Dynamique et microphysique des systèmes convectifs de l'Afrique de l'Ouest : Une analyse d'une ligne de grains par radar Doppler polarimétrique

During the AMMA international project, aimed to observe the variability of the West African Monsoon, the C-band polarimetric Doppler radar RONSARD and a bistatic receiver have been deployed in northern Benin during summer 2006 in order to document dynamics and microphysics of monsoon-related convective systems.The preparation phase of this campaign gave us an opportunity to examine and to propose a solution to the problem involved in a monostatic-bistatic Doppler radar network: the sidelobe contamination of bistatic measurements by the monostatic radar antenna gain. This solution based on variational analysis, proposes an alternative solution to the forced rejection of bistatic Doppler data so far considered. Tests with synthetic and real data are performed and this method allow us to use the complete sampled dataset in order to retrieve 3D wind fields on more important domains, using classical dual-Doppler methods.During the campaign, the bistatic receiver did not work and only the RONSARD radar provided exploitable measurements on northern Benin. In particular, the RONSARD data collected within the 28th July 2006 squall line were used to document the dynamics and microphysics at convective scale and mesoscale in this study. Dynamics, comparable to those from previous studies, and hydrometeor distribution allow us to better understand the microphysical processes involved in different regions of interest. Microphysical retrievals are consistent with the airflow description showing an evident hydrometeor organization in the liquid phase with light, moderate and heavy rain in the convective part, and light to moderate rain in the stratiform rain. Near the 0° C isotherm, a melting layer of wet snow could be identified. In the convective region, graupel-hail mixture was found to be embedded in an overall region of dry snow and ice crystal. Melting of solid particles and coalescence of lighter rain particles could contribute to the moderate rain reinforcement of the precipitations. At mesoscale, a composite analysis shows that moderate rain was strongly correlated with the presence of graupel-hail mixture aloft and highlights the role played by evaporation under the trailing stratiform region.Dans le cadre du projet international AMMA, visant à documenter la variabilité de la Mousson Africaine de l'Ouest (MAO), le radar polarimétrique Doppler en bande-C, RONSARD, ainsi qu'un récepteur bistatique Doppler ont été déployés dans le nord du Bénin durant l'été 2006 pour appréhender la dynamique et la microphysique des systèmes convectifs caractéristiques de la Mousson. La phase de préparation de cette campagne a été l'occasion de proposer une solution au problème posé par un réseau de radar Doppler monostatique-bistatique : la contamination des données bistatiques par les lobes secondaires de la fonction d'antenne du radar monostatique. Cette solution basée sur l'analyse variationnelle permet de s'affranchir du rejet systématique de données bistatiques contaminées, pratiqué jusqu'alors. Testée avec des données synthétiques, puis réelles, cette méthode permet d'utiliser l'ensemble des données échantillonnées et donc d'assurer des restitutions 3D de champs de vent sur des domaines plus importants avec des méthodes Dual-Doppler classiques. Durant la campagne, le récepteur bistatique n'a pas fonctionné, et, seul le radar RONSARD a assuré une acquisition de mesures exploitables sur le nord du Bénin. Aussi, l'étude de la ligne de grains du 28 juillet 2006, qui fait suite à la phase expérimentale, sera principalement basée sur ces données. La dynamique et la microphysique de ce système ont pu être détaillées à l'échelle convective et à la mésoéchelle. Sa dynamique, comparable à des études antérieures sur le même thème, nous a permis en la comparant à sa distribution particulaire de mieux comprendre les processus microphysiques mis en jeu dans les différentes régions d'intérêt. Les restitutions microphysiques sont cohérentes avec les descriptions de la dynamique du système avec une évidente organisation des classes d'hydrométéores de la phase liquide en pluie fine, modérée et forte dans la partie convective, et en pluie fine à modérée dans la partie stratiforme. A proximité de l'isotherme 0°C, une couche de mélange composée de neige mouillée a été identifiée. Concernant la région convective, la phase solide nous a montré une structure mixte de neige roulée et de grêle, piégée dans un environnement de cristaux de glace et de neige sèche. La fonte des particules solides et la coalescence de particules fines de pluie contribuent au renforcement des précipitations en pluie moyenne. A la mésoéchelle, l'analyse composite a fait apparaître le lien entre les panaches de mélange de neige roulée et de grêle avec le renforcement de la pluie moyenne ainsi que le rôle joué par l'évaporation sous la partie stratiforme de la ligne de grains

A Variational Correction Method as an Alternative to Forced Rejection of Sidelobe-Contaminates Bistatic Doppler Measurements

