Les radars météorologiques : détecter et caractériser les précipitations

Un peu d’histoire…

C’est durant la seconde guerre mondiale que les opérateurs des radars micro-ondes ont remarqué que ce qui apparaissait sur leurs écrans comme de la contamination était en fait des échos venant des précipitations. Les scientifiques ont tout de suite mis cette observation à profit pour d’abord repérer les précipitations, puis à partir des années 70 pour estimer la quantité de pluie au sol. Les années 90, avec l’évolution de la technologie radar et la possibilité d’explorer un plus grand volume d’atmosphère, ont vu le début de l’assimilation des observations radar dans les modèles numériques de prévision du temps, ainsi que la mesure de la vitesse du vent, par effet Doppler. A partir des années 2000, la double-polarisation des radars a permis d’apporter une information sur le type des hydrométéores détectés (pluie, neige, grêle etc .) et ainsi améliorer la restitution de la quantité de pluie tombée au sol.

Les radars jouent de nos jours un rôle essentiel, à plusieurs titres, pour l’observation et la prévision des précipitations et des crues, tout particulièrement lors de phénomènes violents et relativement localisés que les pluviomètres, même nombreux, ont du mal à appréhender.

 Comment fonctionne un radar météorologique ?

Un radar est classiquement constitué d’un système d’émission-réception d’ondes électromagnétiques, d’une antenne orientable pour canaliser ces ondes dans la direction à explorer, et d’un calculateur. Le radar envoie des impulsions électromagnétiques de forte puissance et de courte durée, et ce périodiquement plusieurs centaines de fois par seconde. Le récepteur, couplé à un calculateur, analyse le signal réfléchi reçu en retour. L’intensité de ce signal réfléchi est d’autant plus grande que l’impulsion de départ a traversé des zones de précipitations importantes, ce qui permet de détecter et quantifier ces dernières. D’autres caractéristiques du signal réfléchi permettent d’affiner cette quantification, d’accéder au type de précipitations ou encore à la vitesse du vent. Un des rôles du calculateur est également d’éliminer autant que possible les signaux non météorologiques, et qui peuvent être d’origines variées : relief, vagues de la mer, bâtiments, éoliennes, oiseaux...

Les données des différents radars individuels de Métropole sont transmises en temps réel vers un concentrateur à Toulouse qui élabore à l’échelle de la France des mosaïques, dites aussi images composites, des zones précipitantes et de leur cumul toutes les 5 minutes. Ces données sont transmises en temps réel aux utilisateurs et archivées à des fins d’expertise et études ultérieures.

Le réseau des radars de Météo France
La démarche consistant à organiser les radars de Météo-France en un réseau cohérent couvrant l’ensemble du territoire métropolitain et outre-mer remonte au milieu des années 80.
Le réseau de Météo-France en métropole était constitué de 13 radars en 1993. Il en comprend 31 en 2023 : 20 en bande C, 5 en bande S et 6 en bande X. La jouvence et la densification du réseau ont bénéficié ces trois dernières décennies du soutien de Ministère de l’Environnement, l’Énergie et la Mer / Direction Générale de la Prévention des Risques.

Outre-mer, Météo-France opère en 2023, 6 radars (1 en Martinique, 1 en Guadeloupe, 2 à La Réunion et 2 en Nouvelle-Calédonie). Météo-France reçoit par ailleurs les données d’un radar météorologique implanté en Guyane et opéré par le centre spatial de Kourou.

Météo France fait également partie du réseau européen OPERA (Operational Programme for the Exchange of weather RAdar data). Depuis début 2019, Météo-France produit seul les mosaïques. Depuis début 2020, le service météo allemand (DWD) concentre les données radar de tous les pays et les envoie à Météo France qui produit alors les mosaïques toutes les 15 minutes.

Les cercles autour des radars en bande S (en rouge) et C (en bleu, en noir pour les radars limitrophes) ont un rayon de 100 km. Les cercles autour des radars en bande X (en vert) ont un rayon de 50km. Dpol veut dire double polarisation ; il s’agit des radars de dernière génération capables de distinguer le type des précipitations.

L’utilisation des données radars

Les produits radar constituent un outil précieux pour l’élaboration par les prévisionnistes des prévisions à courte échéance. L’information issue des radars complète en effet les images satellite, les autres types de mesures et les sorties de modèle. La signalisation des zones convectives fournie par les radars météorologiques est une aide essentielle et irremplaçable pour les enjeux de sécurité des personnes et des biens. Outre-mer, les radars sont également utilisés pour la détection et le suivi des cyclones tropicaux.

L’imagerie radar apporte des informations indispensables aux services de prévision des crues puisqu’elle fournit, après traitement approprié, une estimation des cumuls de précipitations dont la fiabilité croît année après année. Elle est donc utilisée comme donnée d’entrée de modèles hydrologiques ainsi que d’outils d’aide à la décision, ou de systèmes d’avertissement.

Désormais, les produits radar représentent également une donnée d’entrée utile dans le domaine de la climatologie. Une réanalyse des lames d’eau radar sur l’ensemble de la Métropole depuis 1997 au pas de temps horaire et à la résolution kilométrique permet de disposer depuis 2012 d’une climatologie à haute valeur ajoutée du champ de précipitations.

Météo-France, avec le soutien de Ministère de l’Environnement, l’Énergie et la Mer / Direction Générale de la Prévention des Risques, mène d’importants travaux de recherche et développement sur les algorithmes de traitement des données radar. On peut citer par exemple quelques études en cours :
 amélioration des produits de quantification de pluie au sol (lame d’eau),
croisement des données radar et pluviométriques (calibration spatialisée des lames d’eau radar à haute fréquence),
 exploitation de la technologie de double polarisation des radars de dernière génération,
 utilisation des produits radars en prévision numérique du temps.

Radar de Mont Colombis ( Hautes-Alpes)
Radar de Moucherotte (Isère)