c : réflectivité radar : les bancs nuageux sont caractérisés par leur forte réflectivité (codes jaunes et rouge) et l'air clair par de plus faibles réflectivités (codes vert et bleu).
2.3 LE PROJET DE RADAR METEO ROLOGIQUE DOPPLER AEROPORTE
"ASTERIX"
ASTERIX, grand projet INSU
Le projet ASTERIX est issu d'un effort de prospective engagé par l'INSU, pour définir une plate-forme aéroportée dévolue à la recherche atmosphérique. ASTERIX est donc étroitement associé au programme ARAT ou "Avion de Recherche Atmosphérique et Télédétection". L'instrumen- tation de recherche atmosphérique déjà programmée sur l'ARAT comporte des mesures in situ (dynamique, microphysique, physicochimie) et des mesures par lidar. ASTERIX, projet de radar météorologique Doppler aéroporté,
a été proposé à la communauté scientifique dès 1984, et est apparu d'emblée comme un très gros projet nécessitant une étude de faisabilité approfondie avant toute décision d'engagement. Une telle étude a été menée par le CRPE de
1985 à 1988 sur des crédits INSU et avec l'aide de la division technique de l'INSU. A partir de l'année 1988, le CNES a également accepté de participer financièrement à cette étude, vu ses retombées potentielles sur une définition technique plus performante du projet BEST d'étude des précipitations tropicales à partir de l'espace.
Objectif scientifique du projet ASTERIX'
Les radars météorologiques Doppler se sont révélés au cours de la dernière décennie, être un moyen expérimental extrêmement puissant pour étudier la convection profonde dans l'atmosphère terrestre. Jusqu'à présent cette technique a été essentiellement utilisée à partir du sol. On sait en effet que la combinaison des mesures de deux (ou plusieurs) radars Doppler effectuant des explorations synchrones d'un même système précipitant permettent une reconstitution de l'écoulement tridimensionnel de l'air à l'intérieur du système étudié. Il existe cependant deux limitations inhérentes à une expérience conduite à partir de radars au sol. La première est liée au fait que l'aire d'expérimentation est restreinte : 50 x 50 km2 tout au plus. Il s'ensuit que l'on a rarement la possibilité d'observer un orage dans les différentes phases de son évolution (croissance, maturité, décroissance). La seconde tient à la distance radar/orage à laquelle on est contraint d'opérer (typiquement 20 à 60 km), qui n'autorise, compte tenu de l'ouverture du faisceau de l'antenne (1° généralement), qu'une résolution maximale de l'odre de 500 mal 000 m. Or il a été prouvé, notamment par des mesures in situ en avion instrumenté, que des mouvements verticaux très violents pouvaient exister à l'échelle de quelques dizaines à quelques centaines de mètres.
L'utilisation d'un radar Doppler embarqué sur avion est susceptible de lever les limitations évoquées ci-dessus à propos d'une expérience conduite au sol. N'étant limité que par l'autonomie de l'avion, ce système permettrait d'assurer le suivi d'un événement tout au long de la vie de celui-ci (étendant considérablement, le cas échéant, les observations réalisées à partir du sol). D'autre part, en s'approchant à loisir de la zone à étudier, on pourra améliorer considérablement la résolution spatiale des mesures.
Le radar Doppler aéroporté devrait ouvrir la voie aux cours de la prochaine décennie à deux types d'études nouvelles :
-
susceptible de fournir une observation d'ensemble de systèmes convectifs à mésoéchelle tels que bandes de pluie frontales, lignes de grains tropicales ou de moyenne latitude, etc., il procurera la référence expérimentale à toute approche par modélisation de l'interaction système convectif/ environnement, un problème central en météorologie ;
-
par ses mesures à haute résolution il ouvrira la possibilité d'étudier des phénomènes de très petite échelle, tels que le "microburst" ou les tornades, pour citer les plus dévastateurs.
Originalité du projet ASTERIX
Aux Etats-Unis, le radar météorologique Doppler embarqué suscite un très grand intérêt et constitue le projet le plus ambitieux des prochaines années en radar météorologie. Un premier système, aux performances encore limitées a été développé par la NOAA. Il remporte néanmoins un succès croissant auprès de la communauté scientifique américaine. L'originalité du projet français [2407] réside tout d'abord dans l'utilisation d'un aérien bi-faisceau (figure 2.7) qui permet d'acquérir, d'un seul coup d'aile, en tout point de l'espace balayé par les antennes, les deux composantes de vitesses nécessaires à la restitution du champ tridimensionnel. Pour obtenir les mêmes informations, l'avion de la NOAA est contraint d'effectuer deux segments de trajectoire à 90°, procurant des mesures fortement décalées dans le temps. Egalement dans le projet français, le codage des impulsions en fréquence autorise une acquisition de données beaucoup plus rapide, et par conséquent une vitesse de rotation d'antenne accrue, ce qui se traduit par une amélioration de la résolution spatiale le long de la trace de l'avion.
