Prsentation PowerPoint

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Première école d'été AMMA
Lannemezan, 1er au 12 septembre 2003
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CLIMATOLOGIE DES CARACTERISTIQUES DES
DISTRIBUTIONS DE GOUTTES EN ZONE TROPICALE ET
TEMPEREE
A. D. OCHOU, H. SAUVAGEOT, A. NZEUKOU
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Introduction

• Létude des précipitations (pluie, neige, grêle)
  ?
• préoccupation majeure des physiciens de
  latmosphère
• intéresse de nombreux domaines dapplication
  (agriculture, hydrologie,
• télécommunications, navigation aérienne et
  maritime ...)
• Leur mesure se fait par des méthodes directes
  (pluviomètre, disdromètre,) ou télédétectées
  (radar, satellite)

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• De nombreuses études se sont intéressés à la
  mesure des DSD et à leurs paramétrisations.
• Les nombreuses investigations ? grande
  variabilité des paramètres des distributions liée
  aux processus microphysiques, dynamiques et
  cinématiques dans les précipitations

• Mais, de nombreuses questions restent encore non
  résolues sur la variabilité des relations Z-R,
  notamment dans les pluies dites convectives et
  stratiformes.
• De plus, les études ne reposent pas toujours sur
  des échantillons statistiquement suffisants.

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• La présente étude réalisée à partir dune base
  importante de données acquises en zone tropicale
  et tempérée, montre la variabilité des
  caractéristiques moyennes des pluies observées en
  zone tropicale et tempérée, cela à travers
• les DSD instantanées et moyennes
• les fonctions analytiques associées
• les paramètres physiques intégrés
• les relations Z-R entre le facteur de
  réflectivité et lintensité
• de pluie.

• Les résultats obtenus pourront, dans le futur,
  être dun apport appréciable
• - dans lamélioration des algorithmes de
  caractérisation des systèmes précipitants et
  destimation de pluie par radars terrestres et
  spatiaux,
• - mais aussi pour la modélisation microphysique
  utilisée dans les modèles de simulation de
  circulation atmosphérique

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PLAN DE LEXPOSE
? Théorie et mesure des DSD
? Variabilité spatio-temporelle des
caractéristiques des distributions des gouttes de
pluie.
? Les relations Z-R et leur variabilité dans les
précipitations.
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Théorie et Mesure des DSD
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Théorie et mesure des DSD
Dans les précipitations, les processus de
coalescence (accolement des gouttes) et de
breakup (fractionnement des gouttes) sont à
lorigine de la distribution dimensionnelle des
gouttes (DSD) La fonction de distribution N(D)
exprime le nombre de gouttes par unité de volume
et par unité de diamètre Elle décrit de façon
complète la précipitation et peut donc être
utilisée pour discuter sa variabilité spatiale
et temporelle
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Formes de référence des DSD
Exponentielle
(Marshall et Palmer, 1948)
(2 paramètres)
modifiée
(Ulbrich, 1983)
Gamma
(3 paramètres)
complète
Lognormale
(3 paramètres)
(Ajayi et Olsen, 1985 Feingold et Levin, 1986 )
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Les différents types dajustement
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Paramètres intégrés déduits des DSD
Il est dusage de caractériser les précipitations
par des paramètres intégrés qui sont des
fonctions de la distribution N(D) à savoir le
nombre total de gouttes par unité de volume (NT),
le contenu en eau liquide (W), lintensité de
pluie (R), le diamètre volumique médian (Do), le
facteur de réflectivité radar (Z) et divers
autres termes

• La forme généralisée des paramètres intégrés est
  donnée par le moment statistique dordre n

• Pour les distributions théoriques exponentielle,
  gamma et lognormale, les moments dordre n sont
  respectivement

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Les paramètres intégrés sont des grandeurs
accessibles et comparables à ceux dautres
systèmes de mesure on a

• Le nombre total des gouttes par unité de volume

• Le contenu en eau liquide (masse deau liquide
  par unité de volume dair)

• Le diamètre volumique médian (diamètre pour
  lequel on a W/2)

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• Lintensité de pluie (quantité deau traversant
  une unité de surface pendant
• un intervalle de temps en dautres termes
  cest la hauteur deau / temps)

où
au niveau sol, on considère w 0 et lon a
pour
(expression approchée), on a

• Le facteur de réflectivité radar (paramètre
  essentiel dans les mesures radar)

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Dispositif expérimental et base de données
Le système dacquisition des mesures le
disdromètre RD-69, (Campistron et al., 1987)
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Principe de traitement des données

• les gouttes reçues chaque minute sont classées en
  fonction de leur diamètre dans 25 canaux sur la
  plage de diamètres compris entre 0,3 et 5,2 mm,
  par pas de 0,2 mm

