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Un radar météorologique Doppler : pour quoi faire ? ation Observ

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Un radar météorologique Doppler : pour quoi faire ? ation Observ
Observation
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La Météorologie - n° 38 - août 2002
Un radar météorologique Doppler :
pour quoi faire ?
Pierre Tabary(1), Georges Scialom(2) et Alain Protat(2)
(1) Météo-France
Direction des systèmes d’observation
7, rue Teisserenc-de-Bort
78195 Trappes
Courrier électronique : [email protected]
(2) Centre d’étude des environnements terrestre et planétaires (CETP)
CNRS et université de Versailles – Saint-Quentin-en-Yvelines
10-12, avenue de l’Europe
78140 Vélizy
Résumé
La progression de la qualité des modèles d’analyse et de prévision météorologique, en termes de résolution spatio-temporelle et de représentation des
champs de précipitations, met les radars, et plus particulièrement les
réseaux de radars, sur le devant de la scène. Cet article passe en revue les
développements technologiques et méthodologiques ayant trait à l’acquisition et à l’exploitation du signal Doppler des radars météorologiques.
Dans une première partie, la technique d’acquisition du signal Doppler est
brièvement rappelée. Ensuite, quelques applications directes exploitant ce
signal sont décrites, telles que la correction des échos de sol ainsi que la
détection et le suivi des systèmes météorologiques dangereux. Les applications passées en revue dans la suite de l’article visent toutes à restituer des
informations sur le champ de vent. Les méthodes mono-Doppler (à un seul
radar) sont introduites et regroupées de façon chronologique en trois
grandes classes : la première repose sur une hypothèse de linéarité locale du
champ de vent, la deuxième sur une hypothèse d’advection du système
observé sans déformation interne et la troisième consiste à inclure dans
l’analyse des données Doppler un certain nombre de contraintes physiques,
par exemple au travers d’un modèle numérique à mésoéchelle. Finalement,
les grands principes des méthodes poly-Doppler (à au moins deux radars)
sont exposés. Cette partie est l’occasion d’introduire la technologie bistatique, qui consiste à ajouter des récepteurs passifs autour d’un radar
principal et permet d’accéder ainsi, à moindre coût, au champ de vent tridimensionnel complet.
Abstract
A Doppler weather radar: what for?
The improvement of analysis and forecast models, in terms of space and
time resolution, and representation of precipitation fields, puts the focus on
weather radars, and in particular on radar networks. This paper is a review
of the technical and methodological developments related to the extraction
and exploitation of the Doppler information of weather radars.
In the first part, the data processing technique used to extract the Doppler
effect is briefly recalled, then some straightforward applications are described, such as ground-clutter correction and the detection and tracking of
severe weather systems. Applications reviewed in the rest of the paper are
all aimed at retrieving some information on the wind field. Single-Doppler
methods (only one radar) are introduced and divided into three broad categories; the first one assumes local linearity of the wind field; the second
assumes advection without any internal evolution; the third one puts physical
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La Météorologie - n° 38 - août 2002
constraints on the data analysis by means, for instance, of a mesoscale
numerical model. Finally, the basic principles of multiple-Doppler (at least
two radars) are given. Included here is a special section devoted to the bistatic technology in which several passive receivers are installed around the
radar, allowing cheap retrieval of the complete three-dimensional wind
field.
La progression de la qualité des modèles de prévision numérique du temps et le
besoin croissant en données qui en résulte pour la prévision immédiate et l’assimilation à mésoéchelle mettent les radars – et plus particulièrement les réseaux
de radars – sur le devant de la scène. En effet, les radars fonctionnant en réseau
sont pratiquement les seuls instruments capables de couvrir
des domaines d’échelle synoptique (par exemple, l’Europe
occidentale ou l’Amérique du Nord) avec une résolution spatiale et temporelle permettant le suivi des structures météorologiques d’échelle convective (quelques kilomètres et
quelques minutes). La figure 1 donne une idée de la couverture de l’Europe par les radars météorologiques.
Figure 1 - Carte des radars météorologiques européens au 5 janvier 2002. En
rouge, les radars existants ; en vert, les radars prévus.
(Carte disponible sur le site [www.chmi.cz/OPERA])
Depuis leur naissance, au lendemain de la seconde guerre
mondiale, dans le sillage des radars militaires (voir l’historique de Page, 1962), les radars météorologiques ont connu
plusieurs évolutions. Parmi les plus récentes, figure le développement des radars à diversité de polarisation, dont une
synthèse a récemment été présentée par Sauvageot (2000).
Cette nouvelle génération de radars, émettant des ondes polarisées linéairement ou circulairement, présente des avantages
considérables par rapport aux radars conventionnels pour la
quantification des précipitations et la classification des types
d’hydrométéores au sein des systèmes précipitants.
Néanmoins, la technologie et les algorithmes exploitant toute
la richesse de l’information polarimétrique sont encore en
phase de développement ou de validation et il n’existe à
l’heure actuelle que très peu de radars polarimétriques dans les
réseaux opérationnels. À moyen terme cependant, cette capacité de diversité de polarisation devrait être adjointe aux radars
WSR-88D du réseau opérationnel américain (Doviak et al.,
2000).
Une autre évolution récente et prometteuse est le concept de réseaux Doppler
bistatiques (Wurman et al., 1993 ; Protat et Zawadzki, 1999), dont nous donnons quelques exemples plus loin.
Le radar Doppler Ronsard du CETP, ici dans la région du lac Majeur pendant la campagne expérimentale MAP.
(Photo Météo-France, Pascal Taburet)
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Enfin, une avancée technologique, antérieure à celles précitées et déjà largement
exploitée dans un cadre opérationnel, est la mesure du décalage Doppler induit
par le mouvement des hydrométéores. Ce mouvement se confond avec celui de
l’air environnant, sauf suivant la verticale où une différence existe du fait de la
chute gravitationnelle des précipitations. De très nombreux radars opérationnels
possèdent déjà la capacité Doppler.
Ainsi, dans le cadre des perspectives nouvelles ouvertes dans les domaines de
l’analyse, de la prévision à très courte échéance et de l’assimilation, l’objectif de
cet article est de passer en revue les différentes approches qui ont été développées pour exploiter le signal Doppler des radars météorologiques. Cet article ne
prétend pas être exhaustif, mais nous nous sommes attachés à citer les travaux
des pionniers qui ont largement contribué à faire du radar Doppler un instrument clé de l’étude des systèmes précipitants. En outre, nous pensons que l’expérience méthodologique acquise au fil des ans dans le traitement des données de
radars Doppler et résumée dans cet article pourra servir de base au traitement des
données de radars 94 GHz (dits radars nuage) et de lidars Doppler, dont l’usage
va croissant dans les campagnes de mesures et dans les réseaux d’observation
opérationnels. Pour chaque méthode présentée, sont détaillés le degré de complexité, les hypothèses sous-jacentes, les paramètres restitués et les possibilités
d’application opérationnelle. L’accent est également mis sur l’arrière-plan historique (développement instrumental, campagnes de mesures ou mise en place
d’un réseau) du développement des différentes méthodes.
Le radar Doppler à pointage vertical
de l’Institut fédéral suisse de technologie
(ETH en allemand). (DR)
Dans la deuxième partie, sont résumés les aspects techniques liés à la mesure du
décalage Doppler et au traitement de l’information en temps réel. Dans la troisième partie, sont détaillées quelques applications directes qui utilisent ce décalage. Les parties suivantes sont consacrées à la restitution des informations sur le
champ de vent. Les différentes méthodologies sont réparties en deux classes :
mono-Doppler (quatrième partie) et poly-Doppler (cinquième partie). Le terme
mono-Doppler signifie que la méthode s’applique à un seul radar, alors que le
terme poly-Doppler se rapporte à un réseau de plusieurs radars (au moins deux)
dont les zones de mesure se recouvrent.
