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Atténuation
Forte atténuation du signal lors du passage d'une ligne de forts orages au-dessus du radôme. Source : Environnement Canada. Toute onde électromagnétique peut être absorbée en passant dans un milieu quelconque car elle excite les molécules qui le composent. Cela peut donc enlever une partie des photons pour faire changer le niveau énergétique du milieu. L'air est très peu absorbant mais la molécule d'eau l'est. Plus la longueur d'onde porteuse du faisceau radar se rapproche de celle des gouttes d'eau (0,1 à 7 millimètres), plus le dipôle de ces molécules sera excité et plus l'onde sera atténuée par la précipitation rencontrée. En conséquence, les radars météorologiques utilisent généralement une longueur d'onde de 5 cm ou plus. À 5 centimètres, lors de pluies intenses, on note une perte de signal en aval de celles-ci sur l'image radar. L'atténuation est cependant de nulle à acceptable dans des précipitations faibles à modérées et dans la neige. C'est pourquoi la plupart des pays des régions tempérées (Canada et une bonne partie de l'Europe) utilisent cette longueur d'onde. Elle nécessite une technologie moins coûteuse (magnétron et de plus petite antenne). Les nations ayant une prédominance d'orages violents utilisent une longueur d'onde de 10 centimètres qui est atténuée de façon négligeable dans toutes les conditions mais est plus coûteuse (klystron). C'est le cas des États-Unis, de Taïwan et d'autres. Les longueurs d'onde de moins de 5 cm sont fortement atténuées, même par pluie modérée, mais peuvent avoir une certaine utilité à courte portée, là où la résolution est plus fine. Certaines stations de télévision américaines utilisent des radars de 3 centimètres pour couvrir leur auditoire en plus du NEXRAD local.
Bande brillante sur radar météorologique
En haut, CAPPI de 1,5km d'altitude montrent de forts échos radar, en jaune, parmi des échos plus faibles en vert. Dans la partie du bas, la coupe verticale à travers les données radar montre que ces intensités sont dues à la présence d'une zone de réflectivité plus intense se situant entre 1,5 km à 2,5 km d'altitude. Cette bande brillante est causée par de la neige fondante. Source: Meteorological Service of Canada (Environment Canada). Le retour de réflectivité est proportionnel au diamètre, au nombre et à la constante diélectrique de la cible. Entre un flocon de neige et une goutte de pluie de même masse, il y a une différence importante de ces trois variables. Ainsi le diamètre d'un flocon est beaucoup plus grand que celui de la goutte mais la constante diélectrique est beaucoup plus petite. Les flocons tombant plus lentement, ils ont une plus grande concentration que les gouttes mais celles-ci se combinent souvent par collisions pour donner de plus grosses cibles. Lorsque l'on tient compte de tous ces facteurs et que l'on calcule la réflectivité de chacune de ces deux cibles, on se rend compte que la différence est d'environ 1,5 dBZ en faveur de la goutte. Lorsque de la neige, en altitude, descend vers le sol et rencontre de l'air au-dessus du point de congélation, elle se transforme en pluie. Donc on s'attend à ce que la réflectivité augmente d'environ 1,5 dBZ entre une donnée radar prise dans la neige et une autre prise dans la pluie. À l'altitude où la neige commence à fondre, il y a cependant un rehaussement des réflectivités jusqu'à 6,5 dBZ. Qu'arrive-t-il? À ce niveau, nous avons affaire à des flocons mouillés. Ils ont encore un diamètre important, se rapprochant de celui des flocons de neige, mais leur constante diélectrique s'approche de celle de la pluie et ils tombent lentement. Nous avons alors les trois facteurs favorisant une plus grande réflectivité. Il en résulte une zone qu'on appelle la bande brillante. Dans les données radar, sur PPI ou CAPPI, qui croisent ce niveau, l'on verra alors un rehaussement des intensités des précipitations qui n'est pas réel. Utiliser les taux de précipitations contaminés par la bande brillante conduira donc à une surestimation des quantités de pluie au sol. Plusieurs techniques ont été développées pour filtrer cet artéfact par plusieurs services météorologiques. Le principe général est de repérer le niveau de la bande brillante et d'essayer d'utiliser les données dans la pluie sous celle-ci, si possible, ou sinon dans la neige au-dessus, mais avec correction.
