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B.04 - Estimation d'une pluie de bassin par observation RADAR

De Wikibardig

Sommaire

De l’observation RADAR à l’estimation de la pluie de bassin

Une lame d'eau radar est une estimation spatialisée des cumuls de pluie basée sur les observations de réflectivité radar. Actuellement, elle est souvent fournie avec une résolution de 1 km². La pluie de bassin issue d'une telle lame d'eau n'est autre que la moyenne des cumuls observés à chaque pixel inclus dans le bassin versant. Pour un bassin de taille suffisamment grande, l'incertitude ne provient donc pas de ce calcul, mais de l'estimation de la lame d'eau déduite de l'observation radar.

En effet, un radar hydrométéorologique émet dans l'atmosphère un faisceau d'ondes électromagnétiques réfléchies[1] par les précipitations qu'elles rencontrent. Le signal en retour est capté et traité par le radar : il est appelé réflectivité (Z, en mm6/m3). Cette réflectivité est convertie en cumul de pluie par unité de temps (R en mm/h) à l'aide de la relation de Marshall-Palmer dite « loi Z/R » : Inc97.bmp.

On peut distinguer deux catégories de sources d’erreur affectant la qualité des estimations de précipitation par radar.

Erreur liée à la mesure de la réflectivité

En dehors des erreurs de mesure de l’appareil lui-même (réduites au minimum par son contrôle), la mesure physique de la réflectivité peut d'abord être entachée de plusieurs erreurs :

  • échos de sol et masque : la présence d’obstacles dans la trajectoire du faisceau notamment aux faibles angles de site (angle de tir par rapport à l’horizontale) crée des échos fixes de forte ou faible réflectivité sur l’image radar. En outre, la zone située en arrière de l’obstacle se trouve partiellement ou totalement occultée : cela constitue le phénomène de masque. L’atténuation du signal par des cellules précipitantes proches du radar peuvent également « masquer » partiellement des pluies plus éloignées.
  • bande brillante : un pic de réflectivité est observé lorsque les ondes franchissent l’isotherme 0 °C, simulant une forte intensité précipitante. Le profil vertical de réflectivité n’est pas homogène. Ce phénomène est dû à l’augmentation des sections efficaces de rétrodiffusion des particules de neige et de glace en fusion progressive lors de la traversée de l’isotherme[2] ;
  • mauvaise prise en compte de la nature des météores : comme ci-dessus, la neige et la grêle n’ont pas la même réflectivité que des gouttelettes d’eau liquide ;
  • certaines conditions particulières de l’atmosphère peuvent perturber la propagation des ondes. Les profils verticaux de température et de pression partielle peuvent varier brutalement en fonction de l’altitude, induisant de fortes variations de l’indice de réfraction de l’air ;

Relation Z/R et échantillonnage

La plupart des relations Z/R proposées pour différents types de précipitation liquide varient peu pour des intensités comprises entre 1 et 100 mm/h, ce qui est déjà une première source d'erreur. Ces lois sont issues essentiellement d'expérimentations américaines[3]. Cette relation est aussi affectée par les problèmes suivants :

  • la précipitation peut subir d’importantes modifications entre le moment de sa détection par le radar et son arrivée au sol. Il existe des effets de croissance des gouttes par coalescence lors de la traversée de nuages à basse altitude, ou encore des effets d’évaporation en périphérie des cellules convectives ou par traversée de couche sèche sous le nuage précipitant ;
  • les précipitations sont entraînées par le vent, on peut ainsi observer 2 à 5 km de déplacement par kilomètre de chute pour des situations fortement venteuses ;
  • aux grandes distances (au-delà de 80 à 100 km pour les radars en bande S et C, au-delà de 60 km pour les radars en bande X), l’augmentation de la taille du volume de résolution[4] entraîne une dégradation des performances du radar.

