OFFICE DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE OUTRE-MER

Service HydroJogique

UNIVERSITE,rICRRE ET MARIE CURIE

PARIS VI

Laboratoire de Géologie Dynamique

UTILISATION DU RADAR

POUR LA PRËVISION DES CRUES

À L'ËCHELLE RËGIONALE

Alain GIODA

oRsrOM - BONDY

MEMOIRE DE D.E.A. SCIENCES DE L'EAU

Juillet 1982Revu en 1985

TABLE DES MATIERES

3. LA CHAINE RADAR •••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••

4. LES DIFFERENTS TYPES D'ECHOS •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

INTRODUCTION .' •••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

CONCLUSIONS ET DiSCUSSiON····················································· 50

Pag~

3

5

6

6

7

8

8

10

13

13~

21

22

22

22

Z3

25

25

29

30

31

31

33

39

39

40

42

45

QUELLE EST L'UTILITt DU RADAR?

Les échos parasites

L'atténuation des échos par les obstacles terrestres .•••.••••••

L'atténuation des échos dans l'atmosphère

Quelques remarques pratiques

L' EQUAT ION RADAR •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

L'UTILISATION QUALITATIVE

LES PERTURBATIONS DES ECHOS

LE FACTEUR DE' REFLECT IVITE

1.1. Les caractéristiques du radar ..•••.•..•••...••..•...•.•.•.•.•.•

1.2. Les caractéristiques de la cible •.•.•................•.••..••.•

1.1. La localisation des pluies .

1.2. La prévision des pluies .

1.3. L'évolution de l'intensité des pluies .••••..•.••.•.•.••.•••••••

2.1. L'utilisation de l'approximation de RAYLEIGH ...•...............

2.2. Les fluctuations du facteur de réflectivité •.....•......•.•.•.•

3.3.

5.1.

S.2.

4.2.

2.1. L'établissement du rapport facteur de réflectivitéintensi té de la pluie •.••...••.••••.•..••••.••••.•...•.••..••.•

4.1. Les échos liés aux pluies •.....•.••.••.••...•••••..•.•.•.••.•••

1.

2.2. L'établissement du rapport intensité de la pluie selonle radar et selon le pluviographe •.•.•.•.•.••••••.....•.•••.•••

2.3. L'ajustement des données radar avec celles du pluviographe

3.2. La diversité des appareils ...••..•••.•.••....••..•....•...•••..

3.1. Les constantes des appareils ......••• ; ••.•.•.•.•..•..•.•..••.••

2. L'UTILISATION QUANTITATIVE ••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••

5.

2.

1.

PREMIERE PARTIE - QUE FAUT-IL SAVOIR DU RADAR AVANT SON UTILISATION? •••.•••••

DEUXIEME PARTIE

~I

~I

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~I

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-1

-1-1-1

DOCUMENTS CITtS ................................................................................................... 54

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2

REMERCIEMENTS

Ce travail n'a été possible que grâce à l'aide ap­portée par les personnes suivantes : MM. PIEYNS et CALLEDEde l'ORSTOM, MM. GILET; FLOCH, DAVID et DARNAJOUX de laMétéorologie Nationale, M. BEDIOT de l'Agence Financièrede Bassin "Seine - Normandie" et M. DUPOUYET du ServiceHydrologique Centralisateur de la Garonne.

111111111111111111111

..".

INTRODUCTION

Les essais d'utilisation II des fins météorologiques des radars sont déj~ relativementanciens. Ils commencent en 1941 et continuent au-delà de la fin du second conflit mondial grâce

~ des éléments recupérés dans les surplus militaires. Une étape importante est franchie en 1959

par la mise en service du premier radar conçu à des fins uniquement hydrologiques, le WSR-S7.

Il est à noter que le terme radar hydrologique est réservé aux appareils dont l'objectif

fondaJlIl'ntal est la mesure de l'intC'llsité dl' la pluie. Ces appareils permettt'ilt également la détec­tion des phenomenes dallgcTl~ux. comme les tornades et les cyclones, qui fut le premier but du radarmé t é 0 1'010g j <JlI{: •

Sans exclure d'autres travaux menés dans le monde entier, parmi les grandes réalisationsayant utilisé le radar hydrologique, il faut citer

- le D/RADEX aux Etats-Unis ;- le Dee l\bather I~dar au Royaume Uni- les campagnes HYDROMEL en France.

En France, précisément., après les premières tentatives de LHERMITTE, le premier radarhydrologique a fonctionné en 1~h3 en Bretagne près de Lorient, s6us les auspices de la SODETEP,une société privée. L'EDF a soutenu les essais menés vers 1965 par l'Observatoire du Puy de Dôme.Le matériel de la SODETEP a été ensuite transféré en 1968 puis remplacé en 1976 par un autre, plusperformant, sur le site de Grèzes en Dordogne par le Service Hydrologique Centralisateur dePérigueux. Le projet I~DROMEL dont la Mét~orologie Nationale est le martre d'oeuvre démarre en1975 à Dammartin en Goele au Nord-I~st de Paris. Deux autres radars, semblables à celui de Dammartinen Goële, fonctionnent à Brest et à Bordeaux -Mérignac. Des appareils d'un type différent sontinstallés ou en cours d'installation dans six autres sites; l'objectif étant de couvrir l'ensembledu territoire national avant 1985. De son côté, le Service Hydrologique Centralisateur de laGaronne projette, aujourd'hui, de mettre en place cinq à six radars sur un axe Nord-Sud à l'Ouestde Toulouse afin d'améliorer le système d'annonces des crues dans le bassin aquitain (Fig. 1):

L'ell~t'mble de ces réalisations et de ces projets montre que les radars hydrologiquestendent à devcl:ir en France l'un des outils indispensables à la prévision des pluies comme à laconnaissance de la pluviométrie.

L'objectif de cette étude est double :

- d'abord, fournir aux éventuels utilisateurs du radar un minimum de bases et de renseignements

indispensables avant sa mise en oeuvre ;

- ensuite, indiquer ce qu'il est possible d'at~endre de cet appareil, afin d'estimer les préci­pitations, tant au niveau qualitatif pour une pré-alerte aux crues dangereuses qu'à celui quan­

ti tatif. Par cc terme, nous entendons l'étude de l'i,"!tensité horaire des pluies.

1."'1

1111111111111111111

Fig. 1. La localisation des radars météorologiques français,sui s s es et britanniques. Les cere les en t rai ts ple,insmatérialisent la portée utile des appareils en fonc­tionnement. Ceux en pointillés sont affectés aux ap­pareils qui doivent être installés avant 1985.L'emplacement du radar de Dammartin en Go!le, commecelui de Grèzes, est matérialisé par un point noir.Un radar-pluie fonctionne depuis 1984 en Ita~ie du Nord dans larégion de Turin (GOVI, comm. oraie).Signalons un radar installé pour 5 ans près d'Agen pour unecampagne d'étude de la grêle (DAVID, 1982).

4

-1-1~I

~I

-1~I

~I

~I

~I

~I

-1~I

-1-1~I

-1-1 '-1-1'-1-'1

PREMIERE PARTIE

QUE FAUT-IL SAVOIR DU RADAR AVANT SON UTILISATION?

5

11111

6

Le ra~ar, m~me aux Etats-Unis où ~~s 1962 plus de trente appareils très performants, les

WSR-57, étaient implnntés (BIGLER et aL, 1~)()2), n'est 1';15 un instrulllcnt dont l'utilisation pour

mesurer les précipitations est ~evenue routini~rc (WILSON et BRANDES, 1979). A l'inverse, dans lecas dl' l'alerte <lUX l'hl:nomèncs uilngcrl'lIx. if' !"ildar il prouvé toute son utilité.

A cet échec relatif du radar hydrologique, il y a plusieurs raisons sur lesquelles

l'accent sera mis; raisons qui apparaissent uucs 11 ]a fois à la métho~e ct aux Umitations techni­ques <11' 1:1 chaine ~'acljll i sition des données.

- les caractéristiques de l'appareil;

- et celles de la cible.

Une fois les premières connues, elle ne dépendra que de celles de la cible qui est iciles précipitations.

L'équation radar est la relation qui détermine la puissance, exprimée en milliwatts et

notée n~f, retournée par une cible à un radar cn fonction des deux paramètres suivants :

L'équation (1) dérive d'une formule plus générale dite de PROBERT JONES. Malgré sa lourdeur appa­

rente, elle est d'un usage très aisé car l'utilisateur n'a pas de conversions à effectuer. Lesdonnées usuelles peuvent ~tre introduites dans cette formule.

L'équation de la puissance reçue par le radar peut s'écrire

111111

1. L'lQUATI ON RADAR

(3,99.10- 2°) ( __E~e~~T~G_'~B~o~Y~o~L_rL-_}..'

(V IKI'-Z. l"

(1)

1111

1.1. LES CARACTERISTIQUES DU RADAR

Dans l'équation radar, les caractéristiques de l'appareil qui sont prises en compte sontau nombre de sept. Ce sont les suivantes qui constituent la secondepartie de l'équation (1) :

- l'énergie d'une impulsion émise, notée Ee et exprimée en W ;

- la 10ngllenr d'une impulsion, notée T et exprimée en psec ;l'angle du faisceau émis à demi-puissance en site, c'est-à-dire sur un plan vertical, noté Boet exprimé en degr0

l'angle du faisceau émis à demi-puissance en azimuth,c'est-à-dire sur un plan horizontal, noté

Yo et exprimé en degré ;la longueur d'onde du faisceau émis, notée À et exprimée en cm

le gain de l'antenne, noté G et sans dimension- l'affaiblissement qui a lieu dans le filtre du récepteur, noté LI' et sans dimension également.

Les caractéristiques mnyennes d~ radar hydrologique sont

111

- la forte énergie des impu]s;nns, entre 30 et 1000 KW ;

- leur brièveté, entre 0,5 ct 4 ~sec ;la très faible ouverture des angles Bo et Yo,entre 1 et 2 0

- la 10llgueur d'on~e centimétrique située entre 3 et 10 cm ;

f 1 d 10 ~ ",- le ort gain de l'alllenne de ]',ll'lre e

- la faihlesse dl's pertes dans le filtre, entre et 2.

L'ensemble de ces c:Jractéristiqllcs est fourni par le constructeur. L'utilisateur considère les ca­

ractéristiques radar comme une ronstante, notée C.

L'équation (1) devient donc:

11

C (L' IKI'-Z )l"

(2)

-17

1. 2. LES CARACTERISTIQUES DE LA CIBLE

-1-1--1--1

"1

Dans les équations (1) et (2), elles sont au nombre de trois car L', l'atténuation,sera,dans un premier temps, prise sens Iblcmcnt égale li 1.

Les caEactériitiques de la cible sont les suivantes,.

- la forme sous laquelle l'eau précipite, représentée par IKI , qui est un facteur sansdimension ;

- la distance de la cible par rapport au radar, notée r et exprimée· en km ;

- le diamètre et le nomùre des hydrométéores illuminés par le faisceau, unis dans un facteurcomplexe, noté Z et exprimé en mm 6 /m'.

Le facteur IKI' dit coefficient de réflexion est égal à 0,93 environ dans le cas del'eau et à 0,197 dans c~lui de la glace. Si C, Z et r sont égaux, la puissance retournée à l'an­tenne va varier d'un facteur voisin de 5 quand la glace sera remplacée par l'eau. Travaillantdans des pays tropicaux, /KI' devient une constante égale à environ 0,93.

L'équation (2) devient

--1 avec Cl C C. 0,93.

Pr C Cl (_Z_)r'

(3)

--1~I

-1

La relation (3), comme les précédentes, montre que la puissance retournée est inversé­ment proportionnelle au carré de la distance radar-cible. Cette mesure ne pose guère de problèmescar, dans les chaines radar, il existe souvent un correcteur de distance. Par exemple, sur leradar Mélodi de la Météorologie, cette correction est effectuée automatiquement jusqu'à 100 km.

Le coefficient complexe Z dit facteur de réflectivité, est, en fait, le seul qui vaêtre mesuré à l'aide ~u radar, C et IKI' étant des constantes et la correction de la distanceétant faite automatiquement. C'est ce facteur, exprimé en mm 6 /m', qui permettra de mesurer l'in­tensité de la pluie de façon indirecte.

Le facteur de réflectivité est également exprimé en décibel. En présentant la relation(3), sous une forme logarithmique, on a :

-1~I

Z = Pr + 20 log r - 10 log Cl

avec Z, exprimé en dBz = 10 log (Z/I)

Pr en dBm = 10 log (Pr/l) ;

dBz et dBm signifiant décibel respectivement par rapport àmilliwatt qui servent de référence.

r, en km ;

Cl, étant sans dimension.

mm 6 /m s et par rapport au

(4)

~I

-1

Dans le cas du radar Mélodi utilisé lors des campagnes HYDROMEL, Cl est égal' à 110,5.10-'. 9

ou à 34,6.10- selon la longueur de l'impulsion utilisée (GILET et aZ., 1980).

En conclusion, à ce stade, le facteur de réflectivité (en dBz souvent abrégé pour desraisons de commodité en dB) est connu à t 1 à 3 dB. Cette incertitude découle de l'instabilitérelative de la chatne radar ; les caractéristiques de l'appareil ne sont pas tout ~ fait cons­tantes. Au-dessus de fluctuations de t 5 dB, la chafne radar n'est plus adaptée aux fins de larecherche (HILDEBRAND et aZ., 1981).

* Attention 1 IKI" comme L" dans les équations, n'est pas le facteur IKI élevé au carré •.

Il s'agit seulement d'une notation usuelle en métkorologiep~ur exprimer l'idée d'untrajet aller-retour entre le radar et la cible.

-=1-------------------~-

~I

~I

~I

~I

8

2. LE fACTEUR DE RËFLECTIVITË

Ce facteur peut ~tre connu de deux manières en utilisant soit la théorie complète de

MIE soit l'approximation de RAYLEIGH.

Sauf pour les longueurs d'ond~ inférieures à 3 cm, les météorologistes appliquent laseconde car les calculs qu'elle demande sont plus aisés et la différence, au niveau des résultats,entre les deux approches, reste faible.

