Pratique 1

SCA2626 – Météorologie générale
Hiver 2017
TP#8
Microphysique
Exercice 8.1
Imaginez un modèle de nuage cylindrique dont la base est égale à 10 km2 et la hauteur égale à 3 km. Le
nuage est formé de gouttelettes d’eau surfondue. Le contenu est en eau liquide, LWC, est égal à 2 g m-3
(2 grammes d’eau liquide par mètre cube d’air). Si, par le processus de Bergeron, toutes les gouttelettes
s’évaporent et que l’excès de vapeur est déposé sur les noyaux de glaciation dont la concentration est
uniforme et de 1 dm-3, déterminez :
a) Le nombre de cristaux qu’aura le nuage
b) La masse de chacun des cristaux une fois la glaciation terminée
c) Si tous les cristaux précipitent et fondent avant d’atteindre la surface, quelle sera l’accumulation
de précipitation résultante (en mm)?
Exercice 8.2
Calculez l’humidité relative de l’air adjacent à une gouttelette d’eau pure de rayon 0,2 µm si la
température est de 0°C. L’énergie de surface de la goutte à 0°C est σLV = 0,076 J m-2.
Exercice 8.3 : objectif – apprendre à utiliser les courbes de Köhler. Les calculs peuvent servir à confirmer
la lecture.
Figure 8.1 – graphique représentant l’humidité relative et la supersaturation adjacentes à des gouttelettes de : (1)
-19
-18
-17
eau pure ; solution contenant une masse d’un sel dissous : (2) 10 kg de NaCl, (3) 10 kg de NaCl, (4) 10 kg de
-19
-18
NaCl, (5) 10 kg de (NH4)2SO4, et (6) 10 kg de (NH4)2SO4.
À noter : la discontinuité dans l’axe des ordonnées à l’humidité relative de 100 % : on passe de valeurs de HR à des
valeurs de sursaturation (HR – 100).
Utilisez les courbes de Köhler de la figure 8.1 pour estimer
E. M.
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a) Le rayon de la gouttelette qui se forme sur une particule de NaCl de masse 10-18 kg dans l’air
dont la sursaturation est égale à 0,1% (HR=100,1%).
Solution numérique difficile (puissance au cube : on recommande l’utilisation des courbes de
Köhler)
b) L’humidité relative de l’air adjacent à une gouttelette de 0,04 µm qui contient 10-19 kg de sulfate
d’ammonium.
c) Cette gouttelette est une gouttelette de brume. Pourquoi ?
d) La sursaturation critique requise pour qu’une particule de sulfate d’ammonium de 10-19 kg soit
activée.
e) Une gouttelette dont la taille est supérieure à cette taille critique est une gouttelette de nuage.
Pourquoi ?
f) En résumé : Quelle est la différence entre une gouttelette de brume et une gouttelette de
nuage ?
E. M.
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Le radar météorologique
Introduction
Les radars (Radio Detection And Ranging) météorologiques permettent de localiser les précipitations et
de mesurer leur intensité en temps réel. Répartis sur l'ensemble du territoire, ils ont une portée
d'environ 100 km pour mesurer la quantité de précipitations et d'environ 200 km pour détecter des
phénomènes dangereux.
Outre l'intensité des précipitations, les radars météorologiques fournissent également, en exploitant
l'effet Doppler, des informations sur le vent dans les zones précipitantes. Les radars les plus récents sont
quant à eux capables de faire la distinction entre les types de précipitations (pluie, neige, grêle…).
Un radar est classiquement constitué d'une antenne parabolique, d'un système d'émission-réception et
d'un calculateur (figure 8.2). L'antenne est équipée de plusieurs moteurs destinés à l'orienter
verticalement et horizontalement et d'un radôme, enveloppe sphérique qui protège l'ensemble des
intempéries. Le calculateur assure le contrôle de l'antenne et de l'émetteur ainsi que le traitement du
signal reçu. Il permet une visualisation locale des échos et un suivi en temps réel de l'état du radar. Enfin,
il assure la diffusion des produits. La figure montre schématiquement le fonctionnement du radar.
Figure 8.2 – Le fonctionnement du radar météorologique. Source : Météo-France
E. M.
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Fonctionnement du radar météorologique
 Le radar émet des microondes.
 Une partie de l’énergie émise est réfléchie par les cibles
(par exemple des gouttes de pluie ou des flocons de neige).
 Le signal ou écho reçu par le radar permet d’évaluer la
distance, la position et la taille des cibles.
 Des logiciels interprètent ces signaux et construisent
les images radar.
