La polarimétrie radar à Météo-France
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Observation
La Météorologie - n° 83 - novembre 2013 59
La polarimétrie radar
à Météo-France
Pierre Tabary, Béatrice Fradon, Abdel-Amin Boumahmoud
Centre de météorologie radar, Direction des systèmes d’observation,
Météo-France, 42 avenue Coriolis, 31057 Toulouse
Introduction en 1976 (voir Sauvageot, 2000), on peut
dire que la polarimétrie est devenue le
nouveau standard pour les réseaux de
L’investissement de Météo-France dans radars opérationnels. La France, au tra-
la polarimétrie remonte à 2004, année vers notamment du Centre d’étude des
de l’installation du premier radar polari- environnements terrestres et planétaires
métrique bande C (émission et récep- (CETP), a été très active sur la recherche
tion simultanée en voie horizontale et en polarimétrie (voir Testud et al., 2000).
verticale), dans le cadre du projet La figure 1 montre l’installation, en
Panthere. Une phase très intense de 2004, à Trappes, du premier radar pola-
recherche et développement a suivi rimétrique de Météo-France.
l’installation de ce premier radar, afin de
démontrer les bénéfices en termes de
viabilité et de produits opérationnels. Le travail de recherche-développement
Les conclusions de cette évaluation, sur la polarimétrie à Météo-France a
Résumé positives, ont été présentées à la direc- bénéficié de la contribution de très
tion générale de Météo-France en 2006 nombreux étudiants et chercheurs et de
Cet article dresse un bilan de l’expé- et ont marqué le début de la généralisa- non moins nombreuses collaborations
rience acquise à Météo-France sur tion de la technologie à l’ensemble du internationales. On peut dire que
l’exploitation de la polarimétrie en réseau. On vise aujourd’hui un réseau Météo-France a joué un rôle de pionnier
bande S, C et, plus récemment, X. français complètement polarimétrique dans l’introduction opérationnelle de la
Après près de huit années d’expé- à l’horizon 2020. Les autres pays euro- diversité de polarisation, l’année 2012
rience à Météo-France, il apparaît péens (Allemagne, Royaume-Uni, marquant l’aboutissement de ce long
que la polarimétrie permet claire- Suisse…) prennent actuellement la travail (fin du déploiement d’une pre-
ment d’améliorer la qualité des pro- même direction, mais avec des chemins mière version de chaîne polarimétrique
duits radars, au travers notamment différents et, après des années de recher- incluant une correction d’atténuation,
d’une meilleure identification des che initiées par l’article de Seliga et al. l’identification des échos non météoro-
échos non météorologiques (ciel logiques et le suivi de la qualité des
clair), d’une capacité à corriger de variables), huit ans après l’installation
l’atténuation, à mieux estimer le taux du radar de Trappes. Cet article dresse
de précipitations, notamment sur les une synthèse des travaux effectués,
pluies fortes, et à identifier le type ainsi que des perspectives pour l’avenir.
d’hydrométéores. Pour tirer pleine-
ment bénéfice de la polarimétrie, il
est indispensable de mettre en place
des procédures rigoureuses de suivi
temporel de l’étalonnage des varia-
Principe et intérêts
bles, de détection et de correction des de la polarimétrie
biais éventuels. Une chaîne de traite-
ment polarimétrique a été rendue Avec les radars dits conventionnels
opérationnelle sur tous les radars (émission d’une onde sur une seule pola-
polarimétriques (à l’exception des risation, horizontale ou verticale), un cer-
radars en bande X, encore en cours tain nombre d’erreurs affectant les
de qualif ication) en 2012. Cette mesures ne peuvent être quantifiées ni, a
chaîne de traitement, applicable aux fortiori, corrigées. On peut notamment
trois longueurs d’onde (S, C et X), citer l’atténuation induite par les précipi-
sera régulièrement améliorée au tations, la détermination en temps réel de
cours des prochaines années. Figure 1. Installation du nouveau radar polarimétrique,
la loi de conversion, dite loi Z-R, de la
« père » de tous les radars polarimétriques du réseau mesure primaire des radars (réflectivité)
… Aramis au printemps 2004. en taux de pluie et la discrimination du
60 La Météorologie - n° 83 - novembre 2013
…/… type d’hydrométéores. Sur les radars
conventionnels, l’onde émise est polari-
zontale et verticale. Elle donne une
information sur le taux de rétrodiffu-
sée selon une unique direction, en général sion, donc sur les « dimensions appa-
horizontale. Le récepteur analyse en rentes » des gouttes selon les deux
Abstract amplitude et en phase l’onde réfléchie
par les cibles et reçue par le radar selon
directions, c’est-à-dire sur la forme des
gouttes. Or, les gouttes sont d’autant
cette même polarisation horizontale. On plus aplaties qu’elles sont grosses
The experience of Météo-France dispose donc d’une seule variable, la (Sauvageot, 2000). La réflectivité diffé-
with polarized radar réflectivité horizontale, notée ZH, expri- rentielle ZDR informe donc au premier
This paper presents a summary of the mée en décibels (dBZ). L’exploitation de ordre sur la taille des gouttes de pluie.
