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Sondage composite de l’atmosphère par radar VHF et radiomètre micro-ondes

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Sondage composite de l’atmosphère par radar VHF et radiomètre micro-ondes
Observation
18
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Sondage composite
de l’atmosphère
par radar VHF et
radiomètre micro-ondes
A. Iassamen, H. Sauvageot, B. Campistron et S. Ameur
Laboratoire d’aérologie, observatoire Midi-Pyrénées, université Paul-Sabatier
14, avenue Édouard-Belin - 31400 Toulouse
[email protected] ; [email protected] ; [email protected] ;
[email protected]
Résumé
L’objet du présent article est de montrer comment un profileur radiométrique micro-ondes associé à un radar
profileur VHF permet de décrire
continûment les principaux paramètres météorologiques physiques et
dynamiques. On s’efforce de mettre en
évidence l’utilité potentielle de ce
dispositif pour compléter le réseau
d’observation opérationnel pour l’observation des structures atmosphériques de petite échelle spatiotemporelle. Nous présentons le principe et la méthodologie de mesure
radiométrique et du radar VHF. Nous
montrons ensuite la complémentarité
de ces moyens dans l’analyse composite d’un cas d’observation, celui
du 21 au 23 juillet 2007.
Abstract
Atmospheric profiling from VHF
radar and microwave radiometer
The goal of the present paper is to
show how a microwave radiometric
prof iler associated with a VHF
radar enable to continuously describe the main physical and dynamic
meteorological parameters. The
paper emphasizes the potential usefulness of this system to complete the
current operational network to observe the small spatio-temporal scale
atmospheric structures. The use of
radiometry and VHF radar is explained and their application to the case
of 21-23 July 2007 is discussed.
a science météorologique est très
dépendante, pour ce qui concerne
la qualité de ses résultats, notamment dans la prévision du temps, de la
diversité des observations utilisées
pour alimenter ses modèles et ses analyses. C’est pourquoi une large palette
de moyens d’observation a été développée au cours de décennies d’efforts :
réseaux de stations de surface (continentale et maritime), réseau de radiosondage, réseaux de radars, platesformes satellitaires géostationnaires
ou déf ilantes (Rainer, 2003). Les
« objets à traiter » étant volumiques,
les observations tridimensionnelles
sont d’un intérêt décisif. Le réseau de
radiosondage, qui permet de connaître
les profils de température, de vapeur
d’eau et de vent, est la source principale des données tridimensionnelles.
Ce réseau est actif avec une période
de douze heures, donc une fréquence
d’échantillonnage de deux observations par jour. Or la fréquence
d’échantillonnage implique une limitation sur les échelles temporelle et
spatiale des structures observables par
le réseau. Pendant son ascension, la
radiosonde se déplace horizontalement, dans le champ de vent, sur des
distances pouvant atteindre plusieurs
dizaines de kilomètres, en suivant une
trajectoire non contrôlée. Cependant,
les mesures des radiosondes sont bien
comprises et bien assimilées. Elles
ont, pour les praticiens de la météorologie, gagné la confiance liée à une
longue pratique.
L
Au cours des quinze à vingt dernières
années, il a été proposé des techniques de
profilage des variables atmosphériques à
partir d’instruments fixes en surface. Il
s’agit principalement des radars VHF et
UHF profileurs de vent (Rogers et al.,
1993 ; Gage et al., 2002, 2005) et des
radiomètres micro-ondes multicanaux
profileurs de température, vapeur d’eau et
eau liquide (Schmit et al., 2002 ; Khaiyer
et al., 2003 ; Gaffard et al., 2008). Ces
instruments sont prometteurs et attrayants,
notamment parce que leur fréquence
d’échantillonnage peut être très élevée et
leur coût de fonctionnement relativement
faible. Les profileurs de vent sont maintenant bien connus et la qualité de leurs
mesures reconnue. Il n’en va pas de même
avec les profileurs radiométriques qui doivent être considérés comme étant encore
dans une phase d’évaluation et de perfectionnement technique.