Le radar Doppler :
aspects techniques
Nous renvoyons à Doviak et Zrnic (1984) ou Sauvageot (1992) pour une description technique complète de la façon dont l’information Doppler est extraite du
signal radar.
Un mode de balayage très classique des radars est de type conique et est appelé
PPI (Plane Position Indicator). La figure 2 en donne une vue géométrique et précise les notations. Le radar émet des impulsions électromagnétiques de durée très
brève (quelques microsecondes) dans une direction d’azimut et d’élévation .
Le long de la radiale, les hydrométéores contenus dans le volume de résolution
sont irradiés par l’onde électromagnétique et la diffusent dans toutes les directions, en particulier dans la direction du radar (on parle dans ce cas de rétrodiffusion). En raison du déplacement des cibles (les hydrométéores) par rapport à la
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La Météorologie - n° 38 - août 2002
Figure 2 - Schéma d’un balayage de type PPI (Plane Position Indicator) pour un radar
au sol situé au point O. Le faisceau du radar tourne et décrit des cônes d’élévation ␸
croissante. ␪ est l’angle d’azimut (angle entre le nord et la projection de la direction
de visée sur le plan horizontal). Vr est la vitesse radiale au point de mesure M et correspond à la projection de la vitesse des hydrométéores (u, v et w-vT) sur la direction
de visée. On identifie cette vitesse avec la vitesse de l’air, sauf selon la verticale où il
existe une différence due à la vitesse de chute propre des particules, notée vT.
source émettrice (le radar) le long du faisceau, un décalage en
fréquence se produit, proportionnel à la vitesse radiale des
gouttelettes. Grâce à ce phénomène, initialement mis en évidence sur les ondes sonores par le physicien autrichien
Christian Doppler(1) en 1842, puis révélé sur les ondes lumineuses par le Français Henri Fizeau en 1859, le radar est
capable de donner, en tout point du système précipitant, la valeur de la vitesse
radiale de l’air, à condition de corriger au préalable les mesures pour éliminer la
vitesse de chute des hydrométéores.
Le repliement
Lorsque l’on éclaire, à l’aide d’un stroboscope dont la fréquence d’illumination est
fixée, une roue en rotation ayant un marqueur sur sa périphérie, l’œil humain est
capable de reconstituer le sens et la vitesse de rotation du marqueur si la fréquence
de rotation de la roue est inférieure à la moitié de la fréquence d’illumination. En
revanche, si l’on augmente la vitesse de rotation de la roue au-delà d’un certain seuil,
l’œil a l’impression que le marqueur tourne dans le sens contraire de la roue et que
sa vitesse de rotation est plus lente que la vitesse de rotation de la roue. Le mouvement du marqueur apparaît replié.
De la même façon, la plupart des radars météorologiques Doppler émettent des
impulsions successives à une certaine cadence, appelée PRF (en anglais Pulse
Repetition Frequency), et le mouvement apparent des hydrométéores est reconstitué à partir de l’évolution, tir après tir, de la phase de l’onde rétrodiffusée par rapport
à la phase de l’onde émise. Comme dans le cas de la roue, si la vitesse radiale
excède un seuil appelé vitesse de Nyquist et
dépendant du PRF, le mouvement apparent des
hydrométéores sera replié.
Figure 3 - Sur cette vue panoramique de type PPI obtenue pendant MAP par le radar Ronsard du CETP le 20 septembre 1999
à 3 h UTC, les couleurs rouges (resp. bleues) correspondent à
des vitesses radiales positives (resp. négatives), c’est-à-dire ici
à des cibles s’approchant (resp. s’éloignant) du radar situé au
centre. L’élévation du radar est de 1,3 degré pour ce balayage.
La vitesse de Nyquist est de 19,6 m/s. Les régions 1 et 2 correspondent à des repliements de la vitesse résultant du fait que
la vitesse réelle des cibles dans ces régions excède la vitesse
de Nyquist ; elles sont facilement identifiables par les discontinuités – on passe brutalement du bleu au rouge – qui les bornent. La région 3 est une zone où les faisceaux du radar
interceptent les contreforts sud des Alpes qui, immobiles, apparaissent très nettement en jaune (couleur des vitesses nulles). La
région 4 (région-limite de couleur jaune, donc de vitesse radiale
nulle) indique la zone où le vent est perpendiculaire aux radiales
issues du radar ; c’est une droite en l’absence de rotation du
vent dans le disque de mesure. Dans le cas présent, on en déduit
que le flux, plutôt de sud-est dans la partie gauche de la région 4,
tourne au sud-ouest dans la partie droite.
Un autre point important à signaler concernant le calcul de la vitesse Doppler et
le post-traitement des données est l’existence possible de repliements (aliasing
en anglais) des mesures. Ce phénomène est décrit dans l’encadré ci-dessus, dans
lequel la figure 3 représente un champ de vitesses radiales tel qu’il apparaît sur
les écrans radar en mode PPI, pour un exemple tiré de la récente campagne expérimentale MAP (Mesoscale Alpine Programme, voir Bougeault et al., 2001).
(1) En 1842, Doppler publia un article décrivant ce phénomène et, trois ans plus tard, une expérience
confirma sa théorie : quinze trompettistes furent placés dans un train et les expérimentateurs se placèrent au bord de la voie. Quand le train arriva, les trompettes retentirent et la hauteur des sons des
trompettes sembla diminuer quand le train fut passé comme l’avait prédit Christian Doppler.
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Dernière minute :
une petite expérience sur le radar de Trappes
Une expérience a récemment été réalisée afin d’évaluer la faisabilité de la dopplérisation de certains radars du réseau Aramis (Météo-France). Le radar utilisé pour cette
expérience est le radar Rodin en bande C de Trappes. Ce radar est équipé d’un
magnétron coaxial et du tout nouveau calculateur Castor-2. Sa fréquence de répétition est de 333 Hz. La mesure du déphasage Doppler lié au mouvement des hydrométéores nécessite d’étudier l’évolution au cours du temps, c’est-à-dire sur plusieurs
tirs consécutifs, de la phase de l’onde rétrodiffusée normalisée par la phase de l’onde
émise. Cette phase normalisée s’écrit très simplement :
=4r/
(1)
r étant la distance radar-cible et la longueur d’onde du radar. L’équation (1), une
fois dérivée, permet de relier la vitesse radiale dr/dt à l’évolution de la phase d/dt.
À la différence du klystron, le magnétron ne permet pas de contrôler la phase de
l’onde émise et celle-ci fluctue d’un tir à l’autre. Il est donc nécessaire, dans ce cas,
de mesurer la phase à l’émission et de la retrancher aux mesures obtenues sur les
voies de réception.
Pour extraire des informations Doppler sur le radar de Trappes, les étapes suivantes
ont dû être franchies :
• L’oscillateur local, qui permet de passer des hyperfréquences de l’ordre de 5 GHz
aux fréquences intermédiaires de l’ordre de 30 MHz, a été remplacé par un synthétiseur de fréquence stable.
• Une carte de numérisation-transposition a été mise en place afin de traiter simultanément les voies complexes d’émission et de réception. Pour chaque tir, la phase et
la puissance de l’onde émise ont été calculées et les signaux en réception (partie en
phase et partie en quadrature) ont été normalisés.
• Des transformations de Fourier glissantes ont ensuite été réalisées sur des séries de
64 tirs successifs et ont permis d’obtenir, dans des pixels de 1 km (radial) x 1 degré
(azimut), les spectres Doppler.
• À partir de ces spectres, différents moments statistiques ont pu être calculés, tels
que la réflectivité (ordre 0), la vitesse (ordre 1) et la variance (ordre 2).