experience gained at Météo-France on la phase permet également d’accéder à la ZDR est nulle pour des gouttes de petite
the use of polarization in the S, C and, vitesse radiale et à la largeur spectrale taille (pluies faibles) et peut typique-
more recently, X-band. After eight (i.e. son écart type). Des variables supplé- ment atteindre 2 ou 3 dB voire plus
years of experience at Météo-France, mentaires, extraites du signal brut reçu en pour des pluies fortes ;
it appears that polarization clearly voie H, peuvent aussi être générées – le coefficient de corrélation ρHV, qui
helps to improve the quality of all (variabilité tir à tir de la réflectivité, correspond à la corrélation entre les
radar products, through a better iden- valeur moyenne de la phase sur une série signaux reçus sur les voies horizontale et
tification of non-meteorological echoes de mesures…) et utilisées, par exemple, verticale. Il est proche de 1 si la réponse
(in clear air), the ability to correct for pour identifier les échos fixes. du milieu est comparable dans les deux
attenuation, which allows to better directions de polarisation, donc si le
estimate the rain rate, especially at Avec les radars polarimétriques, il y a milieu est homogène. On observe des
high rain rates, and identify the type émission de deux ondes, l’une en polari- coefficients de corrélation très proches de
of hydrometeor. In order to exploit sation horizontale, l’autre en polarisation 1 pour la pluie, légèrement plus faibles
fully polarization, it is absolutely verticale. L’onde rétrodiffusée est égale- (0,95–0,98) pour la neige sèche ou la
necessary to implement rigorous pro- ment analysée selon les deux directions glace. Dans la bande brillante en revan-
cedures to monitor the calibration of de polarisation. Dans le réseau opération- che, où les hydrométéores sont mélangés
polarizing variables and detect and nel français, les ondes polarisées horizon- (pluie, neige sèche, neige mouillée…), le
correct for potential biases. A polari- talement et verticalement sont émises coefficient de corrélation baisse pour
zation processing chain has been simultanément (fonctionnement dit atteindre des valeurs de l’ordre de 0,9 à
introduced into operations on all pola- STAR pour Simultaneous Transmission 0,93. Pour la grêle, le coefficient de cor-
rized radars (except the X-band which And Reception). Ce principe de mesure rélation chute également. Ce paramètre
are still being tested) in 2012. This pro- permet d’accéder aux mesures supplé- est donc utile pour identifier le type d’hy-
cessing chain, applicable to the three mentaires suivantes par rapport à un radar drométéore ;
wavelengths (S, C and X) will undergo conventionnel : – la phase différentielle ΦDP, qui cor-
regular upgrades in the coming years. – la réflectivité différentielle ZDR, qui est respond à la différence de rotation de
le rapport (exprimé en logarithme) entre phase entre les voies horizontale et verti-
les réflectivités en polarisations hori- cale sur la totalité du trajet aller-retour
effectué par l’onde. La rotation de phase
de chacune des ondes est liée à la quantité
de matière traversée. Lorsque l’onde
polarisée horizontalement « tourne » plus
que celle polarisée verticalement, c’est
qu’elle a traversé davantage de matière.
Plus la différence de phase est élevée,
plus la quantité de matière traversée est
grande et plus l’onde est atténuée. En
pratique, au moins pour la pluie, l’atté-
nuation intégrée de l’onde par les précipi-
tations est directement proportionnelle à
la phase différentielle. La connaissance
de la phase différentielle (mesurée) va
donc permettre d’estimer et de corriger
l’atténuation intégrée entre le radar et la
cible. De plus, la phase différentielle est
insensible aux masques et à l‘étalonnage
du radar, ce qui augmente encore son
intérêt.
La figure 2 illustre chacun des quatre
observables polarimétriques dans une
situation observée par un radar en bande
C (Toulouse) où l’atténuation était parti-
culièrement importante (rotation de
Figure 2. Exemple d’observables polarimétriques. Radar de Toulouse, le 24 mai 2008 à 19h25 UTC, élévation 1,5°. phase différentielle ΦDP de 150° environ
En haut à gauche : réflectivité horizontale ZH (en dBZ) ; en haut à droite : réflectivité différentielle ZDR (en dB) ;
en bas à gauche : corrélation ρHV (sans unité) ; en bas à droite : phase différentielle ΦDP (en °). Le cercle blanc avec un cône bien visible d’extinction
correspond à une distance de 100 km du radar. Le cône d’atténuation (avec de l’extinction totale du signal au-delà complète du signal en aval de la cellule
de 100 km) est bien visible au nord-ouest du radar. de fortes précipitations).
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La chaîne Description de la chaîne matrice polaire, centrée sur le radar, de
résolution typique 0,5° × 240 m, d’envi-
de traitement de traitement polarimétrique ron 250 km d’extension radiale, conte-
Les radars météorologiques décrivent en nant les valeurs intégrées par pixel des
polarimétrique permanence des tours d’horizons. Un différents paramètres mesurés par le
actuelle tour d’horizon est réalisé typiquement en
quelques dizaines de secondes. L’angle
radar (réflectivité, Doppler, réflectivité
différentielle…). Cette matrice cor-
de Météo-France de site (angle entre la direction de l’an- respond aux mesures intégrées réalisées
tenne et le plan horizontal au niveau du par le radar lors d’une rotation complète
L’article inaugural de Gourley et al. radar) est fixe lors d’un tour d’horizon. de l’antenne en azimut, à un angle de site
(2006) passe en revue de manière systé- On réalise ainsi toutes les 5 minutes plu- donné.
matique la qualité des données polarimé- sieurs tours d’horizon en faisant varier
triques brutes du radar bande C de l’angle de site de manière à couvrir La chaîne de traitement des données
Trappes, premier de la série des radars l’espace tridimensionnel autour du radar. polarimétriques traite chaque tour d’an-
polarimétriques bande C à Météo-France. On appelle « tour d’antenne » une tenne de manière quasi indépendante.
