Le radar à double polarisation améliore la précision des prévisions météorologiques en analysant précisément la taille et la forme des particules de précipitations. L'utilisation de diverses variables de sortie permet de distinguer les fortes pluies de la grêle, entre autres, et de réagir rapidement aux conditions météorologiques.
L'importance de la prévision des précipitations et de l'observation météorologique
Les phénomènes météorologiques tels que les fortes pluies, la grêle et les fortes chutes de neige peuvent provoquer des catastrophes. Il est donc important de prévoir les précipitations et de se préparer aux dégâts. Ces dernières années, les observations radar à double polarisation ont permis des observations météorologiques plus rapides et plus précises, les informations sur les précipitations étant mises à jour toutes les 10 minutes. Ces avancées technologiques en matière d'observation météorologique jouent un rôle important dans la réduction des catastrophes naturelles. L'observation météorologique est également essentielle pour l'agriculture, la gestion de l'eau, l'urbanisme et d'autres secteurs. Elle fournit des informations précieuses pour réguler correctement l'approvisionnement en eau nécessaire à la croissance des cultures, prévenir les inondations et les sécheresses, et concevoir des systèmes de drainage urbain.
Comment fonctionne le radar à double polarisation ?
Comment le radar à double polarisation observe-t-il les événements météorologiques ? En résumé, les radars météorologiques envoient des ondes radio dans l'atmosphère et, lorsqu'elles rebondissent sur les particules de précipitations, ils analysent les ondes reçues et calculent plusieurs variables pour analyser les particules de précipitations. Le radar à double polarisation utilise également ce principe, déterminant d'abord la taille et le nombre approximatifs des particules de précipitations grâce à la réflectivité, qui est la comparaison de l'intensité des ondes émises et reçues.
Les ondes radio émises et reçues par un radar à double polarisation sont composées d'une onde horizontale, qui oscille perpendiculairement au sol, et d'une onde verticale, elle-même perpendiculaire au sol. La réflectivité de chaque onde, appelée réflectivité horizontale et réflectivité verticale, est mesurée en décibels par mètre carré (dBZ). La réflectivité utilisée comme variable de sortie du radar à double polarisation est la réflectivité horizontale, proportionnelle à la taille et au nombre de particules de précipitations présentes par unité de volume de 1 m³. En général, une bruine contenant peu de particules de précipitations a une valeur de 1 dBZ ou moins, tandis qu'une forte pluie contenant de nombreuses particules de précipitations a une valeur de 20 dBZ ou plus. Cependant, dans le cas de la grêle, il est parfois difficile de distinguer le type de particules de précipitations sur la seule base de la réflectivité, car celle-ci peut ressembler à celle d'une averse, même si la taille et le nombre de particules de précipitations sont différents. Par conséquent, d'autres variables de sortie sont nécessaires pour les distinguer.
Utilisation de différentes variables de sortie
Premièrement, nous pouvons utiliser la réflectance différentielle pour déterminer la taille et la forme des particules de précipitations. La réflectance différentielle est la différence entre la réflectance horizontale et la réflectance verticale, avec une valeur positive si les particules de précipitations sont plus longues horizontalement et une valeur négative si elles sont plus longues verticalement. Elle est mesurée en décibels (dB). Par exemple, lors d'une forte averse avec de grosses particules de précipitations, la résistance de l'air rencontrée par les gouttes de pluie en tombant les disperse horizontalement, ce qui entraîne une réflectance différentielle de plus de 2 dB. En revanche, si la grêle ou la neige n'ont pas fondu et sont composées de glace pure, même si les particules sont grosses, elles ne se dispersent pas horizontalement et, comme elles tombent en rotation, elles sont presque sphériques et ont souvent une valeur de réflectivité différentielle de 0 dB. Cela permet de distinguer les phénomènes météorologiques de fortes pluies de ceux de grêle, même si leurs valeurs de réflectivité sont similaires. Cependant, même une bruine contenant des particules de précipitations inférieures à 0.3 mm rencontre très peu de résistance à l'air ; la réflectivité différentielle est donc souvent de 0 dB, car les particules de précipitations restent sphériques. Il est donc nécessaire de prendre en compte à la fois la réflectivité et la réflectivité différentielle pour distinguer les différents types de particules de précipitations.
En revanche, connaître le type de particules de précipitations, comme la pluie ou la grêle, et leur taille ne suffit pas à estimer avec précision le nombre de particules par unité de volume. Par conséquent, l'information sur le nombre de particules de précipitations est obtenue grâce à des variables de sortie appelées différence de phase différentielle et différence de phase non différentielle. Lorsque les ondes radar frappent une particule de précipitation, la taille et la forme de cette particule entraînent une progression différente de la polarisation horizontale et verticale. La phase des deux polarisations change en conséquence, et la valeur cumulée de la différence entre ces phases constitue la différence de phase différentielle. L'unité est le degré (°), et la différence de phase s'obtient en soustrayant la phase de la polarisation verticale de la phase de la polarisation horizontale. Plus le diamètre de la section transversale de la particule de précipitation traversée par les ondes radio est grand, plus la valeur de phase est élevée. Ainsi, tout comme la réflectance différentielle, elle est positive si la particule de précipitation est plus longue horizontalement et négative si elle est plus longue verticalement. Étant donné que la différence de phase différentielle continue de s'accumuler le long de la direction de propagation, elle se caractérise par le fait qu'elle peut produire des valeurs non nulles même lorsqu'aucune particule de précipitation n'est présente.
Le taux de variation du déphasage différentiel à une distance d'observation donnée est appelé déphasage non différentiel. Si le déphasage différentiel est de 0° à 5 kilomètres du radar et de 10° à 10 kilomètres, le déphasage différentiel entre 5 et 10 kilomètres est de 1°/km, soit la variation du déphasage différentiel de 10° divisée par la distance aller-retour de 10 kilomètres. Contrairement au déphasage différentiel, le déphasage non différentiel ne produit une valeur non nulle qu'en présence de particules de précipitations, ce qui permet une estimation plus précise du nombre de particules de précipitations dans la section à observer.
L'importance des coefficients de corrélation croisée
Cependant, lorsque deux ou plusieurs types de particules de précipitations sont mélangés, par exemple lorsque la neige fond et tombe sous forme de neige et de pluie, la variable de sortie peut apparaître plus grande ou plus petite que l'événement météorologique réel, ce qui peut prêter à confusion. La variable de sortie permettant de résoudre ce problème est le coefficient d'intercorrélation. Ce coefficient mesure la similarité des signaux de polarisation horizontale et verticale, ses valeurs étant d'autant plus proches de 1 que la taille et le type de particules de précipitations sont similaires. En général, le coefficient d'intercorrélation est élevé (0.97 ou plus) lorsque des particules de précipitations de même type et de taille similaire sont réparties dans la plage d'observation pendant la pluie ou la neige. En revanche, lorsqu'il y a un mélange de différents types de particules de précipitations, ou lorsque les particules de précipitations sont de même type mais de taille variable, comme lors d'une forte averse, le coefficient d'intercorrélation peut être inférieur à 0.97.
Ainsi, le radar à double polarisation peut exploiter diverses variables de sortie pour observer et analyser les phénomènes météorologiques avec une plus grande précision. Cela nous permet de prévenir les catastrophes et de réagir rapidement aux changements climatiques. Les progrès des technologies d'observation météorologique rendront notre quotidien plus sûr et plus pratique.