Photographie, Neige, Temps (météorologie), Tempêtes, Radars météorologiques, Saint-Laurent (Canada), Vallée basse du
Bourrasque de neige sur radar
Image du radar de l'est du Québec. On voit en bleu les échos qui viennent d'une bourrasque de neige qui s'est formée sur les eaux ouvertes du fleuve Saint-Laurent alors que de l'air arctique passait juste au-dessus.
Dessins et plans, Neige, Temps (météorologie), Tempêtes, Radars météorologiques, Boston (Mass.. - banlieue)
Bourrasques de neige sur radar
Échos radar lors du passage d'une ligne de bourrasques de neige frontale dans la zone de couverture du radar NEXRAD de Boston en janvier 2004 : Suite de quatre images, de gauche à droite et de haut en bas, qui montrent le déplacement radar d'une ligne de grains de neige (bleu-vert) se dirigeant vers Boston.
Photographie, Temps (météorologie), Météorologie, Météorologie -- Instruments, Aéroports -- Appareils et matériel, Australie -- Conditions économiques, Radar en météorologie
Bureau de la météorologie d'un aéroport en Australie
Bureau régional de la météorologie d'un aéroport en Australie, Darwin Airport Met Office. Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Bureau_of_Meteorology
Calcul de la hauteur des échos d'un radar
Calcul de la hauteur du faisceau radar au-dessus du sol, légendé en français. En plus de la distance, on peut calculer la hauteur au-dessus du sol où se trouvent les cibles. Cela se calcule en connaissant l’angle d’élévation du radar et la courbure de la Terre. Il faut également tenir compte de la variation de la densité des couches de l’atmosphère. En effet, le faisceau radar ne se propage pas en ligne droite comme dans le vide mais suit une trajectoire courbe à cause du changement de l’indice de réfraction avec l'altitude.
Photographie, Effets des conditions météorologiques, Temps (météorologie), Tempête Klaus (2009), Bulletins météorologiques, Cartes météorologiques, Prévision pour l'immédiat (météorologie), Services météorologiques, Systèmes d'alerte (protection civile), Temps (météorologie) -- Prévision
Carte vigilance Météo-France du 24-01-2009 08h10
Carte de vigilance météorologique de Météo-France du 24 janvier 2009, diffusée le 24 janvier 2009 à 08:10.
Convection dans une casserole
Principe de la convection thermique dans une casserole d'eau : Le mouvement dans une casserole posée sur le feu s'explique par les différences de densité créées par le chauffage. Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de température entre le haut et le bas de la couche d'eau atteint une valeur critique.
Double polarisation en radar
Principe de la double polarisation utilisé en radar. Une gouttelette prend une forme oblate quand elle augmente de masse et les ondes polarisées horizontalement (gauche) et verticalement (droite) donneront des échos d'intensités différentes en revenant au radar. D'autre part, la grêle est plus ou moins circulaire et donc les retours seront égaux. D'autres objets ont des axes préférés. En comparant les retours verticaux et horizontaux avec d'autres données radars, il est possible d'estimer directement le type de cibles vues par le radar.
