Mesure des précipitations à l'aide d'un radar en bande X non-cohérent à haute résolution et d'un radar en bande K à visée verticale. Application à l'étude de la variabilité des précipitations lors de la campagne COPS

par Frédéric Tridon

Thèse de doctorat en Physique de l'Atmosphère

Sous la direction de Joël Van Baelen.

Soutenue le 15-09-2011

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire de météorologie physique (Clermont-Ferrand) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Wolfram Wobrock.

Le jury était composé de Jacques Parent du Châtelet, Martin Hagen, Hervé Andrieu, Brice Boudevillain.

Les rapporteurs étaient Jacques Parent du Châtelet, Martin Hagen.


  • Résumé

    L’estimation quantitative des précipitations à l’échelle locale est une nécessité sociétale, à cause de l’augmentation des dégâts provoqués par des inondations exacerbées par l’urbanisation croissante. Or, des estimations locales sont particulièrement difficiles à réaliser à cause de la forte variabilité des précipitations. De plus, ce genre d’estimation est sollicité par de petits organismes tels qu’une commune, pour lesquels il n’est pas envisageable d’utiliser des instruments à la pointe de la recherche technologique à cause de leur coût prohibitif. Ainsi, il est nécessaire de développer des méthodes d’estimation quantitative des précipitations applicables à un dispositif expérimental de prix abordable. Dans ce but, un dispositif expérimental innovant est utilisé dans cette thèse. Il est constitué d’instruments de mesure directe, au sol, tels que des pluviomètres et des disdromètres, et d’un prototype de radar à balayage horizontal basé sur un radar nautique commercial, associé à un MRR (Micro Rain Radar) à visée verticale qui fournissent une estimation en altitude de la pluie, respectivement sur une surface donnée et le long d’un profil vertical. Le radar à balayage horizontal est un radar en bande X, c’est-à-dire qu’il fonctionne à une longueur d’onde lui procurant une très haute résolution radiale, mais qui est très atténuée par les précipitations. Le MRR permet d’obtenir une description précise de la microphysique des précipitations et sert de relais entre les mesures au sol et les mesures en altitude du radar en bande X. Ces deux radars étant novateurs, une grande partie de cette thèse consiste à valider leurs mesures : étalonnage, filtrage d’échos aberrants, correction de l’atténuation, etc. Une fois les mesures rendues exploitables, cette thèse se focalise sur l’étude de la variabilité des précipitations afin de proposer et développer différentes méthodes de classification, selon leur type ou leur variations locales, et de vérifier leur potentiel pour l’amélioration de l’estimation des précipitations. Les résultats montrent que cet objectif ne peut être atteint que si la qualité des mesures des radars est encore améliorée : moins d’échos parasites pour le radar en bande X et prise en compte du vent vertical pour le MRR.

  • Titre traduit

    Precipitation measurement with high resolution non-coherent X-band radar and vertically pointing K-band radar. Application to the study of the variability of precipitation in the framework of COPS field campaign


  • Résumé

    Due to the increase of damage associated with floods enhanced by expanding urbanisation, the quantitative estimation of precipitation on a local scale is a societal need. However, such estimations are difficult because of the high variability of precipitation. Moreover, these estimations are requested by small organisations such as local authorities which cannot afford top level research instruments. Hence, new methods of estimation applicable to a cheap experimental set are needed. Toward this goal, an innovative experimental set is used in this work. It consists of ground instruments such as raingauges and disdrometers, and two radars, a prototype of a scanning radar based on a modified marine radar and a vertically pointing MRR (Micro Rain Radar), which give estimation of rain aloft, over an area and along a profile, respectively. The scanning radar works at X-band, meaning that it uses a longwave very attenuated by precipitation, but which provides a high range resolution. The MRR yields a detailed description of microphysics of precipitation and fills the gap between ground measurements and X-band radar measurements aloft. As both these radars are innovative, a large part of this PhD thesis was spent on the measurements validation : radar calibration, abnormal echoes filtering, attenuation consideration, etc. Using these corrected measurements, this PhD focus then on the study of the variability of precipitation, and aims to propose and develop several classification methods based on precipitation type or local variability, and to check their potential for the improvement of precipitation estimation. Results show that this goal can be reached only if the radar measurements quality is further improved : less interference echoes for the X-band radar, and consideration of vertical wind for the MRR.


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