Le principe de fonctionnement des radars météorologiques

Le mot radar est dérivé d’un acronyme anglais pour “RAdio Detection And Ranging”, ce qui signifie détection et localisation par ondes radio. Le principe de base du radar utilise la transmission d’ondes électromagnétiques qui sont réfléchies par la cible, le signal retourné  étant reçu et analysé afin d’obtenir les caractéristiques de la cible. Le radar est utilisé au moins pour détecter la présence ainsi que la  position de la cible, mais l’analyse des mesures peut aussi inclure des aspects plus sophistiqués comme sa vitesse et sa distribution spatiale.

Principes du radar

Le mot radar est dérivé d’un acronyme anglais pour “RAdio Detection And Ranging”, ce qui signifie détection et localisation par ondes radio. Le principe de base du radar utilise la transmission d’ondes électromagnétiques qui sont réfléchies par la cible, le signal retourné  étant reçu et analysé afin d’obtenir les caractéristiques de la cible. Le radar est utilisé au moins pour détecter la présence ainsi que la  position de la cible, mais l’analyse des mesures peut aussi inclure des aspects plus sophistiqués comme sa vitesse et sa distribution spatiale. Bien que souvent comparé aux mesures satellitaires visibles et infra-rouge, le radar opère d’une manière totalement différente. Le satellite est un instrument de détection à distance passif car il n’a qu’un récepteur et pas de transmetteur, alors que le système radar possède les deux, étant ainsi un instrument actif. On retrouve le radar sous différentes formes et il peut être installé sur diverses plates-formes (sol, navire, avion, voiture de police et même sur un  satellite) mais ce texte se limitera au radar météorologique basé au sol.

Le radar météorologique permet de mesurer les propriétés de la  précipitation à partir du sol. Les radars les plus courants utilisent une antenne à balayage transmettant des impulsions de micro-ondes de faible puissance et de longueur d’onde comprise entre 3 et 10 cm. À ces  longueurs d’onde, la radiation interagit avec les particules de précipitation (aussi appelées “hydrométéores”) et cette interaction  donne lieu à une diffusion arrière (ou rétrodiffusion) et à une  atténuation des ondes radar. La puissance rétrodiffusée est reçue au  radar, permettant ainsi la détection. Sachant que les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière, le temps pris par celles-ci pour atteindre la cible et revenir au récepteur du radar détermine la distance de la cible. La quantité de puissance  retournée est reliée à l’intensité de précipitation observée (taux de précipitation). En plus des précipitations, d’autres objets peuvent générer des échos radars. Parmi les cibles non reliées aux précipitations les plus courantes, on retrouve les variations d’indice de réfraction de l’air (aussi appelées “échos en air clair”), le sol et  autres objets statiques (bâtiments, lignes à haute tension, …), les  insectes et les avions.

Facteur de réflectivité radar

La puissance rétrodiffusée est convertie à une quantité qui est indépendante de la longueur d’onde, le facteur de réflectivité radar, mieux connu sous le nom de réflectivité radar. L’unité de mesure de la réflectivité radar est habituellement le dBZ (dBZ = 10 log Z). La valeur de Z est aussi reliée au taux de précipitation (R) et peut être converti en utilisant une relation “Z-R”. Il est habituellement convenable d’utiliser une relation différente selon la phase (pluie, neige, grêle, …) et le type (stratiforme, convective, tropicale, …) de précipitation.

Le radar Doppler

Le radar Doppler permet la mesure de la vitesse du vent par rapport au radar, aussi appelée composante *radiale* du vent. En d’autres mots, le radar “voit” la composante du vent qui s’en approche / éloigne. Cette capacité s’ajoute donc à la détection, et aux mesures de distance et d’intensité.

Types de radars:

Les radars météorologiques sont classés selon leur bande de fréquence micro-ondes. Les types les plus fréquents sont : bande S (10 cm), bande C (5 cm) et bande X (3 cm). Plusieurs facteurs influencent le choix d’une bande de fréquence. Les courtes longueurs d’onde sont plus sensibles mais ont une atténuation plus forte dans la précipitation que les systèmes à plus grande longueur d’onde. Pour une résolution fixée, le système à grande longueur d’onde requière une plus grande antenne, ce qui est beaucoup plus dispendieux.

Avantages

Les radars météorologiques Doppler permettent les mesures de précipitations à haute résolution (largeur de faisceau de l’ordre de 1 degré et moins, et résolution en distance de 250 m à 1 km) sur de larges volumes atmosphériques (typiquement, un cercle de 200 km de rayon) et à un taux d’échantillonnage relativement élevé (typiquement toutes les 5 minutes).

Problèmes

Plusieurs facteurs peuvent contribuer à détériorer les mesures radars. Parmi ceux-ci, on retrouve notamment : les échos de sol la propagation anormale, le blocage du faisceau, le remplissage partiel du faisceau, le profil vertical de réflectivité et le dépassement vertical du faisceau, l’atténuation, un mauvais choix de relation Z-R. En général, les observations radar sont plus fiables à faible distance (sous les 120-150 km) sauf dans l’entourage immédiat. C’est l’un des avantages des réseaux de radars avec des régions à couverture multiple : pour un point géographique donné, on peut choisir un site radar particulier qui donne la mesure la plus représentative à ce point.

Source : Centre Météorologique Canadien (CMC).

Références :

1. Atlas, David, ed. (1990). “Radar in meteorology”. American Meteorological Society, Boston, U.S.A.
2. Battan, Louis J. (1973). “Radar Observation of the Atmosphere”. Univ. of Chicago Press, Chicago, U.S.A.
3. Doviak, Richard and Dusan S. Zrnic (1984, 1993) “Doppler radar and weather observations”. Academic Press, San Diego, U.S.A.
4. Sauvageot, Henri (1982) “Radar météorologique”. Eyrolles, Paris, France. (en français!) *
5. /Journal of Atmospheric and Oceanic Technology/ (AMS)
6. /Journal of Applied Meteorology/ (AMS)
7. /Weather and Forecasting /(AMS)
8. /Radio Science/
9. Un numéro spécial de /Weather and Forecasting/ est dédié au réseau américain de radars NEXRAD dans vol. 13, no.2, 1998.