Une fois les tours d’antenne traités, ils
Globalement, les analyses ont montré que sont pris en compte comme des tours
les données de ce radar étaient de bonne d’antenne standard dans les algorithmes
qualité. L’article met toutefois pour la pre- opérationnels de fabrication des produits
mière fois en évidence l’impact des joints usuels, réflectivité composite et lame
entre les six panneaux du radôme sur les d’eau (carte d’estimation quantitative des
biais en ZDR et ΦDP. Figueras et al. (2012) cumuls de précipitations au sol) en parti-
ont plus récemment confirmé ces analy- culier. La polarimétrie bénéficie ainsi à
ses en examinant en détail sur une année l’ensemble des produits. Les différents
les paramètres polarimétriques de quatre traitements appliqués à chaque tour d’an-
radars représentatifs de l’ensemble des tenne sont détaillés ci-dessous, ainsi que
radars polarimétriques du réseau français le couplage entre les résultats des traite-
(figure 3). On estime actuellement que le ments polarimétriques et la fabrication
ZDR des radars du réseau Aramis a une sta- des produits.
bilité de ±0,4 dB, soit une valeur proche,
mais encore au-delà, de l’exigence de sta-
bilité à ±0,2 dB requise pour les applica- Traitements appliqués
tions quantitatives (15 % sur le taux de
pluie, voir Tabary et al., 2011).
aux tours d’antenne
La mise en place opérationnelle d’une Étalonnage des variables
première version de la chaîne polarimé- Dans les pluies stratiformes (à rapport
trique (incluant correction d’atténua- signal sur bruit significatif), on attend
tion, identif ication des échos non climatologiquement une valeur de ZDR
météorologiques et suivi de la qualité de 0,2 dB pour des réflectivités hori-
des variables polarimétriques) en 2012 zontales (ZH) entre 20 et 22 dBZ. Cela a
s’est accompagnée d’une réflexion très été établi par analyse de longues séries
approfondie sur la gestion des dysfonc- de mesures issues de disdromètres
tionnements, sur les procédures de dés- (Illingworth, communication person-
activation de l’utilisation des variables nelle). On utilise ce point de référence
polarimétriques (mode dégradé) et sur pour établir une courbe, fonction de
la mise à jour des courbes de biais (de l’azimut, de correction de ZDR (Gourley
ZDR essentiellement). S’agissant de la et al., 2006). Cette courbe, établie sur
surveillance de l’instrument (monito- un épisode, est ensuite utilisée pour cor-
ring), cinq paramètres sont contrôlés à riger en temps réel la réflectivité diffé-
la fin de chaque journée : rentielle brute sur les épisodes suivants.
– le biais de ΦDP en fonction de l’azimut ; Un processus glissant de mise à jour
– le biais de ZDR en fonction de l’azimut ; permet de suivre les éventuelles évolu-
– le ρHV « moyen » dans la pluie ; tions dans le temps de cette courbe. À
– la moyenne (moyenne des médianes) noter que le ZDR est aussi contrôlé régu-
du ZDR pour les tours d’antenne effec- lièrement par l’exploitation des mesures
tués en visée verticale (ZDR90) ; effectuées en routine, toutes les
– la moyenne du ZDR brut pour les 10 15 minutes, à 90° (antenne pointant au
premières couronnes de 1 km d’épais- zénith). Dans cette configuration, on
seur centrées sur le radar. Figure 3. Courbes ZDR en fonction de l’azimut pour ZH attend un ZDR rigoureusement nul dans
entre 20 et 22 dBZ (0,2 dB attendu) sur une année
pour quatre radars représentatifs de l’ensemble des la pluie. En effet, les gouttes de pluie, si
Dès lors qu’une valeur anormale (soit comportements dans le réseau. Chaque courbe cor- elles sont aplaties « comme des ham-
en absolu, soit par comparaison avec la respond à une journée pluvieuse de la période octobre burgers », apparaissent parfaitement
dernière valeur calculée) est détectée, 2009–septembre 2010. On voit très bien sur certains circulaires vues d’en dessous. Tout écart
radars (Avesnes notamment) les oscillations induites
une alarme est déclenchée et l’exploita- par les six joints du radôme. Fort heureusement, ces
par rapport à 0 dB peut donc être inter-
tion des variables polarimétriques est oscillations sont stationnaires et peuvent donc être prété comme un biais différentiel de la
désactivée. corrigées empiriquement. chaîne émission-réception.
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La réflectivité horizontale est calibrée et réflectivité différentielle et la corréla- Identification
contrôlée selon la méthode habituelle uti- tion ρHV (Gourley et al., 2007b). Les dis- de la bande brillante
lisée dans le réseau Aramis (comparai- tributions statistiques de ces paramètres Le but est d’identifier la position de la
sons de long terme avec les pluviomètres, ont été établies empiriquement, en iso- bande brillante, zone de fusion des pré-
étalonnage électronique, comparaisons lant « manuellement » des situations où cipitations solides. Le haut de la bande
radar-radar, suivi du niveau des échos un seul type d’écho était présent de brillante correspond à l’isotherme 0 °C,
fixes proches). Une technique d’étalon- façon certaine (voir figure 4). On dis- le bas de la bande brillante se trouve en
nage interne (consistency relationship) de pose donc d’une valeur de probabilité général 300 à 1000 m plus bas. Au-des-
la réflectivité horizontale, exploitant la associée à la valeur de chaque paramè- sus de cette zone, on observe de la
redondance, dans la pluie, des variables tre pour chaque type d’écho. Pour un neige ou de la glace. En dessous, les
ZDR, ZH et ΦDP (la connaissance de deux pixel donné, on définit la probabilité précipitations se trouvent sous forme de
variables permet de prédire la troisième) d’un type d’écho comme la somme pluie. Dans la bande brillante, il y a
a été testée avec succès sur les radars pondérée des valeurs des trois probabi- cohabitation des différents hydrométéo-
Aramis (Gourley et al., 2009). Au pre- lités associées aux valeurs des trois res et présence de neige mouillée.
