Mesure de la réfractivité atmosphérique par radar météorologique : comparaison avec un réseau de capteurs au sol.

International audienceLes radars météorologiques peuvent mesurer les changements de l'indice de réfraction de l'air dans les basses couches de l'atmosphère (Fabry et al., 1997, Fabry 2004). En utilisant les changements de phase provenant de cibles fixes aux alentours du radar, cette mesure permet d'obtenir une mesure de la réfractivité atmosphérique. Celle-ci dépend de la pression, la température et l'humidité. Les échos exploitables proviennent en général des cibles fixes telles que des châteaux d'eau, des tours ou des pylônes électriques. Pendant la campagne HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean expriment), cette mesure a été implémentée avec succès sur les radars bande S du réseau opérationnel de Météo-France. Afin de mieux comprendre les sources d'erreur autour de cette mesure, en particulier lorsque l'on monte en fréquence, Besson et al. 2012 a mené une simulation à partir des données de stations météorologiques automatiques. Cela a permis de mettre en avant une plus forte variabilité du signal l'été et en fin d'après-midi, quand la réfractivité est très sensible aux changements d'humidité. Cette simulation a ensuite été confirmée par des mesures radar. Est-il alors possible d'obtenir une information sur la turbulence à partir de cette mesure ? Pour échantillonner la variabilité spatiale et temporelle de la réfractivité, une analyse a été menée sur un an de données provenant du radar en bande C de Trappes, conjointement à une comparaison avec les stations automatiques alentours. L'étude présentée ici a permis de montrer qu'un lien qualitatif et quantitatif peut être établi entre les variabilités de la réfractivité mesurée par radar ou par les stations automatiques, qui sont liées à la turbulence atmosphérique de basses couches

Variability of atmospheric boundary layer refractivity observed by meteorological radar

L'observation de la variabilité de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère peut être réalisée en passant par la mesure du paramètre thermodynamique appelé réfractivité. Les radars météorologiques peuvent mesurer les changements de réfractivité dans la couche limite de l'atmosphère en exploitant la phase des signaux de retour des cibles fixes situées aux alentours. La cartographie de ce paramètre a été mise en place à plusieurs reprises lors de campagne de mesures aux Etats-Unis et en Europe, ce qui a démontré qu'elle est maintenant possible dans un rayon de 30 km autour du radar, avec une résolution temporelle de 15 minutes et une résolution spatiale de 5 km. . Un travail de simulation fait par Besson et al. 2012, à l'origine fait pour étudier les sources d'erreur de repliement de la phase, a permis de montrer que la variabilité de la réfractivité augmente considérablement notamment pendant les après-midi et l'été. Depuis trois ans, le travail mené au LATMOS et à Météo-France a consisté à étudier la possibilité de mesurer les fluctuations à l'échelle hectométrique dans l'atmosphère en utilisant la variabilité de la réfractivité. La première étape de ce travail, basée sur un jeu de données issues des réseaux opérationnels de Météo-France (stations automatiques et radar de Trappes) a permis d'établir un lien clair entre les variabilités à 5 minutes, de la réfractivité radar, et de la réfractivité in-situ.La deuxième étape du travail a consisté à regarder la