Les bases du radar et le décalage doppler

NEXRAD (Next Generation Radar) obtient des informations météorologiques (précipitations et vent) en fonction de l’énergie renvoyée. Le radar émet une rafale d’énergie (en vert dans l’image animée). Si l’énergie frappe un objet (goutte de pluie, flocon de neige, grêle, insecte, oiseau, etc.), elle est diffusée dans toutes les directions (bleu). Remarque : c’est une petite fraction de l’énergie émise qui est diffusée directement vers le radar.

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Ce signal réfléchi est ensuite reçu par le radar pendant sa période d’écoute. Les ordinateurs analysent la force de l’impulsion renvoyée, le temps qu’elle a mis pour aller jusqu’à l’objet et en revenir, et la phase, ou décalage doppler, de l’impulsion. Ce processus d’émission d’un signal, d’écoute de tout signal retourné, puis d’émission du signal suivant, se déroule très rapidement, jusqu’à environ 1300 fois par seconde !

NEXRAD passe la grande quantité de temps à « écouter » les signaux de retour qu’il a envoyés. Lorsque le temps de toutes les impulsions de chaque heure est totalisé (le temps que le radar transmet réellement), le radar est « allumé » pendant environ 7 secondes chaque heure. Les 59 minutes et 53 secondes restantes sont consacrées à l’écoute des éventuels signaux de retour.

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La capacité à détecter le « déphasage » de l’impulsion d’énergie fait de NEXRAD un radar Doppler. La phase du signal de retour change généralement en fonction du mouvement des gouttes de pluie (ou des insectes, de la poussière, etc.). L’effet Doppler doit son nom au physicien autrichien Christian Doppler, qui l’a découvert. Vous avez très probablement fait l’expérience de l' »effet Doppler » autour des trains.

Lorsqu’un train passe devant chez vous, vous avez peut-être remarqué que la hauteur du son du sifflet du train changeait d’aigu à grave. À l’approche du train, les ondes sonores qui composent le sifflet sont comprimées, ce qui rend le ton plus aigu que si le train était immobile. De même, lorsque le train s’éloigne de vous, les ondes sonores sont étirées, ce qui diminue la hauteur du son du sifflet. Plus le train se déplace rapidement, plus le changement de hauteur du sifflet est important lorsqu’il passe devant votre emplacement.

Le même effet se produit dans l’atmosphère lorsqu’une impulsion d’énergie provenant de NEXRAD frappe un objet et est réfléchie vers le radar. Les ordinateurs du radar mesurent le changement de phase de l’impulsion d’énergie réfléchie qui convertit ensuite ce changement en une vitesse de l’objet, soit vers le radar, soit à partir du radar. Les informations sur le mouvement des objets se rapprochant ou s’éloignant du radar peuvent être utilisées pour estimer la vitesse du vent. Cette capacité à « voir » le vent est ce qui permet au National Weather Service de détecter la formation de tornades, ce qui, à son tour, nous permet d’émettre des alertes aux tornades avec un préavis plus avancé.

Dans l’image ci-dessus, la ligne grise est le signal transmis. Vous pouvez voir comment
l’énergie renvoyée change ses caractéristiques de longueur d’onde lorsqu’elle frappe
une cible qui s’éloigne ou se rapproche du radar (ligne rouge et verte, respectivement)

Maintenant, examinons les données du radar

Il existe deux types principaux de données, la vitesse et la réflectivité.

Les données de réflectivité nous montrent la force de l’énergie qui est renvoyée au radar après avoir rebondi sur les cibles de précipitation. D’autres cibles non précipitées renverront de l’énergie, mais pour l’instant, nous ne nous occuperons que des précipitations. En général, plus l’énergie renvoyée est forte, plus les précipitations sont importantes. Apprenez-en plus sur la réflectivité ici.

Les données de vitesse sont dérivées de la phase, ou du décalage doppler de l’énergie renvoyée. Les ordinateurs du radar calculent ce décalage et déterminent si les précipitations se rapprochent ou s’éloignent du radar, et à quelle vitesse, puis appliquent une couleur correspondante à ces directions et vitesses. Le rouge correspond généralement à une cible qui s’éloigne du radar, tandis que le vert est appliqué aux cibles qui se rapprochent du radar. L’intensité de ces couleurs détermine sa vitesse estimée. Apprenez-en plus sur la vélocité ici.

Dans l’image ci-dessus, vous pouvez voir les données de vélocité qui sont associées à une forte tempête représentée dans les données de réflectivité. C’est un excellent exemple de ce à quoi ressemble une tornade dans l’affichage de la vélocité. Cliquez sur l’image pour obtenir de meilleurs détails. Le radar est situé au sud-est, ou en bas à droite de l’écran de l’ordinateur. Notez le rouge vif, ou les fortes vitesses de sortie, juste à côté du vert vif, ou des vitesses d’entrée. Cela indique une colonne d’air en forte rotation. Lorsqu’il est couplé à un modèle de réflectivité qui présente une signature de crochet, comme dans ce cas, il y a souvent une tornade en cours ou sur le point de se produire.

