Présentation de la réanalyse des lames d’eau

Introduction Le radar météorologique est aujourd’hui un instrument de mesure opérationnel qui permet d’accéder à des observations de haute résolution des champs de précipitation. Cependant, la précision des quantités d’eau estimées est instable du fait des nombreuses incertitudes de la mesure radar (Wilson et Brandes 1979; Krajewski et al. 2010; Berne et Krajewski 2013). Les pluviomètres, qui fournissent une estimation ponctuelle, restent l’outil de mesure de référence. Toutefois, de nombreuses études ont montré que les estimations des précipitations sont améliorées à partir de l’ensemble des réseaux de mesures disponibles, en combinant la quantité d’eau mesurée par les pluviomètres avec la distribution spatiale estimée par radar (Wilson et Brandes 1979; Creutin et al. 1988; Sun et al. 2000). Un des objectifs de cette thèse est d’explorer l’impact de la variabilité spatiale des précipitations sur la réponse des bassins versants, à travers la modélisation hydrologique pluie-débit. Cela requiert des estimations spatialisées, aussi précises et fiables que possible, des précipitations. Dans cette optique, nous avons utilisé une nouvelle base de données de précipitation exploitable pour les applications hydrologiques, récemment mise en place par Météo-France. Il s’agit d’une action de ré-analyse des données de précipitation s’appuyant sur les archives radars et pluviométriques. Le résultat est une base de données horaire traitée de façon homogène sur la France métropolitaine, à la résolution spatiale kilométrique et sur une durée de dix ans (1997-2006). Cette base de données unique et très complète, appelée réanalyse des lames d’eau, est aujourd’hui considérée comme la meilleure estimation des cumuls de précipitation spatialisés au pas de temps horaire. Ce chapitre synthétise les travaux réalisés par Météo-France pour l’élaboration de cette base de données. Nous présentons brièvement les principes généraux de la mesure radar avant de décrire les traitements appliqués pour la production de la réanalyse. Les détails concernant la création de cette base de données se trouvent dans les rapports techniques de Guéguen et Moulin (2010), Guéguen et al. (2011) et les publications de Laurantin et al., (2012) et Tabary et al. (2012). 

La mesure radar des précipitations

Dans cette partie, nous présentons brièvement les principes généraux et les limites de la mesure radar pour les précipitations plus largement décrits par Champeaux et Lorandel (2009). 

La formation des précipitations

L’eau à l’état gazeux dans l’air se condense pour former les gouttelettes de nuage. C’est la nucléation. S’il fait suffisamment froid, il se produit une condensation solide et la vapeur d’eau se transforme directement en cristaux de glace. Ce sont les gouttelettes de nuage et les cristaux de glace qui constituent le contenu des nuages. Par différents processus, ces éléments grossissent jusqu’à devenir trop grands pour rester en suspension dans l’air : ils chutent, le contenu du nuage précipite, il pleut ! La gouttelette de pluie est d’environ 100 fois plus grande que la gouttelette de nuage. C’est la taille des éléments qui différencie les précipitations des nuages (Tableau 1). 

Principe de la mesure radar

Le nom de RADAR, acronyme du terme anglais « RAdio Detection And Ranging », que l’on peut traduire par « radiolocalisation » en français, désigne le procédé de repérage d’objets par ondes radio. On utilise communément ce nom pour définir le dispositif qui mesure la distance d’un obstacle par l’émission et la détection d’ondes radioélectriques réfléchies à sa surface. Marshall et al. (1947) sont les premiers à montrer qu’il est possible de déterminer l’intensité des précipitations avec ce type de mesure. Le radar émet dans l’atmosphère des impulsions électromagnétiques puissantes, très brèves, à des intervalles réguliers et à des fréquences élevées. En fonction de la fréquence d’émission des ondes radar, on est capable de déterminer la longueur d’onde du signal :  =   Eq. 1 avec λ (m) la longueur d’onde, c (m/s) la vitesse de la lumière et f (Hz) la fréquence du signal radar. Chapitre 2 : Présentation de la réanalyse des lames d’eau 57 En météorologie, les radars utilisés pour la détection des précipitations sont en bande X, C ou S (voir Tableau 2). En France, les radars météorologiques sont de type bande C dans les régions tempérées et bande S (dans le sud de la France et en Bretagne à Plabennec). Quatre radars en bande X ont récemment été installés dans le Sud-Est de la France, dans le cadre du projet RYTHMME6 mais nous n’en parlerons pas au cours de cette thèse puisqu’ils n’ont pas été utilisés pour la production de la réanalyse.