Dessins et plans, Couleurs, Temps (météorologie), Échelles, Radars météorologiques, Couleur en cartographie
Échelle de couleur de radar météorologique
Expemple d'échelle de couleur associée avec une image de réflectivité pour un radar météorologique. On y retrouve l'intensité taux de précipitation et en correspondance en dBZ. En général, les images de réflectivité utilisent une variation de couleur similaire à celle de l’arc-en-ciel. Les intensités les plus faibles sont indiquée par le bleu pâle (cyan), les intensités modérées par le jaune et les fortes par le rouge puis le magenta. Les intensités peuvent être reliées à la réflectivité en dBZ ou à son équivalent en millimètres/centimètres par heure. Par exemple, les images disponibles sur le site du Service météorologique du Canada utilisent cette échelle : en hiver le violet représente le taux de précipitation le plus élevé (20 cm/h) alors que le bleu-vert du bas de l'échelle représente le taux le plus bas (0,1 cm/h). Durant les mois d'été, l'échelle de réflectivité est remplacée par celle des précipitations pluviales, en mm/h, qui va d'une trace à plus de 100 mm/h. Certains utilisateurs préfèrent cependant des codes numériques plus simples à interpréter. Ainsi, lorsqu'un pilote d'avion ou un contrôleur aérien décrivent l'intensité des échos de précipitations sur leur affichage radar, ils utilisent des niveaux : niveau 1 pour la précipitation faible, niveau 2 pour de la précipitation modérée possiblement reliée avec une basse visibilité et de la turbulence, niveau 3 pour de la pluie/neige forte reliée à des conditions de vol dangereuses. Certains affichages commerciaux indiquent le type de précipitations. Ainsi les images que l'on peut voir aux bulletins télévisés en hiver peuvent séparer les zones de pluie, de pluie verglaçante et de neige. Ceci n'est pas une information venant du radar mais une association avec les informations venant des stations météorologiques de surface. Un programme analyse la température, le point de rosée et le type de précipitation rapportés par les METAR sous une zone d'échos au radar et fait la division des zones. Cet analyse peut être améliorée en utilisant les données des modèles de prévision numérique du temps comme champ d'essai mais le tout reste sujet à des erreurs de lissage et ne tient pas compte des effets de petite échelle dans la distribution des types de précipitations (air froid emprisonné dans une vallée qui donne de la pluie verglaçante au lieu de pluie par exemple). Quand les données de double polarisation seront largement disponibles, une telle analyse sera plus fiable.
Dessins et plans, Temps (météorologie), Physique, Radars météorologiques, Radar Doppler, Effet Doppler
Effet Doppler-Fizeau
Effet Doppler-Fizeau : ondes émises par une source se déplaçant de la droite vers la gauche. La fréquence est plus élevée à gauche (à l'avant de la source) qu'à droite. Méthode pour mesurer la vitesse de déplacement d'une cible : on peut noter la variation de fréquence de l'onde émise par rapport à celle reçue lorsqu'on émet continuellement à une fréquence fixe. Il s'agit là de l'utilisation de l'Effet Doppler-Fizeau. Comme on ne fait pas varier la fréquence émise, on ne peut cependant pas définir la position de la cible de cette manière. En plus, on n'a que la composante radiale au radar de la vitesse. Par exemple, une cible se déplaçant perpendiculaire au faisceau radar ne causera pas de changement de fréquence alors que la même cible se déplaçant vers le radar à la même vitesse provoquera un changement maximal. La plus courante des méthodes est d'utiliser une variante de l'effet Doppler avec un radar à impulsions. Dans ce cas, on note la différence de phase entre les impulsions successives revenant de la cible. Cette méthode permet de déterminer la vitesse radiale ET la position de la cible.
Éoliennes et radars météorologiques
La réflectivité (gauche) et la vitesse radiale (droite) retournées vers le radar BKUF (Buffalo, NY) par des éoliennes situées à environ 50 km au sud-est. Le programme de traitement des données peut éliminer les échos de sol et autres artéfacts car ceux-ci ont des généralement des vitesses nulles. Cependant, les pales des éoliennes tournent et leur vitesse n'est pas nulle. Ces échos sont donc affichés comme de vraies précipitations.
