EQUIPEMENTS D'ETUDE DE LA DYNAMIQUE ATMOSPHERIQUE

LIDAR aérosol Léosphère ALS300 (UV)

Ce lidar angulaire permet d’étudier en temps réel la structure verticale et les propriétés optiques de la troposphère à la basse stratosphère. Il s’agit d’un appareil de télédétection active, doté d’un laser pulsé ND :YAG triplé en fréquence avec un taux de répétition de 20 Hz. La tête rotative de ce lidar permet d’effectuer des balayages horizontaux et verticaux sur un rayon d’action maximum de 15 à 20 km.

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Figure 1 : Lidar aérosol Léosphère ALS300 en mode balayage vertical

Caractéristiques du LIDAR aerosol (Léosphère ALS 300) :

  • Emetteur : Laser (Nd-YAG triplé) pompé par lampe flash (20Hz)
  • Longueur d’onde : 355 nm (UV)
  • Energie (impulsion): 16 mJ
  • Sécurité oculaire : IEC 60825-1
  • Divergence : 20 mrad
  • Dimensions de la tête lidar : 650x356x190 mm
  • Poids de l’unité de control : 45 kg
  • Dimension de l’unité de control : 820x620x550 mm
  • Transfert et pilotage : Réseau (local/Ethernet)
  • Alimentation électrique : 230 VAC/50Hz
  • Consommation électrique : 2 kW

LIDAR Doppler WLS 100 (IR)

Le lidar Doppler WLS 100 est un instrument optique permettant la mesure de la vitesse radiale du vent à partir d’une source laser (infrarouge).

Figure 1 : LIDAR Doppler WLS 100.

Cet appareil possède une portée de plusieurs kilomètres avec une résolution spatiale de 50 m autour du point de mesure (figure 2).

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Figure 2 : Time–height section of horizontal wind direction (arrows) and wind speed (color map) deduced from Doppler lidar during 15– 16 April 2015. Leftward and downward arrows represent, respectively, easterly wind and northerly wind (Veselovskii et al., 2015).

Doté d’un périscope, il est utilisé pour caractériser le profil vertical du vent (vitesse, direction, fluctuations etc.) et sa distribution spatiale par balayage 3D du faisceau laser dans la troposphère. Sa capacité à réaliser des mesures rapides (1 seconde par profil) sur plusieurs kilomètres est adaptée pour effectuer une étude de la dynamique atmosphérique à multi-échelle visant à établir des relations phénoménologiques entre les sources locales, le transport des aérosols et la dynamique de l’atmosphère. L’analyse du vent par balayage représente un atout très intéressant permettant de remonter aux informations détaillées et précises sur la structure horizontale et verticale du vent. De plus, le signal lidar rétrodiffusé permet de cartographier qualitativement la charge en aérosol (cf. vidéo) et d’étudier les conditions météorologiques associées, pouvant influencer, par exemple, la dispersion et les échanges des aérosols entre la couche limite atmosphérique et la troposphère libre.

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Cliquer sur l’image pour lancer la vidéo
Sequences of the lidar return signal Plan Position Indicator during a sea breeze day in the industrialized coastal area of Dunkerque (with red colors indicate high aerosol load)

RADAR UHF Degreane PCL1300 (version 3 panneaux)

Le profileur de vent PCL 1300 est un radar Doppler à impulsions. Il utilise essentiellement comme traceur du vent les variations de l’indice de réfraction de l’air créées par la turbulence. Ces variations principalement produites par les fluctuations d’humidité dans les basses couches, portées par le vent, rétro-diffusent une partie de l’énergie émise par le RADAR.

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Figure 1 : Système d’antennes du RADAR UHF Degreane PCL1300 à 3 panneaux

Utilisant donc les propriétés de reflexion des ondes électromagnétiques, le profileur de vent fournit un profil vertical du vent, c’est à dire la mesure de la valeur du vecteur vent en des points répartis selon la verticale du lieu de mesure, à des altitudes variant de 75 m à 5 km en fonction de la puissance émise et des conditions atmosphériques.

La mesure du Doppler associée au déplacement de la turbulence donne la projection de la vitesse du vent dans la direction du lobe de l’antenne. Une séquence de tirs dans, au moins, trois directions indépendantes est nécessaire pour reconstituer le vent (calcul des projections u, v, w). Le PCL1300 (version 3 panneaux) émet des impulsions de forte puissance dans trois directions prédéterminées et reçoit les échos rétro-diffusés par les différentes couches de l’atmosphère. Après amplification, un traitement approprié du signal est appliqué pour aboutir à l’élaboration d’un profil vertical du vent.