mier ordre, la redondance entre les trois paramètres Σ, texture de ZDR et ρHV pour Celle-ci renvoyant des échos radar anor-
variables polarimétriques peut s’expli- ce type d’écho. On conserve comme malement élevés, il est nécessaire de
quer par le fait que la pluie peut être rai- type d’écho du pixel le type qui a la plus situer la bande brillante pour corriger
sonnablement bien décrite au moyen de forte probabilité. cet effet. Par ailleurs, certains algorith-
seulement deux paramètres : diamètre mes ne sont applicables que dans la
médian et concentration des gouttes. Le paramètre Σ, disponible pour les pluie, il est donc là encore nécessaire de
Cette technique a vocation à être prochai- radars non polarimétriques, étant déjà bien situer le bas de la bande brillante
nement intégrée de façon opérationnelle très discriminant pour isoler les échos pour limiter l’application de ces algo-
dans le suivi de l’étalonnage de la réflec- fixes, le principal bénéfice de la polari- rithmes à la zone où les précipitations
tivité des radars du réseau de Météo- métrie est une meilleure identification sont liquides.
France. des échos de ciel clair, ce qui permet
dans la suite des traitements de « net- L’identification de la bande brillante
toyer » les images. Cependant, les échos repose sur le paramètre ρHV, car il est
Identification des types d’échos de ciel clair sont en général de faible très élevé dans la pluie (proche de 1),
Une fois les variables étalonnées, il est intensité et sont donc associés à des rap- élevé dans la neige sèche (0,95–0,98),
nécessaire d’identifier les différents ports signal sur bruit faibles. Dans cette mais un peu plus faible dans la neige
types d’échos. Les principaux types à première version de la chaîne polarimé- mouillée (de 0,9 à 0,93). La figure 5
distinguer sont les précipitations (tous trique, on s’interdit par sécurité d’utili- illustre le potentiel de la variable ρHV
hydrométéores confondus), les échos ser les variables polarimétriques lorsque pour identifier, y compris à site bas, la
fixes, les échos de ciel clair (insectes et le rapport signal sur bruit est inférieur à position de la bande brillante.
oiseaux), et les échos de mer. La classi- 15 dB, car il a été établi (Gourley et al.,
fication est effectuée en utilisant un 2006 ; Friedrich et al., 2009) que les Pour le tour d’antenne considéré, on
algorithme de logique floue basé sur variables polarimétriques sont très sen- détermine un profil moyen réel de ρHV
trois paramètres : la fluctuation tir à tir sibles à toute source de bruit (échos tous azimuts confondus en fonction de
de la réflectivité Σ, la texture de la fixes résiduels ou bruit atmosphérique). la distance au radar. Par ailleurs, pour
Figure 4. Distributions statistique de ρHV, de Σ et de la texture de ZDR pour les trois types d’échos (précipitations, ciel clair et échos fixes). On voit très bien le potentiel dis-
criminant de ρHV pour le ciel clair. Le paramètre Σ est lui très discriminant pour les échos de sol.
La Météorologie - n° 83 - novembre 2013 63
différentes valeurs possibles de l’altitude
de l’isotherme 0 °C fournie par le Figure 5. Illustration du potentiel de la
modèle de prévision (Arpege actuelle- variable ρ HV, comparativement à la
ment) et différentes valeurs possibles variable conventionnelle ZH, pour iden-
tifier la bande brillante. Tours d’an-
pour l’épaisseur de la bande brillante (de tenne à 9° (en haut) et à 2,5° (en bas)
200 à 1500 m par pas de 100 m), on mesurés le 14 mai 2005 à 05h00 TU
détermine des profils moyens théoriques par le radar polarimétrique bande C de
de ρ HV en fonction de la distance au Trappes. Le grand cercle extérieur cor-
respond à une distance radiale de
radar. Les profils obtenus sont ensuite 100 km. À site élevé, la zone de fusion
comparés au profil réel et on conserve apparaît très nettement sur les tours
les altitudes d’isotherme 0 °C et d’épais- d’antenne de ρHV (couronne de valeurs
seur de bande brillante qui permettent plus faibles que dans la pluie et dans la
d’obtenir le profil théorique « le plus neige, de part et d’autre). À site bas
(2,5°), la limite pluie-neige mouillée
proche » du profil réel. Pour éviter des est toujours bien visible en ρHV, alors
fluctuations importantes de la position que sur la variable Z H elle est bien
de la bande brillante d’un tour d’antenne moins évidente.