La figure 4 ci-dessous montre une représentation VAD (voir plus loin) de la vitesse
radiale en fonction de l’azimut à une altitude de 500 mètres. La vitesse de Nyquist
du radar est très faible (4,44 m/s) et des repliements sont nettement visibles (entre 0
et 100 degrés et entre 150 et 300 degrés). Si l’on repositionne mentalement ces portions repliées, on retrouve assez clairement le profil sinusoïdal. L’amplitude et la
phase de cette sinusoïde donnent la vitesse et la direction du vent (environ 8 m/s et
180 degrés).
Si ces résultats sont encourageants, d’innombrables difficultés subsistent : l’intervalle de
Nyquist est très réduit et les repliements sont
nombreux, les signaux, traités dans le
domaine linéaire, sont noyés dans le bruit audelà de 20 km, l’information angulaire n’est
pas fournie pour chaque tir… Néanmoins, la
faisabilité de la mesure de la phase avec un
radar du réseau Aramis est démontrée et on
peut considérer que, pendant 72 secondes,
le jeudi 11 avril 2002, quelque quarante ans
après les travaux du pionnier Roger
Lhermitte, le radar de Trappes a fonctionné
en mode Doppler.
200
Figure 4 - Représentation de la vitesse radiale en fonction de l’azimut à une altitude de 500 mètres pour le
radar de Trappes
Techniquement, une façon d’accroître l’intervalle de Nyquist et, par suite, de
limiter les repliements de vitesse est d’équiper le radar de deux ou de plusieurs
fréquences d’échantillonnage (double- ou multi-PRF). La combinaison des
mesures de vitesse pour les différents PRF revient en effet à utiliser un PRF
unique équivalent au plus petit commun multiple des PRF du dispositif, ce qui
permet de remonter à la vitesse réelle des cibles avec un intervalle d’ambiguïté
largement étendu (Sauvageot, 1992). Pour traiter les données de vitesse d’un
radar muni d’un seul PRF, on utilise la continuité spatiale (à une, deux, voire
trois dimensions) ou temporelle des mesures. Une batterie d’algorithmes reposant sur cette idée maîtresse a ainsi été proposée, l’une des versions les plus
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évoluées ayant servi lors de la récente expérience MAP (James et Houze,
2001). Partant d’un point de référence connu, les vitesses sont corrigées de
proche en proche en étant recalées dans l’intervalle de Nyquist qui minimise
l’écart aux valeurs proches déjà corrigées. Les principales limitations des algorithmes de dépliement sont liées :
– aux forts cisaillements de vent ;
– à l’absence de données le long d’une radiale ou entre radiales ;
– à la nécessité de disposer d’une référence qui puisse servir de base de départ au
dépliement par continuité.
Ce dernier point rend la plupart des algorithmes dépendants d’une source
d’information extérieure aux mesures radar (radiosondage, profileur de vent, sortie de modèle...), même si un certain nombre d’approches ont été proposées pour
construire des algorithmes autosuffisants (Yamada et Chong, 1999 ; Tabary et
al., 2000 ; Tabary et al., 2001).
Applications directes
du radar Doppler
Il existe essentiellement deux sortes d’applications directes du radar Doppler :
la correction des échos de sol et la détection des structures météorologiques
dangereuses.
Les échos de sol
La connaissance de la vitesse radiale est très utile pour différencier les cibles
météorologiques des échos de sol (aussi appelés échos fixes). En effet, la vitesse
radiale associée à un écho de sol étant théoriquement nulle, tous les échos ayant
une vitesse radiale non nulle peuvent être identifiés sans ambiguïté comme des
échos météorologiques, biologiques (oiseaux) ou anthropiques (avions).
En pratique, il y a essentiellement deux philosophies qui consistent, l’une à décider, pour chaque point de mesure, s’il s’agit d’un écho de sol ou d’une cible
météorologique, l’autre à soustraire, pour chaque point de mesure, la contribution éventuelle de l’écho de sol. La première stratégie (identification) est souvent
mise en œuvre au travers d’un arbre de décision combinant différents critères
caractéristiques de l’écho de sol, tels qu’une vitesse radiale petite, une réflectivité forte, un faible écart type du signal, une certaine proximité du sol, etc. C’est
ainsi que sont traitées les données des trois radars Doppler en bande C de
l’Institut météorologique suisse (Joss et al., 1998). La seconde approche (élimination) consiste à appliquer, en temps réel, aux spectres Doppler obtenus dans
chaque porte de distance un filtre coupe-bande centré sur la raie de vitesse
Doppler nulle. Un faisceau rasant interceptant partiellement le relief et partiellement les cibles météorologiques en mouvement se caractérise par un spectre
Doppler bimodal. Dans ce cas, l’avantage de la méthode d’élimination par rapport à la méthode d’identification est évident : la contribution du sol sera éliminée par le filtre et l’information météorologique pourra être correctement
restituée. Ce type de filtrage est utilisé sur les radars du réseau américain.
Pour être complet sur ce point, il convient de mentionner qu’un paramètre très
utile pour distinguer échos de sol et cibles météorologiques, quand la vitesse
radiale mesurée est nulle, est la variance de l’énergie du signal reçu. C’est sur ce
paramètre, qui peut être obtenu avec un radar conventionnel (non Doppler), que
repose l’éliminateur d’échos fixes du réseau de radars français Aramis.
Les structures
météorologiques
dangereuses
Les données de vitesse radiale sont aussi extrêmement précieuses en tant que
données d’entrée pour des algorithmes de détection et de suivi de structures
météorologiques potentiellement dangereuses, telles que les vents de rafale, les
tourbillons de moyenne échelle, les tornades, les rafales descendantes ou les
zones de cisaillement de vent. Toutes ces structures ont en général des signatures
très nettes sur la vitesse radiale mesurée à proximité du radar. Ainsi, la plupart
des algorithmes utilisés recoupent ces informations radar Doppler avec des
images satellitaires et des observations conventionnelles (radiosondages, stations
automatiques), puis extrapolent les structures détectées à une échéance de
quelques dizaines de minutes selon des règles semi-empiriques ; un bon exemple
d’un tel algorithme est fourni par le système Thunderstorm Autonowcaster développé aux États-Unis (Henry et Wilson, 1995). Ce domaine de la radarmétéorologie est toujours une composante de recherche très active, comme le démontrent
les nombreuses contributions qui lui sont régulièrement consacrées lors de la
Conference on Radar Meteorology de l’American Meteorological Society.
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La Météorologie - n° 38 - août 2002
Restitution du champ
de vent en mode
mono-Doppler
On examine maintenant les diverses méthodes qui permettent d’accéder à des
informations sur le champ de vent en utilisant un seul radar Doppler (mode
mono-Doppler).
Méthodes reposant
sur une hypothèse
de linéarité
Dans la mesure où un radar Doppler ne détermine, en tout point de l’espace, que la
composante radiale Vr de la vitesse des hydrométéores, il est nécessaire d’ajouter des
hypothèses supplémentaires si l’on souhaite obtenir des informations sur le champ de
vent. Historiquement, l’hypothèse qui a donné naissance au plus grand nombre de
développements est l’hypothèse de linéarité locale. L’idée, très simple, consiste à
faire un développement limité au premier ordre des trois composantes du vent autour
d’un point origine. Autrement dit, on considère que, dans la région environnant ce
point origine, chacune des composantes du vent varie linéairement dans l’espace (en
coordonnées cartésiennes). En utilisant la géométrie d’observation du radar et en projetant les composantes linéarisées du vent sur la direction de visée de l’instrument, on
obtient une expression de la vitesse radiale en fonction des trois coordonnées sphériques (élévation ␸, azimut ␪ et distance radiale r). La formalisation progressive du
problème est indissociable, d’une part, de l’amélioration de la qualité et de la fiabilité
des mesures et, d’autre part, de l’accroissement constant de la puissance des calculateurs. En outre, elle est tout à fait révélatrice de la triple démarche scientifique vers
plus de précision, de synthèse et de généralisation.