nature de ce lien à plus petite échelle pour comprendre les limites éventuelles de la mesure. Ainsi, une campagne de mesure, TeMeRAiRE (Test de la Mesure de Réfractivité Atmosphérique par Radar à l'Echelle hectométrique) a été menée durant l'été 2014 sur le site instrumenté du SIRTA. Afin de se placer en conditions contrôlées, deux radars ont été placés en visée fixe et horizontale vers 4 réflecteurs connus. L'échantillonnage temporel était de 0,25s pour BASTA et de 1,5ms pour CURIE. Des stations de mesures in-situ ont également été placées à côtés des cibles. Les premiers résultats montrent que la mesure de réfractivité, et de sa variabilité, est possible aux fréquences utilisées (bande X et bande W), ce qui constitue en soi une première. Nous avons aussi pu démontrer que la différentiation spatiale conduit à une résolution spatiale de l'ordre de 100m, et proposer une explication pour un comportement spécifique, et très localisé, de la réfractivité sur le site du SIRTA. e but est maintenant de regarder, par le biais de comparaisons entre les différents instruments, si la mesure radar de la variabilité de la réfractivité dans un volume d'atmosphère constitue effectivement une mesure locale, et si cette dernière peut donner une information sur l'état turbulent de l'atmosphère et son évolution.Weather radars can retrieve refractivity changes based on phase variations of stationary targets. These retrievals provide valuable information of moisture in the atmospheric boundary layer along the radar path. Recent work on errors associated with these retrievals has shown that the refractivity variability is stronger during the afternoon and the summer season. This observation has led us to study further the link between the refractivity variability measured by radar and the small scales atmospheric fluctuations. First, we compared the variability of the refractivity retrieved from operational weather radars operating at C-band (5.6 GHz) to the variability of the refractivity directly measured by Automatic Weather Stations (AWS). A strong correlation between the two measurements was shown with a negative bias increasing with range from the radar. The bias is well explained when the variability signal is strong if one considers the model of a frozen turbulence transported by the wind. In winter, the measured variability was weaker and close to quantization noise of the AWS measurements, so it was more difficult to draw thesame conclusions. Overall, we were able to demonstrate qualitatively and quantitatively that the refractivity variability retrieved using the radar observations and measured by AWS stations is due to low-level coherent turbulent structures. Next, in order to obtain information at hectometre’s scales, a dedicated field campaign was conducted at SIRTA atmospheric observatory, near Paris. From June to September 2014 two radars (a 94 GHz W-band and a 9.5 GHz X-band radar) were pointing horizontally toward four corner reflectors aligned along a 700 meters line. Two wind and humidity high frequency measurement towers were deployed near the targets. Inter-comparisons between radar and in-situ refractivity measurement also showed a very good correlation. We finally demonstrated the possibility to compute radar refractivity on the path between two targets separated by 50 to 350 m and used this measure of the local variability of the refractivity to identify boundary processes linked to low level atmospheric turbulence