2.1. L'UTILISATION DE L'APPROXIMATION DE RAYLEIGH

~I

Le facteur Z est lié au nombre et au diamètre des hydrométéores par la relation

Z = L NiD 6 /V (5)l

oC! Ni est le nombre de gouttes de diamètre D, exprimé en mm, par unité de volume d'air, V,

exprimé en mS ; Z l'étant ic i en mm 6/m' .

~IDans l'équation (5), il est admis que les particules précipitantes sont distribuées de façonhomogène dans l'ensemble du volume illuminé ce qui permet l'élimination du terme Ni comme cellede V car ce dernier est pris égal ~ mS.

Le facteur Z ne dépend plus que du diamètre élevé à la puissance 6 des gouttes. Il est à noter que certains au­

teurs, comme TREUSSART (1968), font aussi appel à la réflectivité, notée ~ et exprimée en mS/ms,Pour l'ensemble des gouttes, la réflectivité est

~I

~I

D'où : z =1: D6

5 D61) = ft .0,93. I: >:""

(6)

(7)

-1-1-1~I

-1

Cette équation est directement dérivée de celle de l'approximation de RAYLEIGH appliquée à unecible météorologique.

Elle admet comme (5) et (6) qu'il y a une relation univoque entre D et n ou D et Z. Pourque cela se vérifie, deux importantes conditions doivent être remplies :

- les gouttes doivent être sphériques- leur diamètre largement inférieur à la longueur d'onde du radar.

Ainsi pour A = 3 cm, D doit être inférieur à 3 mm. Pour A > 5 cm, D doit être inférieurà 6 mm, conditions généralement remplies lors des pluies.

Dans le cas d'une longueur d'onde de 3 cm, si la limite du diamètre des gouttes est dé­passée, l'univocité cesse. C'est la région de MIE où les relations entre Z et D ou Z et n devien­nent impossibles à apprécier avec l'approximation de RAYLEIGH (Fig. 2).

Pour résoudre ce problème, il faudrait appliquer la théorie cOmplète de MIE. Son carac­tère complexe entratne les utilisateurs du radar à appliquer les équations (5), (6) ou (7), mêmedans le cas d'une longueur d'onde de 3 cm d'où une source d'erreur non négligeable en cas de pluies

intenses ..

Ces limites d'application connues, en utilisant l'approximation de RAYLEIGH, il faut

retenir que :

- si le diamètre des gouttes double, le facteur de réflectivité et la réflectivité passentd'un rapport de 1 à 64 ; d'où une très importante augmentation de la puissance retournée

lorsque les particules croissent ;

- la réflectivité, en appliquant l'équation (7), varie fortement pour un même diamètre desgouttes selon que les longueurs d'onde 3,6 ou 10 cm sont employées. Par exemple:

Enfin, le facteur de réflectivité varie beaucoup lors des enregistrements. Ces fluctua­s'ajoutent à celles causées par l'instabilité de la chaine radar. Prendre unè valeur instan­

de Z et une seule ne permettra d'obtenir qu'une valeur non significative.

et9 (A = 3,2 cm) ~ 1209 (X = 10,6 cm)

tions

tanée

-1-1

-1-1

L-L~~:t======L - - -- _

Fig. 2. La représentation schématique du domaine de l'univocité dela rela·tion diamètre ùe la goutte - réflectivité.Ce domaine est en grisé. Pour À ; 10 cm, il n'est pas si­gnalé car il est exclu que le diamètre des gouttes puisseexc~der 0,6 cm.A la place de la réflectivité,' ~, le terme cr est consi­déré.· cr =4 1KI 2 DG

À

Région optique

Miede

-'- À = 10 cm

Région

Diamètre

À = 5,7 cm

0,6

de

/-1\ !! 2,5.. 9'1 l"" ".

1. .\ 1 \ r' /' i\1/ \ 1 \ 1 \ / \ 1 \J'\

/ j' \ '1 .\ 1 •..,t J

1 . . \ 1 \J/ \;

(l,3

. ,-- À :i:: 3,2 cm

Région

~I

~I

-1,-1-1~I

~I

--1--1--1.

--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

~I10

2.2. LES FLUCTUATIONS DU FACTEUR DE REFLECTIVITE

La puissance retournée au radar, notée Pr, suit une loi exponentielle appelée pre­mière loi de LAPLACE qui n'est qu'un cas particulier de celle de X2 et qui peut s'écrire

Le facteur de réflectivité apparait comme un brui~ dont la représentation graphiqueest une série de sinusoides superposées d'intensités très variables (cf. le facteur 64 ci-dessus).L'amplitude des variations contraint l'appareil récepteur l être équipé d'un amplificateurloga ri thmique.

(8)

(9)Z .. 4,343 ln

fCP r ) .. 1 exp (_.!L)Fr Pr

où Pr est la puissance moyenne en mW (Fig. 3).

Dans le cas d'un .mplifitateur logarithmique quasi obligatoire, le facteur de réflectivité Z,en décibels, s'écrit:

~I

~I

-1

~I

~I

où ~o (en mW) est une constante électronique proche du seuil minimum de détection ou, comme ici,prise égale à 1.

La seule manière de faire diminuer cet écart-type consiste à multiplier le nombre de signauxémis afin d'accroître la taille de l'échantillon (Fig. 5).

Son écart-type, noté Sz et exprimé toujours en dB, est égal à

(10)

( 11)

(12)

( Z )]tr,343[__1 e

JT;:exp1 e

4,343 tÇ

Z .. 10 log Pr - 2,51

Sz .. 5,57

feZ)

La loi du signal reçu sera

La moyenne de l'estimation du facteur de réflectivité, en dB, est

où Pr est exprimé toujours en mW (Fig. 4).

~I

~I

~I

~I

~I

Si ce nombre est supérieur à 30, les valeurs obtenues grace à l'équation (13) à la sortie del'amplificateur logarithmique, suivent une loi normale. Ainsi, 95 \ des prélèvements ou tirssont contenus dans un intervalle égal à ± 2 Sz et centré sur la moyenne vraie du signal.

-1-1

Sz = 5,57/ yN

où N est le nombre de signaux émis.

(13)

-1Toutefois, au terme N est préféré un ter~e N' de valeur supérieure car des impulsions

séparées de quelques millisecondes n'éclairent pas des volumes où les arrangements de gouttessont stochastiquement indépendants.

Multiplier les tirs est nécessaire pour réduire l'écart-type des estimations du facteurde réflectivité pour se rapprocher d'une valeurmoyènne significative. Ainsi sur le radar Melodi,

64 tirs sont effectués ct, aujourd'hui, 11 est projeté de doubler ce nombre (Fig. 5).

Le rapport N/N' est d'environ 0,7 à 50 km de l'appareil pour le radar Mélodi utilisélors des campagnes HYDROMEL. Il est de 0,8 à la même distance sur l'ensembledes autres appareils de longueur d'onde 5 cm utilisés par la Météorolo,gie Nationale ,(DAVID, 1982).Ce problème est longuement développé par GILET et al., (1980). Pour l'hydrologue qui a besoin deconnaftre, de facon fine, la distribution dans le temps de la quantité de pluie ce qui découleunjquement de la mesure de Z, la fluctuation du facteur de réflectivité et sa correction ont deuxconséquences pratiques contradictoires.

-1-1-1-1-1

En pratiqueSz ;, 5,57/ VFfî (14)

'-1

Fig. 4. La distribution en probabilité du logarithmede la puissance du signa~ radar.

11

2

Pr4 t'r

o

32

4,)"3 J(2) i.4~

.31

-4 -3 -2 -1

1

Fig. 3. La distribution en probabilité de la puissancedu signal radar.

~I

~I

~I

~I

~I

~I

-1~I

~I

~I

~I

--1~I

~I

~I

~I

-1-1-1-1-1

Fig. 5. La technique utilisé~ pour réduire l'écart-type de l'estima­tion du facteur de réflectivité~

Elle consiste à multiplier le nombre de tirs dans une celluleélémentaire d'intégration plus connue sous le nom de porteou fenêtre Ca).La géométrie du volume illuminé par une impulsion de durée ~

est représentée Cb).

cellule élémentaired'intégration deN = 64 échantillons.

12

B

ROTATIONDE

L'ANTENNE

~ impulsions. successives ou tirs

b

a

A

~I

-.1

"1"1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-.

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

-1

-1

13·. '.

Toutefois, ceci s'oppose b uh renouvellement rapide de l'image radar. La vitesse derotation de l'antenne est lente, de l'ordre de quel4ues degrés par seconde, afin d'avoir unevaleur du facteur de réflectivité satisfaisante au niveau statisti4ue. Il faut 1 à 5 mn, leplus généralement pour effectuer un tour d'antenne. Les pluies tr~s brèves' dont l'intensitépeut t!tre très forte vont etre sensiblement. écrêtées par la mesure radar (Tableau 1).

Tableau 1. L'influence de la fréquence de la mesure radar et la surface du bassin surla qualité de la mesure des précipitations.L'erreur commise est exprimée en pourcentage.

Vitesse de rotation de l'antenne

1 tour/mn 3 tours/mnSurface Fréquence de la mesure radar

(km' ) 2 mn 4 mn 8 mn 1 mn

156 1 \ 3 \ 7 \ 1 \

'94 1 3 8 1

48 3 3 8 1

17 2 4 8 2

10 3 6 10 2

0,4 5 9 14 4

-1~I

-1~I

..1

3. LA CHAINE RADAR

A cOté de la chaine qui sera décrite, une autre existe; celle des radars Doppler quine sont pas adaptés à l'étude des précipitations. Pour cette étude, les appareils utilisés ontdes caractéristiques communes.

3.1. LES CONSTANTES DES APPAREILS

La chaine radar est composée de quatre ,voire c~nq sous-ensembles qui sont, dans l'ordrel'antenne; l'émetteur, le récept~ur, le système de visualisation qui peut être analogique et/oudigit3:l. (Fig. 6) •

3.1.1. L'antenne

-1

L'antenne doit posséder les caractéristiques suivantes

- une très grande directivité;- un faisceau le plus étroit possible en hauteur ou site comme d'ailleurs en largeur ou

azimuth ;- un aérien de forme parabolique qui doit présenter une grande résistance au vent (Fig. 7).

(15)

S, l'angle entre

r' (cos (S»'2 R'

h c r (sin (S» +

où h, r et R', le rayon terrestre modifié égal à 8500, sont exprimés en kmle faisceau et l'horizontale, est lui exprimé en degré.

L'angle du faisceau en hauteur doit être le plus étroit possible car le développementen altitude des pluies est limité. Leur interception à~ande distance est également une exigence.En pratique, jusqu'à 200 km, le radar est très efficac~. Sa portée utile atteint 400 km dans lecas des nuages convectifs préci.pitants qui peuvent se trouver jusqu'à 12 km d'altitude. Pourconnaitre l'altitude du faisceau, notée h, à une distance donnée, notée r, la formule suivante

est appliquée :-1-1

-1~I

Ir-------,~ 1"II AfJTErJrJE 1L J- -1'---

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11

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~'1, .._-------, CONVERTISSEUR CALCULATEUR

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COULEUR

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VISUALISATION MPRIMANTE

R.H.I

ENREGISTEUR

VISUALISAT ION

DE

ECRANS

NUMERIQUE

cor~SOLE DE COMMANDE

DSCILLOSCUPF. P. P. 1TYPE "A ~

DETECTEUR

1

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AMPLIFICATEUR ,. ~

1LOGARITHMIQUE 1 1 ...

, 1______ --.J,,1

'11

Fig. 6. Le $chéllla d'un radar à impulsions de type analogiquect ùigital.

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..

~ .......J ...J ._.....I.-..J __._J .._ ...1 ......1 ...1 ..._.J- - - - - - .- - - - -;.. ~

Fig. 7. Des exemples d'ensembles aérien-antenne.A gauche, le radar de Trappes. Constructeur: ThomsonLlandegla (Pays de Galles). Constructeur: Plessey.

à droite, celui de

~I

-1-1-1-1-1-1-1~I

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

15

....~ .

L'angle en largeur doit Otre aussi limité. Une sous-estimation de la puissance retour­née en découle si cette précaution n'est pas respectée. L'exemple suivant est fourni: des fais­ceaux ayant à la distance de la précipitation une largeur respeciivcment de 2.4 et 4.9 km abou­tissent pour une pluie supérieure 3 100 nun/IJ. li des valeurs observées par le radar de 90 mm/hdans le premier cas et de .70 mm/h dans le second (TREUSSART. 1968). Ceci met en avant l'utilité

d'un aérien de forme parabolique qui fournit un angle identique dans tous les plans.

Toutefois. un tel aérien fournit une remarquable prise au vent. Pour lutter contre

celle-ci. existent deux techniques

- En France. sur l'ensemble des radars. l'information est fournie jusqu'à un vent de vitesseinférieure li 120 km/ho Au-delà de cette vitesse. les émissions cessent.

l'aérien se met en position de survie c'est-à-dire tourne comme une girouette.

Aux Etats-Unis. où le réseau a été installé. d'abord. pour suivre l'évolution des tornades

et des cyclones que les pluies accompagnent. les aériens sont protégés par un radOmede forme circulaire. Cet accessoire. construit en résine époxy. selon des normes tr~s sé­vères afin de perturber le moins possible les ondes, est très coateux.

L'antenne est unique et. grace à un système de commutation utilisant un duplexeur, serttant à l'émission qu'à la réception des signaux.

3.1.2. L'émetteur

A l'origine. avant le second conflit mondial. l'émission était continue. Maintenant.c'est un magnétron ou auto-oscillateur associé à un maitre-oscillateur qui produit des signaux élec~­

tro-magnétiques très brefs à des intervalles réguliers. Ils sont aussi appelés impulsions d'où lenom donné à l'ensemble de la chaIne: le radar à impulsions.

La durée d'émission des signaux. de forme carrée. qui est de l'ordre de la micro-secondeainsi que l'intervalle les séparant qui est. lui, de l'ordre de la milli-seconde sont commandéspar un modulateur (Fig. 8). Cette durée est de 4 ~sec sur le W5R-S7 de Raytheon. de 2 ~sec surle Rodin de Thomson et sur l'BEC WR 100-5 de 501id State. de 0.5 ~sec au minimum sur le Mélodid 'OMERA...

