Brevet FR2827391A1 — publié le 20030117

La présente invention est relative aux techniques météorologiques pour l'estimation d'un taux précipitant au moyen d'un radar. L'estimation du taux de pluie à partir de mesures de radar est généralement confrontée au problème de l'atténuation de l'onde radar, et à celui de la variabilité naturelle de la pluie. Le concept d'un radar cohérent à diversité de polarisation associé à un algorithme appelé ZPHI a été décrit dans WO 99/38 028, comme solution apportée à ces deux obstacles dans des conditions opérationnelles. ZPHI est un algorithme profileur qui, à la base, utilise en entrée un profil de réflectivité mesurée Za et une contrainte donnée par une différence de phase différentielle (I) DP entre deux points r1 et r2 d'une ligne de visée. A partir de ces mesures, on détermine l'atténuation spécifique A et un paramètre connu sous le nom de No, paramètre quantitatif de la distribution des tailles de gouttes. Le taux de pluie R à estimer est obtenu comme une fonction de ces deux paramètres, pour les deux raisons suivantes : - l'atténuation spécifique A n'est pas soumise aux effets d'atténuation. Son utilisation dans l'estimation de R permet ainsi de régler le problème de l'atténuation. - le paramètre No* suffit pour décrire la variabilité naturelle de la pluie. L'algorithme ZPHI s'applique aussi bien en bandes X et C, bandes de fréquence sensibles à l'atténuation. On vise ici maintenant un procédé étendu à partir du procédé ZPHI, lorsque l'atténuation n'est pas importante. Pour ce cas particulier, il est possible de prescrire un formalisme basé sur des éléments de base, mais plus adapté et beaucoup plus direct. L'algorithme ZPHI peut également être appliqué à la bande S, pour laquelle l'atténuation n'est pas importante, voire négligeable. En effet, son intérêt subsiste dans la mesure où il reproduit en direct la variabilité naturelle de la pluie. Le recours au paramètre A n'est alors pas forcément nécessaire. L'invention a donc pour but de proposer un procédé simple, fiable et efficace d'évaluation du taux précipitant dans le cas d'atténuation faible ou négligeable. L'invention propose pour cela un procédé d'estimation d'un taux de précipitation dans le cas d'une pluie ne générant qu'une atténuation négligeable, au moyen d'un radar bipolaire, constitué par les étapes suivantes : - on mesure au moyen dudit radar bipolaire, sur un intervalle [ro, ri] donné de rayon de trajet par rapport audit radar, la phase différentielle Cop et la réflectivité apparente Ze selon au moins l'une des polarisations H ou V ; - on détermine une estimation de la valeur No représentative de la distribution dimensionnelle des gouttes de pluie, à partir de la différence de la phase différentielle entre ro et ri et à partir d'une intégrale d'une fonction de la réflectivité apparente Ze le long de l'intervalle [ro, r1] ; - on déduit la valeur du taux de précipitation représentant en tout point à partir de No et de la réflectivité apparente en ce point. On propose également selon l'invention un dispositif pour l'estimation d'un taux précipitant comportant un radar bipolaire, ainsi que des moyens de traitement, ledit radar comportant des moyens pour la mesure de la phase différentielle et de la réflectivité selon au moins une des polarisations H ou V, caractérisé en ce que les moyens de traitement mettent en oeuvre les différentes étapes de traitement du procédé selon le paragraphe précédent. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Comme pour le procédé ZPHI, le procédé décrit maintenant requiert un radar à diversité de polarisation cohérent. Les données d'entrée sont le profil de réflectivité ZH (ou Zv), ainsi que la mesure de la phase différentielle entre la voie H et la voie V. On vise ici à déterminer le paramètre No* (ainsi que le taux de pluie) dans les cas où l'atténuation est négligeable, par exemple cas de la pluie mesurée par la bande S, cas de pluies suffisamment faibles pour les bandes C et X, ou encore cas de la glace. Comme dans le procédé ZPHI, le présent procédé intègre deux types de données : la réflectivité ZH (ou Zv, ou plus généralement Ze) et la phase différentielle Cop. Dans la mesure où l'atténuation est négligeable, la réflectivité mesurée peut être directement utilisée dans l'estimation du taux de pluie R, moyennant une estimation du paramètre No* qui est précisément l'objet du présent procédé. Le procédé repose sur la relation universelle qui lie la réflectivité équivalente Ze (mm6m-3) et le taux de phase différentielle KDp ( km') : Où a et b sont des coefficients spécifiés par le modèle de diffusion, qui dépendent du type de précipitations (pluie ou type de cristal de glace) et qui sont légèrement fonction de la température. La détermination du type de précipitations peut être opérée par une méthode de classification du type de celle décrite par Straka, Zrnié et Ryzhkov (2000). Plus généralement, le modèle de diffusion définit la relation : En intégrant (1) ou (2) entre les deux bornes