L’objet du présent article est de proposer
à la réflexion des lecteurs de La
Météorologie un exemple d’observation
du champ météorologique au-dessus
d’une station terrestre réalisée conjointement avec un radar VHF et un radiomètre
profileur micro-ondes. Nous suggérons au
lecteur de regarder ces observations avec
une attention particulière pour les aspects
liés à l’assimilation dans les modèles et à
la prévision à court terme. Une approche
similaire à celle utilisée dans le présent
article a été adoptée par Klaus et al., 2006,
pour l’estimation des profils d’humidité,
et par Gaffard et al., 2008, pour l’étude de
la couche limite atmosphérique.
19
La Météorologie - n° 69 - mai 2010
Le radar profileur VHF
à cinq faisceaux
en sondeur vertical
Principes
et caractéristiques
Le radar profileur de vent VHF (figure 1) utilise une antenne réseau de type
CoCo (Coaxial Colinear) couvrant une
aire de 3 600 m2 (60 m x 60 m). En
contrôlant la distribution de phase et
d’amplitude des dipôles, on forme successivement cinq faisceaux pointant à la
verticale, puis dans quatre directions
obliques symétriques par rapport à la
verticale et inclinées de 15° par rapport
au zénith (Campistron et al., 2001).
En bande VHF et pour les observations
présentées ici, l’écho radar provient des
fluctuations de l’indice de réfraction de
l’air, c’est-à-dire des fluctuations de
température et de vapeur d’eau (cf.
encadré ci-dessous).
Origine des échos
En l’absence de précipitations, la source
des échos en atmosphère claire pour des
radars en bande VHF et UHF provient des
variations spatiales de l’indice de réfraction
de l’air qui dépend de la température et du
contenu en vapeur d’eau du milieu. Ces
irrégularités peuvent être le résultat du
brassage de l’air par la turbulence
atmosphérique d’origine thermique ou
dynamique. C’est le cas dans la couche
limite atmosphérique en contact avec la
surface terrestre. On montre que les échos
résultants, appelés aussi rétrodiffusions isotropes de Bragg, sont liés aux fluctuations
dont la dimension spatiale est égale à la
demi-longueur d’onde du radar. Lorsque
l’atmosphère est stable thermiquement et
dépourvue de turbulence, il peut y avoir
formation de feuillets atmosphériques
quasi horizontaux associés à des gradients
verticaux intenses de l’indice de réfraction
qui sont à l’origine d’échos dits spéculaires.
Pratiquement, pour détecter de tels échos,
il faut que l’épaisseur verticale de ces
feuillets n’excède pas la demi-longueur
d’onde du radar. Cela explique qu’ils ne
soient détectables qu’en bande métrique
VHF et qu’ils n’ont jamais été reportés en
bande centimétrique ou décimétrique
UHF. Ce sont des échos anisotropes car
surtout observables en visée verticale (perpendiculaire aux feuillets). Cette anisotropie se mesure par le rapport entre la
puissance reçue en verticale sur la puissance reçue dans une direction oblique.
Ce rapport d’aspect est un critère efficace
qui permet de discriminer les échos de
Bragg isotropes des échos spéculaires fortement anisotropes.
Figure 1 - Antenne du radar profileur VHF de l’observatoire Midi-Pyrénées.
Le prof ileur fonctionne comme un
radar Doppler à impulsion (Sauvageot,
1992) ; il mesure la réflectivité le long
de chaque faisceau ainsi que la vitesse
Doppler. La vitesse Doppler est la projection de la vitesse vraie du traceur
dans la direction de visée. Avec cinq
faisceaux, on mesure cinq composantes
de la vitesse. Ces cinq composantes
permettent de restituer le vecteur
vitesse vrai. Ce dernier est projeté sur
le plan horizontal pour avoir le vent
horizontal. Le faisceau vertical est utilisé pour mesurer la vitesse verticale. Le
tableau 1 indique les principales caractéristiques du profileur VHF.
Les paramètres mesurés
Les distributions présentées sur la
figure 2 sont obtenues par la juxtaposition dans le temps des profils verticaux
observés au pas de temps de 15 minutes
Tableau 1 - Caractéristiques techniques du radar VHF.
