Radar rainfall estimation for the post-event analysis of a Slovenian flash-flood case: application of the Mountain Reference Technique at C-band frequency

International audienceThis article is dedicated to radar rainfall estimation for the post-event analysis of a Slovenian flash flood that occurred on 18 September 2007. The utility of the Mountain Reference Technique is demonstrated to quantify rain attenuation effects that affect C-band radar measurements in heavy rain. Maximum path-integrated attenuation between 15 and 20 dB were measured thanks to mountain returns for path-averaged rain rates between 10 and 15 mm h−1 over a 120-km path. The proposed technique allowed estimation of an effective radar calibration correction factor, assuming the reflectivity-attenuation relationship to be known. Screening effects were quantified using a geometrical calculation based on a digitized terrain model of the region. The vertical structure of the reflectivity was modelled with a normalized apparent vertical profile of reflectivity. Implementation of the radar data processing indicated that: (1) attenuation correction using the Hitschfeld Bordan algorithm allowed obtaining satisfactory radar rain estimates (Nash criterion of 0.8 at the event time scale); (2) due to the attenuation equation instability, it is however compulsory to limit the maximum path-integrated attenuation to be corrected to about 10 dB; (3) the results also proved to be sensitive on the parameterization of reflectivity-attenuation-rainrate relationships. The convective nature of the precipitation explains the rather good performance obtained. For more contrasted rainy systems with convective and stratiform regions, the combination of the vertical (VPR) and radial (attenuation, screening) sources of heterogeneity yields a still very challenging problem for radar quantitative precipitation estimation at C-band

Précipitations méditerranéennes intenses -caractérisation microphysique et dynamique dans l'atmosphère et impacts au sol

Cette étude propose une unification des formulations mono- et multi-moments de la distribution granulométrique des pluies (DSD pour drop size distribution ) proposées dans la littérature dans le cadre des techniques de mise à l échelle (scaling). On considère dans un premier temps que la DSD normalisée par la concentration en gouttes (Nt, moment d'ordre 0 de la DSD) peut s écrire comme une fonction de densité de probabilité (ddp) du diamètre normalisé par un diamètre caractéristique (Dc). Cette ddp, notée g(x) avec x=D/Dc, aussi appelé distribution générale, semble être bien représentée par une loi gamma à deux paramètres. Le choix d un diamètre caractéristique particulier, le rapport des moments d ordre 4 et 3, conduit à une relation d auto-consistance entre les paramètres de la fonction g(x). Deux méthodes différentes, fondées sur 3 moments particuliers de la DSD (M0, M3 et M4) ou bien sur des moments multiples (de M0 à M6) sont proposées pour l estimation des paramètres et ensuite évaluées sur 3 ans d observations de DSD recueillies à Alès dans le cadre de l'Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHMCV). Les résultats révèlent que: 1) les deux méthodes d estimation des paramètres ont des performances équivalentes; 2) malgré la normalisation, une grande variabilité de la DSD est toujours observée dans le jeu de données mis à l échelle. Ce dernier point semble résulter de la diversité des processus micro-physiques qui conditionnent la forme de la DSD.Cette formulation est ensuite adaptée pour une mise à l échelle avec un ou deux moments de la DSD en introduisant des modèles en loi puissance entre des moments dits de référence (par exemple l intensité de la pluie R et / ou le facteur de réflectivité radar Z) et les moments expliqués (concentration en gouttes Nt, diamètre caractéristique Dc). De manière analogue à la première partie du travail, deux méthodes sont proposées pour estimer des paramètres climatologiques des DSD mises à l échelle par un ou deux DSD moment(s). Les résultats montrent que: 1) la méthode d'estimation a un impact significatif pour la formulation de mise à l'échelle par un seul moment; 2) le choix du moment de référence dépend des objectifs d étude: par exemple, le modèle mis à l'échelle par des moments d'ordre élevé produit une bonne performance pour les grosses gouttes mais pas pour les petites; 3) l utilisation de deux moments au lieu d un seul améliore significativement la performance du modèle pour représenter les DSD.Notre modèle est ensuite appliqué pour analyser la variabilité inter- événementielle selon trois paramètres (Nt, Dc et , ce dernier paramètre décrivant la forme de la fonction gamma). Différentes séquences de pluie ont été identifiées de façon subjective pour l événement pluvieux intense des 21-22 octobre 2008 par des changements brusques des moments et/ou paramètres dans les séries temporelles correspondantes. Ces phases de pluie sont liées à des processus météorologiques différents. Une relation préliminaire est établie entre les observations radar et la variation des paramètres des DSD au sol telle que mesurée par le disdromètre. Les formulations de mise à l échelle sont également appliquées pour des estimations des densités de flux d énergie cinétique des précipitations à partir de l'intensité de la pluie et / ou de la réflectivité radar. Les résultats confirment que l utilisation de deux moments (R et Z) améliore significativement les performances de ces modèles, malgré les caractéristiques d'échantillonnage très différentes des radars et des pluviomètres. Cette application ouvre des perspectives intéressantes pour la spatialisation de l énergie cinétique des pluies dans le cadre des études sur le pouvoir érosif des pluies.This study offers a unified formulation for the single- and multi-moment raindrop size distributions (DSD), which were proposed in the framework of scaling analysis in the literature. The key point is to consider the DSD scaled by drop concentration (Nt, 0th order DSD moment), as a probability density function (pdf) of raindrop diameter scaled by characteristic diameter (D/Dc). The Dc is defined as the ratio of the 4th to the 3rd DSD moment. A two-parameter gamma pdf model, with a self-consistency relationship, is found to be suitable for representing the scaling DSD formulation. For the purpose of parameter estimation, two different methods, based on three DSD moments (0th, 3rd and 4th moments) and multiple DSD moments (from 0th to 6th moments), are proposed and then evaluated through the 3-year DSD observations, collected at Alés within the activities of the Cévennes-Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory (CVMHO). The results reveal that: 1) the scaled DSD model parameterized by three moments (0th, 3rd and 4th moments) possesses a similar performance compared to that constructed by multiple DSD moments; 2) regardless the application of scaled technique, large variation is still exhibited in this climatological DSD scaled dataset. The scaled DSD formulation is, in a second step, adapted to the one- and two-moment scaling DSD formulations by introducing single and dual power-law models between the reference moments (e.g. rain rate R and/or radar reflectivity factor Z) and the explained moments (total concentration Nt, characteristic diameter Dc). Compared with previous DSD formulations presented in the literature, the presented approach explicitly accounts for the prefactors of the power-law models to produce a uniform and dimensionless scaled distribution, whatever the reference moment(s) considered. In the same manner, two methods based on 1) single or dual power-law models and 2) multiple DSD moments (from 0th to 6th moments), are proposed to estimate the climatological parameters in the one- and two-moment scaling DSD formulations. The results show that: 1) the estimation method has a significant impact on the climatological DSD formulation scaled by one moment; 2) the choice of the reference moment to scale DSD depends on the objectives of the research: e.g. the DSD model scaled by high order moment produces a good performance for large drops at the cost of a poor performance for the small ones; 3) using two scaling moments improves significantly the model performance to represent the natural DSD, compared to the one-moment DSD formulation. In terms of applications of scaling DSD model, the analysis of the inter-event variability is performed on the basis of the scaling formulation containing three parameters (Nt, Dc and describing the shape of the gamma function). Different rain phases can be identified by the sudden shifts of moments and parameters in DSD time series. It is found that these rain phases are well linked to different weather processes. And a preliminary relationship is established between the radar observations and DSD parameters. The climatological scaling DSD formulations are also used for the DSD reconstitutions and for rainfall kinetic energy flux density estimations by rain intensity and/or radar reflectivity factor. The results confirm that the application of two scaling moments (R and Z) improves significantly the performance of these models, regardless the different sampling characteristics between radar and raingauge.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Bollène-2002 experiment: radar quantitative precipitation estimation in the Cévennes–Vivarais region, France