Calibration de l’estimation de la lame d’eau

Les estimations de précipitation basées sur une relation de Marshall-Palmer générique peuvent conduire à de fortes incertitudes. Pour pallier cette difficulté, les paramètres de la conversion entre réflectivité et précipitation peuvent être calés au droit des postes pluviométriques par comparaison de l’estimation radar aux observations au sol. Ainsi, la plupart des estimations de lames d’eau basées sur des images radar sont aujourd'hui une combinaison de l’information radar et des mesures ponctuelles.

Produits d’estimation de lames d’eau

Lames d'eau radar fournies par Météo-France

Météo-France élabore deux produits :

  • La lame d'eau PANTHERE est calculée au pas de temps 5 minutes. Elle est issue de nombreux post-traitements gérant les problèmes de masques partiels, bande brillante, échos fixes, atténuation du signal, hauteur du faisceau par rapport au sol, composition de différents radars du réseau... Le rapport entre réflectivité et lame d'eau est calibré en temps réel de façon homogène sur l'ensemble du domaine hydrologique du radar (rayon d'environ 100 km) et selon un code qualité de la lame radar en fonction du cumul global des pluviomètres disponibles (de façon plus précise des 12 dernières heures de comparaison pluviomètres-radar avec poids décroissant selon l'échéance). Ce rapport est calculé en particulier pour corriger une dérive lente de la mesure et permet de déclencher le cas échéant une intervention de la maintenance sur le radar.
  • La lame d'eau ANTILOPE: calculée au pas de temps 1 heure. Il s'agit d'un produit hybride de la lame d'eau PANTHERE et d'un krigeage (interpolation) des pluviomètres également disponibles au moment de la réalisation de la lame d'eau. La variation de réflectivité dans l'heure est analysée dans l'heure par pixel de 1 km² et pas de temps de 5 min. Cette variation permet d'associer automatiquement une fraction de l'heure en cours à une pluie convective (entre 0 et 60 min) et sa fraction complémentaire à une pluie stratiforme. Depuis l'été 2013, les précipitations sont estimées par un krigeage à dérive externe des 2 informations.

La lame d'eau ANTILOPE est calculée en temps réel vers H+20, tandis que la lame d'eau PANTHERE est calculée toutes les 5 minutes. Cela amène donc obligatoirement des différences entre les deux lames d'eau. La densité de pluviomètres temps réel est bien inférieure à la densité disponible 1 jour après. Météo France constitue donc une lame antilope dite "J+1" qui est a priori plus pertinente que la lame d'eau ANTILOPE « temps réel » stockée au SCHAPI (40 % de pluviomètres supplémentaires).

Ces produits sont disponibles pour chaque radar. Météo-France fournit en outre une combinaison des lames d’eau estimées par les radars de son réseau sous la forme d’une « mosaïque » unique couvrant la plus grande partie du territoire métropolitain.

Météo-France publie des cartes de qualité de la lame d'eau radar. La figure 1 présente un extrait de la carte de qualité de la lame d'eau PANTHERE au 30/04/2013 : le code Qualité rend compte de l’altitude de la mesure (elle-même liée à la distance au radar) et du taux de masquage.

Choix de la lame d'eau la plus représentative

Il est difficile de dire quelle lame d'eau est meilleure entre ANTILOPE, PANTHERE et le krigeage pur de pluviomètres qui reste une mesure très locale si on considère la taille des cônes de réception des pluviomètres. Cela peut dépendre de la situation météorologique: en cas de pluies convectives, la lame d'eau PANTHERE amène une meilleure localisation des forts noyaux mais peut aussi présenter des surestimations en cas de grêle. La lame d'eau ANTILOPE[5] peut être biaisée par un pluviomètre partiellement bouché, ou par l'algorithme de distinction convectif/stratiforme... Cela dépend également du lieu selon la densité des pluviomètres servant à recaler le radar.

Enfin, cela dépend aussi de l'état du réseau de radar au moment de l'observation (on travaille sur une mosaïque de radars) bien que le taux de panne sur le réseau de Météo-France soit inférieure à 9 %.

En pratique, certains SPC comparent les estimations radar aux observations aux postes pluviométriques de façon routinière (Fig. 2) pour évaluer l'incertitude des différentes sources d'observation. Ce travail permet également de poser un diagnostic du fonctionnement des pluviomètres dont ils ont la charge.