Fréquence f0
45 MHZ
Longueur d’onde λ
6,66 m
Puissance-crête Pe
6 kW
Fréquence de répétition Fr
6 400 Hz
Longueur de l’impulsion h
6 000 m (codée en 8 modules)
pour une durée de 20 µs
Antenne
5 faisceaux : 1 vertical et 4 obliques
à 75° de site
Ouverture du faisceau : 5,5°
Type
Coaxial colinéaire
Aire
60 m x 60 m
Couverture verticale
de 1,5 km à 16 km
Nombre d’intégration cohérente Ncoh
Nombre d’intégration incohérente Nsp
Verticale : 1 024
Verticale : 5
Nombre de points de transformée de Fourier Nfft
Verticale : 256
Oblique : 256
Durée totale de la série temporelle
Nsp Ncoh Nfft
Verticale : 205 s
Oblique : 164 s
(
Oblique : 512
Oblique : 8
)
Fr
Durée totale du cycle sur 5 faisceaux
Intervalle de vitesse de Nyquist ±VN
Résolution de la vitesse radiale dV
Nombre de portes en distance
Distance de la première porte
Distance radiale entre portes
Champ proche (distance minimale d’observation)
Distance radiale d’ambiguïté
dmax = c/2Fr
859 s = 14,3 min
Verticale : ±10,43 m.s-1
Oblique : ±20,87 m.s-1
Verticale : 0,08 m.s-1 Oblique : 0,16 m.s-1
Verticale : 40
Verticale : 1 590 m
Verticale : 375 m
550 m
23,4 km
Oblique : 40
Oblique : 1 590 m
Oblique : 375 m
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Figure 2 - Paramètres mesurés par le radar profileur VHF. Coupe hauteur temps du 21 au 23 juillet 2007 de :
a) la vitesse horizontale du vent avec, en surimpression pour treize niveaux, sa direction (flèches noires) ;
b) la vitesse verticale de l’air avec, en surimpression pour treize niveaux, des courbes représentant son évolution temporelle (lignes noires) ;
c) l’intensité de la réflectivité radar en visée verticale exprimée en décibel sur une échelle logarithmique ;
d) la largeur spectrale (cf. texte) correspondant à l’étalement du spectre des vitesses verticales ;
e) le rapport d’aspect (cf. encadré) ;
f) l’intensité du bruit cosmique.
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
par le radar. Elles ont été obtenues du
21 au 23 juillet 2007 sur le site de l’observatoire Midi-Pyrénées, situé près de
Lannemezan, avec le radar décrit dans
le tableau 1 et montré figure 1.
Le radiomètre
profileur micro-ondes
multifréquence
La figure 2a représente la distribution
altitude-temps des vecteurs vent horizontal. Le module des vecteurs donne la
vitesse, et leur orientation la direction
du vent. Le fond coloré donne le champ
d’isovaleur du module de la vitesse.
Principe et caractéristiques
La figure 2b montre la distribution de la
composante verticale de la vitesse
(ligne en noir) à treize niveaux, soit un
niveau sur trois parmi les quarante
niveaux analysés. Le fond coloré représente le champ d’isovaleur des vitesses
verticales indiquées par les lignes
noires.
La figure 2c est la distribution hauteurtemps de la réflectivité radar en visée
verticale. Elle est exprimée suivant une
échelle logarithmique (en décibel).
Les réflectivités inférieures à 1 correspondent à une valeur logarithmique
négative.
La f igure 2d représente la demilargeur du spectre Doppler, c’est-à-dire
l’étalement du spectre des vitesses
verticales.
La figure 2e montre la distribution du
rapport d’aspect Pv/Po, où Pv et Po sont
la réflectivité en visée verticale et en
visée oblique respectivement (voir
encadré p. 19). Ce rapport rend compte
du feuilletage de l’atmosphère. En effet,
en visée verticale, la réflectivité sur les
surfaces (feuillet) horizontales est
maximale, tandis qu’elle est minimale
en visée oblique. Les feuillets sont principalement observés dans les régions
stables et non turbulentes, dans la partie
supérieure de la troposphère et au
niveau de la tropopause.
