Séparation et traitement par type de pluie

Les figures 2.1 et 2.2 illustrent la diversité des types de précipitations que l’on peut

observer sur une image radar. Nous distinguons principalement les situations convectives et

les situations stratiformes à bande brillante, en faisant référence aux travaux de Rosenfeld et

Ulbrich (2002) et Steiner et al. (1995). La bande brillante correspond à une augmentation

solides qui apparaissent comme des grosses gouttes liquides (voir annexe A2.4.1). Les

cellules convectives à fort développement vertical coexistent avec les formations stratiformes

géographiquement plus étendues. Ces structures de facteurs de réflectivité constituent les

signatures de processus microphysiques très variables dans le temps et l’espace au sein du

champ précipitant (annexe A2).

La bande brillante est caractéristique de la zone stratiforme. Elle occasionne de forts

gradients verticaux de réflectivité. Ce critère d’identification est cependant relatif car (i) avec

l’ouverture du faisceau, la résolution verticale des mesures radar diminue avec la distance

(Andrieu et Creutin, 1995) et (ii) la bande brillante est détectable une fois seulement les

précipitations stratiformes bien installées (Steiner et al., 1995). L’étude de la variabilité

horizontale (ou par PPI) du champ, à la recherche de pics de réflectivité, permet la détection

des zones convectives (Steiner et al., 1995). La portée de cette technique peut être

significative (environ 150 km).

Une procédure doit séparer automatiquement le type stratiforme du type convectif (figure

2.9). En l’absence d’information sur la cinématique verticale des champs précipitants (voir

annexe A2), l’approche choisie se base sur les données 3D de facteurs de réflectivité seuls.

Figure 2.9 – raffinage successif du champ pluvieux dans le traitement des données radar. (a)

identification du domaine de détection ; (b) détection d’occurrence de la pluie sur le domaine

(traitement de l’intermittence) ; (c) séparation du type de pluie au sein du champ pluvieux.

Nous nous plaçons dans la lignée des travaux de Steiner et al. (1995) pour le type

convectif, et de Sanchez-Diezma et al. (2000) pour le type stratiforme. Nous faisons une

limites et les principales adaptations effectuées pour leur implémentation au contexte de

l’expérience. Le lecteur intéressé pourra se reporter à la thèse de B. Chapon (2006).

2.5.1 les algorithmes existants

Steiner et al. (1995) ont proposé de déterminer les zones convectives à partir de critères

morphologiques caractéristiques des cellules convectives. Ces dernières présentent (i) un fort

facteur de réflectivité (> 40 dBZ en général), (ii) une extension horizontale limitée (associée à

gradients horizontaux de facteur de réflectivité significatifs) pour un développement vertical

marqué. Des trois critères initialement proposés par Steiner et al. (1995), deux critères, qui

identifient le centre de cellules convectives, sont effectivement utilisés par image radar (PPI)

dans le contexte d’étude.

• le premier critère est un seuil de facteur de réflectivité (ex : 43 dBZ) au-delà duquel

les précipitations sont considérées ne pouvoir résulter que de processus convectifs.

Notons que ce seuil ne discrimine pas complètement le pic de facteur de réflectivité

associé à la bande brillante du type stratiforme observé en bande S ;

• le second critère porte sur les gradients horizontaux de facteur de réflectivité. Un

pixel est considéré comme le centre d’une cellule convective, si son facteur de

réflectivité est supérieur d’un seuil fixé au facteur de réflectivité moyen au

voisinage.

Sanchez-Diezma et al. (2000) ont proposé une méthode pour détecter les zones

stratiformes à partir des données volumiques. Il s’agit de rechercher un pic correspondant à la

bande brillante sur la structure verticale du facteur de réflectivité. Le pic est défini par une

différence ∆Z

par rapport aux valeurs au dessus et en dessous. L’identification des zones de

bande brillante se fait en deux étapes :

• des pics de bande brillante intense sont recherchés (∆Z

> 5 dBZ) à toute altitude.

Une altitude moyenne de bande brillante est définie ;

• la recherche s’étend géographiquement en inspectant les altitudes voisines

(intervalle d’altitude ± 0.6 km autour du pic), avec une différence moins marquée

(∆Z

> 2 dBZ).

2.5.2 implémentation des deux algorithmes

En raison des caractéristiques d’échantillonnage du radar, l’implémentation des deux

algorithmes dans TRADhy a conduit à certains compromis.

Figure 2.10 - typologie des précipitation le 9 septembre à 02h00 T.U. ; (a) champ de facteur

de réflectivité moyen observé au site 0.8°, après traitement des échos fixes. Le trait noir

indique la position de la coupe verticale dans le champ ; (b) résultats de la partition du type

de pluie avec les algorithmes de Steiner et Sanchez-Diezma : les zones convectives sont en

rouge, les zones stratiformes en jaune et les régions de type indéterminé (ou « de transition »

entre deux types) en bleu clair. Notons que les cartes de types de pluie sont élaborées à

partir de données volumiques. (c) coupe verticale du champ après traitement des échos

fixes ; (d) les bandes de couleurs indiquent les résultats de la partition le long de la coupe

verticale.

pouvoir bénéficier de l’échantillonnage complet de l’atmosphère à 10 min. Mais la non

stationnarité des cellules pluvieuses oblige à utiliser les algorithmes sur des volumes de

données à 5 min., malgré la perte de résolution verticale.

L’utilisation des deux algorithmes a en outre motivé certains constats :

• l’algorithme convectif peut identifier comme convectifs des pixels correspondant

en fait à la bande brillante de régions stratiformes. Il est nécessaire de palier à ce

genre de fausse détection ;

• l’efficacité de l’algorithme stratiforme dépend du protocole de balayage et de

l’altitude de la bande brillante. Elle diminue avec la distance (i) car le volume de

résolution s’élève en altitude et augmente en taille, et (ii) en raison de la baisse

d’échantillonnage à la verticale d’un point. La bande brillante est constatée difficile

à détecter au-delà de 80 km du radar. Un avantage est trouvé à fusionner les

régions stratiformes déterminées à deux pas de temps successifs (combinaison des

deux cycles du protocole de balayage).

De manière générale, les deux algorithmes sont limités en distance au radar (environ 80

km). Une procédure complémentaire est donc utilisée pour identifier les types de pluie à

longue distance du radar. Elle est basée sur la reconnaissance de forme des structures

verticales de réflectivité (voir paragraphe 2.7).

Ces différents constats incitent à élaborer un arbre de décision afin de séparer correctement

les types de pluies, en utilisant conjointement les deux algorithmes à proximité du radar. Cette

première partition est couplée avec le calcul du Profil Vertical de Réflectivité conditionné par

le type de pluie. En retour, les PVRs identifiés sont utilisés pour opérer une séparation à plus

grande distance. Cette méthode est basée sur l’hypothèse de stationnarité spatiale de la

structure verticale des précipitations sur le domaine de détection du radar.

L’identification du PVR conditionné par le type de pluie est abordée dans le paragraphe

suivant.