Un radar météorologique est un type de radar utilisé en météorologie pour repérer les précipitations, calculer leur déplacement et déterminer leur type (pluie, neige, grêle, etc.). La structure tridimensionnelle des données obtenues permet également d'inférer les mouvements des précipitations dans les nuages et ainsi de repérer ceux qui pourraient causer des dommages. Enfin, en se servant des précipitations comme traceurs, on peut en déduire la direction radiale et la vitesse des vents dans la basse atmosphère.
Durant la Seconde Guerre mondiale, les opérateurs radars ont remarqué que des échos parasites semblaient venir des précipitations et des techniques furent mises au point pour filtrer ces échos gênants. Cependant, les scientifiques ont rapidement reconnu le potentiel pour la météorologie et dès la fin du conflit, des radars militaires mis à disposition furent utilisés pour la détection des précipitations. Aujourd'hui, les radars météorologiques sont utilisés par les services météorologiques nationaux, les aéroports, les départements de recherche universitaires en météorologie et même les chaînes de télévision dans leurs bulletins d'information quotidiens.
Les données brutes de ces radars peuvent être utilisées pour faire des images ou être traitées par des logiciels spécialisés qui extrapoleront à court terme leur déplacement (prévision immédiate). Leurs informations peuvent même être chargées dans les modèles de prévision numérique du temps afin d'améliorer leur analyse de la situation météorologique, ce qui leur permettra de faire de meilleures prévisions. Histoire
thumb|Opérateur radar d'un ancien radar météorologique En 1864, James Clerk Maxwell décrit les lois de l’électromagnétisme ce qui permet pour la première fois de travailler sur leur source. En 1889, Heinrich Rudolf Hertz montre que les ondes électromagnétiques sont réfléchies par les surfaces métalliques. Dans les premières décennies du , plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs de divers pays ont contribué au développement du radar, juste à temps pour le début de la Seconde Guerre mondiale. Durant le conflit, les opérateurs des radars micro-ondes des armées alliées remarquèrent de la contamination qui s’avéra être des échos venant des précipitations (pluie, neige, etc.). Juste après la guerre, les scientifiques militaires, qui avaient déjà commencé leur recherche sur les phénomènes rapportés, ont continué leur travail tant dans la vie militaire que civile.
Aux États-Unis, David Atlas et Pauline Morrow Austin sont des pionniers de la météorologie radar. Le premier a travaillé pour le groupe de l’armée de l’air, et plus tard, les deux sont passés au Massachusetts Institute of Technology.. Il a participé au développement des premiers radars météorologiques opérationnels. Au Canada, J. Stewart Marshall et R.H. Douglas forment le « Stormy Weather Group » à l’Université McGill de Montréal... Marshall et son étudiant Walter Palmer sont reconnus pour avoir travaillé sur la distribution du diamètre des gouttes dans les précipitations ce qui a mené à la relation entre la réflectivité (Z), le retour d’intensité des précipitations, et le taux de précipitations (R) au sol communément appelé relation Z-R. En Grande-Bretagne, les recherches se poursuivirent pour relier les signatures des échos aux caractéristiques des précipitations et sur les possibilités qu’offrent les différentes longueurs d'onde entre 1 et .
Entre 1950 et 1980, les différents services de météorologie à travers le monde construisent des radars météorologiques pour suivre les précipitations par leur réflectivité. D’abord ces radars furent pour usage local dans les grands centres et avec un nombre limité d’angles et provenaient de surplus militaires. Ils étaient opérés en temps réel par les météorologistes qui devaient suivre les échos sur des écrans cathodiques. En 1957, le National Weather Service introduit le WSR-57, leur premier radar conçu exclusivement pour la détection des précipitations. En 1953, Donald Staggs, un ingénieur en électricité travaillant pour le Illinois State Water Survey, est le premier à noter sur les sorties de réflectivité le crochet typique associé à un orage tornadique..
Dans les années 1970, les différents radars commencent à être organisés en réseaux avec un début de standardisation. Les premiers systèmes de capture des images ont été développés. Le nombre d’angles sondés augmente ce qui permet d’obtenir un volume de données en trois dimensions. Les coupes horizontales (CAPPI) et verticales sont développées. On étudie ainsi la structure des orages et autres nuages (entre autres par Isztar Zawadzki). Les groupes de recherche se sont multipliés à travers le monde, en particulier le NSSL aux États-Unis formé en 1964 sous la direction d'Edwin Kessler, et commencent à expérimenter sur la variation de la polarisation du signal radar ainsi que sur l’utilisation de l’effet Doppler-Fizeau. En , une tornade a frappé la ville de Union City, juste à l’ouest d'Oklahoma City. Le radar expérimental de longueur d'onde de du NSSL a pu pour la première fois noter la vie entière de ce phénomène.. Grâce à l'effet Doppler, les chercheurs ont pu voir une rotation, appelée mésocyclone, dans le nuage orageux avant que la tornade ne se forme ce qui a convaincu le National Weather Service que cette nouvelle information serait très important pour la prévision des orages violents.
thumb|Tour et radôme du WSR-88D de Norman (Oklahoma) Entre 1980 et 2000, les réseaux de radars météorologiques se généralisent en Amérique du Nord, en Europe, au Japon et dans certains autres pays. Les radars conventionnels sont remplacés par des radars pouvant détecter non seulement l’intensité des précipitations mais également leur vitesse de déplacement (effet Doppler). Aux États-Unis, l’implantation de ces radars de longueur d’onde de appelé NEXRAD ou WSR-88D commence en 1988 et se termine au début des années 1990. Au Canada, le premier radar Doppler est celui de King City, au nord de Toronto, en 1985. Il est construit pour tester le concept avec une longueur d'onde de . Le second sera celui de de l'Université McGill en 1993. Le réseau canadien de radars météorologiques est modernisé au complet à partir de 1998. La France (réseau ARAMIS) et les autres pays européens se convertissent à la fin des années 1990 et après 2000. En Australie, quelques radars de recherche sont construits à la fin des années 1990 et début 2000 mais ce n'est qu'en 2003 qu'un programme pour renouveler le réseau national réserve certains sites pour des radars avec fonction Doppler..