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Incertitude sur l’estimation RADAR

Comme expliqué dans la première partie, l’estimation radar peut présenter des incertitudes conséquentes. Nous ne disposons évidemment pas de la connaissance de la lame d’eau. Pour quantifier l’incertitude sur les lames d’eau, deux méthodes sont usuellement employées :

  • la comparaison de différentes estimations de lame d’eau (produits radar et interpolations de mesures au sol[6]) ;
  • la comparaison de mesures au sol et des estimations de précipitation sur les pixels RADAR dans lesquels les pluviomètres se situent.


Exemple 1. L’estimation radar de la pluie sur le pixel correspondant au pluviomètre de Cherchebruit a été comparée aux observations au sol lors de la crue de la Nivelle en mai 2007 (cf. exemple 1 de la fiche B.03). On observe des différences entre ces deux informations (Fig. 3) pouvant aller du simple au double.


De nombreuses études comparatives ont été menées, dont Lobligeois (2014) fait une bibliographie (chapitre 1). On retiendra en particulier l’étude menée par le SCHAPI avec Météo-France comparant les produits radar (Marchandise, 2010) et celle présentée par Tabary et al (2007) qui montre que bien que la qualité des lames d’eau radar se soit grandement améliorée, on observe des biais moyens entre estimation radar (sans calibration avec les données aux pluviomètres) et observation au sol de 28 % sur les moyennes distances et de 54 % sur les longues distances. Ces valeurs sont similaires à celles obtenues dans d’autres pays.


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Plusieurs SPC ont conduit des études de comparaison des estimations RADAR et des lames d’eau calculées par interpolation de mesures au sol.


Exemple 2. Le SPC SmYL a ainsi confié une analyse et comparaison à Novimet1. Cette étude (détaillée en annexe) a porté sur les lames d’eau Panthère de mi 2007 à mi 2011 principalement sur les bassins de l’Yonne et du Loing. Ces territoires comportent à la fois des zones avec un peu de reliefs et des régions éloignées du radar, avec des indices de qualité parfois médiocres. La situation est assez contrastée selon les secteurs et les périodes et on observe une forte dispersion (Fig. 4 et 5, et figures en annexe). Une surestimation de la lame d’eau radar est constatée sur une majorité de stations réparties sur l’ensemble des bassins versants, et une sous estimation (supérieure à – 10%) localisée au niveau des bassins versants de l'Yonne amont et du Loing amont (cf. infra).


Jusqu’en 2009, on constate une décroissance des cumuls avec la distance, mais ensuite, cette tendance disparaît. On retrouve cette période pivot de 2009 dans la phase de comparaison avec le réseau sol : un biais positif est observé sur les zones proches du radar (environ 30 km) jusqu’en 2009. Le biais est négatif aux plus grandes distances (40 %).

À partir de septembre 2009, on observe une amélioration significative de la lame d’eau radar, sans doute liée aux modifications apportées aux algorithmes de traitement de la lame d’eau Panthère. Cette amélioration se caractérise par une réduction des biais à moyenne et grande distance (typiquement au-delà de 50 km du radar). Les performances hiérarchisées par bassins versants mettent en évidence une relativement forte dispersion de la lame d’eau radar par rapport aux mesures sol, pour les bassins versants de l’Yonne Amont, du Loing Aval et de la Cure. Ces bassins versants se trouvent dans les zones d’indice de qualité radar « médiocre » (entre 80 et 85).


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Exemple 3. Le SPC LCI a également comparé les cumuls ANTILOPE sur les pixels recouvrant des postes pluviométriques aux cumuls mesurés au sol sur des zones soumises à des régimes pluviométriques différents (Loire amont et Loire intermédiaire / Allier) pour des durées de quelques jours ou sur plusieurs mois (Fig. 6). On constate que l’incertitude est de l’ordre de ± 20 % sur la plupart des postes, voire de ± 40 % pour certains. Il ne s’agit pas d’un biais systématique, puisque les variations ne sont pas identiques pour un événement court (quelques jours) ou à l’échelle d’une saison.