Dessins et plans, Temps (météorologie), Radars météorologiques, Faisceaux, Dynamique des, Oscillateurs
Faisceau d'un radar
Diagramme légendé en français du parcours d'un faisceau radar pulsé et le volume sondé. Une impulsion électromagnétique est produite par un oscillateur (magnétron, klystron ou autre) électronique. Elle est envoyée à travers un guide d’ondes à une antenne directive. La largeur du faisceau qui définit la résolution en azimut et en élévation dépend des caractéristiques de l'antenne, et la durée d’impulsion sinusoïdale simple (de l’ordre de la microseconde), définit la résolution radiale. Il est possible d'utiliser des impulsions compressées qui obtenir une meilleure résolution radiale. Ainsi, une impulsion sonde un volume de l'atmosphère qui augmente avec la distance au radar. On voit sur l'image le volume qu'occupent deux impulsions parties à des temps différents d'un radar. Avec les dimensions typiques d'un faisceau radar, le volume sondé varie donc de 0,001 km³ près du radar, jusqu'à 1 km³ à 200 km de celui-ci. Il s'agit du «volume radar».
Front d'orages : vue panoramique à angle d'élévation constant
Image d'un front d'orages en réflectivité (en dBZ), vu sur PPI, (plan position indicator). Comme les données sondées par le radar se font à un angle d'élévation à la fois, les premières images ont été celles d'un affichage panoramique des données de chaque angle individuellement (PPI). Ce type de données doit être interprété en se rappelant que le faisceau radar s'élève au-dessus du sol à mesure qu'on s'éloigne du radar. Donc ce qu'on voit près du radar est à beaucoup plus bas niveau que ce que l'on voit à 200 km. Il en résulte qu'un nuage avec des taux de pluie élevé à 30 km du radar peut sembler diminuer ou augmenter d'intensité à mesure qu'il s'éloigne du radar. En fait, comme notre faisceau est plus haut dans le nuage au second temps, il regarde une autre section de ce dernier. Un PPI est également affligé de retours venant du sol près du radar car une partie de l'énergie émise se retrouve dans les lobes secondaires hors de l'axe du faisceau principal. Ceci donne de très forts retours qui peuvent être mal interprétés comme étant des précipitations fortes. USAGE : Tous les types de données: réflectivité, vitesse radiale et les différents champs de polarimétrie.
Horizon du radar
Les ondes électromagnétiques suivent les règles de l’optique pour les hautes fréquences (>100 MHz). Même le faisceau d’un radar pointant vers l’horizon va s’éloigner de la surface de la Terre parce que celle-ci a une courbure. Une cible qui se trouve à une distance à l’intérieur de la portée maximale du radar mais sous l’horizon du radar ne pourra donc pas être détectée, elle se trouve dans la «zone d’ombre». Cependant, l’horizon du radar est à une plus grande distance que l'horizon optique en ligne directe parce que la variation de l’indice de réfraction avec l’altitude dans l’atmosphère permet à l’onde radar de courber. Le rayon de courbure de la trajectoire de l’onde est ainsi plus grand que celui de la Terre ce qui permet au faisceau radar de dépasser la ligne de visée directe et donc de réduire la zone d’ombre. Le rayon de courbure de la Terre est de 6,4×106 m alors que celui de l’onde radar est de 8,5×106 m.
Migration des oiseaux vue par radar
Migration des oiseaux vue par radar, le 29-8-2004 : En plus de la pluie, de la neige, du verglas et autres précipitations, le radar météorologique peut recevoir des échos provenant d'autres sources. Les principaux polluants des données sont les oiseaux, surtout en temps de migration...