The problem of sidelobe contamination of bistatic apparent Doppler velocity measurements involved in a bistatic Doppler radar network is examined. So far in the context of 3D wind field analysis, by combining a traditional Doppler radar with one or more bistatic receivers, identification and hence removal of regions of high degrees of contamination were necessarily crucial steps to obtaining reliable wind fields. This study proposes an alternative solution to the forced rejection of bistatic Doppler data suspected to be contaminated by sidelobe echoes, on the basis of restoring the nonmeasured “actual” (i.e., noncontaminated) bistatic Doppler velocity from both monostatic radar and bistatic receiver measurements. The correction method is based on a modeled expression of the observed bistatic apparent Doppler velocity defined as the reflectivity-weighted average of actual Doppler velocity of particles within individual volume samples, including the antenna gain pattern of both transmitting and receiving radars. The searched actual Doppler velocity is a solution of an underdetermined inverse problem that can be handled as a constrained linear inversion problem, through a variational least squares analysis method. The performances of the proposed method are analyzed, using simulated radar observations involving one remote receiver. An example of application to experimental data collected by the Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) bistatic Doppler radar network within a moderate precipitation system observed on 8 May 2000 in Germany is also presented. Pseudo-Doppler observations of a tropical squall-line system are used to quantify the effective improvement of the correction method on the bistatic Doppler velocity and hence the retrieved 3D wind field. Statistics of the differences are presented between observed and idealized (sidelobe free) velocity structures on the one hand, and corrected and idealized velocity structures on the other hand. Clearly shown is the very low level of the corrected minus idealized differences (mean and standard deviation) against the significantly high level of the observed minus idealized differences. As previously observed, maximum correction occurs in regions of potentially high gradients of reflectivity. It is also found that regions of low observed minus idealized differences remain unchanged after correction, which means that the sidelobe-correction method only acts on needed regions and does not introduce any artificial modification

Small Lab Debates: A Simple Way to Engage Your Students in the Scientific Experimental Approach

International audienceEngaging students in authentic scientific processes is a big difficulty for physics instructors. Because physics is inherently an experimental science, our laboratories can be a good place to do it. However, the purpose of experiments is often to demonstrate a principle that the students have already learned, and the emphasis is on quantitative data analysis with plenty of instructions on how to carry out the experiment. This method is at odds with the scientific approach. The AAPT lab recommendation has proposed six learning outcomes related to experimental activities. While some of these objectives can be developed with the traditional “cookbook” method, such as developing technical and practical laboratory skills, others will not. This is especially true for the two learning outcomes at the heart of the scientific process: 1) designing experiments to test models and hypotheses and 2) presenting results and ideas with reasoned arguments supported by experimental evidence. Several approaches have been developed to deal with this problem. However, these approaches are often very time consuming and require a complete overhaul of the way teaching is organized. The need to make such changes is a barrier to the adoption of these methods. How can we develop in our students the ability to test models and then argue based on experimental results, without revising the entire organization of our laboratory teaching? We propose here a method called small lab debates (SLD) that allows students to regularly engage in short activities —about 20 min— involving an experimental scientific approach. Our method is inspired by peer instruction, and just as the latter can be easily implemented during lectures, SLD can be easily integrated into any session in a lab or on a simulator

Pendule à la maison avec un smartphone

International audienceDans le contexte sanitaire particulier du premier confinement relatif à la Covid-19 au printemps 2020, l’usage des smartphones s’est répandu pour pratiquer la physique expérimentale à la maison [1-2]. Nous avons ainsi proposé à des étudiants de première année de CPGE (Classe préparatoire aux grandes écoles) l’étude a priori très classique d’un pendule. Notre objectif était toutefois ambitieux du point de vue pédagogique et visait à initier les étudiants à une démarche expérimentale approfondie. En effet, l’abondance et la qualité des données permettent une analyse quantitative poussée sous Python qui permet de discuter des effets au-delà de l’approximation harmonique. Après une présentation du dispositif, de sa modélisation et des différentes données du problème, nous détaillerons l’exploitation progressivement raffinée des mesures que nous avons mise en place. Dans une seconde partie, nous proposons une réflexion critique sur ce qui fut pour nous une première expérience en pédagogie expérimentale à distance ainsi que les progrès réalisés l’année suivante dans un contexte moins contraint