• chaque nombre de gouttes Ni par canal est
  enregistré.Le programme dacquisition calcule les
  paramètres intégrés caractéristiques de la
  distribution
• -le nombre de gouttes par unité de volume et par
  intervalle
• de diamètre N(D) (m-3 mm-1)
• -le nombre total des gouttes NG,
• -l'intensité de pluie R (mmh-1),
• -le contenu en eau liquide W (gm-3),
• -le diamètre volumique médian Do (mm)
• -le facteur de réflectivité radar Z
  (dBZ),
• -les paramètres N0 et l de la
  distribution exponentielle de type M-P,
• calculés par des relations proposées
  par Waldvogel (1974).

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Sites de mesures et régimes pluviométriques
moyens associés
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Systèmes de précipitations observés
Le niveau des intensités de pluie R et leur
variabilité temporelle peuvent être utilisés pour
identifier le type de précipitation observé on
distingue

• Les pluies stratiformes
• Les pluies orageuses
• Les lignes de grains

De nombreux travaux concernant les systèmes
convectifs en Afrique de lOuest ont permis de
mieux comprendre leur morphologie et les
processus dynamiques, thermodynamiques et
microphysiques qui les caractérisent. (Desbois et
al., 1988  Redelsperger et Lafore, 1988  Chong
et al.,1987  Redelsperger, 1992  Roux, 1987).
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Exemples types de systèmes de précipitations
observées  (a,b) pluies stratiformes  (c,d)
pluies orageuses  (e,f) lignes de grains.
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La base de données
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Variabilité spatio-temporelle des
caractéristiques des distributions des gouttes de
pluie
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Caractéristiques climato-statistiques DSD
observées
Morphologie des DSD instantanées
Lanalyse des DSD permet de distinguer diverses
formes
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DSD étroites avec pics
DSD fines à petites gouttes
z. tropicales et tempérées
z. tropicales et tempérées
z. tempérés
R 1 à 5 mmh-1 NG ?100 Dmax ? 2 mm
R lt1 mmh-1 NG lt100 0,4 ?D ?2 mm
DSD étroites sans pics
DSD plates avec pics
z. tropicales
z. tropicales
10 ?R ?30 mmh-1 100 ?NG ?500 0,8 ?D ?5,2 mm
1 ?R ?10 mmh-1 100 ?NG ?500 D ? 3 mm
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Variabilité des DSD instantanées
Cette étude est réalisée à travers la variation
temporelle des diamètres extrêmes Dmin et Dmax
des DSD obtenues minute par minute.
Abidjan, Niamey, Boyélé ? Dmax élevés avec forte
variabilité, déficit en petites gouttes, Dmin
quasi-constant, DSD en moyenne larges Kourou,
Brest ? Dmax plus faibles en moyenne, avec
forte variabilité, prépondérance de petites
gouttes , Dmin quasi-constant, DSD en moyenne
plus étroites
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Caractéristiques des DSD moyennes par classe
dintensité
Létude des DSD moyennes par classe dintensité
est intéressante, car permet déliminer les
irrégularités (pics cinématiques) pour obtenir
des distributions stables permettant de dégager
de grandes tendances en terme de comparaison.
Dans ce travail, les DSD moyennes ont été
déterminées à laide des échantillons séparés, si
possible, par année (Abidjan 86-87-88, Boyélé
88-89, Brest 87-88, Niamey 89, Kourou 91)-pour
comparaison interanuelle- Pour chacune des huit
classes, il a été calculé les valeurs moyennes de
R, Z, W, Do ainsi que les paramètres des
fonctions ajustées gamma, lognormal et
exponentielle (obtenue pour les diamètres
supérieurs au diamètre modal Dm de la
distribution).
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- Aux sites tropicaux, les DSD moyennes sont de
forme Gamma ou LogN bien établie, sauf pour la
classe Rlt2 à Kourou et Boyélé où la DSD est de
forme expon.
- Sur le site tempéré où Rlt60 mm/h, les DSD
moyennes des classes Rlt20 sont de forme expon
alors que celles des classes 20ltRlt60 ont des
formes Gamma ou LogN mal établies
De façon générale, les DSD moyennes varient avec
R. Les diamètres des modes augmentent avec R On
a un regroupement en 3 classes principales
Rlt2 ,  2Rlt20 et R20 Aux sites tropicaux, les
DSD de R20 ont des pentes l ctes (2 à 2,5
mm-1). A Abidjan (3 éch. annuels) et Boyélé (2
éch. annuels), les DSD sont superposables d1
année à lautre
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Ajustement de fonctions analytiques aux DSD
moyennes observées

