Dossier : Climat   
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ASTRAIA, radar Doppler aéroporté


Extrait de la Lettre n°3 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



1 - Radar météorologique Doppler aéroporté de style classique : l'antenne, installée dans la queue de l'appareil, tourne autour d'un axe horizontal colinéaire au fuselage et balaye un plan vertical. Ce dispositif nécessite le passage de l'avion dans la zone étudiée.

 

 

 



2 - Le radar aéroporté ASTRAIA : les deux antennes montées dos à dos permettent d'observer la convection de l'air à l'intérieur des orages sans pénétrer dans ces derniers.

 


La convection orageuse joue un rôle essentiel dans le système climatique, parce qu'elle est l'un des principaux moteurs de la circulation générale de l'atmosphère. Insuffisamment comprise et mal représentée dans les modèles météorologiques, elle est l'objet depuis les années 70 de grandes expériences dans lesquelles le radar météorologique Doppler constitue l'instrument central. Le radar ASTRAIA est un radar Doppler aéroporté qui permet d'observer la convection de l'air à l'intérieur des orages sans pénétrer dans ces derniers.

Afin d'étudier les zones de convection orageuse on a d'abord utilisé des radars opérant à partir du sol: si l'on dispose d'un système de deux radars Doppler observant un même orage sous deux points de vue différents, on mesure deux composantes indépendantes du champs de vitesse de l'air, la troisième étant restituée par le calcul. Cette méthodologie a été utilisée avec succès en particulier en France et aux Etats Unis pour restituer les mouvements de l'air lors d'orages sévères dans Middle West et en Floride (expériences américaines), ou lors de l'étude des lignes de grains tropicales en Afrique de l'Ouest (expérience française en Côte d'Ivoire).
A partir des années 80, l'intérêt de la communauté scientifique s'est porté vers les systèmes aéroportés, et ceci pour deux raisons :
- la portée d'un système sol est limitée : elle autorise typiquement une couverture de 50 x 50 km2 . Ceci ne permet d'échantillonner qu'une petite portion d'un système convectif tel qu'une ligne de grains tropicale ou un front de moyenne latitude;
- si l'on s'intéresse à l'impact de la convection profonde sur le climat, il convient d'étudier les systèmes convectifs qui se développent au dessus de l'océan tropical.

C'est ainsi que la NOAA a équipé ses deux avions P3 d'un radar météorologique Doppler dont l'antenne, installée dans la queue de l'appareil, tourne autour d'un axe horizontal colinéaire au fuselage (figure 1), et balaye un plan vertical (visée à 90° de la trajectoire). Toutefois cette stratégie d'échantillonnage n'est pas très satisfaisante. Pour acquérir en tout point les deux composantes indépendantes du vecteur vitesse de l'air, l'avion est assujetti à des trajectoires en L, ce qui est pénalisant de deux points de vue :
- le temps qui s'écoule entre l'acquisition des deux composantes du vent (de l'ordre de 5 minutes) n'est pas négligeable devant le temps caractéristique d'évolution de l'orage,
- l'avion doit pénétrer la zone à échantillonner, or seule la convection faible ou modérée peut être pénétrée sans dommage par un avion.

ASTRAIA
C'est pour surmonter ces difficultés que nous avons lancé en 1987 le projet ASTRAIA. L'originalité d'ASTRAIA réside tout d'abord dans son aérien bi-faisceaux. Il reprend le principe de la rotation autour d'un axe horizontal parallèle au fuselage. Mais ici, le radar aéroporté est constitué d'un système de deux antennes montées dos à dos visant respectivement à 17° vers l'avant et 17° vers l'arrière par rapport au plan perpendiculaire à la trajectoire. Les deux antennes sont alimentées simultanément par deux systèmes radar indépendants (figure 2). La rotation des antennes associée au déplacement de l'avion permet d'échantilloner en tout point de l'espace deux composantes indépendantes du champ de vitesse.
Les avantages d'une telle stratégie d'échantillonnage sont les suivants:
o le décalage temporel entre l'échantillonnage en visée avant et celui en visée arrière devient beaucoup plus faible (environ 60 s à 10 km de portée),
o la zone échantillonnée est observée latéralement et l'avion n'a pas à pénétrer dans la zone convective; la convection la plus violente peut être observée sans risque ni dommage pour l'appareil.

L'autre innovation d'ASTRAIA est le recours à un codage d'impulsions qui permet d'acquérir la mesure Doppler en un temps cinq fois plus bref qu'avec l'approche classique. Le "temps de résidence" du faisceau dans la cellule de résolution est extrêmement bref (8 ms). On peut ainsi augmenter du même facteur la vitesse de balayage d'antenne, ce qui permet une meilleure résolution des mouvements de l'air.

En ce qui concerne l'interprétation des mesures un effort tout particulier a été fait sur l'interprétations des mesures de réflectivité. La réflectivité, qui est une image de l'intensité des pré cipitations, est une donnée indispensable dans l'interprétation des phénomènes. L'analyse stéréoradar que nous avons développée exploite la différence des réflectivités apparentes vues par chacune des antennes, due à des atténuations le long de trajets différents. Nous avons montré qu'on pouvait restituer la réflectivité "vraie", et l'atténuation spécifique. Ce dernier paramètre est d'un grand intérêt parce qu'il fournit, lorsqu'il s'agit de pluie, une estimation de la quantité d'eau liquide formée plus fiable que celle fondé sur la réflectivité. La méthode a été validée récemment sur des données réelles (données du P3 d'Août 91) ; des atténuations cohérentes avec ce que l'on peut attendre de la grêle ont été observées dans une cellule de précipitations très intense.

TOGA-COARE
La première expérience d'envergure était conduite dans le Pacifique-Ouest avec la participation à l'expérience internationale TOGA-COARE (novembre 92 - février 93), vouée à l'étude de la réponse couplée atmosphère-océan dans une région d'eaux très chaudes particulièrement sensible pour la prédiction d'El Niño. Dans TOGA-COARE, les données collectées par ASTRAIA vont permettre d'estimer les flux de chaleur latente et sensible et les flux de quantité de mouvement transportés par la convection profonde. Ces flux jouent un rôle essentiel dans la dynamique du système couplé océan tropical - atmosphère globale. Leur comparaison avec la prédiction des modèles couplés atmosphère-océan permettra de mieux comprendre certains processus physique et de mieux prédire El Niño.

Ce projet a été soutenu au niveau français par l'INSU, le CNET, le CNES et la Météo Nationale. Il a été développé en coopération avec le NCAR (National Center for Atmospheric Research), USA.


Contact :
Jacques Testud
Centre d'études des Environnements Terrestres et Planétaires - CNRS
10-12 avenue de l'Europe
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