Dans un deuxième temps, le SPC LCI a comparé les lames d’eau PANTHERE et ANTILOPE sur trois bassins situés sur la partie amont du bassin de la Loire (extraites de LAMEDO) à celles calculées par interpolation des mesures effectuées au sol (trois pluviomètres) pour 7 événements pluvieux (Tab. 1). Les lames d'eau radar (ANTILOPE temps réel ou PANTHÈRE) sont dans l'ensemble inférieures à celles calculées par le réseau de pluviomètres. Sur le plus petit bassin (le Lignon à Chambon-sur-Lignon, 139 km2), les écarts varient de – 30 % pour l'épisode de novembre 2008 à + 15 % pour celui du 6 au 8 août 2013 (événement de faible importance). Pour les deux autres bassins, de taille plus importante, les écarts sont plus faibles mais restent importants. On constate enfin, pour les épisodes d'octobre et décembre 2010, une lame d'eau PANTHERE assez nettement supérieure à la lame d'eau sol. Ces écarts sembleraient se réduire depuis 2008. Cette amélioration peut être liée à l'évolution du réseau de radar (nombre de radar, type), des traitements sur les images de réflexivité (lois Z/R, mosaïque) et enfin des algorithmes de fabrication de la lame d'eau radar.


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Influence sur la prévision de débit ou de hauteur d'eau

L'expérience suggère une incertitude fréquente de 10 à 20 % sur les lames d'eau radar, ce qui peut amener 30 à 40 % d'incertitude sur le débit maximal estimé par un bon modèle hydrologique (études faites dans le cadre de l'expérimentation BVNE du SCHAPI, voir notamment Dol et Solignac, 2010).


Annexe : présentation de l’étude sur les lames d’eau RADAR menée par le SPC Seine moyenne – Yonne – Loing

La première phase (tranche B) portait exclusivement sur l’étude des images Panthère. Plusieurs calculs ont été effectués : des cartes de cumuls annuels et saisonniers pour repérer des zones de masques (sous-estimation visibles sur ces cumuls de longue durée) ;

  • des cartes d’occurrence de pluie pour repérer des échos résiduels ;
  • des cartes annuelles de lacunes : le taux de lacunes s’est révélé très faible (moins de 20 h par an pour l’ensemble de la zone) ;
  • des cumuls annuels et saisonniers par pixel, en fonction de l’éloignement au radar

La seconde phase (tranche C) portait sur la comparaison des lames d’eau Panthère avec les données du réseau sol. La comparaison au réseau sol a été réalisée à plusieurs échelles d’espace et de temps :

  • comparaison aux pluviomètres (pixel représentant le pluviomètre et pixels voisins) et sur des bassins versants représentatifs pour la prévision des crues), à des pas de temps horaires et journaliers ;
  • analyse à l’échelle de la chronique disponible ainsi que pour 20 événements pluvieux depuis 2008 (dont 2 événements neigeux, 8 stratiformes, 9 convectifs et un événement mixte) ainsi que 3 événements issus de la réanalyse radar.

L’influence de la distance radar sur la qualité de la lame d’eau PANTHERE sur le secteur considéré est schématiquement la suivante :

  • entre 2006 et 2009, une surestimation de la lame d’eau radar proche du radar (entre + 20% et + 40 %) et une sous estimation (entre – 20 % et – 40 %) à plus grande distance du radar.
  • entre 2009 et 2011, une surestimation générale (entre 0 % et + 20 %) à moins de 50 km et un biais entre – 20 % et + 20 % au-delà.

Les comparaisons des lames d’eau de bassin radar et pluviométriques pour les 20 événements ont permis de mettre en évidence l’intérêt de l’information radar spatialisée, en particulier pour les événements convectifs pour lesquels les cellules de pluie les plus intenses sont mal échantillonnées par le réseau de mesures pluviométriques au sol. Pour certains événements, on notera que la densité du réseau de mesures pluviométriques n’est pas toujours suffisante pour échantillonner précisément la lame des bassins versants étudiés. La dispersion est forte avec des surestimations par le radar mais aussi des sous estimations dans les cas convectifs au-delà de 5 mm/h.