Figure 2.7. Principe de fonctionnement du stéréoradar ASTERIX.
Figure 2.8. Résultats de simulation dufonctionnement d'un stéréoradar. De gauche à droite :facteur de réflectivité Z (en dBZ) et atténuation spécifique K (en dB/km) originaux ; facteurs de réflectivité apparents Z\ et Z2 mesurés par les deux antennes ; facteur de réflectivité et atténuation spécifique K restitués après traitement [2020].
Grâce à son système d'antennes, ASTERIX (Analyse STEréoscopique par un Radar à Impulsions en bande X) permettra d'observer une même scène de réflectivité radar sous deux angles différents. La longueur d'onde choisie étant atténuée par la pluie, on peut tirer partie de la comparaison des deux champs de réflectivité "apparents" observés pour restituer le champ d'atténuation et le champ de réflectivité vrai. Une approche numérique du problème, fondée sur l'analyse variationnelle, a été proposée et testée par simulation (figure 2.8). Des résultats très prometteurs ont été obtenus et publiés [2020]. Le champ d'application des mesures d'atténuation est vaste : amélioration de l'estimation de taux précipitant dans la pluie par la connaissance simultanée de l'atténuation et de la réflectivité ; distinction du type d'hydrométéores (en particulier détection de la grêle, supposée fortement atténuante) ; caractérisation du milieu de propagation pour des liaisons télécoms. La technique stéréoradar apparaît également comme un bon candidat pour résoudre le problème de la mesure de la pluie depuis l'espace (voir projet BEST).
Etudes de faisabilité -
Comparaison de divers schémas d'impulsions d'émission radar, et performances des estimateurs de vitesse - et réflectivité correspondants. Cette étude a été menée à bien en interne par le département ITS. Elle a débouché sur deux publications [2407,2235], et a permis de formuler des choix sur les spécifications finales d'ASTERIX.
- Etudes de l'aérien bi-faisceau. Une première étude sous traitée au CERT a permis de dégager la solution technique des antennes de type "guide à fente" parmi différents schémas envisagés (balayage électronique, antennes offset, etc.). Une deuxième étude sous traitée à LCTAR a permis d'affiner la solution choisie, et d'apprécier théoriquement l'effet perturbateur du radôme.
-
Etudes d'ensemble du système. Deux firmes ont été mises en concurrence : ESD et LCTAR. Elles ont examiné dans le détail la réalisation des divers sous ensembles:
aérien, émetteur récepteur, châssis numérique de traitement temps réel, visualisation et enregistrement, calculateur de gestion. Leurs conclusions (faisabilité, coût estimatif) sont aujourd'hui connues.
- Etude Avionique d'implantation de l'aérien sur l'ARAT. Cette étude de faisabilité, très complète, a été confiée à la société Fokker, constructeur de l'avion. La réponse de Fokker est positive, réponse fondée, entre autres, sur la réalisation d'une maquette du "rotodome" (système tournant aérien + radome) et de son support sur le fuselage de l'appareil, et sur des essais en soufflerie de cette maquette (voir photo de la
figure 2.9).
Coopération avec le NCAR et la NOAA
Le NCAR s'est engagé dans le développement d'un radar Doppler aéroporté bi-faisceau (ELDORA), similaire à ASTERIX. Des échanges fréquents entre le CRPE et le NCAR ont eu lieu à propos d'ASTERIX et d'ELDORA. Ils ont abouti à un accord formel de coopération signé en décembre dernier (accord entre le CRPE et le NCAR sous les auspices de l'INSU et de la NSF). Un accord tripartite NOAA-NCAR-CRPE est en vue pour installer un premier prototype de l'aérien bi-faisceau d'ASTERIX dans la queue de l'Avion P3 de la NOAA en remplacement de l'aérien monofaisceau actuel. Une telle expérience devrait voler fin 1990 et sera d'un intérêt inestimable pour tester en vraie grandeur les méthodologies d'analyse de données envisagées dans ASTERIX.
2.4 RADAR SPATIAL POUR LA MESURE