Pour l'hydrologue. la très courte longueur des tirs de ce dernier appareil permet demultiplier leur nombre malgré une vitesse rapide de rotation de l'antenne. Ainsi. les erreurs surl'estimation du facteur de réflectivité seront réduites ce qui est indispensable pour une utilisa­tion quantitative des données radars. La gamme des puissances offertes par l'émetteur est trèsvaste. allant de quelques dizaines de KW à 1000 KW. Généralement. un magnétron est garanti pourSOO à 1000 heures de fonctionnement. Un appareil de moyenne puissance, de l'ordre de 2S0 KW. a un

prix variant entre 30 000 et 80 000 F selon la marque. Thomson ou Plessey.

3.1.3. Le récepteur

C'est un sous-ensemble. comportant un mélangeur. un klystron ou oscillateur local. di­

vers amplificateurs ..•• capable d'étirer et de mesurer le temps séparant l'émission de la réception

Au niveau technologique. ce sous-ensemble est très proche d'un appareil radio ordinaire.

Avant la sortie. vers le système de visualisation. prend place l'amplificateur logarithmi­

que. d'une dynamique en général de'60 à 80 dB. rendu nécessaire du fait de la forte amplitude des

oscillations du facteur de réflectivité.

Le récepteur et l'émetteur peuvent être groupés _dans un même carter très compact (Fig. 9)

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En abscisses, se place le tempsémise.

Fig. 9. La baie d'émission-réception du radar Rodin de Trappes.L'ensemble aérien-antenne de ce radar est représenté àla figure 7.

Fig. 8. Le schéma des impulsions délivrées par un radar.Test la durée d'une impulsion.

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3.1.4. Le systèmc:.~_e visualisation

Ce système s'intègre dans la console de commande ct comporte les deux 6crans de con­

trôle suivants dans le cas d'un radar dit analogique.

- un écran depetit diamètre, celui de l'oscilloscope dit r!e "type A" ;

- un écran de grand diamètre qui permet de voir les précipitations soit en plan, en position

P.P.I., soit en coupe, en position d.H.l.

Pour utiliser le premier, il faut fixer le gisement ou la localisation de l'obstacle,ici ce sont les pluies, ct l'angle de site de l'antenne tandis que l'espace explor6 sc trouve

dans l'angle solide (d 80 ) défini par les caractéristiques de cette dernière. L'écran est syn­chronisé avec l'autre partie de la chaine par une horloge très précise. Sur l'écran de l'oscil­loscope, Sp trouvent, en abscisses, les distances séparant l'antenne de l'obstacle et, en ordon­nées, l'intensité des échos retournés par la pluie, exprimée en dB (Fig. 10). Sur l'écran degrand diamètre, la plupart du temps, l'utilisateur se met en position P.P.l. car c'est la premièreapproche, celle qui donne la localisation spatiale des pluies. Il faut fixer l'angle de site de

l'antenne et faire tourner celle-ci afin de balayer l'horizon tous azimuths. Chaque obstacle gé­nérateur d'échos est caractérisé par une tache lumineuse dont la distance par rapport au centrede l'écran correspond par une échelle appropriée à celle entre l'antenne et l'objet détecté. Larémanence importante des taches permet l'apparition d'une véritable carte géographique des pluiessur 360° (Fig. 11).

Dans un second temps, s'il est décidé de s'arrêter sur une tache particulièrement lumi­neuse, par exemple, la position R.H.I. est adoptée. Le gisement de l'antenne est fixé et celle-cioscille d'un mouvement uniforme en site. Le résultat obtenu est une image distance· hauteur quipermet de définir l'altitude ct le volume de l'obstacle (Fig. 12).

A ce stade, l'utilisateur dispose d'un radar dit analogique~

Son inconvénient principal, même lorsque l'opérateur emploie un appareil photographiquede type Polarold d6clenchant des prises de vue des écrans à intervalles très courts (PARSY etDUPOUYET, 1972). est la difficulté d'une lecture précise des données qui sont, par ailleurs,fort nombreuses. Ne sont visibles, en position P.P.I., que des taches dont les plus intenses sontcelles qui correspondent aux facteurs de réflectivité les plus forts donc aux zones les plus ar­rosées. Sur l'oscilloscope, la mesure de l'intensité des échos est difficile.

La seule manière de s'affranchir de ces problèmes est de passer au stade digital commel'ont fait les~létéorologies de France, d'Allemagne Fédérale (ATTMANNSPACHER et SCHULTZ, 1981)des Etats-Unis avec le projet D/RADEX c'est à dire Digitized Radar Experiment ... La Météorologiea mis au point "Saphyr" qui signifie système d'acquisition pour l'hydrologie radar (GILET et al.,

1980) (Fig. 13). La fonrtion de ce système est, d'abord, d'enregistrer des données du facteur de

réflectivité prérises à ~ 1 dB. Grace à un calculateur et des traitements informatiques appropriés,il est aussi possible de reconstituer la structure et l'évolution des précipitations dans un cer­cle dont le rayon est de 227 km autour du radar. Une liste des programmes utilisés est donnéepar DAVID (1980).

La chaine peut se décomposer ainsi

- un intégrateur numérique ;- un système d'enregistrement et un calculateur.

Outre sa fonction d'enregistrement, "Saphyr" peut r6aliser d'autres taches. Les plusimportantes, pour l'hydrologue, sont la transformation des données de coordonnées polaires encoordonnées cartésiennes et la génération de signaux vidéo. Cette dernière permet de visualiserles cartes d'échos (en dB) sur une télévision couleur (Fig. 14). Des sorties sur imprimante commecelles effectuées par GREENE (1975), dans le cadre du projet D/RADEX, sont aussi possibles

(Fig. 15).

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Fig. 10. Le dessin de l'enregistrementd'une pluie sur l'oscilloscope.En abscisses, se placent les distanceset,en ordonnées, l'amplitude de lavariation du facteur de réflectivité,en dB.

Fig. 11. Une pluie observée surl'écran en position P.P.I.

Les cercles concentriques permettentde la situer par rapport au radar.

Fig. 12. Une pluie observée surl'écran en position R.H.I.

En abscisses, se placent les dis­tances et en ordonnées, les hauteurs.

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Fig. 13. La chaîne d'acquisition "Saphyr" de laMétéorologie Nationale. Elle est actuel-lement montée sur le radar de Dammartin en Goële.

Fig. 14. Le pupitre de visualisation du radar digitalde Trappes. Constructeur Thomson.

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-1Fig. 15. Des e~emples de sorties sur imprimante obtenues

dans le cadre du D/RADEX project.La ville d'Enid se trouve en Oklahoma (Etats-Unis).

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3.2. LA DIVERSITI, DES APPAREILS

Les radars, dont lu longueur d'onde du faisceau ~mis varie entre 23 cm ct 0,86 cm,sont utilisables à des fins météorologiques (O~JM - WMO, 1966'). Plus la longueur d'onde cro!t,plus l'appareil est adapté b l'étude de gros m~t~ores. Les seuls radars valables pour détecterles nuages précipitants sont les 10, 6-5 ct 3 cm.

Le choix entre l'une de ces trois longueurs d'onde se répercute sur les dimensions del'aérien i ces deux paramètres étant liés par la relation

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d = 70 >. / 60

où d est la dimension de l'aérien dans le plan contenant 60 , exprimée en cm

60 , l'ouverture du faisceau en site exprimée en degrés

>. • la longueur d'onde du faisceau exprimée en cm.

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L'ouverture du faisceau est presque une constante. Elle atteint 2° au maximum h demi­puissance et généralement, se situe autour de 1°. La relation (16) a d'importantes implicationséconomiques car le sous-ensemble de l'antenne est, dans la charne radar, l'élément le plus coO­teux et cela de façon très nette. Plus la longueur d'onde croîtra, plus l'appareil sera cher.

3.2.1. Le radar ID cm

Il est ~galement connu sous le terme de radar travaillant dans la bande de fréquence S.

Selon l'O~W-WMO (1966), les raisons qui poussent h le choisir, sont de plusieurs ordres

- il était abondant h la fin du second conflit mondial dans les surplus militaires. C'est uneraison aujourd'hui obsolete ;

- il est excellent pour la détection des précipitations

- sa puissance d'émission est forte i

- sa construction est bien mattrisée i

- ses composants sont faciles à trouver sur le marché.

Cet appareil n'a qu'un inconvénient: son coat. Il n'est pas négligeable car supérieur à 10 mil­lions de F.

L'un des plus célèbres est le WSR-57 construit par Raytheon (Massachusetts, Etats-Unis).Il faut citer le 43 S de Plessey (Royaume Uni) qui fut installé sur le bassin de la Dee au Norddu Pays de Galles. En France, le radar Mélodi d'OMERA fut l~vré en quatre exemplaires à la Météo­rologie. Sa fabrication est totalement arrêtée. Ces exemplaires sont installés h Dammartin enGolHe, Brest, Bordeaux - Mérignac et h Trappes. Ce dernier n'est pas opérationnel mais sert déradar-école.

3.2.2. Le radar 5-6 cm

Il est aussi connu comme le radar travaillant dans la bande de fréquence C. Il ne pré­sente pas de mérites particuliers par rapport au 10 cm selon l'OMM. Son avantage réside surtoutdans un sous-ensemble antenne plus compact d'où une économie substantielle sur le prix. Cetteéconomie est suffisante pour qu'aujourd'hui il tende à deveni~ le radar hydrologique type.

Son principal inconvénient est l'att~nuation des échos par les hydrométéores qui limiteson utilisation quantitative aux pluies inférieures h 60 mm/ho (DUPOUYET, communication orale).

Parmi les constructeurs, il eit possible de citer Enterprise (Etats-Unis). Plessey

(Royaume Uni), Solid State (Japon), Thomson (France) •..

En France, le modèle 45 C de Plessey fonctionne à Grèzes en Dordogne. Son prix estévalué b 4 millions de F. La Météorologie utilise les Rodin de Thomson qui lui ont été vendus

~ un prix, vraisemblablement d'appel, compris entre Z et 3 millions de F.

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Ce radar est dit aussi fonctionnant dans la bande de fr6quence X.

Les avantnges de l'appareil 3 cm sont nombreux

de très nombreux constructeurs sont pr6"sents sur le marchéles composants sont faciles à trouver et leur coat très raisonnable

- l'a6rien est compact ce qui permet son installation, éventuellement, sur un v6hi2ule

- le prix est faible, inf~rieur ~ SOO 000 F.

Les inconvénients sont de deux ordres

- le premier, mineur, est la puissance limitée de cet appareil, quelques dizaines de KW ;

- le second, beaucoup plus grave, est la forte att6nuation des échos par les hydrométéores

qui occulte, en ~ande partie, la détection des pluies supérieure à 8 mm/h environ(DUPOUYET, communication orale).

De cette limitation, il découle que le radar 3 cm est plus adapté à détecter, de façonsommaire, les phénomènes dangereux qu'à mesurer l'intensité de la pluie. Le réseau d'annoncesdes crues du bassin de la Garonne, en cours d'installation, sera complété par des appareils dece type et de marque DECCA.

3.3. QUELQUES RE~IARQUES PRATIQUES

L'ensemble des informations précédentes sur la chaIne radar est d'un accès aisé. Ilsuffit de lire les articles parus sur la météorologie radar. En rencontrant des utilisateurs decet appareil et des chercheurs travaillant sur son développement, quelques informations pratiquesont été glanées. Ce sont les suivantes

- deux années de rodage pour le bon fonctionnement d'un radar hydrologique performant sont né­cessaires. Ce délai fut celui observé sur le radar 5 cm de Grèzes. Il fut légèrement infé­rieur sur les appareils du bassin de la Dee. La météorologie, à Trappes, rencontre encorequelques problèmes, plus de deux ans après l'installation du Rodin, un appareil dont ellefut à l'origine de la conception;

- le radar est un excellent paratonnerre. La chaIne de Trappes a subi des dégâts lors d'unépisode orageux ce qui a entrainé la perte totale de l'information jusqu'à sa réparation(BEDIOT et DAVID, communication orale). A chaque niveau de la chaine, des parafoudres sontnécessaires ;

- une équipe d'électroniciens doit s'occuper à temps partiel de la maintenance courante del'appareil. Une personne de cette équipe devrait toujours se trouver à proximité du radartandis que les prévisionnistes se relaient afin d'assurer.une surveillance continue 24 hsur 24h. C'est ce qui advient, à peu près, sur le site de Dammartin en Goële (FLOCH, commu­

nication orale) ;

- le coat d'une heure de fonctionnement, personnel et amortissement de l'appareil prévu sur

20 ans compris, est de l'ordre de 1000 F dans le cas du radar de Grèzes. Ce dernier nefonctionne que deux heures par jour pour s'assurer de la bonne marche de la chaine, si

aucun écho lié à la pluie n'est détect6 lors de ce contrôle (DUPOUYET, communication orale).

4. LES DIFFËRENTS TYPES D'ËCHOS

L'un des problèmes, pour l'utilisateur du radar, est qu'il y a plusieurs sources d'échos

pas obligatoirement liées aux nuages précipitants. Dans un "premier temps, les différents types

d'échos associés aux précipitations seront passés en revue avant d'aborder, dans un deuxième

temps, les échos parasites.

4.1. LES ECIWS LIES AUX PLUIES

Parmi ceux-ci, seront étudiés les 6chos d6pendant des nuages stratiformes et convectif~,

comme ceux associ6s aux orages et aux cyclones. Comme toute classification, celle-ci apparait

trop tranchée car les différents systèmes arrivent à coexister dans une m6me précipitation.

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4.1.1. Les échos dCJ?l~ie liés aux nuages stratifor~~

En position P.P.J., des taches peu marquées apparaissent dont les limites sont floues.Pratiquement partout, elles ont la meme intensité lumineuse. Ces taches ne peuvent pas être dé­tectées à grande distance, au-delà d'environ 200 km car l'intensité du facteur de réflectivitédevient. faible comme l'est le développemrnt vertical des nuages précipitants.

En position R.H.I., la présence d'une bande brillante est très caractéristique sil'opérateur abaisse le gain de l'antenne. Ce phénomène de la bande brillante s'observe par pluiestable entre la.zone dans laquelle ne se rencontrent que des particules de glace sèche et celle

oD n'existent que des gouttes de pluie. Cette bande se forme autour de l'isotherme O°C, là obles particules ùe glace fondant se recouvrent d'une pellicule d'eau. Ainsi, se trouve constituée'une zone de très forte réflectivité.

