Annexe 7

Différentiation pluie/verglas/neige/grêle sur le territoire métropolitain à partir des images radar, des prévisions

symposium et des températures observées. (Commande du pôle route pour le groupe VINCI- fin 2009)

Ce travail a été terminé en 2009 dans le cadre d’une réponse à un appel d’offre pour le groupe VINCI qui fédère plusieurs sociétés d’autoroutes. (ASF, COFIROUTE,ESCOTA) Ils souhaitaient disposer d’un ensemble de cartes différentiant les types de précipitation même en dehors de leur réseau.

La différentiation du type d’hydrométéore peut être estimée directement à partir des données radar en recherchant la bande brillante, avec un radar à double polarisation ou en analysant le spectre doppler du signal radar(tir vertical).

Mais ces techniques sont complexes à mettre en œuvre et à ce jour ne sont pas encore disponibles d’une manière opérationnelle sur l’ensemble du territoire. De plus elles ne peuvent donner au mieux que l’état des précipitations à la base du faisceau radar le plus bas. Hors l’altitude du faisceau radar augmente très rapidement aves la distance. Si la fonte de la neige (LPN) se produit au-dessous ou si sous la LPN stagne une couche d’air inférieur à 0° ces techniques sont inopérantes. Sauf cas particulier d’isothermie, la fonte se produit en moins de 350 m au-dessous le l’iso zéro. A ma connaissance la détection du verglas n’est pas possible à ce jour par ces méthodes, mais nécessite de connaître le profil thermique de la LPN jusqu’au sol y compris la TS. (température de surface)

Pour la grêle les données issues de la double polarisation semblent plus appropriées compte tenu du fait que la fusion des grêlons est lente.

En attendant la mise en œuvre et l’exploitation de ces nouvelles données, une méthode simple consiste à utiliser le profil thermique estimé au-dessus d’un point pour déterminer le type de précipitation ( pluie , neige, verglas) l’hiver. ( hors grêle). Ce type de méthode avaient été mise au point en 1990 sur le terminal METEOTEL pour produire automatiquement le temps sensible à partir du modèle PERIDOT.

Ne disposant pas en 2007 de profil thermique en chaque point, on utilise les données expertisées issues de SYMPOSIUM . Un profil très fin extrait du modèle du CEP (tous les niveaux du modèle) est maintenant disponible sur 800 points au-dessus du territoire deux fois par jour ainsi que la TS dans chaque commune.

Une précipitation détectée par le radar est différentiée via l’algorithme suivant :

Si altitude sol<lpn et T2m>0 alors pluieSi altitude sol<lpn-300m et T2m<0 alors verglas ou neigeSi altitude sol>lpn-300m et T2m<0 alors neige (LPN trop près du sol avec T

négatif verglas improbable) Si altitude sol>lpn et T2m<=0 alors neigeSi altitude sol>lpn et 0°<T2m<4° alors pluieSi altitude sol>lpn et 4°<T2m alors pluie

Pour la grêle, l’expérience des prévisionnistes montre que la probabilité d’avoir de la grêle

devient significative à partir d’un écho de 53 dBz. Une couleur orange, puis rouge pour les intensités les plus fortes, traduit un risque de plus en plus probable ainsi que des dégâts de plus en plus importants.

La difficulté consiste a avoir la meilleure estimation du profil vertical de température et de TS en tout point du territoire.

On partait donc du principe que les températures issues de symposium 1.5 constituent une bonne estimation des températures prévues à T2m à différentes échéances. (0H +3H) SYMPOSIUM fournissait également la LPN et l’iso 0°. La comparaison entre l’observation et la prévision symposium 1.5 montre que cette assertion est vraie le jour (moins de 2 ° d’erreur), mais que des dérives importantes sont constatées la nuit. C’est pour cela que la nuit on accorde dans l’algorithme un poids plus important à l’observation. Par ailleurs les observations de température ne sont pas exemptes de dérives parfois très importantes. Celles-ci sont éliminées lorsqu’elles s’éloignent trop de l’analyse symposium.

Toutes les 30 minutes une spatialisation de tous les paramètres analysés et prévues SYMPOSIUM est réalisée à la résolution 1km. L’algorithme de spatialisation tient compte de l’altitude et de la proximité de la mer. On utilisait les prévisions symposium par zone. On gagnerait maintenant à utiliser le CDPH (composant de données productibles infra horaire par commune) ce qui serait plus réaliste et de surcroit réduirait d’une manière significative le temps de calcul.

De même les dernières observations disponibles sont spatialisées à la même résolution spatiale. On ne prend pas en compte les observation 6 minutes trop rares en temps réel. Les températures la LPN l’iso 0° sont interpolées dans le temps entre l’observation et la première prévision SYMPOSIUM pour être ramenée à l’heure exacte de l’image composite radar.

Cette double interpolation est très couteuse en temps CP.