Variabilité de la réfractivité dans la couche limite atmosphérique par observation radar

Weather radars can retrieve refractivity changes based on phase variations of stationary targets. These retrievals provide valuable information of moisture in the atmospheric boundary layer along the radar path. Recent work on errors associated with these retrievals has shown that the refractivity variability is stronger during the afternoon and the summer season. This observation has led us to study further the link between the refractivity variability measured by radar and the small scales atmospheric fluctuations. First, we compared the variability of the refractivity retrieved from operational weather radars operating at C-band (5.6 GHz) to the variability of the refractivity directly measured by Automatic Weather Stations (AWS). A strong correlation between the two measurements was shown with a negative bias increasing with range from the radar. The bias is well explained when the variability signal is strong if one considers the model of a frozen turbulence transported by the wind. In winter, the measured variability was weaker and close to quantization noise of the AWS measurements, so it was more difficult to draw thesame conclusions. Overall, we were able to demonstrate qualitatively and quantitatively that the refractivity variability retrieved using the radar observations and measured by AWS stations is due to low-level coherent turbulent structures. Next, in order to obtain information at hectometre’s scales, a dedicated field campaign was conducted at SIRTA atmospheric observatory, near Paris. From June to September 2014 two radars (a 94 GHz W-band and a 9.5 GHz X-band radar) were pointing horizontally toward four corner reflectors aligned along a 700 meters line. Two wind and humidity high frequency measurement towers were deployed near the targets. Inter-comparisons between radar and in-situ refractivity measurement also showed a very good correlation. We finally demonstrated the possibility to compute radar refractivity on the path between two targets separated by 50 to 350 m and used this measure of the local variability of the refractivity to identify boundary processes linked to low level atmospheric turbulence.L'observation de la variabilité de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère peut être réalisée en passant par la mesure du paramètre thermodynamique appelé réfractivité. Les radars météorologiques peuvent mesurer les changements de réfractivité dans la couche limite de l'atmosphère en exploitant la phase des signaux de retour des cibles fixes situées aux alentours. La cartographie de ce paramètre a été mise en place à plusieurs reprises lors de campagne de mesures aux Etats-Unis et en Europe, ce qui a démontré qu'elle est maintenant possible dans un rayon de 30 km autour du radar, avec une résolution temporelle de 15 minutes et une résolution spatiale de 5 km. . Un travail de simulation fait par Besson et al. 2012, à l'origine fait pour étudier les sources d'erreur de repliement de la phase, a permis de montrer que la variabilité de la réfractivité augmente considérablement notamment pendant les après-midi et l'été. Depuis trois ans, le travail mené au LATMOS et à Météo-France a consisté à étudier la possibilité de mesurer les fluctuations à l'échelle hectométrique dans l'atmosphère en utilisant la variabilité de la réfractivité. La première étape de ce travail, basée sur un jeu de données issues des réseaux opérationnels de Météo-France (stations automatiques et radar de Trappes) a permis d'établir un lien clair entre les variabilités à 5 minutes, de la réfractivité radar, et de la réfractivité in-situ.La deuxième étape du travail a consisté à regarder la nature de ce lien à plus petite échelle pour comprendre les limites éventuelles de la mesure. Ainsi, une campagne de mesure, TeMeRAiRE (Test de la Mesure de Réfractivité Atmosphérique par Radar à l'Echelle hectométrique) a été menée durant l'été 2014 sur le site instrumenté du SIRTA. Afin de se placer en conditions contrôlées, deux radars ont été placés en visée fixe et horizontale vers 4 réflecteurs connus. L'échantillonnage temporel était de 0,25s pour BASTA et de 1,5ms pour CURIE. Des stations de mesures in-situ ont également été placées à côtés des cibles. Les premiers résultats montrent que la mesure de réfractivité, et de sa variabilité, est possible aux fréquences utilisées (bande X et bande W), ce qui constitue en soi une première. Nous avons aussi pu démontrer que la différentiation spatiale conduit à une résolution spatiale de l'ordre de 100m, et proposer une explication pour un comportement spécifique, et très localisé, de la réfractivité sur le site du SIRTA. e but est maintenant de regarder, par le biais de comparaisons entre les différents instruments, si la mesure radar de la variabilité de la réfractivité dans un volume d'atmosphère constitue effectivement une mesure locale, et si cette dernière peut donner une information sur l'état turbulent de l'atmosphère et son évolution

Comparison Between Radar and Automatic Weather Station Refractivity Variability

International audienceWeather radars measure changes in the refractive index of air in the atmospheric boundary layer. The technique uses the phase of signals from ground targets located around the radar to provide information on atmospheric refractivity related to meteorological quantities such as temperature, pressure and humidity. The approach has been successfully implemented during several field campaigns using operational S-band radars in Canada, UK, USA and France. In order to better characterize the origins of errors, a recent study has simulated temporal variations of refractivity based on Automatic Weather Station (AWS) measurements. This reveals a stronger variability of the refractivity during the summer and in the afternoon when the refractivity is the most sensitive to humidity, probably because of turbulence close to the ground. This raises the possibility of retrieving information on the turbulent state of the atmosphere from the variability in radar refractivity. An analysis based on a 1-year dataset from the operational C-band radar at Trappes (near Paris, France) and AWS refractivity variability measurements was used to measure those temporal and spatial variabilities. Particularly during summer, a negative bias increasing with range is observed between radar and AWS estimations, and is well explained by a model based on Taylor’s hypotheses. The results demonstrate the possibility of establishing, depending on season, a quantitative and qualitative link between radar and AWS refractivity variability that reflects low-level coherent turbulent structures