Nuages convectifs
Génération des nuages convectifs selon la différence de température. De haut en bas : 1) Seulement des cumulus ; 2) Des cumulus bourgeonnants de faible extension ; 3) Des cumulus bourgeonnants intenses ou de petits cumulonimbus. On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique de cumulus. Lorsque la couche d'air instable est peu étendue verticalement, on a formation de cumulus humilis, dit cumulus de beau temps, synonymes d'air ascendant. Si l'EPCD augmente, on passe ensuite au cumulus mediocris, puis au congestus, le second produisant les averses. Si l'instabilité est plus grande on obtient le cumulonimbus calvus, pour finir au roi des nuages le cumulonimbus cappilatus incus qui sont synonymes d'un orage mûr et possédant également un cycle descendant de convection. Chacun de ces nuages est appelé aussi cellule convective. Les orages peuvent être être formés de cellules convectives isolées et on parlera alors d'un orage mono ou uni-cellulaire pour ceux peu importants et d'orages supercellulaires pour les autres. Les orages composés de plusieurs cellules convectives se classent en deux catégories, soit les orages multicellulaires, pour ceux provenant d'une cellule initiale qui se clone, et les systèmes convectifs de méso-échelle (ligne de grain, Derecho, complexe convectif de méso-échelle, cyclone tropical, etc.), pour celles qui s'unissent à partir d'une genèse distincte.
Observation des vents sur radar Doppler
Exemple idéalisé de vents obtenus par un radar Doppler. On voit la variation angulaire de la valeur du vent lorsqu'on se déplace le long d'un des cercles qui représente une équi-distance au radar sur un PPI (Plan Position Indicator), donc une équi-hauteur. Ce cas est celui d'un jet de vents de bas niveau de l'est-nord-est entre le niveau 18 et 25 (convention les vents entrants sont en bleu et ceux sortant sont en rouge). Source: Meteorological Service of Canada (Environment Canada).
Orage de tornade vu par deux radars
Orage tornadique vu par deux radars très près l'un de l'autre. En haut, l'image du haut est d'un Radar météorologique d'aéroport TDWR et celle du bas d’un NEXRAD. L'image du haut a une résolution double de celle du NEXRAD. Nous pouvons beaucoup mieux voir les détails qui aideront le météorologiste à reconnaître la configuration dangereuse d'un écho en crochet annonciatrice d'un tornade. La diminution de la largeur du faisceau, en augmentant le diamètre de l'antenne ou en diminuant la longueur d'onde de sondage, est donc un facteur important pour mieux se conformer à l'hypothèse d'un volume rempli uniformément mais ne fait rien pour la dégradation avec la distance.
Radar à impulsions
Schéma de fonctionnement du radar à impulsions avec une longueur d'onde de 5,35 cm caractéristique de plusieurs radars météorologiques. Une manière de mesurer la distance à un objet est d'émettre une courte impulsion de signal radio, et de mesurer le temps que prend l'onde pour revenir après avoir été réfléchie. La distance est la moitié du temps de retour de l'onde (car le signal doit aller à la cible puis revenir) multipliée par la vitesse du signal (qui est proche de la vitesse de la lumière dans le vide si le milieu traversé est l'atmosphère). Quand l'antenne est à la fois émettrice et réceptrice (ce qui est le cas le plus courant), l'antenne ne peut pas détecter l'onde réfléchie (aussi appelée retour) pendant que le signal est émis - on ne peut pas savoir si le signal mesuré est l'original ou le retour. Cela implique qu'un radar a une portée minimale, qui est la moitié de la durée de l'impulsion multipliée par la vitesse de la lumière. Pour détecter des cibles plus proches, il faut utiliser une durée d'impulsion plus courte.
Radar météo en 1988
Opérateur et station de travail d'un radar météo de conception soviétique à Neuhaus am Rennweg en RDA (1988); Source : German Federal Archives.
Radar météorologique
Radar météorologique en construction : Tour et pose du radôme du nouveau radar météorologique de OUPRIME de l'université d'Oklahoma à Norman (Oklahoma). Un radôme (de radar et dôme) est un abri protecteur imperméable utilisé pour protéger une antenne des intempéries et/ou des regards, afin de ne pas divulguer l'orientation de l'antenne (dans le cadre d'écoutes/interception de communications).