4.1.2. Les échos de pluie liés aux nuages convectifs

En position P.P.J., les taches, intenses, ont des limites bien tranchées et leur formeest circulaire ou cellulaire.

Sur l'oscilloscope, ces limites sont également tranchées. Les fortes intensités sontlocalisées en d'étroites colonnes.

En position R.H.I., le phénomène de la bande brillante est absent.

4.1.3. Les échos liés aux orages

Sauf dans le cas de visualisation sur l'écran d'éclairs qui se traduisent en P.P.I. parune très forte intensité temporaire de la tache affectée, la distinction entre ce type d'échoset le précédent est presque impossible.

4.1.4. Les échos de pluie liés aux cyclones

Ce type d'échos est facile à identifier (Fig. 16).

La première manifestation du cyclone reste, en position P.P.I., l'apparition de tachesse déplaçant dans le sens inverse de la circulation atmosphérique normale dans la région. Lorsqueles échos entourent un centre oD ceux-ci sont absents, le cyclone a trouvé sa forme définitive.C'est le cas de DAVID observé par les radars 3 cm de Martinique et de Guadeloupe (FLAMENT et al.. ,

1979). Généralement à la périphérie, les taches ont un caractère convectif bien marqué, des for­mes de cellule et sont de forte luminosité. Sur l'oscilloscope, des échos de forte intensité

peuvent être détectés à quelques centaines de kilomètres de l'oeil.

En allant vers le centre, se notent successivement :

- une zone sans échos qui atteint 80 km d'épaisseur au maximum- une vaste surface ob l'écho est fort et stable ;·dans ce bouclier principal, la pluie est

très intense et les orages généralement absents. En position P.P.I., par une réduction dugain de l'antenne, une structure en bandes spiralées est visible.

- une partie oD les échos sont bien nets et tranchés. Ces cellules entourent l'oeil autourduquel elles tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'Hémisphère Nord.

4.2. LES ECIIOS PARAS !TES

Selon leur origine, plusieurs types d'échos parasites sont distingués.

4.2.1. Les échos liés aux tempêtes de sable

C'est un problème important dans les zones arides et semi-arides.

24

5 heures

environ 1/70.000

environ 1/35.000

Photographies de l'écran du radar du Centre Météorologiquedu Lamentin.

Echelle des quatre premières images

Echelle des deux dernières

Fig. 16. Les échos de pluie liés au cyclone DAVID du 29 aoQt 1979.Le radar de la Martinique est un 3 cm de type ORP 303.

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Il s'agit de phénomènes curieux appelés "échos-fantômes" ou "anges radar" dont l'ori­

gine a été contreversée jusque vers 1966 (SAUVAGEOT, 1982). A des latitudes où règnent des climats

aussi différents que ceux marqués par une forte ou faible humidité re) ative alors que la tempéra­

ture est douce, de très faibles échos de grande extension spatiale peuvent se développer. Leur

observation est faite soit de jour soit de nuit. Néanmoins, ces échos ont tendance ~ être plusmarqués au crépuscule et à se maintenir après la tombée de la nuit. Les conditions météorologi­

ques locales peuvent ~tre très variées y compris l'absence totale de nuages dans le ciel.

Les "anges radars""sont causés par des gradients très forts de l'indice de réfraction

de l'air associés à de la turbulence ou à des discontinuités de l'atmosphère (SAUVAGEOT, 1982).

4.2.3. Les échos liés aux animaux

Ces échos sont créés par les vols groupés d'insectes et par les oiseaux. Par exemple,

pour les premiers, il peut s'agir du criquet pélerin et, pour les seconds, de tous ceux qui ef­fectuen~ des migrations.

Les échos liés aux animaux sont difficilement confondus avec ceux causés par la pluie.

4.2.4. Les échos liés aux autres radars

Deux radars fonctionnant dans une m~me région et dont les portées se recoupent partiel­

lement,peuvent donner lieu à des phénomènes d'interférence.

Il suffit de changer la fréquence d'émission pour supprimer ce problème d'autant qu'en

position P.P.I. le caractère cyclique des échos radar rend leur identification aisée.

4.2.5. Les échos liés au sol

Ce type d'échos est très gênant car les échos sols sont permanents. Sur le radar Mélodi

de Dammartin en Goële, les 50 premiers kilomètres autour de l'antenne sont totalement inutilisa­

bles pour la détection des pluies. A Trappes, sur le Rodin, ils sont quasiment absents.

Il faut donc bien choisir le site d'implantation. Installer un radar, certes, sur un

point haut mais aussi bien s'assurer par des essais qu'il y aura peu d'échos sols.

Ce phénomène d'échos fixes est fréquent sur les appareils dont le faisceau part pres­

que à l' horizontale afin de leur garantir une longue portée. Toutefois, vouloir totalement le

supprimer en relevant le faisceau n'est également pas réaliste; un compromis est souhaitable

(Fig •. 17).

S. LES PERTURBATIONS DES ËCHOS

Les échos liés aux pluies dont le facteur de réflectivité est exploité sont perturbés

par la modification des ondes électromagnétiques dans l'atmosphère, comme ils peuvent l'être par

d'éventuels obstacles terrestres~

Ces éléments écrêtent la valeur moyenne du facteur de réflectivité (Z) sans la rendre

inutilisable.

5.1. L'ATTENUATION DES ECHOS DANS L'ATMOSPHERE

I.e facteur de réflectivité comme il est présenté (cf'. pp. 8-13), ne d~pend que du dia­

mètre 6ème des gouttes de pluie. Il ne tient pas compte de l'atténuation notée L1

• qui est la

A Rapppl : dans l'équation radar, ce terme ne signifie pas que l'atténuation doit être élevée au carré.Le chiffre 2 est mis pour montrer que l'atténuation se fsit à l'aller et au retour.

26

~".I;!"'<l.{.",.a::='.:=~H' .',5 M+«.I"""'''''.~""""-

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Fig. 17. La détection d'échos sols en position P.P.I.·Ces échos sont situés au centre et à droite desphotographies. En forme de croissant, ils ne sedéplacent pas d'une image à une autre. Par rap-,port aux dimensions de l'écran, leur extensionspatiale est faible; ,ils ne gènent pas la dé­tection des pluies.

(17)

-1~I

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~I

~I

~I

~I

~I

27

conséquence des modifications suhies par l'onde électromagnétique (lU cours de son double dépla­

cement entre l'antenne et la cible. Cette atténuation détériore, de façon conséquente, la quali­

té des données si le radar 3 cm est utilisé.

L'équation générale de l'atténuation, selon TREUSSJI.ln, 1968), s'écrit ainsi

L' • - '): kd,

où L" est l'atténuation en dB subie par l'oude radar le long du double trajet de longueur r,exprimé en km ; k, le coefficient d'atténuation par unité de longueur, en dB/km; et dr, l'élé­ment différentiel de la distance le long de laquelle s'effectue l'atténuation générale.

La valeur de L" s'obtient en additionnant l'effet des sources d'atténuation partiellesqui sont au nombre de trois :

- le s gaz ;

- les nuages- les pluies.

La dernière est la source essentielle. La difficulté pour la connaissance des deux pre­mières est qu'elles sont très dépendantes d'autres facteurs qui sont presque impossibles à éva­luer avec précision à l'altitude où se trouve le faisceau.

5.1.1. Le rOle des gaz'

C'est essentiellement l'oxygène et, à un degré moindre, la vapeur d'eau qui constituentl'atténuation gazeuse.

Le coefficient d'atténuation par l'oxygène est évalué à 0,01 dB/km pour toutes les lon­gueurs d'onde utilisées par les radars qui détectent la pluie. Cette valeur correspond à une pres­

sion de 76 cm de mercure et à une température de 20°C. Elle est commode et donc fréquemment adop­tée m~me si les valeurs de ~a pression et de la température sont différentes.

L'atténuation causée par la vapeur d'eau est beaucoup plus faible dès que l'opérateurdispose d'un radar de longueur d'onde supérieure ou égale à 5 cm. Ceci fait qu'elle tend à êtrenégligée par les chercheurs. Si le radar est un 3 cm, cette atténuation est environ égale autiers de celle causée par l'oxygène avec 76 cm de mercure et 20'C (Tabl. 2). Dans les pays tropi­caux, dans le cas de l'utilisation de cette dernière longueur d'onde, sa prise en compte .devraêtre faite car l'atténuation croit avec l'augmentation de la température.

5.1.2. Le rôle des nuages

Tout comme l'atténuation due à la vapeur d'eau, celle des nuages est négligée dès que

le radar est un 5 cm (DAVID, 1982).~I

-1

~I

1

L'atténuation causée par les nuages s'obtient avec la formule suivante

knuages = 0,4343 \Tf [1 m (- K)] ~

où M est la teneur en eau du nuage exprimée en g/m>

p, la densité du liquide prise égale à 1

lm (- K ) ,l'indice de réfraction de l'eau

Par exemple: pour 20'C et À = 3,2 cm, lm (-K) = 1,883.10-"

Dans cocas, knuages = 4,83.~0_1 M (dB/km)

(18 )

~I

-1-1-1~I

~I

~I

~I

~I

~I

-1-1-1-1~I

-1-1

--1

28

Tableau 2. Le coefficient d'atténuation (k), exprimé en dB/km, causé par la vapeur d'eau

---T (OC) >. = 10 cm >. = 5,7 cm >. = 3,2 cm

--- .•.~ ... --20 7 PW. 10-5 2,4 PW. 10-4 7 l'W. 10-4

0 8 PW. 10-5 2,7 l'W. 10- 4 8 l'W. 10-4

- 20 9 l'W. 10-5 3 PW. 10-4 9 PW. 10-4

- 40 10 l'W. 10-5 3,4 PW. 10-4 10 l'W. 10-4

T est la température, >., la longueur d'onde du faisceau, P, la pression atmosphériqueexprimée en cm de mercure, et W,le contenu en vapeur d'eau exprimé en g/m s .

Tableau 3. Le coefficient d'atténuation (k), exprimé en dB/km, causé par les nuages

T (OC) >. = 10 cm >. = 5,7 cm >. = 3,2 cm

20 0,39. 10- 2 M 1,36. 10- 2 M 12,8. 10- 2 M10 0,56. 10- 2 M 1,96. 10- 2 M 17,9. 10- 2 M

0 0,90. 10- 2 M 2, 7Z. 10- 2 M 26,7. 10-2 M

- 8 3,4 10- 2 M 34,0. 10-2 M

T est la température, >., la longueur d'onde du faisceau et M, le contenu en cau liquide,exprimé en g/m'.

Le tableau 3 fournit les valeurs de l'atténuation pour différentes températures.

Outre la difficulté de l'estimation de la teneur en eau, le problème est qu'un radar nodétecte pas les nuages non précipitants d'o~ l'impossibilité d'effectuer cette correction.

5.1.3. Le rôle des pluies

L'atténuation causée par la pluie dépend quelque peu de la température mais, surtout,de la longueur d'onde utilisée.

A 18°C, cette atténuation est estimée à l'aide de la formule suivante

k pluie 0,0003 R1 ,O pour >. 10 cm (19,1)

0,0022 R1,17 pour >. 5,7 cm (19,2)

. 0,0074 R1,31 pour >. 3,2. cm (19.3)

où R est l'intensité de la pluie mesurée au radar, exprimée en mm/ho Le résultat de l'application

de ces formules est clair

"Une pluie de 5 mm/h donne en 3 cm, une atténuation identique à celle affectant un rayonne­ment de 10 cm traversant une précipitation de 200 m"l/h" (TREUSSART, 1968, p. 314) (TabI. 4).

l'our corriger partiellement ce phénomène, différentes méthodes mathématiques existent

plus ou moins faciles à mettre en oeuvre (HILDEBRAND, 1978). Ce ne sont que des palliatifs etelles sont rarement appliquées.

~'-----------------------------

29

Tableau 4. Le coefficient d'ntténuation (k), ~xprimé en dB/km, causé par la pluie.

Longueur d'onde ).

X= 5,7 an ). = 3,2 an

0,001 0,003

0,002 0,0070,015 0,061

0,033 0,151

0,052 0,257

0,073 0,375

0,095 0,502

0,118 0,637

0,141 0,780

0,165 0,929

0,189 1,084

0,214 1 ,224

0,239 1 ,410

0,265 1,560

0,291 1 ,754

0,317 1,933

0,344 2,116

0,371 2,303

0,398 2,493

0,425 2,687

0,453 2,884

0,481 3,085

0,773 5,247

1,083 7,649

0,002

0,003

0,0050,006

0,0080,009

0,011

0,012

0,0140,0150,017

0,0180,0200,021

0,0230,0240,0260,0270,0290,0300,0450,060

). ~ 10 on

0,1

0,51

5

1015

2025

30

35404550

5560

6570

7580859095

100150200

~-----""------ ------ ------- ------------

Intensité de lapluie H (11111/11)

~I

-1

-1

-1

-1

-1-1

-1

-1

-1 5.2. L'ATTENUATION DES ECIIOS PAR LES OBSTACLES TERRESTRES

-1L'utilisation du radar à des fins quantitatives reste possible, même quand le faiscea~

est intercepté par des obstacles, si cette interception n'excède pas 60 \ de la largeur du ra­yonnement.

-1-1-1-1

Les travnux effectués dans le bassin de la Dee situé dans une région collinaire etmontagneuse le prouvent (STEERlNG COMmTTEE, 1977). Dans le cas du site de Dammartin en Goële,

où des obstacles très proches du radar - silo, arbres .•• - existent, il en va de même (FLciCH,communication orale).

Ces obstacles entralnent dans ieur direction l'atténuation sensible des échos d'oùleur nom de masques. Ces derniers se manifestent, en position P.P.l., par la création surltimage de trainées rectilignes présentes au-delà des obstacles lors de pluies, quelque soitla situation atmosphérique. Leur permanence permet, comme dans le caS des échos sols, une indi­vidualisation facile des zones affectées.

-1

11

1111111~I

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-1-1-1-1-1-1-1---1

-1

DEUXIEME PARTIE

QUELLE EST L'UTILITË DU RADAR?