Le développement fulgurant de l’informatique permet de traiter les données radars en temps réel pour faire une multitude de produits directs (CAPPI, PPI, cumul de précipitations, etc.) mais également des algorithmes qui permettent de repérer les précipitations dangereuses (orages, pluie diluvienne, rafales sous les nuages, etc.) et de prévoir à court terme leur déplacement.
Après 2000, les recherches qui ont été effectuées sur la double polarisation du signal radar commencent à trouver des applications pratiques dans la détection du type de précipitations. La France., le Canada, les États-Unis, l’Australie et d’autres ont transformé certains de leurs radars pour utiliser ce concept en mode pré-opérationnel puis rendu opérationnel tout leur réseau.. Des recherches sont en cours depuis 2003 pour utiliser des antennes réseau à commande de phase assemblés en radar tridimensionnel à balayage électronique pour remplacer le sondage mécanique en balayage électronique, donc plus rapide.
Principes du radar météorologique
À la différence d'un radar à onde continue, un radar météorologique est un radar monostatique à impulsions. Il émet une impulsion de très courte durée de manière périodique. L'intervalle entre deux impulsions est calculé pour une portée donnée du radar. Cela permet de recevoir les échos de retour venant des précipitations avant que l'impulsion suivante ne soit émise. On peut ainsi repérer la position, l'intensité et le déplacement des précipitations.
Émission thumb|Trajectoire du faisceau radar et volume sondé. Une impulsion électromagnétique est produite par un oscillateur (magnétron, klystron ou autre) électronique. Les longueurs d'onde plus courtes sont utiles pour les particules plus petites, mais le signal est atténué plus rapidement. Ainsi, un radar de (bande S) est préféré, mais est plus cher qu'un système de en bande C, pour les précipitations. Le radar météorologique en bande X de est utilisé uniquement pour les unités à courte portée, et le radar météorologique en bande Ka de est utilisé uniquement pour la recherche sur les phénomènes de fines particules tels que la bruine et le brouillard.
L'impulsion est envoyée à travers un guide d’ondes à une antenne directive. La largeur du faisceau, qui définit la résolution en azimut et en élévation, dépend des caractéristiques de l'antenne, et la durée d’impulsion sinusoïdale simple (de l’ordre de la microseconde), définit la résolution radiale. Il est possible d'utiliser des impulsions compressées qui permettent d'obtenir une meilleure résolution radiale.
Ainsi, une impulsion sonde un volume de l'atmosphère qui augmente avec la distance au radar comme (h : largeur de l'impulsion, r la distance au radar et l'angle d’ouverture du faisceau). On voit sur l'image de droite le volume qu'occupent deux impulsions parties à des temps différents d'un radar. Cette formule suppose que le faisceau est symétriquement circulaire, "r" est beaucoup plus grand que "h", donc "r" pris au début ou à la fin de l'impulsion est presque le même, et la forme du volume est un presque un cylindre tronqué de profondeur "h"..
Avec les dimensions typiques d'un faisceau radar, le volume sondé varie donc de près du radar, jusqu'à à de celui-ci. Il s'agit du « volume radar »..
Rétrodiffusion et étalonnage
Lorsqu'une impulsion entre dans une zone de précipitations, une petite partie est rétrodiffusée (réfléchie) vers le radar pendant que le reste continue. Ce retour est le total des retours de toutes les gouttes dans le volume sondé et l'équation du radar pour cibles volumiques en régit l'intensité :
Où : Pt et Pr = Puissance transmise et reçue (watts) G = gain de l'antenne émettrice/réceptrice (dBi) λ = longueur d'onde du radar (mètres) θ = la largeur angulaire du faisceau radar (degrés) c = la vitesse de la lumière dans l'air (mètres par seconde) η = est la réflectivité des cibles par unité de volume () R = distance cible-radar émetteur (mètres)
Lorsque le volume est rempli de cibles, on obtient une moyenne de leur intensité mais s'il n'est que partiellement rempli, on sous-estimera celle-ci en incluant des zones sans échos. Comme le volume augmente avec la distance, cette sous-estimation deviendra de plus en plus probable. Finalement, quelle que soit l'intensité du retour, il va diminuer inversement à ce qui fait qu'on doit normaliser les retours, c'est-à-dire qu'on doit les multiplier par ce facteur pour faire comme s'ils revenaient tous du même endroit.
Position thumb|upright=1.5|Calcul de la hauteur des échos.
Entre chaque impulsion, l'antenne et le circuit électronique sont mis à l’écoute de l’impulsion de retour. On calcule la distance entre le radar et les précipitations par la relation suivante :
Où : c = vitesse de la lumière dans le vide = 299 792,458 km/s n = indice de réfraction de l'air ~= mais qui varie avec la température, la pression et la vapeur d'eau contenue dans l’air.
La distance maximale qu'on peut sonder sans ambiguïté dépend du utilisé entre deux impulsions subséquentes. En effet, la position de tout retour qui arrive d'une première impulsion, après qu'une seconde impulsion est partie, sera mal interprétée comme revenant de cette dernière. En général, on utilise un intervalle d'écoute de l’ordre de 1 milliseconde, soit mille fois la durée de l'impulsion. Cela permet une portée maximale utile d'environ .