4.3
Implémentation de l’opérateur d’observation dans le
code Arome/Aladin
Les travaux décrits dans l’article de la section précédente ont permis de spécifier un opé− rateur d’observation pour l’assimilation des réflectivités radar. En résumé, ils ont suggéré la configuration suivante :
– la diffusion de Rayleigh est largement satisfaisante en bande S et devrait suffire en bande C ;
– il est nécessaire de prendre en compte l’élargissement du faisceau sur la verticale.
En outre, le système d’assimilation Arome/Aladin possède quelques spécificités qui conduisent aux contraintes suivantes :
– il est difficile de prendre en compte l’atténuation parce que le code Arome/Aladin traite des paquets de profils verticaux par processeur et que cela augmenterait le temps passé en communications entre processeurs en plus de la complexité de leur implémentation dans le code. Cependant l’atténuation en bande C est importante. Par conséquent, il a été jugé préférable de traiter cette question en amont : les pixels situés derrière des zones de fortes réflectivités sont éliminés préalablement au processus d’assimilation. La technologie po− larimétrique, qui équipera un certain nombre de radars du réseau Aramis, permettra de corriger l’atténuation de manière satisfaisante et éviter l’élimination des pixels de réflec− tivités atténuées ;
– pour la même raison, il faut utiliser le modèle du rayon effectif terrestre et détecter les propagations anormales en amont du processus d’assimilation. Les échos de propagation anormale des observations sont donc éliminés par un filtre adéquat et fiable (au sens où il est préférable de rejeter plus d’informations « bonnes » que d’en accepter de « mau− vaises »). En pratique, le traitement réalisé par le Centre de météorologie radar de Météo− France (CMR) compare pour chaque volume de réflectivités le nombre d’échos fixes dé− tectés au nombre moyen d’échos fixes en ciel clair. Si le nombre d’échos fixes détectés est très différent du nombre moyen, les données sont considérées comme affectées par le phénomène de propagation anormale et ne sont pas assimilées ;
– pour des raisons similaires, il est difficile de traiter le problème des masques partiels. Dans un premier temps, on a choisi de les traiter comme pour le simulateur, c’est−à−dire d’utiliser également les élévations qui ne devraient pas retourner de signal. Une méthode statique est en cours de développement afin d’attribuer à chaque colonne du modèle une hauteur minimum détectable par le radar de façon à traiter de manière plus satisfaisante ce problème de masques partiels (Haase et al., 2007) ;
– le fait que le code Arome/Aladin traite des paquets de profils verticaux ne permet pas de définir facilement un chemin tri−dimensionnel, mais oblige au contraire à effectuer les calculs par profil vertical. Il est donc nécessaire d’ajuster la méthode développée dans Méso−NH pour simuler l’élargissement sur la verticale.
Concernant ce dernier point, nous avons proposé une expression du type de celle donnée par l’Éq. (3.6), illustrée par la Figure 4.1, avec une fonction de directivité donnée par l’Éq. (3.4). Pour cela on approche l’intégrale suivante :
¯ze(ϑ0) = hmax hmin ze(h)exp −8ln2 ϑ(h) −ϑ0 Δϑ 2 d h hmax hmin exp −8ln2 ϑ(h) −ϑ0 Δϑ 2 d h , (4.1)
Distance au radar (km)
Altitude
(km)
×
FIG. 4.1 – Élargissement du faisceau sur la verticale par profil vertical du modèle. Pour une porte à une élévation donnée matérialisée par la croix blanche, on utilise les valeurs de réflectivités aux niveaux de la colonne du modèle correspondante, pondérées par une gaussienne représentée par la courbe sur la gauche de la colonne. Variables modèle : géopotentiel, température Rapports de mélange en hydrométéores Caractéristiques de l’observation :
élévation, distance au radar, hauteur de l’antenne, etc.
REFLSIM
Calcul de zesur chaque niveau i de la colonne observée
pour chaque type d’hydrométéore (partie 0D) Pondération verticale sur chaque colonne
¯ze pour chaque observation (=élévation)
de la colonne
FIG. 4.2 – Structure de REFLSIM.
où h représente l’altitude, hmincorrespond à l’élévationϑ0− Δϑ/2, et hmax correspond à l’élé−
vation ϑ0+ Δϑ/2. Dans le code Arome/Aladin, l’intégrale de l’Éq. (4.1) est approchée par la
méthode des trapèzes en évaluant ze et ϑ aux niveaux du modèles compris entre hmin et hmax,
tandis que pour l’Éq. (3.6), il s’agit de sommes de Riemann, un peu moins précises. On peut donc scinder le calcul des réflectivités synthétiques en deux : une partie 0D qui calcule ze, et
une partie purement géométrique qui pondère les ze sur la verticale. Ceci est implanté dans le
code Arome/Aladin au niveau de la routine REFLSIM appelée par la moniteur HOP des opérateurs d’observation et constitue une des briques du développement de l’assimilation des données ra− dar dans Arome et Aladin. La structure schématique de la routine REFLSIM est synthétisée sur la Figure 4.2.
Chapitre 5
Simulation des vitesses Doppler
Dans ce chapitre nous décrivons d’abord un simulateur de vitesses Doppler construit sur la base du simulateur de réflectivités développé dans les post−traitements de Méso−NH auquel on a ajouté un module simulant les vitesses radiales. Ensuite, nous montrons comment ce simulateur a permis d’établir une hiérarchie dans les processus physiques à modéliser pour simuler des vitesses radiales.
5.1
Simulateur de vitesses Doppler
La simulation des vitesses Doppler possède de nombreux points communs avec la simula− tion des réflectivités radar, comme par exemple la géométrie du faisceau radar, cependant elle requiert en outre la modélisation de la vitesse de chute des hydrométéores.
Cadre commun avec le simulateur de réflectivités. L’équation de base qui permet la si− mulation des vitesses radiales est l’équation 1.18. Pour la fonction de directivité de l’antenne, l’intégrale de l’Éq.(3.8), qui intervient dans l’Éq.(1.18), est évaluée comme pour les réflectivités (Sec. 3.1) mais avecξ = vrηl2. Concernant la fonction de poids radiale, de manière analogue
à l’Éq. (3.20), on peut sortir tout ce qui ne dépend que de la distance au radar de l’intégrale volumique dans l’Éq. (1.18) et écrire respectivement pour cτ r :
vr(r0) = 2π 0 π 0 [vrη](r)l(r) 2f4(ϑ,φ)sinϑdϑdφ 2π 0 π 0 η(r)l(r) 2 f4(ϑ,φ)sinϑdϑdφ . (5.1)
Pour l’évaluation de η, les différents types de diffusion disponibles pour le simulateur de ré− flectivités sont également disponibles pour le simulateur de vitesses radiales. La trajectoire du faisceau radar peut être calculée des deux façons disponibles pour le simulateur de réflectivités. Les intégrales sur les diamètres des particules sont évaluées de manière analogue à l’Éq. (3.86).
Vitesse de chute des hydrométéores. Dès que l’angle d’élévation n’est pas nul, la vitesse de chute intervient théoriquement dans la mesure des vitesses Doppler. Cependant, du fait que les angles considérés sont souvent petits, un certain nombre de simulateurs ou d’opérateurs d’observation négligent cette composante (Crook et Sun, 2002, Snyder et Zhang, 2003, Zhang
et al., 2004, Tong et Xue, 2005, Swarbrick, 2006). D’autres corrigent les observations afin de