à l’autre, un filtrage temporel est appli-
qué. Il s’agit du seul couplage entre les
traitements polarimétriques appliqués Filtrage de la phase différentielle pas été classés en précipitations). Pour
aux différents tours d’antenne. et estimation de la phase ces derniers, on se contente de prolon-
différentielle spécifique ger la correction d’atténuation déter-
minée pour les derniers pixels de
Normalisation Un paramètre supplémentaire habituel-
précipitations rencontrés le long de la
de la phase différentielle lement calculé en polarimétrie est la
radiale.
phase différentielle spécifique KDP, qui
La phase différentielle Φ DP présente
est la dérivée de la phase différentielle
l’inconvénient d’avoir une valeur à La correction à appliquer est déterminée
Φ DP. La phase différentielle étant en
l’origine en général non nulle (c’est-à- très simplement en fonction de la phase
général bruitée, il est indispensable de
dire qu’elle ne vaut pas 0 au niveau du différentielle ΦDP, celle-ci étant directe-
lui appliquer un filtrage avant de pou-
radar). Ceci est dû au fait que les ondes ment proportionnelle à l’atténuation dans
voir calculer une dérivée. Ce filtrage est
polarisées horizontalement et verticale- l’hypothèse où la phase différentielle spé-
effectué radiale par radiale. Il s’agit
ment n’empruntent pas les mêmes tra- cifique (KDP) et l’atténuation spécifique
d’un filtrage médian sur des segments
jets de guide d’onde entre le point de (AH, en dB km–1) sont considérées comme
de 6 km de long environ. Une fois ce
séparation des deux ondes (après l’é- proportionnelles avec un coefficient de
filtrage appliqué, la phase différentielle
metteur) et le point d’émission au proportionnalité constant le long du seg-
spécifique KDP est estimée en réalisant
niveau de l’antenne. Or, le principal ment d’intégration radiale.
un ajustement linéaire de ΦDP en fonc-
intérêt de la phase différentielle est d’ê-
tion de la distance, toujours sur un inter-
tre, au premier ordre, directement pro- Pour un pixel donné, la correction à ap-
valle de 6 km autour du pixel considéré.
portionnelle à l’atténuation de l’onde pliquer à la réflectivité est PIA = γH ΦDP
Cette méthode d’estimation de la phase
radar par les précipitations, sous réserve et la correction à appliquer à ZDR est
différentielle spécifique présente l’inté-
que cette phase soit nulle au niveau du PIDA = γDP ΦDP, PIA et PIDA représen-
rêt d’être simple et très robuste, deux
radar : c’est ainsi que la correction d’at- tant respectivement l’atténuation inté-
propriétés importantes pour un logiciel
ténuation va être déterminée. Il est donc grée aller-retour (Path Integrated
opérationnel. Cependant, la largeur
absolument nécessaire de normaliser la Attenuation, en dB) et l’atténuation dif-
importante du filtre appliqué conduit à
phase différentielle, c’est-à-dire de lui férentielle intégrée aller-retour (Path
sous-estimer les valeurs de KDP dans les
soustraire la valeur à l’origine. Integrated Differential Attenuation, en
zones les plus intenses (centre des cel-
dB) entre le radar et la porte en distance
lules convectives) et à surestimer les
La normalisation de la phase différen- analysée. Les constantes γH et γDP sont
valeurs de KDP en bordures des zones les
tielle est effectuée de façon dynamique différentes selon la bande de fréquence.
plus intenses (bordures de cellules
(c’est-à-dire à partir du tour d’antenne – pour la bande S,
convectives). De nombreuses tech-
en cours de traitement uniquement, sans γH = 0,04 dBZ/° et γDP = 0,004 dB/° ;
niques de filtrage (par exemple Wang et
utiliser de référence extérieure). Pour – pour la bande C,
Chandrasekar, 2009) ont été proposées
chaque radiale, on recherche la zone de γH = 0,08 dBZ/° et γDP = 0,03 dB/° ;
dans la littérature pour résoudre au
précipitations la plus proche du radar – pour la bande X,
mieux le dilemme entre préserver la
mesurant au moins 2,4 km le long de la γH = 0,28 dBZ/° et γDP = 0,04 dB/°.
résolution spatiale et filtrer le bruit sur
direction de visée. La valeur médiane
les radiales de ΦDP.
de la phase différentielle sur ce segment De nombreux travaux ont été menés
est considérée comme la valeur à l’ori- (Gourley et al., 2007a ; Vulpiani et al.,
gine de Φ DP sur cette radiale. Un Correction d’atténuation 2008 ; Tabary et al., 2009) pour établir
contrôle de cohérence est ensuite effec- Ce module permet de corriger la réflec- empiriquement (ou par simulation) les
tué pour vérifier que les différentes esti- tivité et la réflectivité différentielle de valeurs moyennes et la variabilité (en
mations de la valeur à l’origine de ΦDP l’atténuation due aux précipitations. fonction de la température ou du type
déterminées pour l’ensemble des radia- Cette correction d’atténuation est déter- de précipitations) des coefficients γH et
les varient dans un intervalle raisonna- minée pour tous les pixels de précipita- γDP. La figure 6 illustre ainsi, en bande
ble. La normalisation est simplement tions. Elle est appliquée à l’ensemble C, la proportionnalité entre atténuation
effectuée en soustrayant la valeur à l’ori- des pixels de précipitations ainsi qu’aux (PIA) et atténuation différentielle
gine à l’ensemble des valeurs de la pixels associés à un rapport signal sur (PIDA) et phase différentielle (Φ DP)
phase le long de la radiale. bruit entre 10 et 15 dB (qui n’ont donc pour différents épisodes.
64 La Météorologie - n° 83 - novembre 2013
Couplage
entre chaîne polarimétrique
et fabrication des produits
Une fois le tour d’antenne traité par la
chaîne polarimétrique, les produits opé-
rationnels peuvent être fabriqués nor-
malement par le calculateur radar.