Les premiers, Lhermitte et Atlas (1961) montrent qu’il est possible d’estimer le vent
horizontal (en vitesse et en direction) et la vitesse de chute des hydrométéores à partir
d’une représentation vitesse radiale versus azimut (r et ␸ étant fixés) lors d’une rotation de l’antenne du radar Doppler. C’est la naissance de la méthode VAD (Velocity
Azimuth Display). Deux ans plus tard, Caton (1963) précise la formulation de
Lhermitte et Atlas en faisant remarquer que le terme constant du VAD contient, en
plus de la vitesse de chute des précipitations, une contribution de la divergence horizontale. Enfin, Browning et Wexler (1968) font la synthèse des résultats précédents
et donnent le développement complet de Vr en fonction de l’azimut, en faisant apparaître la contribution de la vitesse de chute et de la divergence dans le terme constant,
la contribution du vent horizontal dans les termes d’ordre 1 et la contribution des
déformations de cisaillement et d’étirement dans les termes d’ordre 2. Le nombre de
paramètres indépendants restitués est égal au nombre de fonctions indépendantes
dans le développement de la vitesse radiale. Ainsi, selon l’analyse de Browning et
Wexler, cinq paramètres peuvent être déterminés.
Pour accroître le nombre de paramètres restitués, il faut accroître le nombre de
fonctions indépendantes en faisant varier les deux autres composantes de la géométrie sphérique, à savoir la distance r et l’élévation ␸. Ainsi, Easterbrook
(1975) introduit la méthode VARD (Velocity ARea Display), qui consiste à
faire varier, non seulement l’azimut ␪, mais aussi la distance radiale r. Une application intéressante est la discrimination entre la vitesse de chute des hydrométéores et la divergence horizontale. Enfin, mettant un point final dans cette voie
de la linéarité, Waldteufel et Corbin (1979) proposent une analyse générale dans
laquelle les trois coordonnées sphériques (r, ␪, ␸) varient, ce qui permet de restituer neuf paramètres indépendants combinant les dérivées du champ de vent.
L’analyse est même encore plus générale, car elle est faite autour d’un point qui
ne correspond pas nécessairement à l’emplacement du radar. La méthode de
Waldteufel et Corbin est appelée méthode VVP (Velocity Volume Processing).
Finalement, à partir des vitesses radiales mesurées, les méthodes VAD et VVP permettent d’obtenir la vitesse verticale de l’air, la vitesse de chute des hydrométéores, les
composantes horizontales du vent, la divergence horizontale et les déformations
d’étirement et de cisaillement. Ce qui veut dire qu’un seul radar ne permet pas
d’avoir accès à l’ensemble des dérivées du vent, en particulier au tourbillon vertical.
La figure 5 illustre une représentation typique vitesse radiale versus azimut.
Toutes ces méthodes sont très rapides et un critère de qualité peut facilement être
mis en place pour évaluer la qualité des profils restitués (critère reposant, par
exemple, sur la qualité de l’ajustement linéaire), ce qui les rend très avantageuses
dans une optique opérationnelle. De fait, l’utilisation la plus fréquente des radars
Doppler opérationnels est la restitution de profils verticaux de vent horizontal par
les méthodes VAD ou VVP. Néanmoins, on peut citer trois inconvénients
majeurs en vue d’une application opérationnelle de ce type d’approche :
La Météorologie - n° 38 - août 2002
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Figure 5 - Représentation vitesse radiale
versus azimut dans une situation
où la vitesse du vent excède largement
la vitesse de Nyquist du radar. Les données
représentées sur cette figure correspondent
à la situation de la figure 3
(20 septembre 1999 à 3 h UTC). Il s’agit
ici des mesures du radar Doppler
suisse Monte Lema, dont la vitesse
de Nyquist est de 16,5 m/s. La vitesse
et la direction du vent restituées (47 m/s
et 180 degrés) correspondent à l’amplitude
et à la phase de la sinusoïde continue.
Cette sinusoïde a été déterminée par
ajustement au sens des moindres carrés
sur le nuage de points, après avoir replacé
les arches de la sinusoïde, manifestement
repliées, dans le bon intervalle de Nyquist.
(Adapté de Tabary et al., 2000)
• Le premier est lié à l’hypothèse de linéarité, qui peut être très limitante dans
des situations à fort cisaillement où, justement, il est très important, dans un but
d’alerte, d’avoir le maximum d’informations.
• Ensuite, le nombre de niveaux verticaux du profil de vent restitué et la qualité
de l’ajustement dépendent du remplissage, c’est-à-dire de l’extension horizontale
et verticale des zones précipitantes. Cette limitation est, par exemple, la raison
essentielle pour laquelle un radar ne pourra jamais remplacer un radiosondage.
• Enfin, intuitivement, on comprend très bien que ramener tout le volume
d’informations que fournit un radar Doppler typique (portée d’environ 100 kilomètres, incrément azimutal d’environ 1 degré, une dizaine d’élévations différentes) à un seul profil de vent, c’est sous-exploiter considérablement les
potentialités volumiques de l’instrument, qui sont pourtant particulièrement intéressantes pour la prévision à très courte échéance. C’est la raison pour laquelle
des méthodes plus élaborées ont été proposées.
Méthodes plus élaborées
L’examen de la densité spatiale des radars opérationnels dans la plupart des
pays (figure 1) montre que les zones de recouvrement de ces instruments sont
en général limitées, ce qui ne permet pas d’appliquer les méthodes polyDoppler détaillées par la suite. Néanmoins, comme indiqué précédemment,
condenser toute l’information volumique du radar dans un profil vertical apparaît comme une sous-exploitation majeure des potentialités de l’instrument.
Nous présentons dans cette partie deux familles de méthodes mises au point à
un intervalle d’une trentaine d’années et visant toutes deux à dépasser les limitations de l’hypothèse de linéarité et à extraire davantage d’informations du
caractère volumique de la mesure radar.
La première famille de méthodes, due à Peace et al. (1969), repose sur l’hypothèse que le système météorologique observé se déplace sans déformation
interne. Ainsi, par exemple, la dynamique interne d’une ligne de grains est assez
bien conservée au cours de son déplacement. De la même façon, un front océanique qui traverse la France peut être considéré comme un système dont la durée
caractéristique d’évolution interne est grande devant la durée caractéristique de
transport. Sous cette hypothèse, deux observations volumiques du même système
à deux instants successifs peuvent être considérées comme deux observations
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Le radar Doppler Ronsard
sous l’orage pendant
la campagne MAP.
(Photo Pierre Tabary)
La Météorologie - n° 38 - août 2002
simultanées effectuées sous deux points de vue différents. Cette conversion tempsespace permet de faire avec un seul radar des analyses poly-Doppler (dont le principe est exposé dans la partie suivante) et d’accéder au champ de vent
tridimensionnel au sein du système. De nombreuses variantes à cette méthode ont
vu le jour depuis 1969 – citons par exemple Caillault et Lemaître, 1999 –, mais
elles se sont toujours appuyées sur l’idée maîtresse de conversion temps-espace.
Les principales limitations sont, d’une
part, l’hypothèse de stationnarité du
système observé (1), d’autre part, les
contraintes liées à la géométrie d’observation qui font intervenir la vitesse et la
direction de propagation du système et
sa distance au radar.