The Bollène-2002 Experiment was aimed at developing the use of a radar volume-scanning strategy for conducting radar rainfall estimations in the mountainous regions of France. A developmental radar processing system, called Traitements Régionalisés et Adaptatifs de Données Radar pour l’Hydrologie (Regionalized and Adaptive Radar Data Processing for Hydrological Applications), has been built and several algorithms were specifically produced as part of this project. These algorithms include 1) a clutter identification technique based on the pulse-to-pulse variability of reflectivity Z for noncoherent radar, 2) a coupled procedure for determining a rain partition between convective and widespread rainfall R and the associated normalized vertical profiles of reflectivity, and 3) a method for calculating reflectivity at ground level from reflectivities measured aloft. Several radar processing strategies, including nonadaptive, time-adaptive, and space–time-adaptive variants, have been implemented to assess the performance of these new algorithms. Reference rainfall data were derived from a careful analysis of rain gauge datasets furnished by the Cévennes–Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory. The assessment criteria for five intense and long-lasting Mediterranean rain events have proven that good quantitative precipitation estimates can be obtained from radar data alone within 100-km range by using well-sited, well-maintained radar systems and sophisticated, physically based data-processing systems. The basic requirements entail performing accurate electronic calibration and stability verification, determining the radar detection domain, achieving efficient clutter elimination, and capturing the vertical structure(s) of reflectivity for the target event. Radar performance was shown to depend on type of rainfall, with better results obtained with deep convective rain systems (Nash coefficients of roughly 0.90 for point radar–rain gauge comparisons at the event time step), as opposed to shallow convective and frontal rain systems (Nash coefficients in the 0.6–0.8 range). In comparison with time-adaptive strategies, the space–time-adaptive strategy yields a very significant reduction in the radar–rain gauge bias while the level of scatter remains basically unchanged. Because the Z–R relationships have not been optimized in this study, results are attributed to an improved processing of spatial variations in the vertical profile of reflectivity. The two main recommendations for future work consist of adapting the rain separation method for radar network operations and documenting Z–R relationships conditional on rainfall type