Expériences quantitatives et symétries du champ magnétique

National audienceLa plupart des smartphones sont équipés de capteurs à effet Hall 3D. Ils permettentde mettre facilement en évidence les symétries singulières du champ magnétique et rendentpossibles des positionnements précis et des mesures que l’on peut comparer quantitativementà des modèles analytiques. Nous considérons tout d’abord l’expérience historique d’Ørsted. Lesmesures sont très bien décrites par le modèle du fil infini. Nous étudions ensuite la spire carréedont le champ possède une expression analytique dans tout l’espace. En fonction de la distanced du capteur au côté de la spire, on passe progressivement du modèle du fil infini à celui dudipôle magnétique ce que l’on vérifie expérimentalement sur l’intensité du champ qui passe d’unedécroissance en 1/d à 1/d^3

Expériences quantitatives et symétries du champ magnétique

National audienceLa plupart des smartphones sont équipés de capteurs à effet Hall 3D. Ils permettentde mettre facilement en évidence les symétries singulières du champ magnétique et rendentpossibles des positionnements précis et des mesures que l’on peut comparer quantitativementà des modèles analytiques. Nous considérons tout d’abord l’expérience historique d’Ørsted. Lesmesures sont très bien décrites par le modèle du fil infini. Nous étudions ensuite la spire carréedont le champ possède une expression analytique dans tout l’espace. En fonction de la distanced du capteur au côté de la spire, on passe progressivement du modèle du fil infini à celui dudipôle magnétique ce que l’on vérifie expérimentalement sur l’intensité du champ qui passe d’unedécroissance en 1/d à 1/d^3

Pendule à la maison avec un smartphone

International audienceDans le contexte sanitaire particulier du premier confinement relatif à la Covid-19 au printemps 2020, l’usage des smartphones s’est répandu pour pratiquer la physique expérimentale à la maison [1-2]. Nous avons ainsi proposé à des étudiants de première année de CPGE (Classe préparatoire aux grandes écoles) l’étude a priori très classique d’un pendule. Notre objectif était toutefois ambitieux du point de vue pédagogique et visait à initier les étudiants à une démarche expérimentale approfondie. En effet, l’abondance et la qualité des données permettent une analyse quantitative poussée sous Python qui permet de discuter des effets au-delà de l’approximation harmonique. Après une présentation du dispositif, de sa modélisation et des différentes données du problème, nous détaillerons l’exploitation progressivement raffinée des mesures que nous avons mise en place. Dans une seconde partie, nous proposons une réflexion critique sur ce qui fut pour nous une première expérience en pédagogie expérimentale à distance ainsi que les progrès réalisés l’année suivante dans un contexte moins contraint

Expériences quantitatives et symétries du champ magnétique

National audienceLa plupart des smartphones sont équipés de capteurs à effet Hall 3D. Ils permettentde mettre facilement en évidence les symétries singulières du champ magnétique et rendentpossibles des positionnements précis et des mesures que l’on peut comparer quantitativementà des modèles analytiques. Nous considérons tout d’abord l’expérience historique d’Ørsted. Lesmesures sont très bien décrites par le modèle du fil infini. Nous étudions ensuite la spire carréedont le champ possède une expression analytique dans tout l’espace. En fonction de la distanced du capteur au côté de la spire, on passe progressivement du modèle du fil infini à celui dudipôle magnétique ce que l’on vérifie expérimentalement sur l’intensité du champ qui passe d’unedécroissance en 1/d à 1/d^3

Expériences quantitatives et symétries du champ magnétique

National audienceLa plupart des smartphones sont équipés de capteurs à effet Hall 3D. Ils permettentde mettre facilement en évidence les symétries singulières du champ magnétique et rendentpossibles des positionnements précis et des mesures que l’on peut comparer quantitativementà des modèles analytiques. Nous considérons tout d’abord l’expérience historique d’Ørsted. Lesmesures sont très bien décrites par le modèle du fil infini. Nous étudions ensuite la spire carréedont le champ possède une expression analytique dans tout l’espace. En fonction de la distanced du capteur au côté de la spire, on passe progressivement du modèle du fil infini à celui dudipôle magnétique ce que l’on vérifie expérimentalement sur l’intensité du champ qui passe d’unedécroissance en 1/d à 1/d^3

Études quantitatives des accélérations d'inertie avec un smartphone. Partie 1: accélération de Coriolis.

International audienceLa mécanique en référentiel non galiléen avec l'introduction des forces d'inertie est un point délicat des premières années post-baccalauréat. Le smartphone, objet du quotidien présentant un indéniable attrait auprès des étudiants peut être détourné de son usage habituel pour être utilisé comme instrument de mesure de grandeurs physiques variées. Dans cet article en deux parties, nous proposons deux expériences permettant la mesure quantitative des accélérations de Coriolis et d'entraînement en utilisant simultanément plusieurs capteurs des smartphones. Cette première étude présente une expérience originale permettant une mesure de l'accélération de Coriolis