• Les fonctions gamma et lognormale considérées
  ici, représentent de façon correcte les DSD
  moyennes observées
• Elles prennent bien en compte les DSD de type
  exponentiel

X
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Comparaison des fonctions ajustées
Sur lensemble des stations, les fonctions
ajustées Gamma complète et Lognormale donnent de
loin les plus faibles EQM p/r à la fonction
Gamma modifiée ? elles
représentent au mieux les DSD moyennes observées
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Relations entre lintensité et les paramètres
des fonctions ajustées

• Hormis L de la représentations Gamma modifiée
  qui est reliée à R par une fonction linéaire,
  toutes les autres relations X-R des différentes
  fonctions sont de forme puissance (XaRb).
• Les coefficients de corrélation obtenus montrent
  que la fonction Lognormale aux paramètres (NT,
  Dg, s) donnent les meilleures relations

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Nuages de points et fonctions ajustées entre
lintensité R et les paramètres de la
représentation lognormale
NT et Dg sont très sensibles aux zones
climatiques ? NT est plus faible aux sites
continentaux (Niamey, Boyélé) quaux sites
côtiers (Abidjan, Kourou) ?Dg observe un
comportement inverse
Lensemble de ces résultats montre le rôle
cohérent joué par le nombre de gouttes et leurs
diamètres dans la variabilité des paramètres
intégrés
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Caractéristiques climato-statistiques des
paramètres intégrés
Distribution de fréquence des paramètres intégrés
R, Do,Z ? 3 groupes - Brest-Kourou, -Abidja
n- Boyélé -Niamey
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Caractéristiques des régimes pluviométriques à
travers lintensité moyenne
Evolution des intensités moyennes mensuelles et
des coefficients de variation correspondant

• Létude des intensités moyennes mensuelles et
  saisonnières ainsi que les CV correspondant
  montre
• ?R varie avec les saisons
• ? les régimes sont caractérisés par de fortes
  valeurs de CV aux saisons sèches (moins
  pluvieuses)
• ? Niamey se détache avec CV faibles durant
  lunique saison de pluie (homogénéité de la
  pluviosité)

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Discrimination des régimes pluviométriques à
laide de sR f (mR)
La Relation linéaire sR 2,3 mR obtenue sur
lensemble des sites permet de réaliser une
discrimination des régimes pluviométriques
(tropicaux/ tempérés) La séparation est plus
nette avec le regroupement saisonnier
En résumé, cette étude statistique a permis de
quantifier le degré de variabilité des
précipitations aux différents sites et donc aux
différentes zones climatiques
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Les relations Z-R et leur variabilité dans les
précipitations
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Problématique et importance des relations Z-R
Relations Z-R ? très utiles pour traduire des
mesures obtenues par radar (télédétection
micro-ondes) en intensité de pluie
Nombreuses études ? la fonction puissance ZARb
(obtenue par la méthode des moindres carrés )
décrit bien la relation entre Z et R
Mais, il existe une forte variabilité des Z-R à
travers A et b dune région à lautre, dune
précipitation à lautre en un lieu donné, au sein
dune même précipitation

• Nombreux travaux ? classement de relations en
  fonction du type de pluie (convective ou
  stratiforme)
• Certains trouvent ? As lt Ac , dautres ? As gt
  Ac

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Ces disparités (2 écoles) doivent être
clarifiées si lon veut assurer la cohérence des
estimations de pluie par radar dont les avantages
sont connus.
Dans cette partie, on se focalise sur la
variabilité des Z-R, qui dépendent de la
variabilité des précipitations dont le diamètre
des gouttes et leur nombre sont vus comme les
principaux responsables. ? On étudie la
variabilité des Z-R à léchelle des saisons, puis
à léchelle de lévénement pluvieux selon le type
de pluie
Pour un échantillon donné, les coefficients A et
b de la relation Z-R sont calculés à partir de
couples de valeurs (Z,R) par la méthode des
moindres carrés.
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Variabilité saisonnière des relations Z-R
Pour chaque site étudié, les relations Z-R sont
calculées sur la base déchantillons mensuels
(toutes les années confondues) représentatifs
dune variabilité saisonnière
Relations Z-R obtenues aux différents sites de
mesure
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Variabilité temporelle des coefficients A et b de
Z-R sur lensemble des sites

• Le facteur A
• varie avec les saisons dans une région donnée
• est sensible aux zones climatiques

• Lexposant b
• varie très peu au cours des saisons dans une
  région donnée
• varie peu dune zone climatique à lautre