La seconde famille d’approches, plus
récente, consiste à combiner les données radar avec diverses contraintes
physiques (équation de conservation
de la réflectivité, équation du tourbillon, équation de continuité de la
masse d’air, etc.), de façon à s’affranchir du mauvais conditionnement
mathématique du problème à un radar.
Les différentes variantes ont été proposées par Tuttle et Foote (1990), Sun
et al. (1991), Laroche et Zawadzki
(1994), Shapiro et al. (1995), Sun et Crook (1997 et 1998). Ces derniers ont utilisé un modèle numérique de nuages et son modèle adjoint pour restituer les
paramètres dynamiques et thermodynamiques d’un système précipitant observé
par un radar Doppler. L’idée est de contraindre, sur une fenêtre temporelle donnée, la « trajectoire » du modèle par une série d’observations volumiques de
vitesse radiale et de réflectivité. En appliquant les concepts de l’assimilation
variationnelle quadridimensionnelle, qui prennent en compte les équations de la
physique et donc les paramètres non observés par le radar, il est ainsi possible
de déterminer l’état initial du système dont la trajectoire ultérieure s’ajuste au
mieux, sur la fenêtre temporelle (typiquement une heure), aux observations
radar. L’intérêt est multiple : tout d’abord, ce ne sont plus seulement les trois
composantes du vent qui sont restituées, mais aussi les champs de température,
d’humidité et de pression. Ensuite, tous ces champs sont disponibles, non seulement à l’intérieur du système précipitant, mais aussi dans les zones d’air clair
environnantes. Enfin, la configuration d’observation n’est plus un facteur limitant, le modèle compensant, s’il y a lieu, le manque d’informations.
Serafin et Wilson (2000) indiquent que ce type d’approche est très prometteur et
pourrait bien être utilisé de façon opérationnelle dans le réseau américain de
radars Doppler, avec des modèles numériques locaux, pour répondre aux besoins
de prévision immédiate des phénomènes dangereux. Les seules limitations sont
liées, d’une part au modèle lui-même et à la difficulté de calculer l’adjoint d’un
modèle à mésoéchelle pour lequel les phénomènes convectifs et ceux liés à
l’évolution des précipitations sont fortement non linéaires, d’autre part à la durée
requise pour la fenêtre temporelle d’assimilation, qui rend cette approche inutilisable pour des échéances inférieures à une heure. On peut néanmoins penser
qu’en deçà de cette échéance, un modèle plus simple de prévision immédiate
donnerait des résultats satisfaisants.
La validation de ces méthodes mono-Doppler s’effectue généralement par comparaison avec des analyses poly-Doppler réalisées dans le cadre de campagnes de
terrain. Ces validations indiquent qu’actuellement, ces méthodes ne fournissent
pas encore des résultats aussi fiables que les méthodes poly-Doppler (De Elia et
Zawadzki, 1997 ; Shapiro et al., 1999), même si certaines caractéristiques de la
dynamique atmosphérique sont parfois bien restituées, à savoir principalement
celles qui se trouvent dans la direction de visée du radar et dans les basses
couches de la troposphère.
(1) En pratique, l’hypothèse de stationnarité est à peu près bien vérifiée pour des vitesses de déplacement du système météorologique supérieures à 10 m/s. Un moyen de contourner cette limitation est
d’utiliser un radar Doppler aéroporté, pour lequel la vitesse de déplacement du système météorologique est remplacée par la vitesse de l’avion, beaucoup plus rapide.
La Météorologie - n° 38 - août 2002
39
Restitution
du champ de vent
tridimensionnel
en mode poly-Doppler
Les méthodes appelées poly-Doppler consistent à combiner, dans la zone de
recouvrement de plusieurs radars, leurs mesures de vitesse radiale pour en
déduire le vent tridimensionnel.
Champs de vent linéaires
ou quadratiques :
les extensions
de la méthode VAD
La simplicité de l’analyse VAD et le fait qu’elle s’applique à la géométrie
conique, le plus couramment utilisée avec les radars, en font le candidat idéal
pour des applications opérationnelles.
La méthode la plus simple à deux radars est le VAD appliqué à ces deux
radars, ou méthode du Double VAD (Scialom et Testud, 1986). Rappelons
que l’hypothèse de départ est la variation linéaire des composantes horizontales du vent dans l’espace, ce qui signifie que les dérivées premières de ces
composantes (au nombre de quatre) sont constantes dans chaque plan horizontal. On a montré précédemment qu’une analyse à l’ordre 2 de la vitesse radiale
mesurée en fonction de l’azimut permet d’obtenir, en plus des composantes
horizontales du vent, la divergence et les deux termes de déformation du vent
horizontal, c’est-à-dire trois combinaisons linéaires (sur quatre) des dérivées.
Pour obtenir la quatrième information, à savoir le tourbillon vertical, il faut
donc disposer d’un deuxième radar de façon à produire des mesures de vitesse
deux à deux non colinéaires. Une fois que l’on a obtenu deux séquences
coniques simultanées à partir de deux radars, la méthode du Double VAD
consiste à appliquer l’analyse VAD à chaque séquence, les résultats des deux
séquences étant ensuite combinés pour obtenir l’information manquante de
tourbillon vertical. L’intérêt, outre la simplicité et le faible temps de calcul
requis, est de pouvoir associer très facilement les résultats de plusieurs radars
deux à deux et d’accéder ainsi, pour chaque niveau vertical, au champ de vent
horizontal complet.
Une extension immédiate de cette méthode consiste à supposer un vent quadratique, ce qui nécessite un développement du vent horizontal à l’ordre 3 en fonction de l’azimut, au lieu de l’ordre 2 dans le cas linéaire, avec toujours une
association des résultats de radars deux à deux. Cette extension quadratique,
appelée Quadratic VAD (Scialom et Lemaître, 1994), permet d’accéder à des
variations linéaires de divergence, de déformation ou de tourbillon dans chaque
plan horizontal, et donc à des cisaillements plus localisés et à des structures plus
fines du vent horizontal.
Principes généraux
des méthodes poly-Doppler
L’utilisation croissante des radars Doppler (au sol ou aéroportés) dans les campagnes de mesures – par exemple les campagnes Copt (1981), Fronts 87 (1987),
Toga-Coare (1992), Fastex (1997) et MAP (1999) –, en tant qu’outil d’investigation des systèmes précipitants, a stimulé le développement de méthodes élaborées et robustes exploitant de façon combinée les mesures de vitesse radiale. La
diversité de ces méthodes est grande,
mais toutes reposent cependant sur
quelques grands principes, comme le
montre la synthèse de Ray (1990).
Tout d’abord, les radars Doppler ne
fournissant, en tout point de l’espace,
qu’une mesure de la vitesse radiale, il
est nécessaire de les combiner si l’on
veut restituer les trois inconnues que
sont les trois composantes du vent. À
priori, trois mesures, donc trois
radars, sont nécessaires. Ensuite, pour
porter loin, les radars doivent émettre
à des angles d’élévation relativement
petits. En effet, à 10 degrés d’élévation par rapport à l’horizontale, la hauteur atteinte par le faisceau radar est
Le radar Doppler
déjà de 8,7 km à 50 km, de 17,4 km à
Monte Lema
100 km…, si bien que la majorité
de l’Institut suisse
écrasante des mesures correspond à
de météorologie. (DR)
des visées quasi horizontales. Enfin,
40
La Météorologie - n° 38 - août 2002
il est communément admis, sauf dans le cas de systèmes convectifs extrêmement
vigoureux, que la vitesse verticale est inférieure, dans l’atmosphère, d’au moins
un ordre de grandeur aux composantes horizontales du vent. Ces deux derniers
points permettent d’affirmer que la contribution majeure à la vitesse radiale provient des composantes horizontales de la vitesse de l’air. Généralement donc, le
problème est mal conditionné pour l’estimation de la composante verticale du
vent. La philosophie des approches poly-Doppler consiste alors à déterminer le
champ de vent horizontal dans toute la zone précipitante commune à au moins
deux radars. Le premier, Armijo (1969) a montré qu’il était ensuite possible
d’aller plus loin et de restituer la vitesse verticale en intégrant, à partir d’une
condition aux limites et de l’équation de continuité de la masse d’air, la divergence déterminée à partir du champ horizontal précédent.