Cependant, les traitements polarimé-
triques sont effectués en coordonnées
polaires, alors que le reste des traite-
ments est effectué en coordonnées car-
tésiennes par le calculateur. L’option
retenue a été de simplifier le couplage
entre la chaîne polarimétrique et le reste
des traitements préexistants dans le cal-
culateur radar. En sortie de la chaîne
polarimétrique, on interpole sur la grille
cartésienne du radar deux paramètres
essentiels : l’atténuation due aux préci-
pitations et le type d’échos. Le couplage
se réduit alors à deux opérations sim-
ples : si le type d’écho diagnostiqué est
de ciel clair, on met la réflectivité ZH à
0, ce qui va permettre de « nettoyer »
Figure 6. Relations empiriques obtenues à Trappes entre l’atténuation intégrée (PIA) et ΦDP (en haut) et l’atténua-
l’image, sinon on ajoute la correction tion différentielle intégrée (PIDA) et ΦDP (en bas). Chaque courbe correspond à un épisode particulier. Les valeurs
d’atténuation à la réflectivité brute car- de PIA et PIDA sont estimées par une méthode indépendante et originale décrite dans Gourley et al. (2007a).
tésienne mesurée par le calculateur, ce
qui va permettre de corriger de l’atté-
nuation. Les produits opérationnels est la cause d’environ 50 % de la sous- essentielles : un estimateur de taux de
(réflectivité composite, lame d’eau, pro- estimation constatée des lames d’eau pluie polarimétrique, en particulier pour
duit pour l’assimilation…) sont ensuite radar sur les cumuls significatif (supé- les pluies fortes, et l’identification des
fabriqués normalement et bénéficient rieurs à 10 mm en une heure). types d’hydrométéores.
des traitements issus de la polarimétrie.
Estimation polarimétrique
Validation Nouvelle génération du taux de pluie
Les produits dits « polarimétriques », de chaîne Un certain nombre de travaux ont été
c’est-à-dire ayant bénéficié en amont
des traitements polarimétriques, ont fait
polarimétrique menés pour mettre au point un algo-
rithme d’estimation du taux de pluie
l’objet d’une évaluation rigoureuse Par rapport à la première version (V1) polarimétrique dans la pluie adapté aux
sur la durée. L’étude de validation a de la chaîne polarimétrique, la deuxième radars opérationnels français (Tabary
consisté à réaliser des comparaisons version (V2) inclut deux modifications et al., 2011 ; Figueras i Ventura et al.,
statistiques sous forme de nuages de
points entre les pluviomètres et les dif-
férentes lames d’eau (avec et sans utili-
sation de la polarimétrie).
Les scores classiques (coefficient de
corrélation, biais normalisé…) ont été
calculés. Comme illustré sur la figure 7,
la correction polarimétrique d’atténua-
tion réduit simultanément les sous-esti-
mations sur les pluies fortes (cumul
horaire pluviométrique supérieur à
10 mm) d’un facteur deux (passage de
–16 % à –9 % du biais normalisé) et
– comme une conséquence paradoxale
de l’ajustement temps réel par les plu- Figure 7. Évaluation des lames d’eau conventionnelles (a) et des lames d’eau polarimétriques (b) sur 11 épisodes
viomètres – les surestimations sur les pluvieux (entre l’été et l’hiver 2010). Les résultats sont présentés sous forme de diagrammes de dispersion avec
pluies faibles (cumul horaire entre en abscisse le cumul horaire pluviomètre et en ordonnée le cumul horaire de la lame d’eau. L’algorithme lame
0,2 et 2 mm) également d’un facteur d’eau est l’algorithme opérationnel de Météo-France, incluant le module d’ajustement temps réel par les pluvio-
mètres (voir l’article de Tabary et al. dans ce numéro). Les scores de biais normalisé (NB) et de coefficient de cor-
deux (passage de +41 % à +18 %). On rélation (Corr) sont fournis sur chaque graphe pour différentes gammes de cumuls horaires de précipitation
comprend ainsi, grâce à la polarimétrie, mesurés par les pluviomètres. NB = 0,5 (resp. –0,5) signifie que le radar surestime de 50 % (resp. sous-estime
que l’atténuation par les précipitations de 50 %) par rapport aux pluviomètres.
La Météorologie - n° 83 - novembre 2013 65
2012). Les études menées avec les dif- corrélation. Cet algorithme mixte est quatre épisodes observés par le radar de
férents algorithmes ont rapidement mis donc très satisfaisant et il a été décidé Nîmes, en bande C à 26 épisodes obser-
en évidence le fait que les précipita- de l’utiliser pour la version V2 de la vés par quatre radars et en bande X à
tions faibles sont assez bien restituées chaîne polarimétrique. quatre épisodes observés par le radar du
en utilisant la loi Z-R de Marshall- mont Maurel. Il ne faut pas non plus
Palmer (ou en tout cas qu’aucun autre De nombreuses évaluations de la lame oublier que le radar en bande X utilisé
algorithme ne fait mieux), mais que les d’eau (figure 8) obtenue en temps différé (mont Maurel) est situé en région mon-
pluies fortes, en revanche, sont beau- avec l’estimateur hybride Z-KDP ont été tagneuse, à une altitude élevée, ce qui
coup mieux restituées en utilisant l’al- effectuées aux trois longueurs d’onde (S, n’est pas le cas des radars en bande C et
gorithme R-KDP de Beard et Chuang C et X) présentes dans le réseau Aramis. S utilisés dans cet exercice de valida-
(1987). On a donc naturellement envie Ces comparaisons sont présentées et tion. Pour autant, quelques grandes ten-
de « recoller » les deux, en utilisant le commentées dans Figueras i Ventura et dances se dégagent sur l’apport de la
premier pour les précipitations faibles al. (2013). correction d’atténuation (V1) et sur l’u-
et le second pour les précipitations tilisation de l’estimateur hybride Z-KDP
fortes. Il ne faut pas perdre de vue que les éva- (V2) en fonction de la longueur d’onde.
