Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 1/28

Intr oduction aux radar s

Yves PointinLaMP/OPGC CNRS/UBP

http://wwwobs.univ-bpclermont.fr/atmos/radar

Y.Pointin@opgc.univ-bpclermont.fr

http://wwwobs.univ-bpclermont.fr/atmos/radar

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 2/28

Radar mtorologique

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 3/28

Gnralits

n Un radar est un instrument de tldtectionactive quignredes impulsions donde lectromagntiquedefrquencedonne.

n En mtorologie, il sert :1. observer les nuages,2. estimer les prcipitations,3. mesurer la vitesse du vent,

4. estimer le spectre des gouttes de pluie.

n Il est constitu:1. dun metteur,2. dune antenne,3. dun rcepteur,4. dun systme dacquisition et de visualisation des

donnes,

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 3/28

Gnralits

n Un radar est un instrument de tldtectionactive quignredes impulsions donde lectromagntiquedefrquencedonne.

n En mtorologie, il sert :1. observer les nuages,2. estimer les prcipitations,3. mesurer la vitesse du vent,

4. estimer le spectre des gouttes de pluie.

n Il est constitu:1. dun metteur,2. dune antenne,3. dun rcepteur,4. dun systme dacquisition et de visualisation des

donnes,

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 3/28

Gnralits

n Un radar est un instrument de tldtectionactive quignredes impulsions donde lectromagntiquedefrquencedonne.

n En mtorologie, il sert :1. observer les nuages,2. estimer les prcipitations,3. mesurer la vitesse du vent,

4. estimer le spectre des gouttes de pluie.

n Il est constitu:1. dun metteur,2. dune antenne,3. dun rcepteur,4. dun systme dacquisition et de visualisation des

donnes,

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 4/28

Schma densemb le

Un radar mtorologiquecomprend :

PSfrag replacements

r n

r 02

Aiguillage metteur

Rcepteur

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 5/28

Radar impulsions

Le radar metdes impulsions brves qui se propagent lavitesse de la lumire, ragissentavec le milieu et une partieinme de lnergierevient vers lantenne. Lnergiereue estmesuredans plusieurs portes de distance (donnespardiffrentsretards tn par rapport lmission).

PSfrag replacements

r n

r

tn

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 6/28

Paramtres mesurs

n Un radar (RAdio Detection And Ranging) enregistre lesdeux angles de visede lantenne, lheure et la date,

n et, suivant ses caractristiques et pour plusieurs portes dedistances situesentre 1 et 10 300 km du radar, mesurediffrentsparamtres :

1. lintensitdu signal, normaliseen rectivit(dBZ),

2. la polarisation de londe reue (dB),

3. soit, le dcalageDoppler moyen, donnant la vitesseradiale moyenne, et la largeur spectrale Doppler,donnant le niveau de turbulence, (m/s),

4. soit, le spectre Doppler du signal, donnant la rpartitiondes vitesses radiales (dB).

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 6/28

Paramtres mesurs

n Un radar (RAdio Detection And Ranging) enregistre lesdeux angles de visede lantenne, lheure et la date,

n et, suivant ses caractristiques et pour plusieurs portes dedistances situesentre 1 et 10 300 km du radar, mesurediffrentsparamtres :

1. lintensitdu signal, normaliseen rectivit(dBZ),

2. la polarisation de londe reue (dB),

3. soit, le dcalageDoppler moyen, donnant la vitesseradiale moyenne, et la largeur spectrale Doppler,donnant le niveau de turbulence, (m/s),

4. soit, le spectre Doppler du signal, donnant la rpartitiondes vitesses radiales (dB).

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 6/28

Paramtres mesurs

n Un radar (RAdio Detection And Ranging) enregistre lesdeux angles de visede lantenne, lheure et la date,

n et, suivant ses caractristiques et pour plusieurs portes dedistances situesentre 1 et 10 300 km du radar, mesurediffrentsparamtres :

1. lintensitdu signal, normaliseen rectivit(dBZ),

2. la polarisation de londe reue (dB),

3. soit, le dcalageDoppler moyen, donnant la vitesseradiale moyenne, et la largeur spectrale Doppler,donnant le niveau de turbulence, (m/s),

4. soit, le spectre Doppler du signal, donnant la rpartitiondes vitesses radiales (dB).

