Mesures polarimétriques

Le caractère vectoriel des ondes électromagnétiques, ou polarisation, permet d’étudier en détail le contenu microphysique des nuages et des précipitations. En effet, σ est fonction de la géométrie des hydrométéores (forme, taille et orientation spatiale) par rapport à la direction du champ électrique E de l’onde électromagnétique (Bringi and Chandrasekar 2001). Cette thèse porte en partie sur des données obtenues avec le radar polarimétrique américain SPOL qui fonctionne, en alternance, selon deux modes de polarisation linéaire. A partir des réflectivités mesurées pour chaque mode, quatre grandeurs polarimétriques ont été construites pour étudier précisément l’évolution microphysique d’un système précipitant en région alpines (Pujol et al. 2005). L’annexe B de cet article leur est consacrée ; ici elles sont brièvement présentées dans les paragraphes suivants. La déduction du contenu particulaire d’une cible à partir de ces grandeurs sera vue ultérieurement (cf. chapitre 3).

a) Réflectivité différentielle ZDR et taux de dépolarisation linéaire LDR

On appelle réflectivité différentielleZDR le rapport, exprimé en dB : = v h Z Z ZDR 10log ,

avec Zh et Zv les réflectivités associées à une polarisation horizontale et verticale respectivement (Fig. 6). Pour des particules sphériques (gouttelettes, grêle) ou qui ne montrent pas pendant leur chute de direction préférentielle (cristal de glace, neige), ZDR≈ 0. Au contraire, la forme oblate des gouttes de pluie cause une diffusion anisotrope de l’onde incidente : ZDR est positive et d’autant plus grande que les gouttes sont grosses, donc aplaties. C’est ainsi une grandeur qui informe sur la taille et la forme moyenne des hydrométéores et qui peut s’utiliser pour distinguer l’état solide de l’état liquide.

Fig. 6- Réflectivité différentielle ZDR (d’après Houze 1993) On appelle taux de dépolarisation linéaire le rapport (en dB) :

= hh hv LDR Z Z log 10 ,

où relativement à Z, le premier indice fait référence à la polarisation de l’onde émise et le second à celle de l’onde reçue. Cette grandeur quantifie la dépolarisation de l’onde incidente qui se produit lorsque les hydrométéores sont dissymétriques et/ou que leurs axes horizontal et vertical ne sont pas principaux. LDR renseigne notamment sur la forme et l’orientation spatiale des diffuseurs.

Remarque : Ces grandeurs sont sensibles à l’état sec ou humide d’une particule. Pour une même

géométrie, un diffuseur glacé recouvert d’un film d’eau liquide est caractérisé par des valeurs de ZDR

et LDR plus grandes que s’il était sec : en effet, il est perçu par un radar comme une goutte d’eau.

b) Phase différentielle spécifique KDP

Elle caractérise le milieu entre le radar et la cible. KDP est le taux de variation, le long du chemin optique radar-diffuseur, du déphasage φ entre les ondes polarisées horizontalement et verticalement :

( )

( )

( )

c) Facteur de corrélation ρρρρhv

Il traduit statistiquement la richesse microphysique de la cible : plus la diversité en taille, forme, orientation, nature et type d’hydrométéores est importante, plus ce facteur est petit.

BIBLIOGRAPHIE

Battan L.J., 1973: Radar observations of the atmosphere. University Chicago Press, 323 pp.

Bringi V.N. and V. Chandrasekar, 2001: Polarimetric Doppler weather radar. Principles and applications. Cambridge Unversity Press (United Kingdom), 636 p.

Chong M., J-F. Georgis, S.R. Brodzik, O. Bousquet, C. Burghart, S. Cosma, U. Germann, V. Gouget, R.A.Jr. Houze, C.N. James, S. Prieur, R. Rotunno, F. Roux, J. Vivekanandan, and Z-X. Zeng, 2000: Real-time wind synthesis from Doppler radar observations during the Mesoscale Alpine Program.

Bull. Am. Meteor. Soc., 81, 2953-2962.

Chong M. and S. Cosma, 2000: A formulation of the continuity equation of MUSCAT for either flat or complex terrain. J. Atmos. Oceanic Technol., 17, 1556-1564.

Doviak J.R. and D. Zrnic, 1993: Doppler radar and weather observations. 2nd edition, Academic Press, 562 pp.