luations des lames d’eau en bande X, C Les lames d’eau conventionnelles en
Un test a donc été effectué en utilisant et S présentées dans la figure 8 ne se bande X sont de piètre qualité, malgré
la relation R-KDP de Beard et Chuang font pas sur les mêmes événements, ni l’ajustement par les pluviomètres.
lorsque KDP est supérieur à un certain sur la même zone géographique. En L’ensemble des scores est considérable-
seuil (1°/km en bande S et C, 0,5 °/km bande S, les résultats correspondent à ment amélioré lorsque la correction
en bande X) et lorsque l’on est certain
d’être dans la pluie, les lois R-KDP n’é-
tant valables que dans la pluie (et non la Tableau 1. Paramétrage de la chaîne polarimétrique aux trois longueurs d’onde X, C et S.
neige ou la glace) et en utilisant la loi de
Longueur γH, en dB/° γDP en dB/° Loi Z-R Loi R-KDP Seuil en KDP
Marshall-Palmer dans les autres cas. On
d’onde de passage de ZH à KDP
nomme cette restitution hybride « Z-
KDP ». Les résultats obtenus sont présen- X 0,28 0,04 Z = 200R1,6 R = 23 KDP0,79 0,5 °/km
tés dans le tableau 1 et la figure 8. Pour C 0,08 0,03 Z = 200R 1,6
R = 29,7 K 0,85
1 °/km
DP
toutes les gammes de taux de pluie, on
obtient un biais faible et une bonne S 0,04 0,004 Z = 200R1,6 R = 53,4 KDP0,85 1 °/km
Figure 8. Évaluation des lames d’eau conventionnelles (à gauche), polarimétriques V1 (colonne du milieu) et polarimétriques V2 (à droite) en bande X (en haut), C (au milieu)
et S (en bas). Les comparaisons sont réalisées par rapport aux pluviomètres situés à moins de 60 km, au pas de temps horaire. Les lames d’eau radar de l’heure H sont cor-
rigées d’un facteur calculé à partir des rapports radar-pluviomètres des heures antérieures (H – 1, H – 2…). Voir l’article de Tabary et al. dans ce numéro. Les scores stan-
dard (biais normalisé NB, coefficient de corrélation corr, erreur quadratique moyenne RMS, coefficient de Nash) pour différentes gammes de cumuls de précipitation horaire
mesurés par les pluviomètres (≥ 0,2 mm, ≥ 1 mm et ≥ 5 mm en une heure) figurent sur chaque graphe.
66 La Météorologie - n° 83 - novembre 2013
d’atténuation polarimétrique est activée SNR le rapport signal sur bruit et SCR Un exemple de résultat de l’identifica-
(V1) et plus encore lorsque l’estimateur le rapport signal sur niveau d’échos tion des hydrométéores sur un tour
hybride Z H-K DP est utilisé (V2). La fixes sous-jacent. La probabilité de d’antenne est fourni dans la figure 9.
même tendance s’observe en bande C et chaque hydrométéore est donc calculée Al-Sakka et al. (2013) ont réalisé une
en bande S, certes de manière atténuée. et on retient pour ce pixel l’hydromé- évaluation semi-objective des classifi-
Au final (V2), les lames d’eau en bande téore associé à la probabilité la plus éle- cations de types d’hydrométéores.
X restent de moins bonne qualité qu’en vée. Les fonctions F(ZH), F(T) et F(alti,
bande C ou S, mais cela est toutefois à BB), multiplicatives, servent à éviter les
relativiser étant donnée la position par- diagnostics « aberrants » : il n’est pas
ticulière du radar en bande X (zone de réaliste de diagnostiquer de la grêle Conclusions
montagne, altitude élevée). pour une réflectivité de 20 dBZ, de la
neige pour une réflectivité de 60 dBZ, La polarimétrie constitue le nouveau
de la pluie pour une température de standard des radars opérationnels, en
–20 °C ou très haut au-dessus de la France comme à l’étranger. Les renou-
Les hydrométéores bande brillante, etc. Les fonctions de vellements ou compléments de radars
On trouve dans la littérature différents ZH, ZDR, KDP et ρHV, additives, sont la base se font désormais à Météo-France sys-
algorithmes permettant une discrimina- de l’algorithme de logique floue. Ces tématiquement avec des radars polari-
tion entre les types d’hydrométéores. trois fonctions sont nommées fonctions métriques, quelle que soit la longueur
De nombreux algorithmes sont de type d’appartenance. Elles ont été détermi- d’onde.
logique floue, avec des formulations nées de façon empirique afin d’être les
variables (parfois additives, parfois plus adaptées possible aux radars du Après près de huit années d’expérience
multiplicatives, parfois mixtes, avec ou réseau (Al-Sakka et al., 2013). De plus, à Météo-France, il apparaît que la pola-
sans poids, etc.). Les variables utilisées par le biais de la phase ΦDP, du rapport rimétrie permet clairement d’améliorer
sont en général ZH, ZDR, KDP, ρHV, la tem- signal sur bruit SNR et du rapport la qualité des produits radars, au travers
pérature et la position du pixel par rap- signal sur niveau d’échos fixes SCR, notamment d’une meilleure identifica-
port à la bande brillante (en dessous, à ces fonctions d’appartenance prennent tion des échos non météorologiques
l’intérieur ou au-dessus). On trouve en compte les conditions de mesure. (ciel clair), d’une capacité à corriger de
essentiellement des algorithmes vala- Comme pour les densités de probabilité l’atténuation, à mieux estimer le taux de
bles en bande S, les algorithmes vala- servant à distinguer échos de sol, échos précipitations, notamment sur les pluies
bles en bande C et surtout en bande X de ciel clair et échos de précipitations, fortes, et à identifier le type d’hydromé-
étant nettement plus rares. les fonctions d’appartenance ont été téores. Une chaîne de traitement polari-
réalisées « manuellement » en isolant métrique a été rendue opérationnelle sur
Dans la chaîne polarimétrique V2, le sur des images des zones où le type tous les radars polarimétriques (à l’ex-
choix a été fait d’utiliser un algorithme d’hydrométéore pouvait être identifié ception des radars en bande X, encore
de logique floue pour la détermination de façon certaine et en calculant la dis- en cours de qualification) en 2012.