Toutes les méthodes poly-Doppler reposent sur ces quelques grands principes.
Les différences sont liées à la façon dont la restitution de la vitesse verticale est
faite ou au type d’approche utilisé : approche « numérique » (Matejka et Bartels,
1997) ou approche « analytique » (Scialom et Lemaître, 1990). Largement
exploité pour des objectifs de recherche, ce type de méthode a été utilisé pour la
première fois dans un cadre quasi opérationnel en 1999, au cours de la phase
expérimentale de MAP (Chong et al., 2001). Il a ainsi été possible d’avoir accès,
presque en temps réel, aux champs tridimensionnels de vent et de réflectivité au
sein des systèmes précipitants alpins, ce qui a été d’un grand secours pour le guidage des avions instrumentés (figure 6).
En conclusion de cette partie, il convient de rappeler qu’une contrainte majeure
requise pour utiliser toutes les méthodes poly-Doppler est que la distance entre les
radars soit suffisamment petite pour que la zone de mesure commune, compte tenu
Figure 6 - Mesures de vent effectuées en temps réel au cours de l’expérience MAP à partir des données des
radars Doppler Ronsard (CETP, France) et Monte Lema (Institut suisse de météorologie). La figure montre le
champ de réflectivité radar et de vent horizontal le 23 octobre 1999 à 6 h 30 UTC à l’est des Alpes. En haut,
coupe horizontale à 2 000 mètres d’altitude de la réflectivité radar (échelle de couleurs à droite, en DBz) et du
vent horizontal (flèches rouges). En bas à gauche, coupe verticale (le long de la flèche bleu foncé) de la réflectivité radar. En bas à droite, coupe verticale (le long de la flèche bleu foncé) de la vitesse verticale (échelle de couleurs à droite, en m/s) et de la projection du vent dans le plan de coupe (flèches rouges). On voit très clairement
la rotation du flux, ainsi que le renforcement des précipitations lié au soulèvement des masses d’air humide et
méditerranéen par les pentes sud des Alpes.
La Météorologie - n° 38 - août 2002
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de leur portée, ne soit pas vide. Si l’on considère que la portée des radars Doppler
est de l’ordre de 100 kilomètres, l’inspection de la carte des radars européens
(figure 1) montre bien que la densité actuelle des réseaux de radars ne permet pas
une utilisation opérationnelle de ces algorithmes. Aussi décrit-on maintenant une
approche alternative, reposant sur le déploiement local de récepteurs bistatiques
passifs autour de radars opérationnels.
Restitution du champ
de vent à partir
d’un réseau radar
Doppler bistatique
Les progrès technologiques ont permis de reprendre une idée ancienne pour optimiser les réseaux de radars. Cette idée consiste à déployer, autour de chaque
radar Doppler existant, un miniréseau d’un ou plusieurs récepteurs passifs mesurant la puissance et le décalage Doppler de l’onde diffusée dans leur direction par
les hydrométéores. On peut ainsi obtenir des composantes multiples de vitesse
radiale, et cela à un moindre coût puisque le prix d’un récepteur passif est cinquante fois inférieur à celui d’un radar (Wurman et al., 1993). En télédétection,
cette configuration géométrique dans laquelle l’émetteur et le récepteur sont
séparés est appelée configuration bistatique (voir l’exemple de la figure 7).
Figure 7 - Configuration du réseau bistatique de l’université McGill (Montréal, Canada). Les positions du radar en
bande S (J. S. Marshall Weather Observatory), des deux récepteurs passifs, du profileur de vent UHF de l’université McGill et de l’aéroport international de Dorval sont indiquées. Les cercles concentriques sont donnés tous les
20 kilomètres autour du radar. Les différentes parties colorées indiquent les zones de recouvrement des mesures
du réseau bistatique exploitables en mode double- et triple-Doppler. (Adapté de Protat et Zawadzki, 2000)
L’installation du premier réseau bistatique à vocation opérationnelle résulte d’un
effort commun au National Center for Atmospheric Research (NCAR, ÉtatsUnis), à l’université McGill (Canada) et à l’université d’Oklahoma (États-Unis).
Ce réseau bistatique, fonctionnant de façon continue depuis 1996 à Montréal, est
constitué de deux récepteurs passifs déployés autour du radar Doppler en bande S
de l’université McGill. Cette configuration à deux récepteurs permet de couvrir
certaines zones avec deux ou trois mesures Doppler (figure 7). Dans le cas présent, la configuration du réseau a été définie de sorte que la zone de couverture
en triple-Doppler inclue l’aéroport international de Dorval, les champs de vent
restitués constituant alors une aide précieuse pour qualifier les conditions de vol
autour de l’aéroport.
En dépit de certaines caractéristiques géométriques propres aux récepteurs passifs,
le système bistatique est tout à fait analogue à un réseau classique de radars
Doppler, à savoir que la vitesse radiale des hydrométéores est mesurée sous plusieurs angles différents. Tout se passe donc formellement comme si le système
42
La Météorologie - n° 38 - août 2002
était poly-Doppler. La première méthode de restitution de la dynamique et de la
thermodynamique interne des systèmes précipitants à partir des mesures d’un
réseau bistatique a été développée par l’équipe de l’université McGill (Protat et
Zawadzki, 1999 et 2000). Cette analyse fournit, dans un délai compatible avec les
contraintes opérationnelles de la prévision à très courte échéance, les champs tridimensionnels du vent, de l’évolution temporelle du vent, de la pression et de la température potentielle au sein des nuages, à partir de deux balayages volumiques
successifs du radar. Les champs obtenus peuvent ensuite être assimilés dans un
modèle à mésoéchelle pour faire des prévisions à très courte échéance. C’est, par
exemple, ce qu’ont fait Montmerle et al. (2001) avec le modèle canadien MC2 et le
réseau bistatique de Montréal sur le cas particulier d’un orage de grêle. Cette étude
très récente a permis de démontrer le gain significatif de prévisibilité associé à une
telle assimilation d’observations radar Doppler bistatiques. Ces résultats plus
qu’encourageants ont incité d’autres équipes à se munir d’un tel réseau, comme le
DLR en Allemagne (Hagen et al., 1999), comme le NCAR (États-Unis) qui a
déployé un système à trois récepteurs lors de campagnes de mesures ou encore,
plus récemment, comme le Meteorological Research Institute (Japon).
Un gros avantage de ces réseaux bistatiques est, on l’a vu, de pouvoir, à un
moindre coût financier – les récepteurs passifs ne coûtent pas cher – et humain
– l’installation des récepteurs n’est pas une opération très lourde –, fournir une
connaissance beaucoup plus riche de la dynamique des systèmes précipitants.