The catastrophic flash-flood event of 8–9 September 2002 in the Gard region, France: a first case study for the Cévennes–Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory

The Cévennes–Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory (OHM-CV) is a research initiative aimed at improving the understanding and modeling of the Mediterranean intense rain events that frequently result in devastating flash floods in southern France. A primary objective is to bring together the skills of meteorologists and hydrologists, modelers and instrumentalists, researchers and practitioners, to cope with these rather unpredictable events. In line with previously published flash-flood monographs, the present paper aims at documenting the 8–9 September 2002 catastrophic event, which resulted in 24 casualties and an economic damage evaluated at 1.2 billion euros (i.e., about 1 billion U.S. dollars) in the Gard region, France. A description of the synoptic meteorological situation is first given and shows that no particular precursor indicated the imminence of such an extreme event. Then, radar and rain gauge analyses are used to assess the magnitude of the rain event, which was particularly remarkable for its spatial extent with rain amounts greater than 200 mm in 24 h over 5500 km2. The maximum values of 600–700 mm observed locally are among the highest daily records in the region. The preliminary results of the postevent hydrological investigation show that the hydrologic response of the upstream watersheds of the Gard and Vidourle Rivers is consistent with the marked space–time structure of the rain event. It is noteworthy that peak specific discharges were very high over most of the affected areas (5–10 m3 s−1 km−2) and reached locally extraordinary values of more than 20 m3 s−1 km−2. A preliminary analysis indicates contrasting hydrological behaviors that seem to be related to geomorphological factors, notably the influence of karst in part of the region. An overview of the ongoing meteorological and hydrological research projects devoted to this case study within the OHM-CV is finally presented

Précipitations méditerranéennes intenses en milieu urbain (interprétation physique et analyse statistique de mesures à fines échelles spatio-temporelles, impact de la variabilité spatiale sur la réponse de bassins versants)

Les régions du pourtour méditerranéen sont fréquemment soumises à des pluies violentes qui euvent engendrer des crues aux bilans humains et matériels catastrophiques. Ces récipitations onstituent l'objet d'étude de ce travail, qui s'appuie sur les données collectées à l'automne 998 à Marseille dans le cadre de l'expérimentation HIRE 98. L'analyse de mesures de deux adars locaux bande X a fourni des informations sur la pluie dans le plan vertical, notamment ar le profil vertical de réflectivité (PVR). Les structures spatiales et temporelles moyennes aractéristiques des précipitations méditerranéennes intenses sont ensuite estimées à l'aide des esures pluviométriques et radar bande S et bande X, par analyse géostatistique avec le ariogramme en 1 et 2 dimensions. Enfin, la simulation du fonctionnement hydrologique d'un nsemble de 8 bassins versants urbains et péri-urbains permet de quantifier l'impact de la ariabilité spatiale de la pluie sur les débits générés.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Visibilité hydrologique de radars météorologiques opérant en régions montagneuses (application au bassin versant de l'Ardèche)

L'utilisation du radar météorologique pour des applications hydrologiques est encore assez peu répandue. Si l'aspect qualitatif de la mesure radar représente un atout pour l'hydrologie, la mesure quantitative des précipitations bute en revanche sur l'existence de nombreuses sources d'erreurs inhérente à la physique de la mesure radar. En régions montagneuses, le relief constitue une limitation évidente de l'utilisation de cet appareil et le site d'implantation ainsi que le choix du protocole d'exploration apparaissent déterminants dans la qualité des mesures radar. Un objectif de ce travail consiste à prédéterminer la qualité de couverture d'un radar météorologique sur une région donnée. L'influence de trois sources d'erreurs prépondérantes de la mesure radar est modélisée permettant de quantifier et de visualiser la distribution spatiale des erreurs commises sur les intensités pluvieuses. L'intégration de ces cartes d'erreurs simulées dans un modèle hydrologique permet d'observer la répercussion sur la reconstitution des débits à l'exutoire d'un bassin versant de l'Ardèche (Vogué, 640kms2). Une évaluation de la qualité de mesure de deux radars du réseau ARAMIS de Météo France est proposée ainsi qu'une analyse des besoins en terme de corrections.Une partie de ce travail consiste par ailleurs à tirer parti de la présence d'échos de sol pour tester la stabilité temporelle de l'étalonnage électronique d'un radar en analysant le signal rétrodiffusé par un relief.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Distributed hydrological modeling of floods in the Cévennes-Vivarais region, France: Impact of uncertainties related to precipitation estimation and model parameterization

International audienc

Les facteurs génétiques des thromboses veineuses profondes

MONTPELLIER-BU Pharmacie (341722105) / SudocSudocFranceF