La figure 2f représente le bruit cosmique observé en l’absence d’écho,
c’est-à-dire au-delà de la couche
météorologique, en utilisant le radar
comme un récepteur passif (réception
radiométrique). La coordonnée d’altitude n’a donc pas de signification. On
observe une alternance de bruit fort, de
bruit faible, avec une périodicité d’environ 24 heures correspondant à la
période de la rotation de la Terre (jour
sidéral). Le bruit est maximal lorsque
le faisceau du radar est dirigé vers le
centre de la galaxie. Le niveau du bruit
cosmique est utilisé comme élément de
calibration du récepteur-antenne du
radar.
Tous les milieux matériels qui nous
entourent (le sol, les végétaux, les êtres
vivants, dont nous-mêmes, les gaz
atmosphériques…) émettent un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est détectable avec des radiomètres.
Les radiomètres sont des détecteurs passifs du rayonnement propre des milieux
environnants (passifs par opposition au
radar qui est dit actif parce qu’il émet le
rayonnement qu’il détecte). La plupart
des observations satellitaires de la Terre
et de son atmosphère utilisent des radiomètres. Dirigés vers la surface, les radiomètres micro-ondes permettent d’étudier
de nombreux paramètres en relation avec
la nature des sols, leur humidité, l’état de
la végétation, la salinité, etc. Dirigés vers
l’atmosphère, les radiomètres microondes terrestres permettent d’observer
les profils de vapeur d’eau troposphérique et stratosphérique ainsi que les prof ils du contenu en eau liquide des
nuages.
Le radiomètre profileur micro-ondes
multifréquence dont les données sont
utilisées dans le présent article (figure
3) mesure la brillance radiométrique au
zénith dans des canaux de 300 MHz de
largeur centrés sur douze fréquences
micro-ondes (Liljegren, 2004 ; Bianco
et al., 2005 ; Iassamen et al., 2009).
Cinq canaux sont situés sur le flanc du
pic de résonance de la vapeur d’eau,
entre 22 et 30 GHz, sept canaux sont
Figure 3 - Radiomètre profileur micro-ondes multifréquence installé à proximité du radar.
situés sur le flanc de la résonance de
l’oxygène moléculaire entre 51 et
59 GHz. En utilisant une méthode d’inversion basée sur un réseau neuronal, le
radiomètre restitue les profils d’eau
liquide LWC, de vapeur d’eau WVC, de
température T, d’humidité relative par
rapport à l’eau RH et par rapport à la
glace RHI. Un thermomètre infrarouge
mesure la température de la base des
nuages au zénith du radiomètre.
Confrontée au profil de température
déterminé par le radiomètre, cette
mesure permet de connaître approximativement l’altitude de la base des nuages. Le tableau 2 indique les principales
caractéristiques du radiomètre microondes. Une bibliographie, abondante et
maintenue à jour sur les prof ileurs
radiométriques micro-ondes et sur les
résultats expérimentaux qu’ils permettent d’obtenir, peut être trouvée sur le
site www.radiometrics.com.
Les données radiométriques microondes présentées dans la suite de cet
article ont été collectées en même temps
que les données du radar VHF. Le radiomètre (figure 3) était installé à côté de
l’antenne du radar. L’apprentissage du
Tableau 2 - Caractéristiques techniques du radiomètre micro-ondes.
Période de mesure
De 20 s à 15 min
Précision des températures de brillance (K)
0,2+0,002*(Tkbb-TAP)
Résolution (dépendant du temps d’intégration)
0,1 - 1 K
Résolution de l’antenne et lobes secondaires
22 à 30 GHz
51 à 59 GHz
4,9 à 6,3° -24 dB
2,4 à 2,5° -27 dB
Temps d’intégration
0,1 à 2,5 s
Bande passante en prédétection
300 Mhz
Précision des capteurs de surface
Température (-50 °C à +50 °C)
Humidité relative (0 à 100 %)
Pression barométrique (800 à 1 060 mb)
Température infrarouge
0,5 °C à 25 °C
2%
0,3 mb
(0,5+0,07*∆T)°C
Conditions de fonctionnement environnementales
Température
Humidité relative
Altitude
Vitesse du vent
-40 °C à +40 °C
0 à 100 %
-300 à 3 000 m
100 km/h à 200 km/h
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Figure 4 - Paramètres mesurés par le radiomètre profileur micro-ondes multifréquence. Coupe hauteur temps du 21 au 23 juillet 2007 avec en surimpression une
courbe situant l’altitude de la base des nuages et une autre situant l’altitude de l’isotherme 0 °C :
a) du contenu en eau liquide (LWC) ; la couleur blanche correspond à l’absence de détection de LWC (valeurs nulles ou inférieures au seuil de détection) ;
b) du contenu en vapeur d’eau (WVC) ;
c) de la température de l’air (T) ;
d) de l’humidité relative par rapport à l’eau liquide (RH).