Pour le déploiement autour des radars opérationnels actuels, un inconvénient,
mentionné par Serafin et Wilson (2000), provient du fait que, pour des raisons
propres au système bistatique, la zone couverte par les récepteurs est beaucoup
plus grande lorsque le radar émet en polarisation verticale plutôt qu’en polarisation horizontale. Pour les deux cas de polarisation, la zone couverte est de
plus limitée par une contamination plus importante provenant des lobes secondaires. Or la plupart des radars opérationnels actuels sont polarisés horizontalement, ce qui conditionnerait le déploiement de cette technologie bistatique au
développement préalable de la diversité de polarisation des radars opérationnels. Serafin et Wilson (2000) estiment cependant que les avantages de la
double polarisation sont tels que le nombre des radars équipés de cette fonction
devrait considérablement augmenter dans les années à venir. Ainsi, il est prévu
depuis peu qu’à terme, tous les radars opérationnels WSR-88D du réseau américain soient pourvus de la diversité de polarisation (Doviak et al., 2000). Cette
décision ouvre donc des perspectives bien réelles de généralisation de ces
réseaux de radars bistatiques pour la prévision à très courte échéance.
Conclusion
Alors qu’un très grand nombre de radars opérationnels actuels possèdent la capacité Doppler, il est frappant de constater à quel point cette information cruciale
est en général largement sous-exploitée, aussi bien dans les chaînes d’analyseprévision des modèles numériques opérationnels que dans les salles de prévision
des centres météorologiques régionaux. Il y a à cela plusieurs raisons :
• L’interprétation des champs de vitesse radiale en mode PPI est plus compliquée
que celle des champs de réflectivité. Néanmoins, un grand nombre d’informations complémentaires, extrêmement utiles pour le suivi et la prévision à très
courte échéance des situations météorologiques à risque, peuvent être extraites
de l’analyse des images de ces champs, soit par les prévisionnistes eux-mêmes,
soit par l’intermédiaire d’un système automatisé de type système-expert. Dans
tous les cas, il est évident que l’exploitation d’un réseau de radars Doppler doit
être accompagnée d’un travail intense et permanent de formation et d’information des prévisionnistes, afin que ces derniers sachent pleinement profiter de ces
nouvelles données dans leur travail quotidien.
• Jusqu’à récemment, dans les modèles numériques opérationnels de prévision, la
résolution spatiale et temporelle n’était pas suffisante et la représentation des
champs de précipitations n’était pas d’assez bonne qualité pour que les données
radar puissent être exploitées correctement. Néanmoins, les progrès considérables
effectués dans ce domaine (voir le numéro 30 de La Météorologie, de juin 2000,
consacré à la prévision numérique) ouvrent des débouchés nouveaux pour les
données radar, jusqu’à présent essentiellement utilisées dans les domaines de la
prévision immédiate et de l’hydrologie. Dans ce contexte, les mesures des radars
Doppler constituent une mine d’informations de tout premier plan pour les
modèles opérationnels à maille ultrafine en cours de mise au point dans de nombreux Services météorologiques nationaux.
43
La Météorologie - n° 38 - août 2002
Développements
nécessaires
(complexité et coût)
Produits
de l’algorithme
Débouchés
Correction des échos
de sol
[Joss et al., 1998]
- Filtrage
- Arbre de décision
(+)
- Mesures de meilleure
qualité
- Tous les algorithmes
en aval
Détection des systèmes - Exploration volumique
souhaitable
dangereux
[Henry et Wilson, 1995] - Bonne résolution
spatiale
- Modélisation
du système
- Définition
de sa signature
en représentation PPI
- Reconnaissance
de formes
(+++)
- Position, intensité
- Aéronautique
et évolution du système - Prévision immédiate
Mono-Doppler 1
(VAD, VVP…)
[Waldteufel et Corbin,
1979]
- Exploration volumique
souhaitable
- Linéarité locale
du champ de vent
- Définition de facteurs
qualité
(+)
- Profils de vent
- Champ de divergence
Mono-Doppler 2
(advection
sans déformation)
[Peace et al., 1969]
- Exploration volumique - Algorithme poly-Doppler - Champ de vent
tridimensionnel
- Advection sans
(+++)
au sein du système
déformation du système
- Déplacement angulaire
significatif du système
Mono-Doppler 3
(assimilation 4D-VAR)
[Sun et al., 1991]
- Exploration volumique
Poly-Doppler 1
(Double VAD,
Quadratic VAD…)
[Scialom et Testud,
1986]
- Exploration volumique (++)
souhaitable
- Recouvrement
des portées des radars
- Structure linéaire
ou quadratique du vent
Poly-Doppler 2
(Poly-Doppler)
[Chong et al., 2001]
- Exploration volumique
- Recouvrement
des portées des radars
- Algorithme poly-Doppler - Champ de vent
(+++)
tridimensionnel
au sein du système
- Aéronautique
- Prévision immédiate
- Assimilation
Poly-Doppler 3
(bistatique)
[Protat et Zawadski,
1999]
- Exploration volumique
- Récepteurs bistatiques
- Champ de vent
- Traitement des lobes
tridimensionnel
secondaires
- Algorithme poly-Doppler au sein du système
(++++)
- Aéronautique
- Prévision immédiate
- Assimilation
Algorithme
Conditions nécessaires
et hypothèses
- Calcul de l’adjoint
du modèle numérique
(+++++)
- État initial complet
du modèle numérique
- Aéronautique
- Prévision immédiate
- Assimilation
- Aéronautique
- Prévision immédiate
- Assimilation
- Aéronautique
- Prévision immédiate
- Assimilation
- Champ de vent linéaire - Aéronautique
- Prévision immédiate
ou quadratique
- Assimilation
au sein du système
Tableau 1 - Synthèse des différentes approches exploitant les mesures du radar Doppler et présentées dans cet article. Pour chaque méthode, on donne une référence
bibliographique, les conditions d’application nécessaires, les développements requis et une estimation de leur coût (entre parenthèses), les produits de l’algorithme et les
débouchés de ces produits.
Dans cet article, un certain nombre de développements à la fois technologiques
et méthodologiques ayant trait à l’acquisition et à l’exploitation du signal
Doppler des radars météorologiques ont été passés en revue. Les différentes
méthodes sont reprises de façon synthétique dans le tableau 1. Les produits
résultants, qu’il s’agisse des profils de vent, des champs tridimensionnels de
vent ou des algorithmes automatiques de suivi et de prévision des systèmes
météorologiques dangereux, s’inscrivent essentiellement dans les domaines de
l’analyse, de la prévision immédiate et de l’assimilation de données. La question légitime du retour sur investissement de la « dopplérisation » d’un réseau
radar existant, en termes d’amélioration de la qualité du service rendu par un
Service météorologique, reste ouverte. L’objectif premier de cet article de synthèse est d’apporter un élément de réflexion supplémentaire au débat autour de
cette question. L’autre objectif est d’informer d’autres communautés scientifiques (lidaristes, modélisateurs…) et de leur faire profiter de l’expérience
accumulée au fil des ans en radarmétéorologie Doppler. Nous terminerons
cette synthèse par la phrase pleine d’espoir de Serafin et Wilson (2000) : « The
future of operational radar technology is bright and the role of weather radar
within the full spectrum of weather forecasting will broaden as capabilities
and understanding increase. »(1)
(1) Traduction : L’avenir de la technologie radar est radieux et, à mesure que progresseront les
connaissances et la technique, le rôle des radars météorologiques s’étendra à l’ensemble des
domaines de la prévision du temps.
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La Météorologie - n° 38 - août 2002
Remerciements
Les auteurs remercient Jacques Parent du Châtelet (Météo-France) et un réviseur
anonyme dont les commentaires ont permis de clarifier l’article et de le recentrer
par rapport à la ligne éditoriale de La Météorologie.
Bibliographie
Armijo L., 1969 : A theory for the determination of wind and precipitation velocities with Doppler radars. J. Atmos. Sci., 26, 570-573.
Bougeault P., E. Richard et F. Roux, 2001 : L’expérience MAP sur les phénomènes de mésoéchelle dans les Alpes : premier bilan. La Météorologie 8e série, 33, 16-33.
