La pluie

MESURES DE PRECIPITATIONS INTENSES

ET MISE EN ALERTE

Jacques Parent du Châtelet, Pierre Tabary, Olivier Bousquet DSO (Direction des Systèmes d’Observation)

([email protected]) Marne La Vallée - 11 juin 2009

2

LES CAPTEURS POUR LA MESURE DES PRECIPITATIONS

La pluie

La grêle

la neige

Grélimètre Anelfa

De plus en plus d’estimations des précipitations par des méthodes “opportunes” :

- Atténuation des faisceaux hertziens - Atténuation d’un signal satellite-sol - Caméra vidéo

- saisie du temps sensibles par des bénévoles

“veilleurs du temps”

- …………

Le site : http://veilleurs-du-temps.fr

4

Les radars précipitations : à quoi ça sert

Dans un contexte d’augmentation de la fréquence des événements extrêmes lié au changement climatique



Prévention des risques :

– Aéronautique : ( orages, vent, cisaillements) – Feux de forêts

– Professions touchées par la pluie et le vent (transport, agriculture, événements, tourisme, …)



Amélioration de la prévision météorologique :

– données pour les modèles numériques de prévision

Un radar précipitation, c’est un équipement dans une

infrastructure …

6

MONTCLAR

CHERVES

MOMUY

MONTANCY

AVESNES MOMUY

BLAISY

AVESNES

Exemples d’infrastructures radar

récentes (projet Panthere)

7

Un radar précipitation, c’est quoi ?

Une antenne tournante Un émetteur

Un récepteur

Un système de calcul

r

λ

σb

Chaque « tir radar » renseigne sur un cône de 1° d’ouverture, 250 km de distance (300 tirs par seconde)

couvre les 360° en 1 minute.

Cela constitue une image de

“réflectivité” 512x512 km

8

Schéma de constitution des produits pour un réseau

Images individuelles « tour d’antenne » à différentes élévations

Image composite 5’

pixel à pixel

tour1 tour2 tour3 ….

Au niveau du radar

Rediffusion vers les

utilisateurs par satellite ou réseau

Fabrication des composites Liaisons réseau

avec les 24 radars

Produits (5’)

Au niveau central (Toulouse)

Données exogènes : -Satellite

- pluviomètres

9

Les produits opérationnels

radar

Image de réflectivité 512x512 km

autour du radar de Trappes(1x1 km, 5’)

Taux de pluie 512x512 km autour du radar de Nîmes (1x1 km, 15’) 8-9 sep 2002

Image de réflectivité composite Z (1x1 km, 5’)

Taux de pluie composite (1x1 km, 5’)

10

Les avancées récentes suite aux Projets Panthere et Flysafe (2002-2009)

évolutions opérationnelles

(avec la Direction de l’Eau du Ministère de l’Ecologie) : - densification du réseau : 6 nouveaux radars - remplacement de 4 anciens radars

5 années de R§D : productions nouvelles

- amélioration des produits existants (lame d’eau Panthere)

- développement et mise en opérationnel de la mesure Doppler du vent

(avec une première sur la restitution du vent 3D)

- travail de recherche sur la diversité de polarisation :

( avec une première sur l’utilisation opérationnelle de la bi-polarisation)

- thèse en cours sur les mesures d’humidité par réfractivité

(une première pour les radars à émetteur à magnétron)

Pierre Tabary Wiviana Szalinska Jonathan Gourley Gianfranco Vulpiani Marie Laure Segond Olivier Bousquet Chiraz Boudjabi + comité scientifique

11

Les réseaux opérationnels de radars et de pluviomètres

Le réseau RADOME : 550 stations automatiques horaires (T°, U, Vent, Pluie)

Le réseau ARAMIS : 24 radars en métropole, 5 radars outre-mer

+ 8 radars étrangers limitrophes (32 au

Réseau météorologique radar ARAMIS Fin 2009

D

Dpol

D

D D

D

D D

D D

Dpol pol D

pol D Dpol Dpol pol

D

D D Dpol

Dpol D

D D

Dpol

 calibration, relation Z / R 12

Ø 4 Ø 3.68 Ø 2.9

Ø 2.65 Ø 1.75 Ø 1.35

Effet de la taille des gouttes Effet de l’altitude et

de la forme du nuage

 altitude de la mesure

 artefacts, masques par le relief

Effet de la température : eau liquide ou fondue

 neige fondue (bande brillante)

la mesure des précipitations par radar : les

problèmes

la mesure des précipitations par radar : les

« solutions Panthere »

Clutter de sol : détection et élimination (on regarde plus haut)

Masques : évaluation par modèle numérique de terrain et correction

Profil vertical de Z, Bande Brillante : utilisation d’un modèle à 4 paramètres, estimation des paramètres sur les données

Problèmes de calibration : ajustement horaire par les pluviomètres

…et polarimétrie …

14

La « lame d’eau Panthere » : Mosaïque de lames d’eau avec facteurs qualité

Cumul 24 heures 23-11-2007

Sur le terminal du prévisioniste

Facteurs

qualité en gris

Pictogrammes pour signaler les écarts radar/pluvio

Tests opérationnels de la mesure de pluie par radar

(rapport radar/pluvio au pas de temps quotidien à partir des 3000

postes du RCE)

16

DOPPLER : la mesure et ses ambiguïtés

dt d f

V

c !