réseau neuronal a été fait à l’aide de dix
années de radiosondage de la station
Météo-France de Bordeaux.
du profil de température et de la mesure
du thermomètre infrarouge (IR), et une
courbe donnant l’altitude de l’isotherme
zéro degré Celsius.
Les paramètres mesurés
Pour le radiomètre profileur microondes, la précision et la résolution des
mesures est un point important. Elles
ont été discutées et estimées avec des
données simultanées de radiosondage
(Güldner et Spänkuch, 2001 ; Liljegren
et al., 2004 ; Ware et al., 2003). De telles comparaisons sont approximatives
en raison des différences de volumes
échantillonnés et de position entre
radiosonde et radiomètre. On trouve
que le contenu en information des données du radiomètre se dégrade avec la
distance. La résolution verticale de la
température restituée par le radiomètre
varie linéairement entre 0,1 km près de
Les variations d’amplitude des quantités mesurées sont converties en variation de couleur et les sondages
verticaux consécutifs sont juxtaposés de
façon à obtenir une distribution hauteur-temps de quatre quantités mesurées
par le radiomètre : l’eau liquide LWC
(f igure 4a), la vapeur d’eau WVC
(figure 4b), la température T (figure
4c), l’humidité relative par rapport à
l’eau liquide RH (figure 4d). Sur ces distributions sont rajoutées une courbe
montrant la hauteur de la base des nuages telle que détectée par la combinaison
la surface à environ 6 km à une hauteur
de 8 km. Pour la densité de vapeur
d’eau, la résolution décroît de 0,3 km
près de la surface à 1,5 km à une hauteur de 6 km et 3,5 km à 10 km. La précision est dégradée en présence d’eau
liquide sur le radôme du radiomètre,
c’est pourquoi le radiomètre est équipé
d’un détecteur de pluie. Pour tenir
compte des incertitudes sur les paramètres mesurés avec le radiomètre dans la
restitution des diverses quantités pouvant être dérivées à partir de ces paramètres (tels que prof ils moyens ou
lignes d’isovaleur de LWC, WVC ou T),
nous utilisons des vecteurs d’erreur
RMS (racine carrée moyenne) déterminés en divers sites européens dans
le cadre du programme ARM
(Atmospheric Radiation Measurement).
On trouve un très bon accord entre les
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
profils moyens déduits du radiomètre et
ceux établis à partir de radiosondages
locaux (voir Iassamen et al., 2009).
Analyse composite
Cas du 21
au 23 juillet 2007
Pendant toute la période présentée, du
21.07.07 à 00 h 00 UTC au 23.07.07 à
15 h 00 UTC, le sud-ouest de la France
est sous l’influence d’un flux de sudouest rapide en altitude, commandé par
une dépression de 1 000 hPa centrée au
sud de l’Irlande. La figure 5
montre l’analyse en surface et à
500 hPa en milieu de période, le
22 juillet 2007 à 12 h 00 UTC.
Le radiomètre montre que l’altitude de la base varie entre le sol
et 2 000 m d’altitude, entre le
21.07.07 à 03 UTC et le 22.07.07
à 10 UTC. Ensuite la couche se
fractionne (figures 4b, 4c et 4d)
et l’altitude de la base des nuages
remonte entre 2 000 m et la limite
supérieure de détection située
vers 10 km d’altitude (la limite
supérieure est associée à l’absence de nuages). En f in de
période, à partir du 23.07.07 à
13 UTC, on observe à nouveau
une base continue dont l’altitude
est très près du sol.