r1 et r2 du segment d'intégation (r1 Soit : Il ne reste plus alors qu'à transporter cette estimée de No dans la relation universelle liant R à Ze : pour obtenir l'estimée de R. Dans le cas général ou la relation KDP-Ze s'écrit sous la forme (2), (3) devient : On n'a alors pas de solution analytique pour No*, mais une solution numérique peut être trouvée par méthode numérique itérative en utilisant comme valeur de départ pour No ( first guess ) la solution (4). Dans le cas de la glace, qui n'atténue pratiquement pas l'onde radar quelle que soit la fréquence utilisée (bandes X, C et S), les limites d'application ne sont pas fixées. Dans le cas de la pluie, l'application du procédé est contrainte par une atténuation négligeable entre les points r1 et r2 (r2 > r1). Plus spécifiquement, les conditions d'application qui conduisent à une erreur de 3 dB sur No sont (pour T = 10 C, et une loi de distribution de tailles de gouttes de type gamma avec un paramètre de forme égal à 2) : Pour la bande X : [ODp (r2)-Dp (ri)] = Pour la bande C : [CDp (r2)-CDp (ri)] =10 Pour la bande S : [#DP(r2) - #DP(r1)] = # 64 Les domaines d'application principaux de l'invention sont : les mêmes domaines d'application que dans le cas de l'algorithme ZPHI, à savoir l'estimation de la pluie sur les bassins versants pour la surveillance des crues et la gestion des ressources en eau. Cette application est valable pour tout type de pluie pour la bande S, ou aux pluies suffisamment faibles pour les bandes C et X. l'estimation des précipitations en phase glace. L'invention présente également de nombreuses autres applications en météorologie. [1] Differential propagation phase shift and rainfall rate estimation, Sachidananda M. et Zrnié D. S., Radio Science, 21-2, p. 235-247 (1986). [2] Polarimetric method for ice water content determination, Ryshkov A. V., Zrnié D. S. et B. A. Gordon, J. Appl. Meteor., p125-134 (1998). [3] The rain profiling algorithm applied to polarimetric weather radar, Testud J. E. Le Bouar, E. Obligis et M. Ali-Mehenni, J. Atmos. Oceanic Technol., 17, p332-356 (2000). [4] Bulk hydrometeor classification and quantification using polarimetric radar data : Synthesis of relations, Straka J. M., D. S. Zrnié, A. V. Ryzhkov, J. Appl. Meteor., 39, p1341-1372 (2000). REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation d'un taux de précipitation dans le cas d'une pluie ne générant qu'une atténuation négligeable, au moyen d'un radar bipolaire, constitué par les étapes suivantes : - on mesure, au moyen dudit radar bipolaire, sur un intervalle [ro, r1] donné de rayon de trajet par rapport audit radar, la phase différentielle Cop et la réflectivité apparente Ze selon au moins l'une des polarisations H ou V ; - on détermine une estimation de la valeur No* représentative de la distribution dimensionnelle des gouttes de pluie, à partir de la différence de la phase différentielle entre ro et r1 et à partir d'une intégrale d'une fonction de la réflectivité apparente Ze le long de l'intervalle [ro, r1] ; - on déduit la valeur du taux de précipitation en un point à partir de No et de la réflectivité apparente en ce point. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déduit No directement à partir de la différence de phase différentielle entre ro et r1 et à partir de l'intégrale de la réflectivité apparente Ze élevée à un exposant choisi. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'exposant choisi est un exposant b, qui vérifie : ou KDP est le taux de variation de la phase différentielle le long du rayon, a et b étant spécifiés par le type de précipitation considéré et par la température. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le type de précipitation est un type correspondant parmi le type pluie et le type cristal de glace. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de la réflectivité apparente qui est intégrée est dépendante de No, et en ce que le procédé inclut le fait de calculer à plusieurs itérations cette fonction, avec une valeur No* déterminée à l'itération précédente. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on calcule No* à partir de la relation : où Cop est la phase différentielle et où F est une fonction vérifiant la relation : où KDP est le taux de variation de la phase différentielle le long du rayon. 7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que l'on utilise, à une première itération, la valeur de No donnée par : 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on détermine le taux de pluie R à partir de No* et de la réflectivité apparente Ze par la relation : 9. Dispositif pour l'estimation d'un taux de précipitation comportant un radar bipolaire, ainsi que des moyens de traitement, ledit radar comportant des moyens pour la mesure de la phase différentielle et de la réflectivité selon au moins une des polarisations H ou V, caractérisé en ce que les moyens de traitement mettent en oeuvre les différentes étapes de traitement du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.