"

= 4

Vr peut varier de –60 à +60 m/s (+- 216 km/h) On peut avoir jusqu’à 21 rangs d’ambiguïté !!

dϕ = différence de phase entre 2 impulsions dt = temps entre 2 tirs radar = 3 ms

Ambiguïté si d

ϕ

π

i.e. si Vr dépasse 10 m/s

Tabary et al, 2005 «Test of a staggered scheme for the French radar network», JAOT, 22, N°4.

On utilise la méthode du « triple PRT »

pour lever les ambiguïtés de mesure

Radar Avesnes Hautmont

Tornade d’Hautmont 3 août 2008

20.30 – 20.45 TU

10 km Flux moyen du

SW

Détection directe de cisaillement sur les images de vitesse radiale : cas de la tornade d’Hautmont (3 août 2008, Avesnes)

DOPPLER : signature d’une

tornade

18

Champs 3D de vent et de réflectivité :

zones de recouvrement des radars Dopplerà 2500 m d’altitude

Septembre 2006 2009

Gris : zone vue par un radar Jaune : zone vue par deux radars Orange : zone vue par plus que deux radars

Bousquet et al. (2007)

19

Exemple de champs 3D de vent et de réflectivité (Cas du 23 juin 2005 – Trappes + Arcis + Abbeville)

Coupe horizontale à 2500 m Coupe verticale

La restitution du vent est possible si le

DOPPLER : restitution 3D du

vent dans la pluie

20

24 janvier 2009 : réflectivité et vent à 2500m, animation de 04UTC à 17UTC

Polarisation

horizontale de l ’onde émise H

Goutte

d ’eau cible

Onde radar

Polarisation verticale V

les grosses gouttes sont aplaties

⇒ dissymétrie de comportement sur les voies H et V

Cette dissymétrie concerne à la fois la rétrodiffusion du signal et sa propagation

La technique de double polarisation

Ø 4 Ø 3.68 Ø 2.9

Les diamètres sont en mm.

Ø 2.65 Ø 1.75 Ø 1.35

Avantages attendus

Amélioration de :

- la réjection des artefacts

- l’atténuation du signal par la pluie

- l’estimation du taux de pluie sans le secours des pluvios

Classification des précipitations :

bruine, pluie, grêle, neige sèche, neige mouillée

22

Image de réflectivité 500x500 km

Image de type d’échos Jaune =

précipitation

Vert = air clair

Bleu = échos de sol

Exemple d’identification des échos non

météorologiques (artefacts) : K. Do Khac et J. C. Heinrich

Identification de la grêle par un radar polarimétrique

Premier test avec le radar de Toulouse et les

“grélimètres” de l’association ANELFA

24

Expérience de validation des diagnostics sur les radars de Toulouse, momuy, Montclar au printemps – été 2009 … Voir présentation sur la grêle

Identification de la grêle par radar polarimétrique (Gianfranco Vulpiani)

Cristaux Neige mouillée

Neige sèche Petite grêle

Grêle Pluie / grêle

Pluie forte Pluie modérée

Pluie faible Grosses

gouttes

Validation des diagnostics polarimétriques de grêle issus du radar de Toulouse par les grêlimètres de l’ANELFA (stage IT de Yannick Garcia, janvier – juin 2009)

Radar de Toulouse

« Impacts de grêle » 15 mai 2008 Angle de site : 1.5°

Croix rouge = grêlimètre impacté

Croix blanche = grêlimètre non impacté

26

Validation des algorithmes de mesure de la pluie par un radar polarimétrique

Tests avec :

- Le radar bande C (5cm) polarimétrique de Trappes et les réseaux de pluviomètres de la région parisienne

- Le radar polarimétrique bande X (3cm) de

Collobrières et le radar opérbande S (10 cm) de

Collobrières [projet FRAMEA]

12 épisodes majeurs de 2005 sur Trappes :

Comparaisons radar – pluvio au pas de temps horaire pour la lame d’eau opérationnelle et deux lames d’eau

polarimétriques expérimentales (« ZZDR » et « ZPHI® »)

Lame d’eau polarimétrique 2

« ZPHI® » (sans pluviomètres !) Lame d’eau

polarimétrique 1

« ZZDR » (sans pluviomètres !) Lame d’eau

opérationnelle (incluant la calibration horaire par les

pluviomètres !)