Exemple d’interpolation temporelle de T en un point. Le trait noir représente l’instant présent. La courbe rouge l’observation avant le temps présent puis son interpolation dans le futur pour rejoindre progressivement les prévisions symposium(violet)

Si la LPN n’est pas disponible (en plaine) alors on prend l’altitude de l’iso 0° -300m.

Pour obtenir l’image finale de type de précipitation l’algorithme précédent de détermination du type d’hydrométéore est appliqué en croisant l’image composite de réflectivité, la spatialisation de la température et de la LPN.

Cette analyse est spatialisée sur la France seulement. (zone délimitée par le relief) Les échos hors du territoire (en mer aussi) n’intègrent pas ce traitement.

La pluie la neige, le verglas la grêle sont représentés suivant 4 palettes de couleurs différentes. La légende est apposée sur chaque image. Par type de précipitation on conserve un gradient de couleur pour différencier l’intensité des précipitations et avoir une idée de la texture.

.

Cette fonctionnalité repose sur la qualité de la saisie de la LPN et T2M SYMPOSIUM et plus particulièrement lorsque l’iso 0° est proche du sol ainsi que de la qualité de la T2m observée.

En plaine ou la LPN et l'iso 0° ne sont expertisés par le prévisionniste on prend l'ISO 0° - 300m, par contre si cette limite est trop proche du sol <200m il convient de l'abaisser car la formation du verglas est improbable sauf si TS es négatif.

En cas de précipitation neigeuse une algorithme estime l’épaisseur de la neige fraiche depuis 6H TU. La conversion est simpliste : H neige en cm=RR*10. En fonction de RR issu du radar et de la température à 2 m,

La fonte de cette couche est estimée en fonction de T 2m. ( On fait fondre d’une manière empirique ce dépôt solide si T > 0°. de 0.3 cm de neige par heure et par degrés (valeur moyenne observée sur décembre 2009 et janvier 2010). Une image représentant ce cumul est produite toutes les 5 minutes également.

Interface de visualisation :

Pour contrôler l’algorithme l’utilisateur peut superposer à l’image les observations au sol, relevées dans l’heure précédente.(RR, h neige, vent , T)

Pour le domaine France un code couleur permet d’attirer l’attention sur les points ou le risque de précipitations glissantes est important (marqueur blanc). En passant la souris sur celui-ci , il peut visualiser l’ensemble des paramètres et en cliquant afficher les 24 dernières observations. A partir de cet atmogrammes d‘observation on peut également accéder aux observations 6’ si celles-ci sont disponibles. Attention tous les pluviomètres ne sont pas réchauffés et peuvent ainsi masquer des précipitations solides, les mesures fournies par les capteurs de hauteur de neige n étaient pas fiables suivant la DSO.

A partir des observations il peut également accéder aux prévisions par communes..

On peut également visualiser la spatialisation de la température observée à 2m, la LPN et l’iso 0° utilisés pour la détermination du temps sensible. Pour l’image au domaine France la superposition des impacts de foudre des 5 dernières minutes est possible ainsi que l’animation de ceux-ci synchronisés avec l’imagerie radar. (réservé à un usage interne ou pour des applications liées à la sécurité des biens et des personnes)

Les images sont animées avec une remise à jour automatique toutes les 5 minutes.

Exemple d’interface (cas du 03/01/10 carte type de précipitation.)

Améliorations possibles :

Utiliser le CDPH (prévisions horaires par communes) pour la spatialisation de la T 2m Td et TS.

Utiliser TS en plus pour l’estimation de la fonte de la neige. Ou plutôt de la tenue de la neige au sol . Utiliser le profil vertical thermique fin issu du CEP ou améliorer l’estimation du risque de verglas ou du type de neige. Utiliser la lame d’eau PHANTERE plutôt que l’image de réflectivité (sauf pou r le risque de grêle) Utiliser la double polarité pour définir le type de précipitation à la base du faisceau radar.

T2M analysé pourrait être obtenue via VARPACK.

Retour client:

ASF s’est déclaré très satisfait de ce produit pour la gestion de la viabilité hivernale. L’analyse des logs montrent que cette image est très consultée par les exploitants en situation hivernale.

Exemple d’algorithme utilisé pendant 15 ans sur Meteotel pour la détermination du type de précipitation (neige/pluie/verglas) à partir d’ARPEGE.

Exemples de visualisation des résultats :

Cette URL permet d’accéder à des recopies d’écran faites lors des situations à neige ou grêle

http://www.meteo.fr/test/gratuit/situation/situation.htm

Voir quelques extraits issus de cette url.

Cas du 03/01/2010 cumul de neige depuis 6HUTC A gauche problème lié à la bande brillante qui conduit à une surestimation du cumul de neige. (d’ou l’intérêt de lui préférer la lame d’eau)

Cas de grêle sur Toulouse