Observation des orages avec le système SAFIR-3D dans les provinces de Beijing-Hebei durant l'été 2003

21/10/2017
Publication REE REE 2005-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-4:20549
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Observation des orages avec le système SAFIR-3D dans les provinces de Beijing-Hebei durant l'été 2003

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	    <date dateType="Created">Sat 21 Oct 2017</date>
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Repères FOUDRE Observation des orages avec le système SAFIRm3D dans MUR les provinces de Beijing-Hebei , e durant l'été 2003 !7iTt !rH rmettim- Orages, Localisation deséclairs, Radar, Convection intense, Risques msétéorologiques Par Meng QING', Zhang YIJUN 1,He PING', Xu XIAOFENG 1, Zhao JUNZHUANG 1, Philppe ROUQUER 1, Jean-Yves LOJOU 1 Chinese Academy of Meteorological Sciences, China 'China Meteorological Administration, China 1 VAISALA TS, France Le réseau de localisation SAFIR-3D a permis d'enregistrer es caractéristiques tem- porelles et spatiales des émissions VHF produites par les décharges électriques atmosphériques. La campagne de mesures a eu lieu durant 'été 2003 dans les pro- vinces de Beijijng-Heibei (Chine). Cette étude vise à valider le bon fonctionnement de ce réseau par la mise en relation des données analysées avec les cartes d'écho radar. 1. Introduction L'Administration Météorologique de Chine (CMA) étudie le développement de moyens automatiques de détection et suivi des paramètres atmosphériques, incluant la mise en oeuvre d'un réseau national de détection des éclairs (NLDN). Dans ce cadre, CMA a mené des campagnes de mesures avec le réseau SAFIR-3D de détection et surveillance des éclairs dans différentes régions chinoises. CMA envisage d'en étendre ses applications à, entre autres, la prévision des risques météorologiques, à la protection contre la foudre et au suivi du dérèglement climatique. Le principe de localisation du réseau SAFIR-3D est basé sur la technique interférométrique [11. La localisation en 3 dimensions à grande distance de tous types de décharges (intra-nuage et nuage-sol) est obtenue par triangulation des mesures des directions d'arrivée, synchronisées par GPS, sur 2 capteurs SAFIR [2]. Le réseau SAFIR-3D chinois, couvre les provinces de Beijing (Pékin) et, plus au sud, Heibei. Il est opéré par CMA et sa mise en service officielle date du 23 juin 2003. Il se compose de trois antennes situées à Huairou dans la banlieue de Pékin, Fengrun et Yongqing dans la province de Heibei (figure 1). La ville de Pékin (cercle pointillé) se trouve proche du centre de la zone de couverture. De nombreuses études ont montré la corrélation entre activité orageuse et fortes précipitations. Il est maintenant admis que les manifestations dangereuses telles que la grêle, les précipitations intenses et les tornades, qui surviennent souvent dans les orages le long des lignes de grain, sont intimement liées à la structure spatio-temporelle des éclairs [3]. Dans cet article, nous analyserons les caractéristiques en 3 dimensions d'un orage qui a eu lieu dans la région de Pékin durant l'été 2003, première étape L'ESSENTIEL L'Administration Météorologique de Chine a acquis un réseau SAFIRde localisationdes éclairsen 3 dimensions. L'analysedes premiers résultats met en évidence l'apport d'une localisationen 3 dimensionsavecune hauterésolutionspatialeet temporelle. La très bonnecorrélationavec les outils traditionnelsde la météoro- logie (radar)confirme 'intérêtde tels réseauxpour le suivi, l'aler- te et la prévision des risques majeurs associés aux zones de convection intense. YNOPSIS ChineseMeteorologicalAssociationhasacquireda 3 dimensions lightning localization SAFIR network.First observationsanalysis shows the relevanceof a hightemporaland highspatialresolution 3D localization. Thevery good correlation withstandardmeteoro- logical tools(radar)confirms the valueaddedby sucha network in monitoring, warning and forecasting severe weather. REE NO 4 Avi il 2005 Repères FOUDRE BEIJING HOI'I=ontal Accul'ocy c ooo m I"f".,".,,) -.)L " .- -.- '-'-7000 , "..- - Hor !=ontc ! Figure 1. Couverture oléi-citiontielle dit systèiiie SAFIR atitobii- de Beijiiig (Pékiii). - --- mc.. BEIJnG -------- --,-,c, ; - ------ -.'-,c,. " .. - -- - . - .''.k,'\1-- - ..' ., A ",, ''\ : -.,. 1[ " i 1\ " "''''- _. 1.).....) j.'1,). ; - ",.. Figure 2. Vueen pei-slyective de l'orcige dit 23109103 dans la i-égion de Pékin. de l'élaboration d'un système automatique de prévisions des risques météorologiques. Nous aborderons également l'évaluation des performances du réseau telles qu'on peut les trouver dans [4] - [6]. 