Évaluation des lames d 28

Évaluation des lames d’’eau radareau radar 28282828

Comparaison bande X (polarimétrique), bande S (classique) et les pluviomètres du

bassins du Real Collobrier

0-10 km 0-30 km 0-60 km

Nash GX 0.78 0,80 0,79

Nash GS 0.76 0,76 0,76

Nash SX 0.77 0,78 0,76

Pente GX 0.97 0.96 0.94

Pente GS 1.01 1.00 0.91

Nombre de points 1276 1870 3256

Critères statistique pour la comparaison au pas de temps horaire, sur l’ensemble des événements à différentes gammes de distance des radars

Radar bande X : X Radar bande S : S Pluviomètres : G

L’action FRAMEA trouve son prolongement dans le projet RHYTMME de déploiement de radars bande X, et d’une “plate-forme risque”

en région PACA

RHYTMME

Risques HYdro-météorologiques en

Territoires de Montagnes et MEditerranéens

dans le cadre du

Contrat de Projets Etat Région PACA 2007- 2013

Porteurs du projet :

financé par

Coût du projet : de l’ordre de 10,46 M€ sur 2008/2013

5,8 M€ d’investissement pour l’équipement, l’installation et le fonctionnement d’un réseau complémentaire de radars (y

compris 2,2M€ d’études et développements)

4,6 M€ pour le développement de services en direction des collectivités locales

30

Exemple de PPRI

Source : DIREN PACA

http://www.paca.ecologie.gouv.fr

Les 963 communes de PACA sont

soumises à au

moins 1 de ces aléas

et une centaine, en

montagne, aux 4.

Rapport radar / Pluvio calculé en utilisant une année de mosaïque de lames d’eau (printemps 2007 – printemps 2008) et les pluvios quotidiens > 0.6 mm (étude réalisée dans le cadre du projet RHYTMME)

R / P = 1 R / P = 2

R / P = 0 R / P = 0.5

Exemple de service : risque hydrologique (AIGA)

Une carte tous les ¼ heures Risque pluvial

Risque hydrologique

Calendrier RHYTMME

 Phase 1: fin 2008-fin 2010

– Analyse des besoins et des priorités

– Etudes de définition du réseau de radars et de services – Démonstrateur de la plate-forme de services

– Définition des expérimentations à mener sur un ou des sites pilotes avec 2 radars – Mise en service d’un premier radar en complément du radar FRAMEA

 Phases 2 et 3 (fin 2010-mi 2012 et mi 2012-2013)

– Réalisation d’expérimentations et évaluation – Mise en service de deux radars supplémentaires – Développement de nouveaux services

– Scénarios de pérennisation

34

La prévision de la pluie

[Prévision classique : PI (advection des images radars)]

Prévision de la convection par le modèle numérique - si assimilation de données pertinentes

- Nouvelle données indispensables : humidité, vent radar,

Op. d’obs ARPEGE

Hu_2m, T_2m V_10m

SEVIRI HR

ALADIN

GPSRO

GPS sol IASI

SEVIRI CSR

La prévision de la pluie : assimilation des mesures dans les modèles

AROME Gros effort à Météo-France pour

assimiler

les images radar : en

réflectivité

et vitesse radiale .

On en attend

une forte amélioration

de la prévision des

précipitations

à moyen terme

36

Forts orages Nord-Ouest, nuit du 24-25 Forts orages Nord-Ouest, nuit du 24-25

Mai Mai

Radar

Validité 03 UTC le 25 Mai Réflectivités

AROME run 00 la veille

Cumul RR_3h

ALADIN run 00 la veille

Réfractivité : principe de la mesure par radar (F. Fabry)

( ) ^{= 2 = 4 ( N 10}

^{+ 1 )}

c ft fr

t

"

"

#

Radar Cible fixe

38

Comparison of N radar and N In_Situ measurements (for 12 period days )

N

Réfactivité : premiers résultats avec un radar à magnétron

(Chiraz Boudjabi)

Perspectives opérationnelles et recherche

2009 : premiers produits opérationnels en double polarisation (élimination artefacts, grêle)

2010 : mise en opérationnel du vent 3D sur toute la France, 2ème version des produits opérationnels polarimétriques

2009-2013 : mise en oeuvre de radars polarimétriques bande X en région PACA Observations haute résolution pour :

- l’hydrologie urbaine

- l’aéronautique

40