les biais
causés par la d i v e r g e n c e horizontale du vent.
dans les
gration,
fournies
R e c h e r c h e de la m e s u r e la plus représentative du vent pour l'assimilation
m o d è l e s s y n o p t i q u e s . 11 s'agira d ' e x a m i n e r l'influence du t e m p s d ' i n t é en cherchant une déviation m i n i m a l e par rapport aux sorties d ' a n a l y s e s
par le m o d è l e de prévision.
Fig. 21 - Comparaison des
biais et des écarts-types sur
les composantes Est (U) et
Nord (V) par rapport aux
sorties d'analyse du système Arpège. Les contrôles
portent respectivement sur
les radiosondages synoptiques de la station de
Bordeaux (R. Sondage :
traits pleins, croix) et le
radar ST INSU-Météo lors
de la première expérience
(RST exp.1 : tiretés,
triangles) et de la deuxième
expérience (RST exp.2 :
pointillés, étoiles).
Données fournies par
SCEM/Prévi/Compas.
CONCLUSION
L ' é t a t d e s c o n n a i s s a n c e s et les p o s s i b i l i t é s t e c h n o l o g i q u e s p e r m e t t e n t
aujourd'hui d ' e n v i s a g e r la m e s u r e entièrement a u t o m a t i q u e du vent en altitude à
l'aide de profileurs de vent, dans une cadre réglementaire reconnu.
Les a v a n t a g e s d ' u n e telle technique par rapport aux m é t h o d e s traditionnelles sont n o m b r e u x :
- pas de matériel c o n s o m m a b l e ,
- possibilité de réaliser des m e s u r e s à forte c a d e n c e favorisant les observations d ' é c h e l l e s u b s y n o p t i q u e ,
- système entièrement a u t o m a t i q u e pouvant fonctionner sous toutes c o n d i tions m é t é o r o l o g i q u e s ,
- ouverture vers d ' a u t r e s applications c o m m e la m e s u r e du vent vertical,
de la d i v e r g e n c e et de la turbulence, offrant des d é b o u c h é s pour le contrôle de la
pollution ou l ' a é r o n a u t i q u e ,
e
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- possibilité de m e s u r e r le profil de t e m p é r a t u r e virtuelle a v e c l'appoint
d ' u n é m e t t e u r a c o u s t i q u e . Il s ' a g i t d e la m é t h o d e R A S S ( R a d i o - A c o u s t i c
S o u n d i n g S y s t e m ) qui a déjà d o n n é des résultats prometteurs ( A n g e v i n e et al.,
1991 ; Currier et al., 1988). Cette t e c h n i q u e , qui est actuellement à l ' é t u d e au
C N R M , pourra s ' a d a p t e r aisément au profileur opérationnel.
T o u s ces é l é m e n t s m o n t r e n t q u e le profileur de vent s ' i n t è g r e de façon
logique d a n s le cadre de la m é t é o r o l o g i e o b s e r v a t i o n n e l l e de cette fin du X X
siècle. L'installation du premier m o d è l e industriel sur le territoire métropolitain à
La F e r t é - V i d a m e , près de Chartres, à partir de l ' a u t o m n e 1 9 9 4 , constitue la première étape opérationnelle de ce d é v e l o p p e m e n t . U n e description plus détaillée
du profileur de La F e r t é - V i d a m e et des p r e m i e r s résultats o b t e n u s feront l'objet
d ' u n prochain article dans La
Météorologie.
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BIBLIOGRAPHIE
Angevine W.M., D.A. Carter, W.L. Ecklund et K.S. Gage, 1991 : A new technique for
temperature profiling using RASS. Preprints of 25th International Conference on Radar
Meteorology, Paris, 24-28 juin 1991, 241-244.
Balsley B.B. et K.S. Gage, 1982 : On the use of radars for operational wind profiling.
Bull. Amer. Meteorol. Soc, 63, 9, 1009-1018.
Balsley B.B. et W.L. Ecklund, 1972 : A portable coaxial colinear antenna. Proc. IEEE
Transactions on Antenna and Propagation, 20, 513-516.
Barat J. et F. Bertin, 1984 : Simultaneous measurements of temperature and velocity
fluctuations within clear air turbulence layers : Analysis of the estimate of dissipation rate
by remote sensing techniques. J. Atmos. Sci., 4 1 , 1613-1619.
Chadwick R.B., 1988 : The Wind Profiler Demonstration Network. Lower tropospheric
profiling : needs and technologies, Boulder, USA, du 31 mai au T'juin 1988, 109-110.
Clark W.L., J.L. Green et J.M. Warnock, 1986 : Determination of u, v and w from single
station Doppler radar radial velocities. Handbook for MAP, vol. 20, S.A. Bowhill et B.
Edwards, éd., Université de I'Illinois, Urbana, USA, p. 385.
Crochet M., 1990 : Atmospheric profiler radar, developments and outstanding questions.
Meteorol. Rdsch., 42, 123-136.
Currier P.E., W.L. Ecklund, J.M. Warnock et B.B. Balsley, 1988 : Temperature profiling
using a UHF wind profiler and an acoustic source. Lower tropospheric profiling : needs
and technologies, Boulder, USA, 31 mai au 1" juin 1988, 121-122.
Czechowsky P., J. Klostermeyer, J. Rottger, R. Ruster, G. Schmidt et R.F. Woodman,
1976 : The SOUSY-VHF radar for tropospheric, stratospheric and mesospheric sounding.