11 km le 23.07.07 après 06 UTC d’un
fort cisaillement du vent horizontal. La
figure 2b montre que la réflectivité (la
turbulence d’indice) est la plus forte
dans les basses couches en présence
d’une base des nuages basse et de légères précipitations. Celles-ci s’évaporent
en tombant vers le sol, augmentant ainsi
l’humidité. La réflectivité passe par un
minimum entre 8 et 10 km d’altitude en
raison de la diminution de l’humidité et
de la température. Elles augmentent à
nouveau au niveau de la tropopause dont
elles assurent la détection entre 11 et
13 km d’altitude pendant la période
d’observation. On note une rupture de
tropopause le 23.07.07 en présence des
verticale par le radar VHF et par le profileur radiométrique, sont advectées
avec la circulation horizontale de l’atmosphère. Si l’on prend comme vitesse
moyenne d’advection (–VH) la vitesse vers
600 hPa (environ 4 000 m d’altitude), ce
qui est assez réaliste dans le cas présent,
⬃
la figure 2 montre que V––
H ⫽ 20 m/s. Une
heure correspond donc à l’écoulement
d’une couche atmosphérique de 72 km.
On trouve ainsi que la compression de
l’échelle horizontale par rapport à l’échelle verticale est de l’ordre de 200 (sur
l’échelle verticale 1 cm = 2 km et sur
l’échelle horizontale 1 cm correspond à
6 heures, soit 6 x 72 = 432 km). Pendant
la totalité de la période présentée sur les
images radiométriques et les
images radar, soit environ 6 heures, 4 500 km d’atmosphère
s’écoulent au-dessus du site
d’observation.
La figure 4 représente avec un
grand luxe de détails la distribution des paramètres physiques.
La f igure 4a concerne l’eau
liquide. Elle montre, depuis le
21.07.07 vers 02 UTC jusqu’au
22.07.07 vers 10 UTC, la présence d’eau liquide. L’eau liquide
est observée au-dessus de l’isotherme 0 °C, donc en état de surfusion à température négative,
jusqu’à 6 km d’altitude (vers
07 h 30 UTC) où la température
est voisine de -20 °C (figure 4c).
Ce maximum d’altitude de l’eau
surfondue est associé à un cœur
Le radar VHF nous donne les
de fort contenu en eau, de l’ordre
paramètres dynamiques. Il obde 1,4 g.m-3, correspondant à une
serve un flux modéré d’ouest à
structure convective (un cumulus
sud-ouest dans la troposphère
inclus dans la couverture nuainférieure (au-dessous de 5 à
geuse continue). La réalité de
6 km) qui s’intensifie très sensicette structure convective est corblement dans la troposphère
roborée par la présence de
supérieure (figure 2a). Sa direcvitesses verticales ascendantes
tion en altitude oscille de sudobservée par le radar VHF
ouest à ouest, puis à nouveau de Figure 5 - Analyse en surface (en haut) et à 500 hPa (en bas) le 22.07.07. (figure 2b) à la même heure,
sud-ouest en fin de période. Le Les symboles sont ceux en usage dans les documents météorologiques ainsi que par la présence d’une
opérationnels.
23.07.07 vers 12 UTC, la vitesse
structure verticale plus chaude
entre 8 et 12 km d’altitude dépasse ondes de forte amplitude au-dessus de dans le champ de température (figure
60 m/s (200 km/h). Lorsque le flux à bas 11 km. Sur la figure 2e, on voit que le 4c). L’excès de température par rapport à
niveau coupe la ligne d’orientation rapport d’aspect (la présence de l’air situé avant est de l’ordre de 3 à 4 °C
moyenne de la chaîne des Pyrénées sous feuillets) est important au niveau de la (voir la variation d’altitude de l’isoun angle supérieur à une trentaine de tropopause, mais qu’il est abaissé à zéro therme 0 °C et les variations de couleur
degrés, on observe dans le champ des dans les régions instables et turbulentes sur la figure 4c).
vitesses verticales (figure 2b) des vites- où se manifestent les ondes tropopauses verticales fortes qui traduisent la siques de forte amplitude au-dessus de Le 22.07.07 entre 00 UTC et 10 UTC,
présence d’ondes de relief se propageant 11 km.
