Les Principes du Radar

Atténuation dans la pluie

Toute onde électromagnétique peut être absorbée en passant dans un milieu quelconque car elle excite les molécules qui le composent. Cela peut donc enlever une partie des photons pour faire changer le niveau énergétique du milieu. L'air est très peu absorbant mais la molécule d'eau l'est. Plus la longueur d'onde porteuse du faisceau radar se rapproche de celle des gouttes d'eau (0,1 à 7 millimètres), plus le dipôle de ces molécules sera excité et plus l'onde sera atténuée par la précipitation rencontrée.

Ce diagramme montre l’effet de l’atténuation du signal radar par la pluie à différente longueurs d’onde. Le cas utilisé est celui d’un orage de 20 kilomètres de diamètre, dont le taux de précipitations augmente linéairement jusqu’au centre, à 100 mm/h, puis diminue linéairement de l’autre côté.

La ligne en bleu représente la courbe théorique normalisée du signal non atténué faisant un aller-retour à travers l’orage. La courbe en violet est celle observable avec un radar utilisant la bande S (10 cm). Les courbes suivantes, en jaune et cyan, sont respectivement le signal de retour pour des radars de bandes C (5 cm) et X (3 cm). La différence avec le signal théorique est de plus en plus grande très grande à mesure que la longueur d’onde raccourcit à cause de l’absorption d’une partie grandissante de l’énergie par les molécules d’eau.

Le diagramme montre également que l’atténuation varie avec le taux de précipitations: le faisceau de bande X est totalement absorbée dès 20 mm/h, celui de bande C à partir de 60 mm/h mais la perte est négligeable pour le faisceau de bande S, même dans le pic de précipitations.

L’atténuation est donc généralement minime dans la neige, même pour la bande X. Dans la pluie faible à modérée, la bande X est affectée significativement mais la bande C l’est encore peu. Par contre, dans la pluie forte, seule la bande S a une perte minime. C’est pour ces raisons que les radars météorologique de bande S, plus coûteux, sont utilisés dans les régions où des orages/pluies intenses se produisent une bonne partie de l’année: les Tropiques, le sud des États-Unis ou de l’Europe, etc. Les radars de bande C sont un bon compromis pour les régions tempérées où le taux de précipitations est le plus souvent faible à modéré. Les radars de bande X ne servent que pour la courte portée à cause de la forte atténuation de leur signal.

Figure 2 : Orage intense vu à gauche par un radar de bande S. À droite, le même orage vu par un radar co-localisé de bande C avec la zone d’échos atténués dans le cercle blanc (source NOAA)

Figure 2 : Orage intense vu à gauche par un radar de bande S. À droite, le même orage vu par un radar co-localisé de bande C avec la zone d’échos atténués dans le cercle blanc (source NOAA)

Dans la figure 2, on peut voir l’effet de l’atténuation du signal par un orage intense. À gauche, nous pouvons voir l’image obtenue par un radar NEXRAD de bande S situé dans le coin inférieur gauche. À droite, nous avons les données d’un radar du FAA de bande C qui est localisé presque au même endroit.

Les intensités en rouge et violet dans le flanc gauche de l’orage sont de 60 à 70 dBZ, donnant un taux de précipitations de plus de 100 mm/h et sont probablement liés à la présence de grêle. Le faisceau doit passer à l’aller à travers le cœur des précipitations pour atteindre la région sur le flanc arrière de l’orage. Le signal rétrodiffusé dans cette région doit retraverser le cœur avant d’atteindre le radar.

Dans l’image du radar de bande C, à droite, on remarque dans le cercle blanc, que les échos sont plus faibles que sur l’image de gauche (le bleu domine au lieu du vert), le signal ayant subi une importante atténuation dans les deux directions. Il y a même une zone sans échos derrière le cœur de précipitations (bande noire), indiquant une atténuation totale du signal