17th Radar Meteorol. Conf, American Meteorological Society, 349-353.
Czechowsky P., G. Schmidt et R. Ruster, 1983 : The mobile SOUSY-Doppler radar ;
technical design and first results. Handbook for MAP, vol. 9, S.A. Bowhill et B. Edwards,
éd., Université de l'Tllinois, Urbana, USA, 433-446.
Donier J.-M., 1991 : Étude de compatibilité entre un profileur de vent et un service de
télédiffusion. Note technique n° 23, SETIM, Météo-France, Trappes.
Donier J.-M., J.-L. Wahl, E. Lagarde, J.-M. Destruel, M. Gilet et V. Klaus, 1991 :
Evaluation of a 45 MHz wind profiler. Preprints of 25th International Conference on
Radar Meteorology, Paris, 24-28 juin 1991, 253-256.
Farley D.T., 1983 : Coherent integration. Handbook for MAP, vol. 9, S.A. Bowhill et B.
Edwards, éd., Université de l'lllinois, Urbana, USA, 507-508.
Fukao S., T. Sato, T. Tsuda, S. Kato, K. Wakasugi et T. Makihira, 1985 : The MU radar
with an active phased array system. 1 - Antenna and power amplifiers. Radio Sci., 20, 6,
1155-1168.
Gage K.S., W.L. Ecklund, A.C. Riddle et B.B. Balsley, 1986 : Objective tropopause
height determination using low-resolution VHF radar observations. J. Atmos. Ocean.
Technol, 3, 248-254.
Gage K.S., J.R. Mc Afee, W.G. Collins, D. Sôderman, H. Bottger, A. Radford et B.B.
Balsley, 1988 : A comparison of winds observed at Christmas Island using a wind
profiling Doppler radar with N M C and ECMWF analysis. Bull. Amer. Meteorol. Soc, 69,
9, 1041-1046.
24
La M é t é o r o l o g i e 8e série - n° 7 - s e p t e m b r e 1994
Hildebrand P.H. et R.S. Sckhon, 1974 : Objective determination of the noise level in
Doppler spectra. J. Appl. Meteorol, 13, 808-811.
Hollingsworth A., D.B. Shaw, P. Lonnberg, L. Illary, K. Arpe et A.J. Simmons, 1986 :
Monitoring of observation and analysis quality by a data assimilation system. Mon. Wea.
Rev., 114,5,861-879.
Klaus V., 1988 : Le profileur de vent (radar strato-troposphérique), applications à la
météorologie opérationnelle. La Météorologie 7' série, 21, 19-29.
Klaus V., M. Petitdidier, A. Petitpa et M. Massebeuf, 1990 : Data reduction method for
converting a ST radar into a wind profiler ; application to the bifrequency INSU-Meteo
radar. Meteorol. Rdsch., 42, 93-98.
Klaus V., G. Chérel et J.-M. Donier, 1993 : Système de traitement en temps réel pour le
radar strato-troposphérique. Note de centre CNRM, GME1 n° 5, Météo-France, Toulouse.
Kolmogorov A.N., 1941 : The local structure of turbulence in incompressible viscous
fluids for very large Reynolds numbers. C. R. Acad. Sci. URSS, 30, 301-305.
Neisser J., U. Gôrsdorf et H. Steinhagen, 1994 : Comparison of windprofiler and
rawinsonde measurements. WMO Technical conference on instruments and methods of
observation (TECO-94), Genève, 28 février-2 mars 1994, 349-353.
Petitdidier M., V. Klaus, F. Baudin, M. Crochet, G. Penazzi et P. Quinty, 1986 : The Insu
and DMN network of ST radars. Handbook for MAP, vol.20, S.A. Bowhill et B. Edwards,
éd., Université de lTllinois, Urbana, USA, 347-348.
Pilon J., 1989 : Utilisation des radars ST comme profileurs de vent opérationnels.
Quatrième conférence technique des instruments et méthodes d'observation, OMM,
Bruxelles.
Radford A.M. et S.R. Waters, 1992 : Monitoring of wind observations from the Capel
Dewi MST radar, document interne du Meteorological Office, Bracknell, Royaume-Uni.
Slater K., A.D. Stevens, S.A.M. Pearmain, D. Eccles, A.J. Hall, L. France, G. Roberts,
Z.K. Olewicz et L. Thomas, 1991 : Overview of the MST radar system at Aberystwyth.
Proceedings of the 5th Workshop on Technical and Scientific Aspects of MST Radar, 6-9
août 1991, Aberystwyth, Royaume-Uni, 479-482.
Strauch R.G., 1983 : Techniques for measurement of horizontal and vertical velocities :
optimum pointing angle. Handbook for MAP, vol. 9, S.A. Bowhill et B. Edwards, ed.,
Université de lTllinois, Urbana, USA, 232-234.
Tatarskii V.I., 1961 : Wave propagation
in a turbulent medium. Mc Graw Hill, New York.
Van Baelen J.S., 1990 : Comparison of clear air atmospheric radar techniques for the
study of atmospheric dynamics in the troposphere and the stratosphere. Ph.D. Thesis
n° 128, Université de Colorado et NCAR, USA, 95-99.
Woodman R.F. ct A. Guillen, 1974 : Radar observation of winds and turbulence in the
stratosphere and mésosphère. J. Atmos. Sci., 3 1 , 493-505.
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