..•.•.. 30

-1~I

~I

-1-11

-1-1~I

-1-1

1

31

Pour les météorologistçs, les radars ont qllatre objectifs

- la prévision des précipitations;

l'alerte aux phénom~nes dangereux- les mesures hydrologiques c'est à dire la mesure de l'intensité des pluies;

- l'amélioration de la connaissance de la climatologie à petite échelle avec, notamment,

la détection des structures internes des phénom~nes atmosphériques.

Si le dernier objectif est exclu car relevant de la recherche fondamentale, les trois

autres sont susceptibles d'intéresser l'hydrologue chargé de la prévision des crues.

La prévision des précipitations et l'alerte aux phénomènes dangereux constituent un

premier volet dit qualitatif car ne nécessitant pas des mesures très précises.L'alerte aux phénomènes dangereux a été, de l,lus, la première étape dans la chronologie de

l'utilisation du radar .. Elle consistait dans la détection des pluies associées aux cyclones etaux tornades. A ce stade, il sera possible de mettre le service hydrologique en préalerte.

L'amélioration de la connaissance de la pluviométrie va être précieuse pour pallierà un défaut chronique du réseau pluviographique aussi sophistiqué soit-il (avec télétransmis­

sion des données par radio ou satellite) ; si l'épisode pluvieux n'advient pas à la verticaledu pluviographe ou si seule la partie la moins intense de celui-ci est captée, le système d'an­nonces des crues ne se mettra pas en route. Apportant de nouvelles données pluviométriques,cette application est qualifiée de quantitative. Ces données pourront ultérieurement servir à laprédétermination des crues.

L'utilisation quantitative du radar sera largement développée dans cette étude.

1. L'UTILISATION QUALITATIVE

Il faut, dans un premier temps, que l'image radar soit fidèle ou suffisamment préciseafin que l'utilisateur ne déclenche pas des préalertes intempestives qui vont discréditer l'ap­pareil.

1.1. LA LOCALISATION DES PLUIES

Tous les radars météorologiques voient les nuages précipitants. Toutefois, la qualité

de l'image dépend de la longueur d'onde utilisée. Il faut insister à nouveau sur le fait queplus la longueur d'onde est courte, plus le phénomène d'atténuation est important. Après ce

rappel, pour bien mettre ce phénomène en évidence, les images de deux précipitations intensessur l'écran de grand diamètre, en position P.P.I., sont présentées à titre d'exemples.

1.1.1. Deux exemples

Les précipitations sont suivies au même moment par des radars 5 et 3 cm. Le fait,que la plupart des appareils soient embarqués sur des avions ce qui entra!ne au niveau techno­logique des faisceaux larges en site (6 0 ), est secondaire par rapport au phénomène de l'atté­

nuation (HILDEBRAND et at., 1981).

Le premier exemple se réfère à la pluie du 2 mai 1979 localisée au centre del'Oklahoma, dans les Grandes Plaines Centrales des Etats-Unis.

La première image est fournie par un radar installé au sol qui sert de référence.

Parmi ces caractéristiques principales, sa longueur d'onde est de 5,5 cm et son angle 60 varia­

ble. Ici, il est de 2,5 0 (Fig. 18).

Les autres clichés sont pris sur des radars embarqués, ceux de gauche sur des 3 cm

ct ceux de droite sur des 5 cm. Seul, change l'angle 60 (Fig. 19).

Fig. 18. L'image de la pluie du 2 mai1979 prise sur l'écran du radar ausol qui sert de référence. Il s'agitd'un 5,5 cm. La photographie estprise à 16 h 34 avec un angle d'ou­verture du faisceau radar (a o ) de2,5°

Fig. 19. Les images de lapluie du 2 mai 1979 prisesur des radars embarqués.

32

A droit'e, trois images dE5 cm avec, de haut enbas, respectivement, desangles 80' de 5,4, 9,8et 13,8°.

Toutes les photographiessont faites à 16 h 34.A gauche, trois images dE3 cm avec, de haut en ba=des angles eo , respecti­vemen t, de 3, 1, 5,3 et 8 c

ttitit~II~~~~

f

~I

~--------------------

11

111~I

~I

~I

111-1-1-1-1

~I

33

I.e second exemple, toujours ('·xtrai.t de IIILIlEI,HANIJ ct aL, (1981), est constitué par

la pluie du 5 février 1978 dans la vallée centrale de la Californie o~ se trouve Sacramento.

La première image est fournie par un radar ayant çxacterncnt les mernes caractéristi­ques que celui de l'exemple précédent (Fig. 20). Les autres images sont également prises dans

des conditions identiques (Fig. 21).

1.1.2. Conséquences pratiques

L'utilisateur peut donc localiser les nuages précipitants avec les limitations propresau radar qu'il possède.

Le Service Hydrologique Centralisateur de la Garonne va s'équiper en radars 3 cm carles crues générales de ce bassin sont provoquées par des pluies prolongées, mais en moyenne peuintenses: de l'ordre de 8 mm/h au maximum. Cette longueur d'onde est bien adaptée; elle per­mettra à moindre coat de voir les pluies génératrices des crues s'avancer sur le bassin, venantde l'Ouest. Sachant que les temps de concentration des eaux dans les sous bassins sont trèsbrefs souvent de l'ordre de 4 heures, le Service pourra gagner quelques heures qui permettrontde dépêch.er les équipes de terrain (DUPOUYET, communication orale).

De même, les radars des Antilles françaises sont des 3 cm bien que l'un de leursobjectifs fondamentaux soit la surveillance des cyclones qui sont accompagnés de pluies trèsintenses. Aujourd'hui, les images des satellites géostationnaires permettent d'avoir une vuedes cyclones prise toutes les demi-heures alors qu'ils se trouvent encore au-dessus des océans.A l'approcl1e des cOtes continentales ou des tles, il faut pouvoir les suivre en continu et entemps réel. Dans ce cas, le radar est très utile même si l'image sur l'écran n'est pas trèsfidèle (cf. fig. 16). Les cyclones, s'ils vont toujours des zones sub-tropicalcs vers cellesdites tempérées, sont susceptibles à grande échelle, de changements de trajectoires rapides etparfois surprenants que le prévisionniste doit connattre immédiatement.

1.2. LA PREVISION DES PLUIES

Une fois les précipitations localisées, le météorologue devra répondre aux questionssuivantes

"Quand,Où,

Pendant combien de temps pleuvra-t-i 1 ?"

Pour l'hydrologue, connattre une réponse même sommaire, à cet ensemble de questionslui permettra de mieux planifie~son travail. Si de plus, le prévisionniste peut lui dire siles p1uies vont aller en s'intensifiant ou en s'affaiblissant, la planification en sera encoreaméliorée.

Afin de répondre aux trois premières questions, la connaissance de la direction et dela vitesse du déplacement des précipitations est n~cessaire. L'approche de la connaissance de

ces deux paramètres se fait par l'emploi d'une série de méthodes qui sont:

- la méthode des corrélations croisées;la méthode du suivi du centre de gravité des échos (clustering)

- des modèles combinant les deux techniques précédentes.

1.2.1. La méthode des corrélations croisées

Cette méthode consiste à translater deux images successives pour obtenir une corréla­

tion maximale entre elles. Cette translation qui correspond au déplacement des échos est utili­

sée pour faire la prévision.

34

Fig. '20. L'image de la pluie du5 février 1978 prise sur l'écran duradar au sol qui sert de référence.

Il s'agit d'~n 5~'S cm. La photogra­phie est prise à 12 h 12 avec unangle (8 0 ) d'environ 2,5°.

Fig. 21. Les images dela pluie du 5 février1978 prises sur lesradars embarqués.Toutes les photographie~

sont faites à 12 h 12.

A gauche, trois imagesde 3 cm avec, de hauten bas, des angles eo ,

respe~tivement de 3,1,5,3 et 8°.

A drQite, trois imagesde 5 cm avec, de hauten bas, des angles eo

de 5,4,9 et 13,8°.

\. ,,

t

1-111--1

1

-1-1

-1-1-1-1-1-1--11

35

Le coefficient de corrélation entre les deux séries de points des images 1 et 2 peut

~tre calculé. Si la tr:lIIslation est parfaite, il sera égal 11 1. Afin d'éviter les variationsd'altitude avec la distance, il est préférable d'utiliser des coupes horizontales ou CAPPI pour

un niveau choisi (1000 ou 2000 ml.

Une méthode simplifiée existe. Sont seulement considérés, les points, notés 1, o~ lefacteur de réflectivité est superIeur. 'un certain seuil. Les autres, notés 0, ne sont 'pas prisen compte pour effectuer la translation.

Toujours pour simplifier le problbme afin de gagner du temps dans l'établissement dela prévision, plutôt que de chercher le coefficient de corrélation entre les points de deux ima­ges radar, le calcul de la distance séparant ces points est préférable (Fig. 22).

La méthode des corrélations croisées est la plus simple et la plus fjable si les échosse déplacent ensemble et si leur taille, leur forme ct leur intensité n'évoluent pas d'une imageà llautre. Elle paratt bien adaptée aux pluies stratiformes.

1.2.2. La méthode du suivi du centre de gravité des échos

Les échos individuels ou les amas (clusters) sont reconnus et codés sur l'écran lorsde Japremi~re image. Leur poids est égal, l'intensité du facteur de réflectivité n'étant pasconsidérée. Ceci est obtenu en prenant leur 'centre de gravité (echo centrofd). Les échos sontensuite comparés avec ceux de la seconde image pour en dériver des vecteurs de déplacement(Fig. 23).

Cette méthode est adaptée dans le cas où les échos ont des vitesses de déplacement etdes directions différentes.

Elle peut être affinée en affectant des poids différents aux échos selon leur taille,leur forme et leur intensité. La précision obtenue est meilleure mais cela se fait au détrimentde la simplicité et de la rapidité de la méthode.

1.2.3. Un exemple de modèle

Au Royaume-Uni, un modèle opérationnel a été récemment mis au point en tenant compte

de l'ensemble de l'expérience acquise en ce domaine (CARPENTER et OWENS, 1981).

Il est décrit ici, étape après étape

- a) Agrandir le maillage de l'écran vidéo (il s'agit d'un radar de type digital) par rapportà celle utilis€e 11 d'autres fins comme la mesure de l'intensité de la pluie. La maillede base ou point mesure 20 km'. Il est impossible de prévoir le déplacement d'échos plus

petits à l'échéance d'une heure et a fortiori au-delà,

- b) Reconnaftre et coder les points contenant des intensités superIeures à un seuil donné.Ici, il est fixé à 8,5 dB. Les échos utilisant plusieurs points contigus constituent les

amas,

- c) Calculer les centres de gravité des amas ou des échos individuels sans tenir compte deleur intensité afin d'éviter l'enregistrement de valeurs du facteur de réflectivité aber­

rantes en cas, par exemple, de présence de la bande brillante,

- d) Recommencer les étapes b) et c) c'est-à-dire constituer la seconde image 15 mn après la

première. Cet intervalle de temps est optimal .pour la prévision ; au-delà, celle-ci se

dégrade,

- e) Calculer les vecteurs de déplacement de chaque amas ou écho en prenant leur centre de

gravité sur les images 1 et 2. Aucun centre ne saurait s'etre déplacé de plus de 30 km,

Fig. 22. La méthode des corrélations croisées pour laprévision des pluies.

Fig. 23. La méthode du suivi du centre de gravité des échospour la prévision des pluies.

36.•.•~.

x

- - --11::-& t:-1

,----- -- --111111

y-'

-1-Ji-

i·-1-1111-11111-1-1-1-11-11

-111-1-11~I

37

- f) Comparer chaque vecteur avec un vecteur étalon qui est dérivé de la vitesse moyenne dedéplacement, pour une heure, des centres des échos ct des amas de l'ensemble de la sur­face balayée par le radar. Si les vecteurs individubls ne dépassent pas dans ce cas 6 km

,en 15 mn, ils sont enregistrés pour l'étape suivante sans modifications. S'ils dépassent

cette va~cur et si la taille des amas est sup~rieure à 3200 km', le vecteur étalon sera

préféré. Pour le calcul de ce dernier, l'ensemble des vecteurs est retenu y compris ceuxassociés à des amas se déplaçant trop rapidement. La seule cause d'exclusion est une

taille inférieure à 20 km',

- g) Calculer à partir des vecteurs, les prrvisions des vitesses de déplacement et celles des

directions des échos, heure par heure, jusqu'à la sixième heure. Si la localisation pré­

vue des amas aboutit au recoupement de ceux-ci dans une région pour la prévision éven­

tuelle des inten.ités des précipitations, il faudra en tenir compte. La moyenne des fac­teurs de réflectivité sera faite avant d'extrapoler la valeur des quantités de pluie,

- k) Vérifier, de façon subjective, la validité de la prévision. Après cette intervention ma­nuelle qui n'est pas obligatoire et qui consiste à modifier quelques vecteurs, recommencerl'étape gl'.

L'ensemble des valeurs données ci-dessus est adapté aux conditions climatologiques dela moitié méridionale du Royaume-Uni. L'intervalle adopté entre deux images qui est de 15 mn estla seule exception; c'est une valeur couramment admise car située entre 5 et ~O minutes, valeursqui constituent la fourchette des autres auteurs (DAVID, 1982). Avec un pas de temps de 30 mn,lors de pluies convectives, la décorrélation des échos peut être totale.

1.2.4. Les résultats

La validité de l'ensemble de ces méthodes, les corrélations croisées et le suivi du

centre de gravité des échos ou clustering, dont le modèle de CARPENTER et OWENS est une variante,sera jugée selon un indice de succès. Il est noté CSI ~t exprimé en pourcentage.

-1-1 CSI A • 100

A + B

-1-1-1-1-1-1~I

1

où A est le nombre de points où a posteriori la pluie prévue est advenue. B est, aussi, le nom­bre de points mais celui où aucune précipitation n'a été enregistrée par .le radar.