on observe, au-dessus de l’isotherme
vers le haut. Le 23.07.07 entre 06 et
0 °C, une structure à deux couches (au12 UTC, ces ondes sont situées entre 10 Les images radiométriques, comme dessous de 2,5 km et entre 3 et 4 km).
et 16 km d’altitude, donc au niveau de la d’ailleurs les images radar, représentent
tropopause et de la basse stratosphère. le champ dans le plan hauteur-temps Au-dessous de l’isotherme 0 °C, la
Ces ondes d’altitude sont excitées par avec une forte différence entre échelles limite inférieure de l’eau liquide corles ondes de relief, mais amplifiées for- verticale et horizontale. Les couches respond assez bien à l’altitude de la base
tement par la présence au-dessus de atmosphériques, observées en visée du nuage mesurée par le thermomètre
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La Météorologie - n° 69 - mai 2010
IR (qui est, rappelons-le, une mesure
indépendante de la mesure radiométrique
de l’eau liquide). À certains endroits
cependant, la correspondance n’est pas
bonne, par exemple vers 08 UTC le
21.07.07 et entre 09 et 10 UTC le
22.07.07. Ces défauts de coïncidence
sont dus à ce que le contenu en eau
liquide au-dessus de la base détectée par
IR est inférieur au minimum d’eau
liquide détectable par le radiomètre.
Lorsque de l’eau est détectée au-dessous
de la base, il peut s’agir de traînées de
bruine (ou drizzle, c’est-à-dire gouttelettes de faible diamètre, < 400 µm) de faible densité optique, donc de faible
brillance radiométrique en IR.
Entre le 22.07.07 à 10 UTC et le 23.07.07
à 10 UTC, et excepté entre 00 et 02 UTC
le 23.07.07, le radiomètre ne détecte pas
d’eau liquide. Cependant, la base IR des
nuages n’est pas au-delà de l’altitude
maximale (-49,8 °C). Ces bases sont
évidemment associées à des nuages
de glace, lesquels peuvent être semitransparents de sorte que la détection de
l’altitude de leur base n’est pas toujours
très précise. Cette séquence illustre l’incapacité du profileur radiométrique à
détecter les nuages de glace (parce que le
cœfficient d’émission-absorption de la
glace aux micro-ondes est très faible).
Au-delà de 12 UTC le 23.07.07, la base
du nuage est presque au sol.
La figure 4b montre, suivant la verticale,
une décroissance monotone du contenu
en vapeur d’eau avec des variations de
concentration étroitement liées à la distribution du contenu en eau liquide et à
celle de la température (figure 4c). On
observe, par exemple, que la zone d’ascendance convective associée à des
vitesses verticales ascendantes et à de
l’air plus chaud, entre 07 et 10 UTC le
21.07.07, correspond à une colonne de
plus fort contenu en vapeur d’eau, tandis
que la période entre 10 UTC le 22.07.07
et 10 UTC le 23.07.07 correspond à de
l’air beaucoup plus sec, avec la mise en
évidence d’une zone d’air chaud en
basse couche entre 22 UTC le 22 juillet
et 06 UTC le 23 juillet.
La distribution de l’humidité relative
présentée sur la figure 4d est assez bien
corrélée avec ce qui précède. Sa lecture
et son interprétation sont cependant rendues complexes par la coexistence, aux
températures négatives de l’eau sous
deux phases, liquide et solide. Dans la
séquence analysée, nous avons très fréquemment, dans la troposphère supérieure, des nuages de glace qui génèrent
des traînées de cristaux qui, en tombant
vers les niveaux inférieurs, affectent la
distribution du contenu en eau liquide et
de l’humidité relative. Dans la troposphère supérieure, au-dessus de 5 à
6 km, les températures sont inférieures à
-25 °C, le contenu en vapeur d’eau
maximal (saturant) est très faible et la
précision de la mesure de température
médiocre (car lissée en raison de la
moindre résolution spatiale). Dans ces
conditions, la restitution de RH est peu
précise. Cependant, la distribution de la
figure 4d est qualitativement correcte.
Notamment la poche d’air chaud et sec
entre 10 UTC le 22 juillet et 10 UTC le
23 juillet est bien restituée.