2. Observations et analyses D'avril à octobre 2003, plus de 100 journées orageuses ont été observées. Elles ont donné lieu à l'enregistrement des données par le réseau SAFIR, conjointement aux échos du radar météorologique Doppler de CMA ainsi que les différentes cartes synoptiques émanant des services de prévisions. Le 24 septembre 2003, les provinces de Beijing-Heibei se trouvaient dans une zone dépressionnaire. Un orage traversa la zone d'observation entre 4 h et 8 h 30 (heure locale ; en temps universel 23 septembre 2003, 20 h à 0 h 30). Ce front orageux se développa au sud- ouest de la zone pour se propager pendant près de 5 heures vers le nord-est. La figure 2 donne une représentation en perspective des localisations effectuées par le système SAFIR-3D durant cet orage entre 21 h et 24 h (temps universel). L'échelle des grisés représente l'heure d'occurrence des événements : les plus anciens étant représentés dans les teintes sombres, les plus récents dans les teintes claires. Ce mode de représentation permet d'avoir une idée du déplacement des cellules à partir d'une seule image fixe. La figure 3 montre l'évolution du rythme des sources radio-électriques associées aux éclairs au cours de la situation, avec un pic d'activité dépassant les cent vingt événements par minute autour de 22 h 30 (temps universel). Cet orage a produit plus de 8 000 sources sur une période de quatre heures. La figure 4 retrace l'évolution de l'altitude des décharges en fonction du temps. Il apparaît, durant la phase mature de l'orage, une décroissance de l'altitude, avec, vers la fin de la situation, certaines sources situées en dessous des 5 000 m. L'histogramme de l'altitude des sources sur la figure 5 confirme cependant que la plupart des sources se trouvent entre 9 000 et 10 000 m d'altitude. Enfin, la figure 6 donne une comparaison entre l'activité orageuse et la réflectivité radar de 5 h 30 à environ 8 h 00 (heure locale) le 24 septembre. Les éclairs (triangles sombres) sont superposés aux cartes d'écho radar en intégrant l'activité électrique mesurée 5 minutes avant et 5 minutes après le temps de référence du radar (afin de tenir compte du temps d'intégration de cette dernière REE N 4 Avril 2005 Observation des orages avec le système SAFIR-3D dans les provinces de Beijing-Hebei durant l'été 2003 Fgit-e 3. R -,thiiie de soiti-ces i-adio-électi-iclites cissociées ai (x éclaii-. p (ii- ti-ciiic,he de 10 iïïijîlites. 1.91, Il , -1,., Figtire 5. Histogi-ciiîiiie de l'altitbide des éclairs. Figiii-e 4. Ev ( ? Iiitioi de l'altitlide des solit-c-es ell jàllctioll de l'heure. mesure). De la séquence d'image extraite, on constate que l'orage est constitué de plusieurs cellules, dont l'in- tensité des échos les plus importants est de l'ordre de 45 dBZ, correspondant à des précipitations de l'ordre de 25 mm/h. La très bonne corrélation entre la position des cellules mesurées par le radar et la localisation des éclairs faite par le système SAFIR confirme que le réseau SAFIR répond parfaitement aux besoins de suivi et d'alerte à la foudre dans la région de Pékin. c 3. Discussion Les sources radio-électriques constituant les éclairs sont un bon indicateur pour le suivi des zones de convection intense. D'après les observations faites précédemment, on peut déduire les relations suivantes entre orages et émissions radio-électriques : 1. Les analyses en 3 dimensions de la localisation des sources radio-électriques associées aux orages, avec une haute résolution spatiale et temporelle, confirment que les éclairs sont associés à la distribution des charges à l'intérieur du nuage. 2. Les paramètres des éclairs sont des facteurs importants dans l'alerte et la prévision des risques météo- rologiques. Cependant, de plus amples recherches et ZD campagnes d'observations sont encore nécessaires. CI Cette campagne de mesures dans les provinces de Beijing-Heibei, constitue un ensemble d'observations préliminaires pour le réseau SAFIR-3D de CMA. L'évaluation quantitative, sur un grand nombre de cas, des performances n'a pas été menée dans cette étude. Nous savons cependant que ces performances n'étaient pas optimales pour les raisons suivantes : 1. Parmi la centaine de journées orageuses durant la période d'analyse, seules quelques unes nous ont fourni des données parfaites ou de bonne qualité. Les principales causes de dysfonctionnement sont les pertes de secteurs et/ou de communication avec les capteurs. Dans la plupart des cas, seulement 2 antennes étaient disponibles, ne permettant pas une reconstruction en 3 dimensions de bonne qualité. 