Eccles P.J. and E.A. Mueller, 1971: X-band attenuation and liquid water content estimation by dual-wavelength radar. J. Appl. Meteor., 10, 1252-1259.

Féral L., H. Sauvageot, and S. Soula, 2003: Hail detection using S-band and C-band radar reflectivity difference. J. Atmos. Oceanic Technol., 20, 233-248.

Gaussiat N., H. Sauvageot, and A.J. Illingworth, 2003: Cloud liquid water and ice content retrieval by multi wavelength radar. J. Atmos. Oceanic Technol., 20, 1264-1275.

Georgis J-F., F. Roux, and P.H. Hildebrand, 2000: Observation of precipitating systems over complex orography with meteorological Doppler radars: a feasibility study. Meteor. Atmos. Phys., 72, 185-202.

Glickman T.S., 2000: Glossary of meteorology, AM. Meteor. Soc., Boston.

Gosset M. and H. Sauvageot, 1992: A dual wavelength radar method for ice-water characterization in mixed phase clouds. J. Atmos. Oceanic Technol., 9, 538-547.

Hogan R.J., A. Illingworth, and H. Sauvageot, 2000: Measuring crystal size in cirrus using 35 and 94 GHz radars. J. Atmos. Oceaninc Technol., 17, 27-37.

Johnson J.B, 1928: Thermal agitation of electricity in conductors. Phys. Rev., 32, 97-109.

Landau L. and E. Lifchitz, 1989: Théorie des champs, 4ème édition, Mir Moscou, 519 p.

Liebe H., 1985: An updated model for millimeter wave propagation in moist air. Radio Sci., 20, 5, 1069-1089.

Meneghini R. and T. Kozu, 1990: Spaceborne weather radar. Artech House, 199 pp.

Meneghini R., T. Iguchi, T. Kozu, L. Liao, K. Okamoto, J.A. Jones, and J. Kwiatkowski, 2000: Use of the surface reference technique for path attenuation estimates from the TRMM precipitation radar. J. Appl Meteor. 39, 2053-2070.

Mie G., 1908: Beiträge zur Optik trüber medien, speziell kolloidaler metallösungen. Ann. Phys, 25, 377-445.

Oury S., J. Testud, and V. Marécal, 1998: Estimate of precipitation from the dual beam airborne radar in TOGA-COARE. Part 1: The K-Z relationships derived from stereo and quad beam analysis. J. Appl. Meteor., 38, 156-174.

Probert-Jones J.R., 1962: The radar equation in meteorology. Quart. J. Roy. Soc. Meteor. Soc., 80, 485-495.

Pujol O., J-F. Georgis, M. Chong, and F. Roux, 2005: Dynamics and microphysics of orographic precipitation during MAP IOP3. QJRMS, 131, 2795-2819.

Pujol O., J-F. Georgis, L. Féral, and H. Sauvageot, 2006a: Degradation of radar reflectivity by cloud attenuation at microwave frequency. J. Atmos. Oceanic Technol., in press.

Pujol O., J-F. Georgis, and H. Sauvageot, 2006b: Simulation of Z-M relationships in warm clouds.

Submitted to J. Appl. Meteor.

Lord Rayleigh, 1871: On the light from the sky, its polarization and colour Phil Mag. 41, 107-120

Sauvageot H., 1992: Radar Meteorology, Artech House, 366 pp.

Skolnik M., 1990: Radar Handbook 2nd edition, Mac Graw Hill 1200 pp.

Srivastava R.C. and J. Jameson, 1978: Radar detection of hail. Amer. Meteor. Soc. Monos., 38, 269-277.

Srivastava R.C. and L. Tian, 1996: Measurement of attenuation by a dual-radar method: concept and error analyses. J. Atmos. Oceanic Technol., 13, 937-947.

Testud J. and P. Amayenc, 1989: Stereoradar meteorology: a promising technique for observation of precipitation from a mobile platform. J. Atmos. Oceanic Technol., 6, 89-108.

Van Vleck J.H., 1947a: Absorption of microwaves by oxygen. Phys Rev., 71, 413-424.

Van Vleck J.H., 1947b: The absorption of microwaves by uncondensed water vapor. Phys Rev., 71, 425-433.

3.

Dynamique et microphysique de précipitations orographiques.