Conclusion
Les documents analysés illustrent les
potentialités offertes par l’association
d’un radar VHF et d’un prof ileur
radiométrique pour l’observation
détaillée des paramètres physiques et
dynamiques de l’atmosphère locale.
D’autres paramètres peuvent être calculés, en relation, par exemple, avec la
stabilité statique et dynamique de l’atmosphère ou la réfractivité de l’air.
D’autres instruments de mesure peuvent être adjoints à cet ensemble pour
l’observation des nuages précipitants,
tels que pluviomètre ou disdromètre
(granulomètre à précipitation), ou de
l’atmosphère claire, tels que la mesure
du rayonnement (mesure des termes du
bilan radiatif en ondes courtes et en
infrarouge).
Bibliographie
Bianco L., D. Cimini, F. S. Marzano et R. Ware, 2005 : Combining microwave radiometer and wind profiler radar measurements for high-resolution atmospheric humidity profiling. J. Atmos. Oceanic Technol., 22, 949-965.
Campistron B., G. Despaux, M. Lothon, V. Klaus, Y. Pointin et M. Mauprivez, 2001 : A partial 45 MHz sky temperature map obtained from the observation of five ST
radars. Ann. Geophys., 19, 863-871.
Gaffard C., J. Nash, E. Walker, T. J. Hewison, J. Jones et E. G. Norton, 2008 : High time resolution boundary layer description using combined remote sensing
instruments. Ann. Geophys., 26, 2597-2612.
Gage K. S., C. R. Williams, W. L. Clark, P. E. Johnston et D. A. Carter, 2002 : Profiler contributions to Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) ground validation
field campaigns. J. Atmos. Oceanic Technol., 19, 843-863.
Gage K. S. et C. R. Williams, 2005 : Use of radar profilers in multi-sensor ground validation for TRMM and GPM. Proc. of the Geoscience and Remote Sensing
Symposium. IEEE, Seoul, Korea.
Güldner J. et D. Spänkuch, 2001 : Remote sensing of the thermodynamic state of the atmospheric boundary layer by ground-based microwave radiometry. J. Atmos.
Oceanic Technol., 18, 925-933.
Iassamen A., H. Sauvageot, N. Jeannin et S. Ameur, 2009 : Distribution of tropospheric water vapor in clear and cloudy conditions from microwave radiometric profiling. J. Appl. Meteor. and Clim., 48, 600-615.
Khaiyer M. M., J. Huang, P. Minnis, B. Lin, W. L. Smith Jr. et A. D. Rapp, 2003 : Validation of satellite-derived liquid water paths using ARM SGP microwave radiometers. Proc. of the Thirteenth ARM Science Team Meeting, Broomfield, Colorado, USA.
Klaus V., L. Bianco, C. Gaffard, M. Matabuena et T. Hewison, 2006 : Combining UHF radar wind profiler and microwave radiometer for the estimation of atmospheric
humidity profiles. Meteorologische Zeitschrift, 15, 87-98.
Liljegren J. C., 2004 : Improved retrievals of temperature and water vapor profiles with a twelve-channel radiometer. Proc. of the Eighth Symposium on IOAS-AOLS,
American Meteorological Society, Seattle, Washington, États-Unis.
Rainer J. M., 2003 : Le Système mondial d’observations. La Météorologie, 8e série, 40, 28-32.
Rogers R., D. Baumgardner, S. Ethier, D. Carter et W. Ecklund, 1993 : Comparison of raindrop size distributions measured by radar wind profiler and by airplane.
J. Appl. Meteor., 32, 694-699.
Sauvageot H., 1992 : Radar meteorology. Artech House Publishers, 384 p.
Schmit T. J., W. F. Feltz, W. P. Menzel, J. Jung, A. P. Noel, J. N. Heil, J. P. Nelson III et G. S Wade, 2002 : Validation and use of GOES sounder moisture information. Wea. Forecasting, 17, 139-154.
Ware R., R. Carpenter, J. Güldner, J. Liljegren, T. Nehrkorn, F. Solheim et F. Vandenberghe, 2003 : A multichannel radiometric profiler of temperature, humidity,
and cloud liquid. Radio Sci., 38, 8079, DOI: 10.1029/2002RS002856.
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