2. Une fois ces problèmes techniques résolus, l'Académie Chinoise des Sciences Météorologiques (CAMS) en charge de l'évaluation du réseau SAFIR-3D, mènera des études quantitatives sur la précision de loca- lisation, la capacité de détection, et les possibilités de suivi et d'alerte des risques météorologiques, comparées à des méthodes classiques. L'administration chinoise pourra alors sélectionner les équipements météorolo- giques optimaux. Il est aussi important de déterminer les critères de déploiement du réseau national (NLDN) et d'en poser les futures stratégies de développement. En ce qui concerne l'utilisation des localisations d'éclairs dans les applications d'alerte à la foudre, ce type d'analyse comparative avec des observations radar mérite d'être poursuivi. Remerciements Ce travail a été accompli avec l'aide du Ministère des Sciences & Technologie de la République Populaire de Chine sous le contrat n'2003BA904B 10. REE N 4 Avril2005 Repères FOUDRE ' " 1 1 Références [1 [21 [31 [4j 15J [61 P. RICHARD, 1985 : " Auffray G.VHF-UHF interferometric measurements, applications to lightning discharge mapping ", Radio Science, 2 (02),171 -192 P. RICHARD, A. DELANNOY, G. LABAUNE et al., 1986 " Results of spatial and temporal characterization of the VHF-UHF radiation of lightning ", J. Geophys. Res.91 (D1), 91 (Dl, 1248-1260. D. R. MACGORMAN, W D. RUST, 1998 " The electrical nature of storms, New York " : Oxford University Press, 49-75. z. KAWASAK !, K.YAMAMOTO. K.MATSUURA et al 1994 : " SAFIR operation and evaluation of it's performance Geophysica Research Letters, 21 (12), 1133-1136. V. MAZUR, E. WILLIAMS, R. BOLDI et al., 1997 " Initial comparison of Ilghtning mappmg with operatlonal Time-OF- Arrival and Interferometric systems ", J Geophys. Res. 102 Dl 0), 11071-11085. T. SHANGCHANG, M. QING, 1996 " Evaluation of Ground- Stroke Density Distnbution and Lightning Detection Efficiency in Beljing-Tianjin-Hebei Area, " Acta Metror. Sin, Vol. 10, No.3,346-355. fB Ed nm [umrm ,A ot- Iii ./ r' 4\t Figure 6 Superposition des éclairs localisés par le systèiiie SAFIR (triaiigles soiîibres) sur des cartes d'écho radar entre 5 h 30 et 8 h 00, le 24 sel) teiiibre 2003 Philippe Rouquier, diplômé d'une maîtrise GEII option optoélec- tronique de l'université de Montpellier, débute sa carrière en Finlande, durant 4 ans au service d'ABB, tout d'abord en tant que developpeur de systèmes embarqués puis en tant qu'ingénieur projet d'automatisation de sous-station électriques haute et moyenne tension. De retour en France, il intègre la société Vaisala au sein de l'unité foudre en tant que chef de projet de système de détection d'orages en France et surtout à l'export. Jean-Yves Lojou, commence ses travaux de recherche sur la foudre en 1985 au CNET, puis, en tant que scientifique du contingent à l'ONERA Ttulaire d'un doctorat en télédétection de l'université Paris-VII, il rejoint la société Dimensions dès sa création en 1989, où Ilparticipe au développement du système de localisation des éclairs SAFIR. Dimensions deviendra membre du groupe Vaisala en 2000 et les activités de recherche de J-Y Lojou se diversifieront tant du côté instrumental que de celui de la physique de l'orage et des applications de la détection de la foudre. Meng Qing : Maître de Conférence, membre de l'Académie Chinoise des Sciences Météorologiques (CAMS). Elle effectue ses travaux de recherche au sein du laboratoire de la physique des éclairs et de l'ingénierie de la protection, sur les techniques de détection des éclairs ainsi que l'application des données foudre à l'élaboration d'alerte et à la prévision des phénomènes météorologiques violents. Elle détermine les specifications des systèmes de détection de la foudre pour le compte de l'Administration Météorologique Chinoise (CMA) et participe également au déploiement du réseau national de détection de la foudre en Chine. Elle est en charge de définir les besoins en équipements de détection et d'alerte pour les jeux olymiques de Pékin-2008. Zang YiJun : Professeur, membre de l'Académie Chinoise des Sciences Météorologiques (CAMS), titulaire d'un doctorat de l'uni- versité de Lanzhou, il effectue un post-doc au laboratoire de Langmuir, au Nouveau Mexique sur les techniques de détection des orages. Il intègre CAMS en 2004 pour travailler sur la physique de l'éclair, l'électricité atmosphérique et les méthodes de détection et de protection de la foudre. He Ping : Maître de Conférence, membre de l'Académie Chinoise des Sciences Météoro) ogiques (CAMS). i ! effectue ses travaux de recherche sur les méthodes de traitement et les applications des radars météorologiques. Il est spécialisé dans les radars profileurs de vent ainsi que les techniques de détection de la pluie par GPS Xu Xiaofeng : Professeur, Sous-Directeur de l'Administration Météorologique Chinoise (CMA), spécialiste de la météorologie synoptique. Xao Junzhuang : Assistant Ingénieur à l'Administration Météorologique Chinoise (CMA), responsable du déploiement du réseau national de détection de la foudre en Chine. REE N4 Avril 2005