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? A et b intervenant simultanément dans
Z-R, on peut dire que Z-R, sur la base
déchantillons mensuels, est sensible
aux zones climatiques ? pour des études
climatologiques dans une zone donnée, on
peut saffranchir du choix de b
(quasi-constant) pour nadapter que A
suivant les saisons.
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Variabilité des relations Z-R à léchelle de
lévénement pluvieux
Il sagit, ici, détudier le comportement des
relations Z-R au sein dévènements pluvieux pris
individuellement
Nombreuses études ? Classification par type de
précipitation (convectif, stratiforme) sur la
base de la structure des précipitations ou de
critères sur certains paramètres

• Dans cette partie ? on se propose de montrer
  lexistence des situations (AcgtAs) et (AcltAs)
  dans les précipitations observées.
• Dix évènements pluvieux présentant des
  caractéristiques ou différentes ont été
  sélectionnés sur la base de la structure des
  séries temporelles de lintensité R, (lignes de
  grains, orages uni ou multicellulaires, pluies
  stratiformes) dans les différentes zones
  climatiques.
• Selon le contraste présenté par R, un événement
  global (G) est subdivisé en parties convective (C
  ) et/ou stratiforme (S) et/ou de transition (T)
• Les dix évènements pris globalement, puis
  subdivisés si nécessaire
• ? 28 échantillons constitués

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Séries temporelles des paramètres intégrés R, Z,
Do et NG pour les 10 évènements
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(No Transcript)
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Coefficients A et b de la relation Z-R, relatifs
aux échantillons constitués
Lanalyse des résultats ? A et b varient de façon
notable au sein dune même précipitation et dune
précipitation à lautre

• Dans les LG, on a diverses situations ?
•  Ac lt As avec bclt bs (17 oct. 87 à Abidjan
  02 oct.88 à Boyélé 30 mai 91 à Kourou)
•  AcltAs avec bcgt bs (05 oct.88 à Boyélé) 
•   AcgtAs avec bclt bs (01 juil.88 à Boyélé 02
  oct.88 à Boyélé p/r à zone de transition). 

• Dans les orages, situations différentes ?
• A1gtA2 avec b1ltb2 (22 nov.86 à Abidjan)
• A1gt A2 avec b1gtb1 (30 juil.89 à Niamey)

• Dans les évènts à caractère Stratiforme (Rlt10
  mmh-1), on a des situations divergentes ?
• 29 mai 87 à Abidjan A580 et b1,37
• 22 juil.87 à Abidjan A123 et b1,17

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• Ces résultats
• confirment la grande variabilité des relations
  Z-R dans les précipitations
• montrent quil est difficile dattribuer un sens
  de variation aux coefficients A et b au vu des
  seules valeurs dintensité et de réflectivité
• permettent dadmettre et comprendre lexistence
  des situations AcgtAs et AcltAs qui se justifient
  par les caractéristiques (nombre et taille des
  gouttes) différentes des systèmes étudiés.

• La compréhension de la variabilité des Z-R réside
  dans le comportement des paramètres intégrés (R,
  Z, Do et NG). En effet
• les séries temporelles montrent que R et NG
  varient globalement dans le même sens, tout comme
  Do et Z (dBZ)
• mais Do et NG ont des amplitudes de variation
  différentes et des sens de variation parfois
  opposés
• il apparaît dès lors normal que ces fortunes
  diverses dans le comportement de Do et NG
  influencent diversement Z et R (moments dordre 6
  et 3b) et contribuent à la grande variabilité
  des relations Z-R.

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Conclusion

• Lensemble de ces résultats obtenus ont permis de
  quantifier la variabilité des distributions des
  gouttes de pluie en zone tropicale et tempérée,
  notamment
• -la variabilité des DSD instantanées et moyennes,
• la variabilité des paramètres intégrés R,Z, Do,
  Ng,
• la variabilité des relation Z-R sur des
  échantillons saisonniers et à léchelle de
  lévénement pluvieux.

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Perspectives

• Ce travail, réalisé sur une base importante de
  données relatives à différentes zones
  climatiques, constitue une contribution
  significative dans létude des précipitations par
  la mesure des distributions dimensionnelles des
  gouttes de pluie.
• La mesure des précipitations par télédétection
  micro-ondes, notamment le radar météorologique,
  ainsi que la paramétrisation de divers domaines
  touchant à lenvironnement, qui dépendent des
  DSD, devraient pouvoir sappuyer sur certains des
  résultats obtenus dans ce travail.
• A ce propos, dans le cadre futur du projet
  international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de
  la Mousson Africaine) prévu pour 2004-2006 en
  Afrique de lOuest, il serait intéressant de
  mettre à profit les radars météorologiques en
  activité dans la sous-région, en les couplant
  avec des disdromètres, pour étudier, de façon
  simultanée et de manière plus fine la
  climatologie des systèmes précipitants.

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MERCI
pour votre aimable Attention