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 6/28

Paramtres mesurs

n Un radar (RAdio Detection And Ranging) enregistre lesdeux angles de visede lantenne, lheure et la date,

n et, suivant ses caractristiques et pour plusieurs portes dedistances situesentre 1 et 10 300 km du radar, mesurediffrentsparamtres :

1. lintensitdu signal, normaliseen rectivit(dBZ),

2. la polarisation de londe reue (dB),

3. soit, le dcalageDoppler moyen, donnant la vitesseradiale moyenne, et la largeur spectrale Doppler,donnant le niveau de turbulence, (m/s),

4. soit, le spectre Doppler du signal, donnant la rpartitiondes vitesses radiales (dB).

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 7/28

Carte de rectivit

Lors de la rotation de lantenne, le radar chantillonnedesnuages et fournit une carte horizontale de la rectivitmesure:

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 8/28

Prvision immdiate

Le dplacementdes diffrentescellules nuageuses estdtectgrce au changement de leur position entre deuximages conscutives.Ce dplacementest ensuite extrapolpour les minutessuivant la dernire image enregistre. Il faut tenir compte descrations, fusions, sparations, disparitions, etc. de cellules :

ba

PP

c

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 9/28

Obstac les la propagation

Type dobstacles pouvant gnerla propagation du faisceau etlestimation des prcipitationsau sol :1. chosde sol,2. masques,

3. remplissage partiel,4. prol vertical de rectivit,5. attnuation,6. etc.

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 10/28

Propagation anormale

En cas de fortes variations verticales de temprature, lefaisceau radar est courbvers le bas et touche le sol quirenvoie un fort choinhabituel.Ceci est analogue aux mirages.

Temprature

Radar mtorologique

Gnralits

Schmadensemble

Radar impulsions

Paramtres mesurs

Carte de rectivit

Prvisionimmdiate

Obstacles la propagation

Propagation anormale

Bande brillante

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 11/28

Bande brillante

Une bande brillante est due une augmentation de larectivitradar au voisinage de lisotherme 0 C, associeaux changements de forme des hydromtoreslors de leurfusion. http ://www.radar.mcgill.ca/bright_band.html

http://www.radar.mcgill.ca/bright_band.html

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 12/28

Hydr ologie avec un radar

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 13/28

Mesure de la pluie

La rectivitZ mesurepar un radar est statistiquementrelieau taux de prcipitationsRr par une relationempirique :

Z = a Rbr ( ) Rr = a0 Z b

0(1)

avec, par exemple pour des prcipitationsconvectives, lacorrespondance entre Z et Rr est donnepar :

Z (dBZ) 10 20 30 40 50 60

Rr (mmh 1) 0.15 0.65 2.73 11.5 48.6 205.0

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 14/28

Pluviomtre

Schmade principe du pluviomtre auget basculant.n (a), leau collectepar le cne en haut tombe dans un

premier auget dans lequel le niveau deau monte et dcalele centre de gravit,

n (b) il bascule en se vidant et lampoule de mercure en basraliseun contact entre les deux ls lectriques,

n (c) le pluviomtre se cale en position, prtpour leremplissage du deuxime auget.

b ca

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 14/28

Pluviomtre

Schmade principe du pluviomtre auget basculant.n (a), leau collectepar le cne en haut tombe dans un

premier auget dans lequel le niveau deau monte et dcalele centre de gravit,

n (b) il bascule en se vidant et lampoule de mercure en basraliseun contact entre les deux ls lectriques,

n (c) le pluviomtre se cale en position, prtpour leremplissage du deuxime auget.

b ca

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 14/28

Pluviomtre

Schmade principe du pluviomtre auget basculant.n (a), leau collectepar le cne en haut tombe dans un

premier auget dans lequel le niveau deau monte et dcalele centre de gravit,

n (b) il bascule en se vidant et lampoule de mercure en basraliseun contact entre les deux ls lectriques,

n (c) le pluviomtre se cale en position, prtpour leremplissage du deuxime auget.

b ca

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 15/28

Disdr omtre

Schmade principe du disdromtre.