Les résultats obtenus à une échéance rapprochée (1 heure), au cours de la décennie1970-1980, varient entre 29 et 40 \. La méthode des corrélations croisées ou celle du suivi ducentre de gravité a été mise en oeuvre. CARPENTER et OWENS, en utilisant leur modèle sans correc­

tion manuelle, obtiennent un CSI moyen légèrement supérieur à 40 \, après l'analyse de vingt neufépisodes pluvieux (Tabl. 5). Dans les cas les plus favorables où la couverture radar est bonne,l'indice de succès atteint 60 \. Après une correction manuelle, dans ce dernier cas, leCSI estde 65 \ toujours pour une échéance d'une heure. Les valeurs recueillies jusqu'à l'échéance de

six he~res sont reportées sur un graphique (Fig. 24).

Tableau 5. L'indice de succès (CSI) obtenu avec le radar pour prévoir la pluieà l'échéance d'une heure.

Année Méthode Référence Temps de calcul' CSIemployée bibl iographique machine (mn) Ct)

1970 Suivi du centre de gravité BARCLAY et WILK 0,5 - 2,2 29des échos

1972 Variante du suivi du centre de DUDA ct BLACI<MER 2 - 10 33gravité dcs échos

1974 Corrélations croisées Al5TIN et BELWN 0,3 41

1976 Variante du suivi du centre de M1JEt-l:H 0,8 40gravité ùes échos

1971J Idem WIGŒRT et al. 2 - 10 30

1977 Suivi du centre de gravité des échos I\OLF et al. 0,5 30

1979 Variantc du suivi du ccntre de ŒANE 2 - 4 40gravité ùes échos

J 981 Idem CARPrNI'Elt ct O\l1:N..'> 0,2 45

38

6

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"'=t < '\)"'.2.

5

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C") ~~~ --­

(I!) ~~~t~~

Oz..

43

modèle appliquéavec contrôle

CSI <Critical success index)

1:"moaeeappliqué ­sans contrôledu météorologue

60 .

40

20

BO

Cot ,

n: \l "

l ,

Irz <: 0

A'Z-<O

100 ,...---r---.----"""'"T"""----...----.------.Ok

Fig. 25. Le schéma de l'évolution des pluies et de la prévisionde leur intensité.

o J'__--'-__ I__-L.._---J

o 1 2"Echéance (h)

Fig. 24. Les résultats obtenus, pour la prévision des pluiesjusqu'à l'échéance· de 6 heures, par CARPENTER et OWENS.

----l'111111 - .

1~I

1111-1-1-1-1 ,-

-1"1-.-

-1

-1

-1-1

-111-1

-1-1--1

1

39

Cette réllssite par rapport aux expériences précédentes s'explique ainsi

- des pluies frontales ~ caract~re stratiforrne forment la totalité de l'échantillon alors que

les autres auteurs s'intéressaient aux précipitations convectives;

réseau de quatre radars a été utilisé (cf. Fig. 1), c~ qui, pour les previsions au-delb

d'une heure est fort utile par rapport à ce qu'il est possible d'attendre d'un seul appa­

reil ;

- l'indice de succès a été calculé sur une grande surface (400 km'). Il a été démontré quecelui-ci croit avec l'augmentation de l'aire de contrOle. Pour une expérience avec les m~mes

épisodes pluvieux, les résultats sont

CSI c 40 \ pour 36 km'

CSI 90 \ pour 900 km'.

CARPENTER et OWENS obtiennent donc les résultats les plus satisfaisants mais ils se placent dansdes ~onditions presque idéales.

Afin d'améliorer encore ces résultats, des images de satellites vont ~tre combinées avec

celles fournies par le réseau radar. C'est le projet FRONTIERS présenté en 1979 et qui est sus­ceptible de corriger ou d'atténuer deux importantes sources d'erreur dans la prévision actuelle

- la fidélité discutable de l'image radar des précipitations (cf. 2e partie, 1.2.). Elle re­présente la source de la moitié environ des échecs avec les appareils 5,5 cm utilisés,

- l'estimation erronée de la vitesse de déplacement des échos et de leur direction même après

une correction manuelle des vecteurs. Elle est. l'origine d'environ 15 \ des échecs.

Les problèmes posés par les changements que peut subir la pluie, entre la seconde

image et l'échéance d'une heure, sont secondaires. Ces changements peuvent advenir au niveau dela direction, de la vitesse du déplacement et de l'intensité des précipitations.

Précisément, est-il possible de prévoir si la pluie vue au radar va se renforcer, s'at­ténuer, ~tre du m~me ordre lorsqu'elle touchera le bassin versant étudié?

1.3. L'EVOLUTION DE L'INTENSITE DES PLUIES

Le facteur de réflectivité, noté l, est la seule donnée radar qui permettra de mesurer

l'intensité de la pluie de façon indirecte. Plus l est grand, plus la précipitation est intense.

SCHAFFNER caractérise l'évolution des échos en calculant une "image-différence", selonune technique similaire à celle utilisée pour prévoir la direction et la vitesse de déplacem~nt

des pluies. En chaque point de mesure, la différence, notée Al, des facteurs de réflectivitéentre l'image 1 et celle numéro 2 est calculée (DAVID, 1980). L'histogramme des points suivant

les valeurs de Al est établi.

En théorie, les histogrammes vont être différents selon l'évolution de la pluie (Fig:25).

2. L'UTILISATION QUANTITATIVE

Cette utilisation consiste à lier le facteur "de réflectivité, noté l, dépendant seule­

ment du diamè t re élevé 11 la puissance 6 des "gouttes ,à l'intensité horaire de la pluie mesurée au radar, notée R.

Avant d'aborder l'étude de la relation l/R, il faut savoir qu'une autre approche a été

tentée. Des essais, pour corréler l'intensité de la pluie avec l'atténuation du facteur de ré­flectivité, notée L', ont été effectués. Cette dernière, dans le cas d'un radar à très court~

longueur d'onde, 0,9 cm voire 3,2 cm, devient rapidement plus grande que le facteur de réflec­

tivité lui-m~me. Cela n'a pas abouti 11 des résultats tr~s concluants (GODARD, 1965).

•

-1

-1

-1

11-1

40

, "

2.1. 1.'ETABLISSëMENT DU RAPPORT FACTEUR ilE IŒFLECTJVlTE - INTENSITE nr; 1.,\ l'LUlE

Plusieurs approches sont possibles pour établir cette relation:

- la première, la plus logique, tente de connaître le diamètre dps gouttes afin d'en dé­

duire l'intensité de la pluie

- la seconde, hasée sur l'pnregistrement des données de réflectivit~ obtenues eri balayan~

la région ~ intervalles réguliers, consiste à convertir ces données à l'aide de relations

2/R convenables pour connaftre l'intensité des prçcipitations. Cette approche utilise lesdonnées des pluviographes classiques.

2.1.1. Les relations basées sur la granulométrie des gouttes

Des études, dans cette direction, ont été faites, en France, dans la moitié des années

soixante, sous les auspices de la SODETEP et de l'Observatoire du Puy de Dôme. Cette méthode estappelé parfois aussi celle des "impactions".

DUMOULIN et COGOMBLES (1966) prennent des papiers imprégnés d'éosin. Ceux que GODARD(1965) utilise sont converts de collargol et de dimension 10 cm x 10 cm. Ces feuilles sont ex~

posées à la pluie pendant un temps variable qui dépend de l'intensité de la précipitation. Chaquegoutte produit sur le papier une tache claire dont le diamètre est estimé à 2,5 fois celui del'hydrométéore (Fig. 26). Dès le seuil de 4 mm/h, ce procédé devient incertain. Au-delà, desspectrogranulomètrcs, fonctionnant notamment à partir de procédés optiques, sont nécessaires.

Les meilleurs résultats ont été obtenus sur des parcelles de 45 m' ofi l'intensité dela pluie mesurée au radar (R) a pu être estimée ~ ± 10 \ (DAVID, 1980).

Pour l'hydrologue, faire ce type de travail est totalement exclu meme s'il sait quele diamètre des gouttes croft avec l'intensité de la précipitation. S'il le tente, il va com­mettre une erreur sur R très importante due à une estimation trop sommaire. L'erreur est de 98 \lors d'une tentative effectuée en Finlande (WILSON et BRANDES, 1979). La relation Z/R obtenuepar DUMOULIN et COGOMBLES est aberrante (TREUSSART, 1968).

2.1.2. Les relations dites du type de MARSHALL et PALMER

Ce sont ces relations qui ont aujourd'hui le plus grand succès. Toutefois, il est im­possible de relier le facteur de réflectivité à l'intensité de la pluie par une relation théori­que univoque (DUMOULIN, 1963). Ces relations sont du type suivant

(20)

ob Z est exprimé en mm 6 /m', R, en mm/h, A et b étant sans dimension.

- le diamètre des gouttes est sensiblement inférieur à la longueur d'onde - cette hypothèseécarte l'utilisation du radar 3 cm dans le cas de pluies intenses;

La relation (20) est adoptée, sachant qu'il n'existe que des précipitations liquides,

et en "admettant les quatre hypothèses suivantes

Des valeurs de Z, exprimées en mm 6 /m> ou en dB, sont'présentées pour une large gamme

d'intensité horaire des pluies (Tabl. 6). Cette relation bien que largement diffusée n'est pasuniversellement appliquée. Plus de cent autres, dérivées de Z = A Rh, existent car A et b dé­

pendent presque exclusivement des conditions météorologiques locales qui sont très variables

(STEERING Cm~llTTEE, 19,77) (rig. 27).

-1-1-1-1

- sa distribution suit une loi exponentielle

dans l'air, il n'existe pas de mouvements verticaux

- la vitesse de chute des gouttes ne dépend que de leur taille.

La relation la plus utilisée est celle de MARSHALL et PALMER qui est

Z = 200 R 1,6 (21)

~I

~I'

~I

il,1

r

il.,1ilil

1

:1

41

. .·\W~"."''"t~f.*ri'';eJ·*'i~.~4;i;.·}'::S~w-,,~~,,~~;·_~··:· .:

Fig. 26. Un exemple d'enregistrement granulométrique de la pluie.Le papier est imprégné de collargol et est représentégrandeur réelle. Après un temps d'exposition de 20 se­condes, l'intensité a été estimée à 0,66 mm/ho

1500

700

100QO

70

1

'1

1j

1Î1

J1

•..,.•.._ _.__ .. ,

Fig. 27. Les variations de la relation

Z = A Rb, d'une pluie à l'autre.

L'exemple se réfère au Japon.

1) .'Partie dense et diffuse d'un écho d'ora

II) Centre d'un orage.

III) Cellules intenses en voie de développem

IV) Petits échos compacts.

V) Echo stratifié.

IV) Echo complètement diffus .

111

42

Néanmoills, si les nuages précipitants ont un caractère convectif, le coefficient Acroft tandis que l'exposant b diminue. Par exemple, puur les pluies d'averses et d'orages, lesrelations suivantes peuvent Btre adoptées:

Z ,,300 R 1,4 (22.1)

La relation Z = 400 RI ,5 est bien adaptée à l'Europe Occidentale comme celle de MARSHALL et

PALMER, dans le cas des pluies liées aux nuages stratiformes (DAVID, 1982).

D'autres causes, secondaires, expliquent la multiplicité des relations du type Z" A Rb.

11

Z .. ~ 00 RI, 5 (22.2)

11111111111111·1•

La zone climatique où est implanté le radar est importante. CAETANO propose une rela­tion ZIR adaptée à un lieu fixé à partir des différents paramètres climatologiques (DAVID, 1980).'

Pour une m~me valeur de Z, des variations sur R, de l'ordre de 500 \, peuvent ~tre obtenues.nans une m1!me loca 1i té, e Iles tomben t à 120 \. Enfin, la re la ti on ZIR peut varier assez rapide­ment dans le temps.

Tableau 6. Le facteur de réflectivité de la pluie, en fonction de l'intensité de lapluie, calculé selon la relation de MARSHALL et PALMER.

R (rrm/h) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Z (Il106lm') 5 15 29 46 66 88 113 140 169

Z (dB) 7 12 15 17 18 19 21 21 22.

R (rrm/h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Z (Il106lm') 200 606 1160 1838 2627 3516 5000 5572 6726

Z (dB) 23 '28 31 33 34 35 37 37 38

R (rrm/h) 10 20 30 40 50 60 70 80 go

Z (Il106lm') 7962 24137 46177 73169 104564 139982 179138 221806 267804

Z (dB) 39 44 47 49 50 51 52 53 64

R (Rln/h) 100 150 ZOO

Z (Il106lm') 316978 606424 960900

Z (<lH) 55 58 60

2.2. L'ETABLISSEMENT DU RAPPORT INTENSITE DE LA PLUIE SELON LE RADAR ET SELON LE PLUVIOGRAPHE

R, l'intensité de la pluie mesurée au radar et G, celle mesurée au pluviographe situéà la verticale du volume illuminé par le faisceau, sont comparées pour définir le succès ou

l'échec de l'utilisation quantitative.

2.2.1. Les limites de la comparaison

Les deux mesures sont effectuées avec des appareils qui présentent des défauts propresdOs à leur conception technologique mais qui sont aussi fondamentalement différents.

Sans détailler ce probl~me, une étude récente faisant presque le point sur ce th~me

(DAVID, 1980), le pluviographe à augets basculants p~che il différents niveaux.

Des défauts n,ineurs sont les pertes dues à l'évaporation et aux éclaboussures. Avec

un peu de soins, il est possible de contenir ces erreurs il 2 \ •

~I

111-11-1111•

43 .

~.

Trois inconv~nicnts apparaissent majeurs. Ce sont:

la mauvaise prise en compte Jes faibles intensit6s, d6faut qui n'intéresse pas celui qui

s'occupe de crues

la mauvaise connaissance des fortes intensit6s entraînée notamment par le temps de bascu­

lement des augets; l'erreur est d'environ 5 \ pour 8 mm/h, de 10 \ pour 14 mm/h ... ;

- la très grande sensibilité au vent des mesures qui est le défaut le plus grave. L'idéal

serait de disposer d'appareils enterr6s avec le c~ptcur au niveau du sol. Toutefois, defaçon générale, le capteur sc trouve à 1,5 m au-dessus du sol pour des raisons de commo­

dité et de coat d'installation des pluviographes.