Réflexion du faisceau radar par la grêle
Le faisceau radar est défléchi par la cible dans toutes les directions. En général, le retour venant de réflections multiples dans le nuage est négligeable. Dans certaines conditions où le cœur de précipitation est intense (comme la grêle), une partie de l'énergie envoyée vers le sol retournera au nuage et sera réfléchie vers le radar. On aura alors une réflection à trois corps. Comme cet écho arrive plus tard que l'écho initial du nuage (plus long trajet), il sera placé erronément à l'arrière des vrais échos de précipitations.
Réseau des radars météo canadiens
Carte du réseau canadien de radar météorologique avec le sigle de chaque radar et leur portée en rayon de 240 km.
Réseau des radars météorologiques français
Réseau des radars météorologiques français en 2006 : ARAMIS (Application Radar à la Météorologie Infra-Synoptique) est le nom du réseau de radars météorologiques de France qui comprend 24 radars de précipitations répartis sur le territoire de ce pays, y compris sur la Corse, plus 3 autres des pays voisins. L’ensemble des données recueillies et traitées par ARAMIS est disponible 24 heures sur 24 et renouvelé toutes les quinze minutes sur l’ensemble du territoire sous la forme d’une mosaïque des images de chacun de ces radars.
Sources d'erreur de radar météorologique
Les différentes sources d'erreurs qui peuvent influencer la donnée des radars : ombre, bruine... Le faisceau radar se propage dans l'atmosphère et rencontre bien des choses en plus de la pluie ou de la neige. Il faut donc savoir reconnaître la signature de ces artéfacts pour pouvoir interpréter correctement les données.
Dessins et plans, Temps (météorologie), Pluies, Précipitations (météorologie), Radars météorologiques, Réfraction -- Mesure, Indice de
Super-réfraction de radar météorologique
Effet de la super-réfraction dans une atmosphère non standard sur le faisceau radar qui peut voir au-delà de l'horizon car le faisceau se recourbe vers le sol (ex. inversion de température) et qui peut noter des précipitations sous l'horizon. Il arrive souvent que des inversions de températures se produisent à bas niveau par refroidissement nocturne sous un ciel clair, ou en altitude par subsidence. Également, l'humidité peut être capturée près du sol et diminuer rapidement avec l'altitude dans une goutte froide sous un orage, en situation du passage d'air chaud sur de l'eau froide, ou dans une inversion de température. Ces différents cas changent la stratification de l'air. L'indice de réfraction diminue alors plus rapidement que la normale dans la couche en inversion de température ou d'humidité ce qui fait recourber le faisceau radar vers le bas. Si l'inversion est près du sol, le faisceau frappe celui-ci à une certaine distance du radar puis retourne vers ce dernier. Comme le traitement radar s'attend à un retour d'une certaine hauteur, il place erronément l'écho en altitude. Ce type de faux échos est facilement repérable, s'il n'y a pas de précipitations, en regardant une séquence d'images. On y voit dans certains endroits des échos très forts qui varient d'intensité dans le temps mais sans changer de place. De plus, il y a une très grande variation d'intensité entre points voisins. Comme cela se produit le plus souvent en inversion nocturne, le tout commence après le coucher du soleil et disparait au matin. L'extrême de ce phénomène se produit quand l'inversion est si prononcée (et sur une mince couche) que le faisceau radar devient piégé dans la couche comme dans un guide d'onde. Il rebondit plusieurs fois au sol avant de revenir au radar. Ceci crée des échos de propagation anormale en bandes concentriques multiples. Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Radar_m%C3%A9t%C3%A9orologique
Photographie, Tornades, Temps (météorologie), Radars météorologiques, Kansas (États-Unis), Radar Doppler
Tornade observée par un radar météorologique mobile
Tornade observéé par un radar météorologique mobile, Doppler sur roues (Doppler on Weels, DOW) à Attica, Kansas.
Trajets multiples d'une cible sur un radar
Les échos dus au phénomène de trajets multiples d’une cible font apparaître des fantômes.
Volume sondé par un radar météorologique
Volume sondé avec plusieurs angles d’élévation : diagramme 3D. Le cône vert en bas représente l’angle minimal et le cône rouge au centre, l’angle maximal.