Parfois, le radar Doppler WSR-88D voit des cibles qui ne sont pas des précipitations

S’il y a une « cible » là-bas et qu’elle réfléchit l’énergie radar vers le radar, celui-ci l’affichera comme s’il s’agissait de précipitations. Le radar a effectivement une certaine logique intégrée pour l’aider à discriminer entre les précipitations et les cibles non précipitées. Mais, parfois, nous voyons des choses curieuses sur notre écran radar. En voici quelques-unes:

Annaux de perchoirs d’oiseaux. Ceux-ci sont plus fréquents à l’automne autour des plans d’eau qui ont généralement des températures plus chaudes que la terre environnante la nuit. C’est aussi le moment où les oiseaux se rassemblent pour la migration saisonnière. La nuit, les oiseaux se reposent/nichent dans les lacs et autour d’eux. Juste avant le lever du soleil, il y a souvent un décollage coordonné et une dispersion des oiseaux dans les champs environnants pour se nourrir pendant la journée. Cliquez sur l’image à gauche pour une animation rapide des bagues d’oiseaux.

Propagation anormale

Terrain

AP & Terrain

Propagation anormale. Sur la base de notre compréhension des caractéristiques du faisceau radar, nous nous attendons à ce que le faisceau radar quitte le radar et se propage dans l’atmosphère de manière standard. Cependant, il arrive que l’atmosphère provoque une super-réfraction ou une canalisation du faisceau à travers l’atmosphère. Dans ce cas, le faisceau est parfois courbé vers le bas, ce qui fait qu’une partie de l’énergie radar touche le sol et renvoie de l’énergie au radar, générant une propagation anormale (AP). Les trois images ci-dessus montrent un cas intéressant. Dans la première image à gauche, la zone encerclée montre une AP isolée. L’image du milieu est une carte du terrain du sud du Wisconsin. L’image de droite montre la PA superposée à la carte du terrain. Notez comment le terrain élevé des collines de Baraboo est mis en évidence par le radar. Nous savons qu’il s’agit d’AP puisque nous avons confirmé par satellite et d’autres observations que les cieux étaient clairs.

Interférence des parcs éoliens. Les parcs éoliens peuvent avoir un impact sur les radars Doppler de trois façons si les pales des turbines sont en mouvement et qu’elles se trouvent dans la ligne de visée du radar. Si elles sont suffisamment proches (à quelques kilomètres près), elles peuvent bloquer partiellement un pourcentage important du faisceau et atténuer les données en aval du parc éolien. Ils peuvent également renvoyer de l’énergie vers le radar et apparaître comme un fouillis (AP) sur l’image radar et contaminer les données de réflectivité de base. Les données de réflectivité sont utilisées par les algorithmes radar pour estimer les précipitations et détecter certaines caractéristiques des orages. Enfin, ils peuvent avoir un impact sur les données de vitesse, qui sont également utilisées par les opérateurs radar et par une variété d’algorithmes dans les processeurs de données du radar pour détecter certaines caractéristiques de l’orage, comme les mésocyclones, le mouvement relatif de l’orage, la turbulence, etc. Pour en savoir plus, cliquez ici.

Interférences solaires. Deux fois par jour, au lever et au coucher du soleil, le radar subit des interférences dues à l’énergie électromagnétique émise par le soleil. Il y a un moment au lever et au coucher du soleil où la parabole du radar pointe directement vers le soleil et est touchée par cette énergie. Cela s’affiche alors sur notre écran sous la forme d’un pic d’énergie renvoyée. Il est bref et ne se produit généralement que pendant un seul balayage du volume. Remarquez sur l’image de gauche que le coucher du soleil est légèrement au sud de plein ouest. La date est le 11 mars 2009. Dans moins de 2 semaines, nous serons à l’équinoxe de printemps. Le soleil se couchera plein ouest par rapport au radar.

Panaches de fumée. Pendant les périodes sèches, lorsqu’il y a des brûlages contrôlés ou des feux de forêt non maîtrisés en cours, notre radar détectera les panaches de fumée associés aux incendies. La plupart des grands panaches de fumée proviennent de brûlages dirigés ou contrôlés. Il s’agit de feux allumés intentionnellement par les autorités fédérales/étatiques/locales à des fins de gestion des terres. D’autres incendies peuvent se produire sur des terrains privés. Les deux panaches de cet exemple (cliquez sur l’image pour une animation) étaient des brûlages dirigés par le DNR du Wisconsin.