L'erreur causée par le vent est estimée à 8 \ sur l'ensemble de l'année par des cher­cheurs suédois. Lors de la mesure d'épisode pluvieux, elle est, selon JACQUET de l'EDF, de 12 \

pour des vitesses de 8 rn/s. Cette valeur est atteinte dès 5 mIs pour LARSON ct PECK (WILSON etBRANDES, 1979). Toujours pour ces derniers auteurs, l'erreur sur l'épisode pluvieux est de 19 \h 10 mIs et peut atteindre 40 \ pour des vents de 35 rn/s. Ces pertes ne peuvent être évaluéesqu'en couplant au pluviographe un anémomètre ce qui n'advient guère hors de l'enceinte des sta­tions climatologiques.

Il est à noter que les chiffres fournis sont des moyennes. Ils varient selon la tailledu capteur et le type de pluviographe employés.

D'autre part, les horloges des appareils ne sont pas très précises. Il est difficile

de descendre sous le seuil des 5 mn. Presque tous les services de traitement des données ont desprogrammes de correction de la dérive du temps. Ces programmes supposent néanmoins que les heuresdes relevés soient justes.

Les services météorologiques britaniques ont voulu posséder un pluviographe de grandequalité pour disposer d'une base fiable afin de comparer ses données avec celles du radar, avantde les critiquer.

Ils ont da concevoir un appareil spécifique, sans augets basculants, qui a été enterré.Sa fabrication a ét6 assurée par la Société PLESSEY (STEERING COMMITTEE, 1977).

L'ensemble de ces défauts ne doit pas occulter le principal avantage du pluviographequi explique qu'il serve de référence. Il fournit des données mesurées au sol ou à proximité decelui-ci.

En contre partie, la densité du réseau va devoir être forte pour que l'hydrologue dis­

pose de mesures significatives. Un coût non négligeable de maintenance, outre celui de l'inves­tissement, en découle. Il est contenu, en partie, en ins~allant les appareils dans des localités

d'accès aisé au détriment de la représentativité des stations.

Le tableau 7 est particulièrement utile pour appr6cier la dégradation de la significa­

tion des données journalières avec un réseau pluviométrique lorsque sa densité décrott alorsqu'augmente la taille du bassin à contrôler. Le tableau, en montagne, donnerait des résultatsencore plus médiocres.

Les différentes techniques utilisées pour évaluer la pluie entre les postes commecelles des isohyètes, des polygones de Thiessen ou du krigeage n'ont aucune influence correctrice.

Le calcul de R, l'intensité de la pluie mesurée au radar, peut être affecté, selon

SAUVAGEOT (1982), par les cinq importantes sources d'erreurs suivantes:

- les défauts d'homogénéité de la cible;

Ils découlent de nombreux phénomènes comme la présenc~ de plusieurs diamètres de gouttes

celle de la grêle qui sc situe hors du domaine de l'approximation de RAYLEIGH. D~ plus, la ciblen'est pas homogène si le volume illuminé comporte la zone de la bande brillante, des échos para­

sites, des parties non précipitantes ...

~I

-1-1~I

~I

--1~I

-1-1-1-1-1-1-1

44

Tableau 7. 1.' illfluenc(" ù(" la surface du bassin et de la densi té du réseaupluviographique sur la repr~sentativitf des données journalières.L'erreur commise est exprim6e en pour~entage.

L'exemple est celui ùe la r6gion de ValdaI (URSS)

-Densité -+. 1 pour 1 pour 1 pour 1 pour 1 pour 1 pour

10 km' 50 km> 100 km' 500 km' 1000 km' 2000 km'Surface (km') ~

50 20 60100 14 42 70500 6 19 31 BB

1000 4 13 22 7B 92

2000 3 10 16 60 BO 93

5000 2 6 10 3B 6B 90

10000 1 4 7 27 47 B2

- la modification de la précipitation entre le moment de son illumination et celui de sonarrivée au sol;

Ces changements sont, par exemple, la croissance du diamètre des gouttes, l'évaporation de cel­

les-ci. Des mouvements ascendants de l'atmosphère, par exemple dans les cumulonimbus, retardent'l'arrivée de la pluie au sol.

- le manque de précision de la mesure radar du à l'instabilité de la chafne et aux fluctuafionsdu facteur de réflectivité;

La précision est de ± 1 à 3 dB dans les cas les plus satisfaisants.

- la périodicité des mesures inadaptées aux types de précipitations

Si des pluies d'orages sont étudiées, c'est le cas avec une mesure effectuée toutes les 10 mn.

- les perturbations de la propagation de l'onde.Ce sont, vour l'essentiel, les phénomènes d'atténuation et les masques.

Les avantages des mesures radars sont au nombre de trois :

- la haute résolution même dans des régions difficiles d'accès

- l'importance de la fréquence d'acquisition des données; cette fréquence peut descendre

jusqu'à la minute

la possibilité de concentrer, en temps réel, en un lieu, des mesures couvrant toute la région

L'utilisateur potentiel dispose de deux instruments, le radar et le pluviographe, tous

deux capables de mesurer l'intensité de la pluie mais les données de l'un par rapport à l'autre,outre leur qualité douteuse commune, apparaissent difficilement comparables car recueillies dans

des conditions trop différentes:

Les s~rfaces o~ la pluie est mesurée par un pluviographe et un radar passent d'un facte~r 1 à

environ un facteur 107

• La fenêtre ou la porte au-dessus du pluviographe de Tulle, sans doute

équipé d'une bague de 400 cm', est d'environ 6 km' (PARSY et DUPOI/YET, 1972). Les portes des

radars Mélodi de la Météorologie Nationale mesurent au minimum 250 m de large. Bientôt, cette

valeur va passer à 125 m lorsque la chafne Saphyr sera implantée sur l'ensemble des .appareils.

Le pluviographe mesure la pluie au sol ou presque, le radar en altitude. Le pluviogra­

phe mesure un flux, le radar un volume.

2.2.2. Les résultats de la comparaison

L'intensité de la pluie selon le raùar, notée R, et celle obtenue à l'~ide d'un réseaupluviométrique très dense, notée G, sont comparées. Dans le cadre des campagnes HYDROMEL un appa­

reil tous les 5 km' était implanté dans le bassin de l'Orgeval (FROMENT, 1979). R ct G sont cor­

rélées de façon peu satisfaisante. 1,t· co,;fficient œ corrélation varie dans la fourchette' 0,44 ­

0,55 (WILSON ct BRANDES, 1979).

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

~I

45

Dans le cas d'un radar fonctionnant dans des conditions difficiles avec des masques

très gEnants, des échos sols très nombreux ... , comme c'est le cas à Dammartin en Goele, le rap­

port R/G varie entre 0,1 et 10 mais le plus souvent entre 0,5 et 2 (FROMENT, 1979). Pour

WILSON et BRANDES (1979) qui font une synthèse d~s résultats b l'6chelle du globe, le rapport

R/G est inférieur à 2 dans environ 75 \ des cas.

Par rapport aliX mesures presqu~ instantanées de l'ordrc de 1 h 5 mn, celles obtenues

sur une p6riode plus longue se rapprochent plus de G (Fig. 28). Avec les données des campagnes

HYDROMEL, le coefficient de corrélation qui est de 0,41 pour 30 mn passe, pour une heure, à

0,49 (FROMENT, 1979). Normalement, il dépasse 0,5 pour ce dernicr laps de temps et pour des du­

rées supérieures (WILSON et BRANDES, 1979). Sur le bassin de la Dee au Nord du pays de Galles,

les meilleurs coefficients de corrélation entre R et G s'obtiennent sur une période de 2 h 30 ­

3 h (STEERING COMMITTEE, 1977), Le rapport de 2 entre R/G, malgré son caractère peu satisfaisant

pour l'esprit, convient chaque fois qu'une mesure approximative de l'intensité des pluies est

suff~sante. La connaissance de la pluie par la mesure radar est satisfaisante pour un premier

niveau d'alerte des crues (SAUVAGEOT, 1982),

Pour être admise comme une donnée pluviométrique de bonne qualité, la pluie mesurée

par le radar doit se trouver dans un rayon inférieur à 200 km du cercle dont l'appareil est le

centre ; pour être presque comparable à la donnée fournie par un réseau pluviométrique dense,

ce rayon doit se ramener à environ 100 km. A ce stade, pour les pluies de durée inférieure à

24 h et non pour les précipitations mensuelles et annuelles, la donnée radar est déjà supérieure

h celle fournie par un seul pluviographe. La limite, où les valeurs enregistrées au pluviographe

deviennent moins représentatives que celles enregistrées au radar, est fixée à une densité moin­dre d'un appareil au sol tous les 250 - 400 km' (IHLSON et BRANDES, 1979).

Dans un rayon de 100 km, afin d'améliorer le coefficient de corrélation entre R et G,la solution la plus commode ct la plus satisfaisante pour les utilisateurs des formules du typeZ = A Rb est de calibrer R avec un pluviographe en faisant varier A et b.

Une autre technique dont l'usage est possible, est de conserver ces derniers termeset de faire varier R, l'intensité de la pluie mesurée au radar. Elle est peu mise en pratique.

~I

-1

2.3. L'AJUSTEMENT DES DONNEES RADAR AVEC CELLES DU PLUV JOGRAPIIE

Jlès 1954, HITSCIIFELD ct BORnEN (in WILSON et BRANDES, 1979) écrivaient:

"Le radar hydrologique devrait être calibré avec des pluviographes plut6t qu'en utilisant tout

autre moyen". Deux possibilités sont offertes soit la relation Z/R est calibrée d'une précipita­

tion à une autre soit un ajustement spatial est effectué.

-1-1

2.3.1. L'ajustement d'une pluie à une autre

C'est la technique la plus simple. Un certain nombre de pluviographes, noté N, estchoisi. La différence moyenne entre les données radar et celles du réseau pluviométrique estcalculée. Une correction est appliquée uniformément aux données radar par un facteur d'ajuste-·

ment multiplicatif, noté F et sans dimension.

-1-1

N N

F L Gi [ Rii=l i=l

où Gi ct Ri sont exprimés en mm/ho

Dans ce cas, les données sont pondérées proportionnellem~nt à la hauteur de pluie.

1N

F

F peut se calculer également de la manière suivanteN

L-1i=l

Ici, tous les couples donn6es radar - pluviographes ont le mC'me poids.

46

..

,.'"

1'- •• ~.

.mm

100

0<1 h• 1- 3 "D .3-6 "

• 6-IZ"

'A> IZ "

G10

•

..R mm

10

-1

-1-1-·1

-1-1'-1-1

Fig. 28. La comparaison entre les données non corrigées obtenuespar le radar (R) et celles provenant d'un réseau pluvio-métrique dense (G). 4

L'exemple se réfère à la région de Valdaï (URSS).

-1o

o

o

6 JUNE 1974

oo 0

o

oo

-1-1

•• • •

..

-1-1

Fig. 29. La comparaison entre l'ajustement spatial et l'ajuste­ment d'une pluie à une autre des données radais par despluviographes.

1

111111111111

.p

Dans chaque C<lS, les corrections apportées par le facteur d'ajustement palliellt sur­tout [lUX Cil 'urs ducs 11 la chatne radar ct, ;, un degré moint!Tc, presque négligeable, 11 cellescauséc~ par le choix d'une rel;ltion Z = 1\ Rb non adaptée (l'/ILSON ct BRANDES, 1979 ; SAUVAGEOT,

1982).

Cette correction peut déjà ~tre appréciable en utilisant seulement les données d'un

pluviographe. Des réductions sensibles du taux d'erreur de la mesure radar avec celle obtenue

au sol sont constatées (Tabl. 8). Cette technique, simple à mettre en oeuvre, p6che surtout parle fait qu'elle rende mal compte des très grandes variations spatiales des pluies détectées au

radar.

Les données radar doivent se référer à un pluviographe suffisamment proche, car plus

on s'éloigne de ce point où la précipitation au sol est connue, plus la qualité de cette information sc dégrade.

Deux exemples sont fournis (Fig. 29). Dans le cas de la pluie du 6 juin 1974, l'ajuste:ment spatial e~t précieux.

Les ajustements locaux sont faits en interrogeant les sites de calibration les plusproches ct en assignant à ceux-ci d~s poids inversement proportionnels à la distance pluviogra­phe-fen~tre radar. Les observations du radar sont modulées avec les données du réseau au sol parune technique d'ajustement tenant compte de la variation spatiale des précipitations indiquée pa'le J'adar.

A cc ~'ade, l'utilisateur peut dessiner une carte très fine des isohyètes beaucoup plu:détaillée que celle tracée avec le seul réseau pluviométrique (Fig. 30).

En utilisant cette technique, le STEERING COMMITTEE (1977) note que la densité du ré­seau peut diminuer sans qu'il y ait un risque de perte d'information. Cette perte était déjàtrès importante en cas d'averses ou d'orages, car supérieure à 40 \, malgré une densité d'appa­reils assez forte jusqu'égale à 1 pour 100 km'. Le faisceau radar, même occulté jusqu'à 60 \ deson volume par des masques, permet d'avoir des données de qualité bien supérieure pour les pluie:dont la durée est d'une heure (Fig. 31). Sur le bassin de la Dee et auX alentours, le réseau, audébut du projet radar, comprenait 67 postes. A la fin de celui-ci, une douzaine subsistait donttrois utilisés pour effectuer la calibration en temps réel et donc équipés de codeurs permettant

une télétran~mission radio.

Tableau 8. Les résultats obtenus avec le radar ajusté avec les pluviographes d'une pluieà l' aut re.

WIlSON Orage 10/2 AR'

JATILA et Orage et 3/1,8 200 Rl ,6PUll1\KKA averse

I\'OODLEY et al. Averse et 10/2 300 Rl ,4stratiforme

Hl\IUtULD et al. Averse et 10/2 200 Rl,6stratiforme

BRANDES Orage 10/2 200 R1,6

• Ep Episode pluvieux

12- 48 <100

Fréquence' Distancedes obser- de la ciblevations (mn) (km)lée

1970

173

975

111

Référenceb Typeibliographi- de pluie

que

RadarÀ (an)/a.(en")

RelationZ/R

5-10

5

5

5

35-100

18- 28

85-115

45-100

Airecontr6lée

(km' )

3500

180

570

3000

Durée(h)

Ep·

24

Ep

Densité'des Erreur avant1pluviographes et après ( )de calibration l'ajustement

1 km' \

3~,00 51 (35)

1200 (30)

180 43 (23)

1600 43 (30)

500 (19)

900 - (18).