du type d’hydrométéore. On a souhaité tribution statistique des couples de Cette chaîne de traitement sera réguliè-
avoir une formulation relativement sim- variables dans ces zones. rement améliorée.
ple et logique, et qui soit identique
quelle que soit la bande de fréquence
(S, C ou X). Par ailleurs, on s’est volon-
tairement limité à un nombre restreint
d’hydrométéores : pluie, neige mouil-
lée, neige sèche, glace et grêle. À terme,
la classe « grêle » devrait être divisée en
trois classes correspondant à la petite
grêle (moins de 5 mm), la moyenne
grêle (de 5 à 20 mm) et la grosse grêle
(plus de 2 cm de diamètre).
Pour un pixel donné, identifié comme
étant des précipitations, la probabilité
de chacun des types d’hydrométéores
est donnée par la fonction :
P = F(ZH) × F(T) × F(alti, BB)
× [F(ZH, ZDR, ΦDP, SNR, SCR)
+ F(ZH, KDP, ΦDP, SNR, SCR)
+ F(ZH, ρHV, ΦDP, SNR, SCR)]
où ZH est la réflectivité horizontale, T la
température, alti l’altitude du centre du
faisceau pour le pixel considéré, BB la
position de la bande brillante (altitude
du bas et du haut de la bande brillante), Figure 9. Exemple de types d’hydrométéores identifiés par la méthode de logique floue. Radar de Collobrières, le
20 mars 2013 à 12h05, angle de site 0,4°. Les cercles sont espacés de 50 km. L’observation se faisant sur un
ZDR la réflectivité différentielle, KDP la cône, à mesure que la distance au radar augmente, l’altitude de mesure augmente également et le faisceau radar
phase différentielle spécifique, ρHV la traverse successivement, avec bien sûr des modulations, la pluie, puis la neige mouillée, puis la neige sèche et
corrélation, ΦDP la phase différentielle, enfin la glace.La Météorologie - n° 83 - novembre 2013 67
Parmi les sujets à examiner ces prochai-
nes années, on peut citer la consolida- Bibliographie
tion des estimations polarimétriques du Al-Sakka H., A.-A. Boumahmoud, B. Fradon, S. Frasier et P. Tabary, 2013 : A new fuzzy logic hydrometeor classifi-
taux de pluie aux trois longueurs d’onde cation scheme for the French X, C and S-band polarimetric radar. J. Appl. Meteorol. Climatol., in press.
et à tous les taux de pluie (de faible à Beard K.V. et C. Chuang, 1987 : A new model for the equilibrium shape of raindrops. J. Atmos. Sci. 44, 1509-1524.
fort), l’estimation polarimétrique des Brandes E.A., G. Zhang et J. Vivekanandan, 2002 : Experiments in rainfall estimation with a polarimetric radar in a
incertitudes sur la restitution du taux de subtropical environment. J. Appl. Meteorol., 41, 674–685.
pluie et l’introduction de règles de Figueras i Ventura J, A.-A. Boumahmoud, B. Fradon, P. Dupuy et P. Tabary, 2012 : Long-term monitoring of French
« mosaïquage » intelligentes entre polarimetric radar data quality and evaluation of several polarimetric quantitative precipitation estimators in ideal
radars (éventuellement de longueurs conditions for operational implementation at C-band. Quart. J. Royal Meteorol. Soc., 138, 2212-2228.
d’onde différentes), l’estimation des Figueras i Ventura J. et P. Tabary, 2013 : The new French operational polarimetric radar rainfall rate product. J.
taux de précipitation dans la neige, et Appl. Meteor. Climatol. in press.
l’estimation quantitative de la grêle. On Friedrich K., U. Germann et P. Tabary, 2009 : Influence of ground clutter contamination on polarimetric radar para-
peut également citer le développement meters. J. Atmos. Oceanic Technol., 26, 251-269.
de simulateur de données radar polari- Gourley J.J., P. Tabary et J. Parent du Châtelet, 2006 : Data quality of the Météo France C-band polarimetric radar.
métrique, couplé à des modèles de pré- J. Atmos. Oceanic Technol., 23, 1340-1356.
vision numérique à maille f ine et Gourley J.J., P. Tabary et J. Parent du Châtelet, 2007a : Empirical estimation of attenuation from differential propa-
microphysique riche, préparant l’assimi- gation phase measurements at C-band. J. Appl. Meteor., 46, 306-317.
lation future des observables polarimé- Gourley J.J., P. Tabary et J. Parent du Châtelet, 2007b : A fuzzy logic algorithm for the separation of precipitating
triques (voir l’article de Mahfouf et al. from non-precipitating echoes using polarimetric radar. J. Atmos. Oceanic Technol., 24, 1439-1451.
dans ce numéro). Gourley J.J., A.J. Illingworth et P. Tabary, 2009 : Absolute calibration of radar reflectivity using redundancy of the
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