Cet appareil dtermine le diamtre des gouttes qui tombentsur son cne en mesurant lamplitude du choc individuelde chaque goutte.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 16/28

Spectres de gouttes

La correspondance entre Z et Rr dpendde la distributiondes gouttes (nombre de gouttes par unitde volume dair enfonction de leur diamtre) dans le nuage.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 17/28

Relation Z Rr

La valeur de la rectivitZ est traceen fonction du taux deprcipitationsRr simultannmentdduitde distributions degouttes simulespar tirage alatoire.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Mesure de la pluie

Pluviomtre

Disdromtre

Spectres de gouttes

Relation Z R rRsultatsdu radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 18/28

Rsultats du radar

La valeur de la rectivitZ mesurepar le radar est traceen fonction du taux de prcipitationsRr mesurau sol par undisdromtre.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 19/28

Radar Doppler

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 20/28

Effet Doppler

Londe lectromagntiquedu radar subit un changement defrquencelors de son interaction avec la cible d audplacementde celle-ci.Ce changement est proportionnel la vitesse radialeprojete.

a

f fb c

f f

v

v

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 21/28

Spectres Doppler

Exemples de spectres en puissance du signal Dopplerobtenus par le radar VHF, tous les 750 m daltitude (uneporte sur 2) et tracsen chellessemi-logarithmiques enfonction de la frquence:

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 22/28

Ajustement des spectres

Ajustement des spectres en puissance par une paraboletraceen bleu, dont les caractristiques donnent : la vitessemoyenne du vent, la rectivit,et le niveau de turbulence.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 23/28

Diffrents faisceaux

Lnergiemiseest focalisesuccessivement dans 5faisceaux spars, mesurant 5 valeurs de la vitesse radiale,permettant destimer les 3 composantes du vent.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 24/28

Vent horizontal

Chaque vecteur reprsentela force (longueur et couleur duvecteur) et la direction par rapport au nord (direction de lache) du vent horizontal au temps correspondant labscisse du pied du vecteur, et laltitude correspondant son ordonne.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 25/28

Vitesse ver ticale

v olution temporelle de la vitesse verticale diffrentesportes traces laltitude correspondante :

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 26/28

Dtection de la tropopause

Le rapport PvPo (Puissance mesurepar lantenne verticalesur celle des antennes obliques) indique lair plus stable(gnralement dorigine stratosphrique), en particulier le26/10/1999 vers 12 h et 4 km.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

Effet Doppler

Spectres Doppler

Ajustement des spectres

Diffrentsfaisceaux

Vent horizontal

Vitesse verticale

Dtectionde la tropopause

Variation du bruit cosmique

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 27/28

Variation du bruit cosmique

Le bruit mesurpar les antennes varie au cours de larotation de la terre car des sources cosmiques mettentfortement cette longueur donde. Ainsi, le Cygne augmentele bruit reu par le faisceau ouest vers 20 h.

Radar mtorologique

Hydrologie avec un radar

Radar Doppler

FIN

Yves Pointin, 21 juin 2004 Introduction au radar - p. 28/28

FIN

Radar mtorologiqueGnralitsGnralitsGnralitsSchma d'ensembleRadar impulsionsParamtres mesursParamtres mesursParamtres mesursParamtres mesursCarte de rflectivitPrvision immdiateObstacles la propagationPropagation anormaleBande brillanteHydrologie avec un radarMesure de la pluiePluviomtrePluviomtrePluviomtreDisdromtreSpectres de gouttesRelation Z-RrRsultats du radarRadar DopplerEffet DopplerSpectres DopplerAjustement des spectresDiffrents faisceauxVent horizontalVitesse verticaleDtection de la tropopauseVariation du bruit cosmique