La réflectivité est la mesure de base faite par les radars météorologiques. Elle représente la proportion
de l'onde émise par le radar rétrodiffusée par les hydrométéores.
L'antenne parabolique du radar décrit en permanence des tours d'horizon (à la vitesse azimutale typique
de 10 degrés / seconde) et émet, à intervalles réguliers, de très brèves impulsions (ou ondes)
électromagnétiques (1 à 2 microsecondes). Ces ondes, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, sont
rétrodiffusées par les gouttes de pluie, les grêlons ou la neige.
La figure 8.3 montre la distribution des radars canadiens.
Figure 8.3 - Réseau de radars canadiens. Source :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Réseau_canadien_de_radars_météorologiques
Interprétation des images radar : La couleur est essentielle à la bonne interprétation d’images radar
(figure 8.4)
Le radar ne prend des mesures que lorsqu'il y a un nombre suffisant de cibles (par exemple: pluie, neige,
etc.). Bien que les sommets des montagnes soient souvent mesurés, ceux-ci se distinguent des échos
météorologiques par leur vitesse radiale de zéro (radar Doppler). Dans le tableau 8.1, on peut voir le lien
entre la réflectivité et le type et l’intensité de la précipitation. Lest images satellitaires représentent la
réflectivité en échelle de couleurs. La figure 8.4 vous donne un exemple d’interprétation de ces échelles.
E. M.
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Tableau 8.1 - Interprétation des échelles de réflectivité radar
Type et intensité
Bruine ou échos en air clair
Pluie ou neige très légère
Cibles et taux de précipitation
De très petites gouttes de pluie,
insectes,…
Quelques gouttes ou flocons
Pluie ou neige légère
printemps/automne:1-2 mm/h
25
Précipitation modérée /Forte
le printemps/automne: 5 mm/h
35
Pluie intense
Averses d’été : 20 mm/h
45
Pluie très intense ou grêle
Maximum des orages: 100 mm/h 55
0
Réflectivité (dBZ)
10
Figure 8.4 - Réflectivité versus Taux de précipitation. Source : Stull, 2000: "Meteorology for Scientists and
Engineers, 2nd Ed.)
Les couleurs utilisées pour représenter les différentes intensités d’écho sont arbitraires – chaque site
web météo utilisera ses propres couleurs. La plupart des sites web météo donnent l’échelle de couleurs
par rapport au dBZ avec l’image du radar, donc assurez-vous de jeter un coup d’œil à l’échelle avant
d’essayer d’interpréter l’image radar.
E. M.
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Exercice 8.4 : Interpréter l’image radar montré dans la figure 8.5
Figure 8.5 - exercice 8.4
Exercice 8.5 : Dans la figure 8.6, les cercles identifient plusieurs orages. Expliquer comment le patron de
réflectivité permet l’identification des orages.
Figure 8.6 –exercice 8.5
E. M.
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Exercice 8.6 – Quel type de précipitation est détectée par le radar dans l’image de la figure 8.7?
Figure 8.7 – exercice 8.6
Exercice 8.7 : Dans la création de l’image de la figure 8.8, un algorithme permet de distinguer entre la
pluie, la neige et la précipitation mixte (neige + pluie). Quel type de précipitation observe-t-on sur le lac
Ontario ?
Figure 8.8 – exercice 8.7
E. M.
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Exercice 8.8 :
D
A
A’
D = distance entre la cellule A et le radar ?
a) Image radar, le 14 mars 2007 à 17:29:53 Z
b) Image radar, le 14 mars 2007 à 17:59:53 Z
Figure 8.9 : Images de réflectivité radar. Radar de McGill à St. Anne de Bellevue.
a) Quelle est la distance D entre la cellule A et le radar de McGill?
b) À quelle vitesse se déplace la cellule A?
c) Indiquez avec un X le maximum de précipitation observé à 17:59:53 Z.
Exercice 8.9 : Regardons maintenant quelques images radar actuelles :
meteocentre.com
•
Images radar :
o Montréal: Réflectivité: 1.5km (img anim EC) 2.5km (img anim) Doppler: img anim
Sommets ?
o Composites McGill-EC: Radar (img anim prévision) avec satellite IR (img anim) et VIS (img
anim)
o Composites: EC Météomédia (Montréal Québec) NE US(img zoom anim) USA(img anim)
o Ottawa Villeroy Burlington (img anim) ailleurs
o Profiler de McGill : vent horizontal réflectivité mouvement vertical température virtuelle
Références :
http://www.meteofrance.fr/prevoir-le-temps/observer-le-temps/moyens/les-radarsmeteorologiques
E. M.
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