Browning K. A. et R. Wexler, 1968 : The determination of kinematic properties of a wind field using Doppler radar. J. Appl. Meteor., 7, 105-113.
Caillault K. et Y. Lemaître, 1999 : Retrieval of three-dimensional wind fields corrected for the time-induced advection problem. J. Atmos. Ocean. Technol., 16, 708-722.
Caton P. G., 1963 : The measurement of wind and convergence by Doppler radar. Preprints 9th Weather Radar Conf., Washington D.C., Amer. Meteor. Soc., 290-296.
Chong M., J.-F. Georgis, O. Bousquet, S. Brodzik, C. Burghart, S. Cosma, U. Germann, V. Gouget, R. A. Houze, C. James, S. Prieur, R. Rotunno, F. Roux,
J. Vivekanandan et Z. X. Zeng, 2001 : Real-time wind synthesis from Doppler radar observations during the Mesoscale Alpine Programme. Bull. Amer. Meteor. Soc.,
81, 2953-2962.
De Elia R. et I. Zawadzki, 1997 : Some theoretical aspects of wind retrieval from single-Doppler radar data. Preprints of the 28th International Conf. On Radar Meteor.,
Austin, Texas, États-Unis, Amer. Meteor. Soc., 26-29.
Doviak R. J. et D. S. Zrnic, 1984 : Doppler radar and weather observations. Academic Press, San Diego, États-Unis, 458 p.
Doviak R. J., V. Bringi, A. Ryzhkov, A. Zahrai et D. Zrnic, 2000 : Considerations for polarimetric upgrades to operational WSR-88D radars. J. Atmos. Ocean. Technol., 17,
257–278.
Easterbrook C. C., 1975 : Estimating horizontal wind fields by two dimensional curve fitting of single Doppler radar measurements. Preprints 16th Radar Meteorology
Conf., Houston, Amer. Meteor. Soc., 214-219.
Hagen M., P. Meischner, J. Wurman, M. Randall et C. Burghart, 1999 : A C-band bistatic Doppler radar system at DLR Oberpfaffenhofen. Proc. 29th Radar Conf.,
Montréal, Canada, 813-814.
Henry S. G. et J. W. Wilson, 1995 : The automatic thunderstorm nowcasting system. Preprints 27th Conf. On Radar Meteorology, Vail, Colorado, États-Unis, Amer.
Meteor. Soc., 397-399.
James C. N. et R. A. Houze Jr, 2001 : A real-time four-dimensional Doppler dealiasing scheme. J. Atmos. Ocean. Technol., 18, 1674-1683.
Joss J., B. Schadler, G. Galli, R. Cavalli, M. Bosacci, E. Held, G. Della Bruna, G. Kappenberger, V. Nespor et R. Spiess, 1998 : Operational use of radar for
precipitation measurements in Switzerland. VDF Hochschulverlag, AG et ETH, Zürich, Suisse, 108 p.
Laroche S. et I. Zawadzki, 1994 : A variational analysis method for retrieval of three-dimensional wind field from single-Doppler radar data. J. Atmos. Sci., 51, 2664-2682.
Lhermitte R. M. et D. Atlas, 1961 : Precipitation motion by pulse Doppler. Preprints 9th Weather Radar Conf., Kansas City, États-Unis, Amer. Meteor. Soc., 218-223.
Matejka T. et D. L. Bartels, 1997 : The accuracy of vertical air velocities from Doppler radar data. Mon. Wea. Rev., 126, 92-117.
Montmerle T., A. Caya et I. Zawadzki, 2001 : Simulation of a midlatitude convective storm initialized with bistatic Doppler radar data. Mon. Wea. Rev., 129, 1949-1967.
Page R. M., 1962 : The origins of radar. Double day and company, New York, États-Unis, 196 p.
Peace R. L. Jr, R. A. Brown et H. G. Camnitz, 1969 : Horizontal motion field observations with a single pulse Doppler radar. J. Atmos. Sci., 26, 1096-1103.
Protat A. et I. Zawadzki, 1999 : A variational method for real-time retrieval of three-dimensional wind field from multiple-Doppler bistatic radar network data. J. Atmos.
Ocean. Technol., 16, 432-449.
Protat A. et I. Zawadzki, 2000 : Optimization of dynamic retrievals from a multiple-Doppler radar network. J. Atmos. Ocean. Technol., 17, 753–760.
Ray P. S., 1990 : Convective dynamics, in Radar in meteorology (D. Atlas, Ed.), American Meteorological Society, Boston, États-Unis, 348-390.
Sauvageot H., 1992 : Radar meteorology. Artech House, Eyrolles, Paris, 366 p.
Sauvageot H., 2000 : Le radar polarimétrique, une nouvelle approche pour l’observation des champs de précipitations. La Météorologie 8e série, 31, 25-41.
Scialom G. et J. Testud, 1986 : Retrieval of horizontal wind field and mesoscale vertical vorticity in stratiform precipitation by conical scannings with two Doppler
radars. J. Atmos. Ocean. Technol., 3, 693-703.
Scialom G. et Y. Lemaître, 1990 : A new analysis for the retrieval of three-dimensional mesoscale wind fields from multiple Doppler radar. J. Atmos. Ocean. Technol., 7, 640-665.
Scialom G. et Y. Lemaître, 1994 : QVAD: A method to obtain quadratic winds from conical scans by a Doppler weather radar network. J. Atmos. Ocean. Technol., 11, 909-926.
Serafin R. J. et J. W. Wilson, 2000 : Operational weather radar in the United States: progress and opportunity. Bull. Amer. Meteor. Soc., 81, 501-518.
Shapiro A., S. Ellis et J. Shaw, 1995 : Single-Doppler velocity retrievals with Phoenix II data: clear-air and microburst wind retrievals in the planetary boundary layer.
J. Atmos. Sci., 52, 1265-1287.
Shapiro A., P. Robinson, C. Levert et J. Gao, 1999 : Single-Doppler velocity retrieval experiments with a simple 4DVAR technique. Preprints of the 29th International
Conf. On Radar Meteor., Montréal, Canada, Amer. Meteor. Soc., 26-29.
Sun J., D. W. Flicker et D. K. Lilly, 1991 : Recovery of three-dimensional wind and temperature fields from simulated single-Doppler radar data. J. Atmos. Sci., 48, 876-890.
Sun J. et A. Crook, 1997 : Dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar observations using a cloud model and its adjoint. Part I: Model development and
simulated data experiment. J. Atmos. Sci., 54, 1642-1661.
Sun J. et A. Crook, 1998 : Dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar observations using a cloud model and its adjoint. Part II: Retrieval experiments of
an observed Florida convective storm. J. Atmos. Sci., 55, 835-852.
Tabary P., G. Scialom et K. Van der Straeten, 2000 : A comparative study of two new approaches to estimate the vertical wind profile from aliased radial velocities.
Phys. Chem. Earth, 25, 10-12, 1215-1220.
Tabary P., G. Scialom et U. Germann, 2001 : Real-time retrieval of the wind from aliased velocities measured by Doppler radars. J. Atmos. Ocean. Technol., 18, 875-882.
Tuttle J. D. et G. B. Foote, 1990 : Determination of the boundary layer airflow from single-Doppler radar. J. Atmos. Ocean. Technol., 7, 218-232.
Waldteufel P. et H. Corbin, 1979 : On the analysis of single-Doppler radar data. J. Appl. Meteor., 18, 532-542.
Wurman J., S. Heckman et D. Boccippio, 1993 : A bistatic multiple-Doppler radar network. J. Appl. Meteor., 32, 1802–1814.
Yamada Y. et M. Chong, 1999 : VAD-based determination of the Nyquist interval number of Doppler velocity aliasing without wind information. J. Meteor. Soc. Japan,
77, 447-457.
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