HD Rain

International audienceLe principe de la pluie présenté ici consiste à utiliser de manière opportuniste les signaux de télévision provenant de satellites géostationnaires émettant en bande de fréquence Ku. A cette fréquence, ces signaux sont atténués (notamment) par la pluie. La société HD Rain a développé des boîtiers électroniques (capteurs) capables notamment de mesurer l’atténuation subie par le signal provenant de tels satellites. Ces capteurs sont connectés derrière des antennes commerciales de réception satellitaire (paraboles). Un premier algorithme est appliqué pour extraire la part de l’atténuation due à la pluie et ainsi remonter - via des relations classiques de la littérature sur le sujet - au taux de pluie moyen sur la liaison sol - satellite dans la couche de pluie. Il s’agit ensuite de déployer un réseau de tels capteurs sur une zone à couvrir. Ensuite un second algorithme d’assimilation de données permet de combiner les mesures effectuées par ces capteurs et de produire des cartes de la pluie tombant sur la zone. Un algorithme classique (dit de nowcasting) est ensuite appliqué pour effectuer des prévisions de pluie à 1 ou 2h dans la direction du vent. A ce jour deux systèmes ont été déployés, un à Toulouse (France) et le deuxième à Manaus (Brésil). Nous présentons quelques résultats et comparaisons avec d’autres types de mesure (radar, pluviomètre)

Weather radar refractivity variability in the boundary layer of the atmosphere

International audienceWeather radars could measure the change in the refractive index of air in the boundary layers of the atmosphere. This technic uses the phase of the signal from ground targets located around weather radars. This measure provides information on atmospheric refractivity which depends on meteorological parameters such as temperature, pressure and humidity. During the HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean Experiment) campaign, refractivity measurements were implemented on several S-band radars of ARAMIS (Application Radar à la Météorologie Infra-Synoptique) French radar network. A study has shown that phase changes have a high temporal variability on both daily and seasonal scales. This variability could be very probably linked to the boundary layer turbulent level. In order to sample temporal and spatial phase variability, an analysis based on a 1-year dataset from S-band and C-band ARAMIS radars and Automatic Weather Stations (AWS) measurements is presented. This inter-comparison, of both radar and AWS measurements, gives a better knowledge of the relationship between the variability of radar refractivity measurements and turbulent level. In further investigations, particular attention will be paid to the phase time derivate and spatial variations during a campaign in controlled conditions. This will help answering the question of recovering boundary-layer turbulent level information from radar refractivity measurements

Présentation de la campagne TeMeRAiRE (Test de la Mesure de la Réfractivité Atmosphérique par Radar à l’Echelle hectométrique), visite du site expérimental

International audienc

Le radar BASTA, une alternative aux radars pulsés à 95GHz avec de multiples applications

International audienceUn radar pour étudier les nuages et le brouillar

BASTA: A 95-GHz FMCW Doppler radar for cloud and fog studies

International audienceDoppler cloud radars are amazing tools to characterize cloud and fog properties and to improve their representation in models. However commercially-available cloud radars (35 and 95 GHz) are still very expensive, which hinders their widespread deployment. In this study we present the development of a lower-cost semi-operational 95 GHz Doppler cloud radar called BASTA for Bistatic rAdar SysTem for Atmospheric studies. In order to drastically reduce the cost of the instrument a different approach is used compared to traditional pulsed radars: instead of transmitting a large amount of energy for a very short time period (as a pulse), a lower amount of energy is transmitted continuously. In the paper we show that using specific signal processing technique the radar can challenge expensive radars and provide high-quality measurements of cloud and fog. The latest version of the instrument has a sensitivity of about -50 dBZ at 1 km for 3 s integration and a vertical resolution of 25 m. BASTA radar currently uses four successive modes for specific applications: the 12.5 m vertical resolution mode is dedicated to fog and low clouds, the 25 m mode is for liquid and ice mid-tropospheric clouds and the 100 m and 200 m are ideal for optically-thin high-level ice clouds. We also highlight the advantage of such a radar for calibration procedures and field operations. The radar comes with a set of products dedicated to cloud and fog studies. For instance, cloud mask, corrected Doppler velocity and multi mode products combining high sensitivity mode and high resolution modes are provided

Campagne TEMERAIRE (Test de la Mesure de la Réfractivité Atmosphèrique par Radar à l'Echelle hectométrique) - été 2014

International audienc