48

30201052

Nombre de pluviographes pour 1000 km2

1o

40%

\:1\c;.\~\~~')

\%\~IJI

\\

""""~q',~.--. "-

.o~.--. "..... te ....., ""tJ ....., "ete',......... l'Je' "-

......... '19iD"""'"......... v

.................Mesure radar avec calage sur ))tuviographes

_ __ Mesure avec pluviographes

10%

Fig. 31. L'indépendance de la mesure radar, effectuée sur despluies hor~ires, par rapport aux types de précipitations.

Fig. 30. La comparaison entre une carte des isohyètes établiegrâce au seul réseau pluviométrique et celle dessinéegrâce aux données radar ajustées de façon spatiale.

30%Différence moyenneentre les donnéesradar ajustéesspdtialement etcelles d'un réseaupluviométriquedense

-1-1-1-1~I

~I

-1-1~I

~I

'1--1-1

1-1-1-1-1~I

-1-'1

1 49

11

".~ .I.a haute résolution spatiale du radar fait tIlle la qualit(- des données est indépendante

par rapport ~u réseau pluviométrique,du type de pluie pour autant qu'une relation Z • A Rb adap­

tée ;tit été prise en compte. La détection des précipitations localisées ne pose pas plus de pro­hl~mcs que celle des grands dpi sodes pluvieux.

11

Les résultats obtenus peuvent aller jusqu'~ 7 t de différence ou d'erreur, entre la

pluie mrsurée au radar avec un ajustement spatial de correctioi et la mesure au sol, dans les

cas les plus favorables, et avec des distances faihles, de l'ordre de 50 km. Ces résultats ontété obtenus par COLLIER ct al. qui travaillbrent sur le bassin de la Oee. Néanmoins, les résul­tats qu'il est raisonnable d'espérer jusqu'à environ 100 km du radar sont 20 \ de différenceentre R modifié ct G (Tabl. 9).

1 Tableau 9. I.(·s résultats obtenus avec le radar ajusté spatialement avec les pluviographes.

COLLIER et al. Averse et 10/1stratiforme .

Orage 10/2 ARl ,6

Orage 5/1,7 ZOOR1,6averse etstratifonne

Orage 10/2 200Rl,6

Densité desFréquence Distance Aire Dure~e l' hdes observa- de la cible contrôlée (11) p uvlOgrap es

tions (nUl) (km) (km') de calibration(l/km' )

( 7)

55 (27)

52 (13)

(]4)

(27)

49 (22)

Erreur avanet après (l'ajustemen

(t)

233

150

900

1600

3500

275

3

0,5

Ep·

24

Ep·

700

3000

5300

3500

170

20-100

12-48

45-100

35-100

95-112

5

3

5-10

10

RelationZ/R

300Rl ,35

200Rl ,6

10/1

RndarÀ (an) /60 (en 0)

Typede pluie

Averse et

orage

R<"férencebibliographique

WILSON

BRANDES

HUFF et

TOWERY

1 • Ep. épisode pluvieux.

111111111

~I '.-'1~I

-1~I

-1-1-1-1-1'~I

-1-1-1-1-1-1'-1-1-11

CONCLUSIONS ET DISCUSSION

50

~I

-1~I

-1-1-1-1-1-1-1~I

-1-1-1-1

-1-1

SI

La puissance retournée au radar varie seloll ks caractéri.stiques de l'appareil ct

celles de la cible. L'appareil étallt l:unllll, les précipitations sc faisant sous forme liquide

et la correction de la distancc radar - ciblc étant effectuéc, elle dépenl! seulcmcnt des va­leurs du facteur de réflectivil~. Ce facteur, noté Z ct exprimé en IIIm 6 /m' ou en décibels, per-met l'estimation de 1 t intensité de la pluie. 11 ne dl;pcnd que du düunètre élevé i) la puissance 6 des gouttes

de pluie, si ces dernières sont sphériques et si la longueur d'onde du radar est largement supé-

rieure ~ leur diamètre. Les fluctuations fortes et continues du facteur de réflectivité entra[­nent la multiplication des impulsions émises par le radar afin de diminuer l'écart-type de l'es­timation de ce facteur.

Le radar type, qui est composé d'une antenne, d'un émetteur, d'un récepteur et d'unsystème de visualisation, est celui qui a une longueur d'onde de 5-6 cm. Par rapport aux appa­reils 3 cm et 10 cm, c'est le meilleur compromis entre les exigences scientifiques et le coat,

évalué ~ 3-4 millions de F. On peut distinguer les pluies à caractère stratiforme, convectif,voire orageux, comme celles liées aux cyclones. Toutefois, la confusion entre les précipitations

et les échos renvoyés par l'atmosphère, les tempêtes de sable, les oiseaux, lés insectes, lesautres radars et le sol est aussi possible.

La valeur du facteur de réflectivité est écrftée, surtout, par l'oxygène, les pluies

et les obstacles terrestres le long du double trajet radar-cible. Le coefficient d'atténuation

causé par l'oxygène est évalué ~ 0,01 dB/km. Plus la longueur d'onde est courte, plus le coef­ficient diatténuation des pluies, k, cro[t selon les relations suivantes :

le pluie (en dB/km) 0,0003 Rl ,O pour une longueur d'onde de 10 cm

0,0022 Rl,17 pour celle de 5,7 cm ;

" 0,074 Rl,31 pour celle de 3,2 cm.

où R est l'intensité de la pluie mesurée au radar, exprimée en mm/ho

L'application de ces relations conduit ~ l'élimination des radars 3 cm, dans la plu­part des cas, car la fidélité de la localisation des pluies dépend strictement de la longueurd'onde utilisée. 8 mm/h est l'intensité horaire qui constitue la limite supérieure de l'utilisa­tion fiable du 3 cm, 60 mm/h étant celle du 5-6 cm.

La prévision des pluies dépend de leur direction et de leur vitesse de déplacement.Elle est possible jusqu'à l'échéance de 6 heures et exige la visualisation de deux images radarséparées de 5 à 20 minutes. A l'échéance d'une heure, sur un échantillon de pluies stratiformes,la bonne localisation se vérifie dans 45 \ des cas en moyenne. Elle peut, dans de bonnes condi­tions, atteindre 65 \ et ~ l'échéance de 6 heures, 20 \. Avec des pluies convectives, le pourcen­tage de succès varie entre 29 et 40 \ à l'échéance d'une heure.

Suivre l'évolution dans le temps de l'intensité de pluie est possible.

La mesure radar de l'intensité des précipitations passe par l'application de la rela­

tion de MARSIIALL et PALMER valable pour les pluies stratiformes :

Z" 200 Rl,6

où Z est esprimé en mm 6 /m' et R, en mm/h

Pour les pluies convectives, on peut adopter :

Z " 400 Rl,S

Le facteur et l'exposant de ces formules varient donc selon les conditions météorologiques.

La qualité de la donnée radar est inférieure à celle obtenue avec l'appareil au sol

situé sous le volume illuminé. La mesure radar peut ét~e perturbée par le manque d'homogénéitédes gouttes, la modification de la précipitation entre son évaluation faite en altitude et son

arrivée au sol, les phénom~nes d'atténuation, la présence de masques ... A l'inverse, la haute

résolution spat iale du radar permet d' avoi r des données représdntatives cc que le réseau au solobtient par la multiplication des points de mesure. Pour un épisode pluvieux, la précipitation

mesurée au radar devient plus signi ficative que celle fournie par le pluviographe dès que l'on

rencontre moins d'un appareil tous les 250-400 km a .

-1-1-l'-1~I

52

, ,

En prenant l'intensité de la pluie mesurée par UII ,'(-seau plU\'ioniétrique très dense,

notée G, dans un rayon de 200 km autour du radar, le rapport R/G est inférieur à 2 dans ellviron

7S \ des cas.

Si on Chl'I'che 11 améliorer la qualité ùe la mesure rndar; la précipitation doit se trouver

à cllviron 100 km de l'appareil de télédétection. Cette amélioration nécessite un ou des pluvio­graphes de calibration. L'ajustcment peut être fait soit d'Ulle précipitation à l'autre soit de

façon spatiale. La première technique consiste, 11 l'aide des données recueillies au 501, à af­fecter un facteur multiplicatif de correction aux données radar pour les rapprocher de cellesobtenues par le réseau pluviométrique. La seconde fait correspondre les données radar à celles

fournies par les appareils de calibration et fait varier l'intensité des précipitations entre

les postes grace aux données radar.

Il semble difficile de descendre sous le seuil de 20 \ de différence entre la pluiemesurée au radar après un ajustement et la pluie obtenue 1. l'aide d'un réseau pluviométriquedense.

En France, aujourd'hui, hors du petit cercle des personnes travaillant à son dévelop­

pement, la mesure radar des précipitations ne bénéficie pas d'un jugement très favorable."SAUVAGEOT plaide pour que le radar soit considéré comme un véritable instrument de mesure. Enfait, il montre combien les mesures restellt subordonnées à des hypothèses; cela excuse un peules météorologistes qui apprécieraient aujourd'hui encore les radars pour leurs indications qua­litatives" (COULOMB, préface de SAUVAGEOT, 1982).

~I

~I

--1~I Il Y a quelques années, FROMENT (1979), au terme des campagnes HYDROMEL, écrivait

~I

~I

~I

~I

-1-1-1-1-1-1-1--1

"Mesure de la pluie par radar possible? Il est évident qu'on ne peut pas répondre àla question par oui ou par non" (p. 86).

L'utilisation de la télédétection par radar pour la prevlslon des pluies est moins discutée. Lesagriculteurs sont, par exemple, très satisfaits de l'aide apportée dans le Bassin parisien parl'appareil de Dammartin en G06le (FLOCH, communication orale).

Au sein de la Météorologie Nationale, ce n'est que depuis 1980 que l'équipe radar,animée par M. GILET,travaille en posant comme a priori la fiabilité de cet appareil pour effec­tuer les taches précédemment décrites sans toutefois masquer les problèmes qui subsistent. Aupa­ravant, cet a priori n'était partagé que par quelques franc-tireurs, ne faisant pas partie dela Météorologie Nationale, comme ~N. BEDIOT et DUPOUYET. Ce revirement de tendance s'explique,en partie, par les résultats obtenus par les chercheurs américains et britaniques, résultatsqui s'améliorent progressivement. De plus, le développement de l'électronique permet de fabri­

quer des radars plus économiques, plus performants et plus simples 11 utiliser. Si j'approuve cc

changement de tendance, plusieurs points doivent être pi'écisés. Je me place dans le cas d'unservice hydrologique implanté hors de la zone tempérée et qui décide ~e compléter la connaissancede,la pluviométrie par l'apport des données radar.

- Seul, l'objectif de la prévision de la pluie à l'échéance d'une heure est réaliste.Disposer d'un réseau dense ù'appareils de bonne qualité qui permette d'aller au-delà de cetteéchéance, nécessite, étalé sur moins de 5 ans, en France, un investissement en matériel de l'or­dre de lS millions de F. Pour certains pays, cela risque d'etre un choix économiquement discuta­

ble.

La mesu re des intens i tés des précipit a tions au rada l' ne saurai t en aucun cas rempl acerle réseau pluviométrique au sol. Au contraire, le suivi des pluviographes devra s'améliorer.

Ceux qui se révèleront les plus satisfaisants pour calibrer la mesure radar devront être enter­rés, vraisemblablement modifiés, voire remplacés par des appareils plus performants. Avoir surces sites de calibration soit un observateur à demeure soit une équipe préte à intervenir en cas

de fonctionnement anormal semble une première et prudente étape.

- L'achat d'un équipement de longueur d'onde 5-6 cm (valeur = 3-4 M de FF en 1982) qui ap­paraIt comme l'appareil le plus satisfaisant sera grûvé par un surcoOt assez important. La qua­lité des composants devra etre excellente pour résister à des températures ct/ou à une humidité

relative très forte.

111111111111111111111

S3

..•~ .- Un sUlcroît de di'pnnihilitê du pl'rsolln"l est à prévoir. Les membres de l'équipe radar

devront, 11 tour Je rôl.e, 24 h sur 24, au moins lors de la saison des pluies soit suivre à lastation l'évolution d,,,; pluies soit être pl'évcnlls, 11 domicile, par un téléphone automatique

d~s qu'un épi ode pluvieux apparaît sur l'écran.

- Le contr ,o,l(' des l':"', '''''lIl>ro\l<;es données fournies par le,radar mobilisera une partie du

service afin de constituer un iJ,I'icr opérationnel nécessaire 11 l'exploitation des résultats.

Ce travail sr fera au détriment des autres tâches d'un service chargé, d'abord, du suivi des

cours d'eau.

La mise en oeuvre du radar, afin de prévoir les crues, a un créneau d'utilisation quasimen 1 nul, si les temps de concentration des eaux dans les bassins sont assez longs et si ce

sont des pluies extensives qui causent les paroxysmes fluviaux. Dans ces deux cas, la télétrans

mission des données est préférable. A l'inverse, le radar est mieux adapté aux régions où les

Clues ont un caractère soudain et là où implanter un réseau pluviométrique'dense est difficile.

Un termes économiques, par rapport à un réseau classique. équipé pour la télétransmis­sioQ des données, le radar nécessite un gros investissement. Son utilisation ne devient intéres·sante que pour des études fines sur des bassins dont la surface dépasse 3000 km'. Ce seuil sous·entend que l'utilisateur maîtrise bien le fonctionnement de son appareil; un bassin de 10000 bsemble plus adapté pour une première expérience.

Actuellement, le radar reste confiné dans la détection des catastrophes naturelles(cyclones, tornades). Mesurer les données radars pour les assimiler aux données pluviométriquesest loin d'être une opération de routine.

-1~I

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~I

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54

DOCUMENTS CITËS

Il ne s'agit pas d'une bibliographie exhaustive comme celle

fournie par SAUVAGEOT (1982).

Le lecteur, désirant des renseignements très précis, consultera

les preprints des actes de "Weather Radar Conference" édités,environ tous les deux ans,par l'American Meteorological

Society de Boston.

D'autres documents, postérieurs à la première rédaction de ce

rapport (1982), présentent un grand intérêt.

Facilement accessibles par des hydrologues, citons

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Blanche, nOs 5/6, 1983,311 - 445.

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