Pour les 3 événements de réanalyse radar, les données de pluviomètres utilisées pour qualifier la lame d’eau « réanalyse » ne sont plus indépendantes et les scores ainsi obtenus ne sont pas significatifs de la qualité de cette lame d’eau (la corrélation entre les deux types de données est très forte).


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Voir également

Fiche B.01 – pluie stratiforme et pluie convective

Fiche B.03 – Estimation d'une pluie de bassin par interpolation de postes pluviométriques


Pour aller plus loin

  • Dol, M. et Solignac, J. (2010). Évaluation de la donnée pluviométrique observée, impact de l’utilisation de ces données dans des modèles hydrologiques. Rapport de stage au SCHAPI, 69 p. (disponible au SCHAPI).
  • DRIIE – SPC SmYL (2012). Analyse et comparaison des lames d’eau radar et issues d’un réseau de mesures pluviométrique au sol pour la DRIEE-SPC SMYL. Tranche B – critique de la lame d’eau radar et tranche C – comparaison avec les lames d’eau radar et issue du réseau sol (Novimet),

http://extranet.schapi.i2/spip/spip.php?article1190

  • Kirstetter, P.A., 2004, Retour d’expérience sur l’événement du 8-9 septembre 2002 dans le Gard : Analyse détaillée des champs de pluie et réponse hydrologique, Stage de Master de l' Université Joseph Fournier Grenoble 1
  • Lobligeois F. (2014). Mieux connaître la distribution spatiale des pluies améliore-t-il la modélisation des crues ? Diagnostic sur 181 bassins versants français. Thèse de doctorat, AgroParisTech (IRSTEA)
  • Tabary, P., Desplats, J., Do Khac, K., Eideliman, F., Gueguen, C. et Heinrich, J.-C. (2007). The New French Operational Radar Rainfall Product. Part II: Validation. Weather Forecast, 22, 409–427, doi:10.1175/WAF1005.1. http://dx.doi.org/10.1175/WAF1005.1.
  • Tabary, P., Augros C., Champeaux, J.-L., Chèze, J.-L., Faure, D., Idziorek D., Lorandel, R., Urban, B. et Vog, V. (2013). Le réseau de radars de Météo-France : situation, traitements, produits et perspectives. La Météorologie, 83, 1 – 13
  • Tabary, P., Fradon, B. et Boumahmoud, A. A. (2013). La polarimétrie radar à Météo-France. La Météorologie, 83, 28 – 36

  1. Comme un miroir.
  2. La neige ou le grêlon qui fond présente en effet un fort diamètre entouré d'eau amenant une forte réflectivité (celle-ci est proportionnelle au diamètre de la goutte à la puissance 6).
  3. Il existe en particulier des coefficients pour les pluies stratiformes, et d'autres pour les pluies convectives. Dans les estimations de lames d'eau de Météo-France, seule la relation pour pluies stables est utilisée en 2012. Depuis 2013, il a été mis en place un calcul du taux de précipitation hybride (loi Marshall-Palmer pour les faibles intensités et Kdp pour forte réflectivité).
  4. La réflectivité est estimée au sein de polyèdres définis par un secteur angulaire à partir du radar : plus on s'éloigne de ce dernier, plus ce polyèdre est grand et moins la résolution est fine.
  5. De plus, l'estimation radar de la lame d'eau évolue (travail d'amélioration en continu).
  6. Même si l'usage veut que le pluviomètre soit généralement considéré comme la référence pour l'observation de la pluie par rapport à la télédétection, on ne peut écarter une défaillance technique de l'instrument, et l'on doit aussi garder à l'esprit qu'en cas de fortes intensités pluvieuses, de grêle et/ou de vent, la mesure par un pluviomètre est aussi entachée d'une forte incertitude.
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