Principales caractéristiques :

 
Fréquence900 – 1300 MHz (1274 MHz)
Puissance émetteur3,5 kW
Gain antenne27 dBi
Altitude minimum75 m*
Altitude maximum5 km**
Résolution
(largueur d’impulsion 500 ns)
75 m (première porte 75 m)
(largueur d’impulsion 1000 ns)150 m (première porte 150 m)
(largueur d’impulsion 2500 ns)375 m (première porte 375 m)
Précision intrinsèque de la vitesse du vent<1m/s
Précision intrinsèque de la direction du vent<10°
Période du calcul du profilAjustable à partir de 2 minutes

*fonction des conditions d’environnement, de la bande passante disponible et des conditions atmosphériques

**fonction des conditions atmosphériques et du mode d’opération

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Figure 2 : Système d’emission/acquisition du RADAR UHF Degreane PCL1300

 

SODAR REMTECH PA2

Le SODAR (Sound Detection And Ranging), utilisant l’effet Doppler, est un instrument de télédétection active dédié à la mesure du profil vertical du vent. Le laboratoire est doté d’un système SODAR Doppler monostatique à 3 composantes : le modèle PA2 de la société Remtech (figure 1).

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Figure 1 : SODAR Remtech PA2

L’antenne unique et plate du SODAR, pilotée en phase suivant différentes directions est composée de 196 transducteurs piézo-électriques. Elle émet de courtes impulsions acoustiques sur une bande fréquentielle centrée sur 2250 Hz avec une puissance acoustique de 10 Watts. Chaque transducteur fonctionne en mode d’émission et de réception. Les signaux sont émis suivant 5 axes (un vertical et les 4 autres, transversaux inclinés de 30°). Les 4 axes transversaux sont tous les 90° afin de parvenir à la composante horizontale de la vitesse du vent. Le dernier faisceau, orienté verticalement permet d’obtenir la composante verticale de la vitesse du vent (Figure 2). Les principaux paramètres mesurés par cet instrument sont : la vitesse, la direction ainsi que les fluctuations des composantes zonale et méridionale du vent horizontal ; la vitesse et la fluctuation du vent vertical et l’intensité de l’écho.

Impression

Figure 2 : Faisceaux d’émission du SODAR

La figure 3 est un exemple de coupes hauteur-temps de paramètres issus de mesures du SODAR sur le site du marégraphe de Dunkerque.

Data Sodar

Figure 3 : Coupes hauteur-temps de l’écho, vitesse horizontale et direction, vitesse verticale et fluctuations de composante verticale

L’altitude minimale de mesures est de 20 m et l’altitude maximale de 700 m dans les conditions de mesures rencontrées lors de nos campagnes de mesures. En effet, les performances et la portée des mesures peuvent être altérées par le bruit ambiant si les sources sonores produisent un signal qui recouvre la bande fréquentielle utilisée par le SODAR. Les résultats sont moyennés avec une résolution spatiale choisie dans un intervalle de 10 à 200 m, et dans un laps de temps qui varie entre 2 minutes et 1 heure.

Anémomètre Ultrasonique METEK USA-1

Sonique PdM

Figure 1 : Anémomètre ultrasonique METEK USA-1 (Pic du Midi)

Il se compose de 3 couples de transducteurs séparés d’une distance L d’environ 1750 mm et mesure, alternativement dans un sens et dans l’autre, le temps de transit d’impulsions ultrasonores (20 kHz) d’un transducteur vers l’autre (Figure 2).

schéma sonique

Figure 2 : Principe de fonctionnement de l’anémomètre ultrasonique

Le transducteur (fonctionnant en émetteur) émet une impulsion ultrasonore dont le temps de vol pour atteindre le transducteur opposé (fonctionnant en récepteur) est t1. Le transducteur de droite (fonctionnant en émetteur cette fois) émet ensuite une impulsion ultrasonore dont le temps de vol pour atteindre le transducteur de gauche (fonctionnant en récepteur) est t2. On a alors :

USA-1 Eq1

où c’est la vitesse du son, m/s et u est la vitesse du vent, m/s.

La vitesse du vent est déterminée par la différence des temps de vol en considérant que la vitesse du vent est très inférieure à celle du son :

USA-1 Eq2

L’anémomètre ultrasonique permet également de déterminer la température virtuelle Tv, la vitesse du son étant fonction de la température :

USA-1 Eq3

La vitesse du son peut également se déduire de la somme des temps de vol :

USA-1 Eq4

Paramètres physiques accessibles

A partir de la mesure à une fréquence élevée (20 Hz) du temps de vol dans 3 directions, l’anémomètre ultrasonique permet de déterminer les 3 composantes de la vitesse du vent, la direction et la température. Le calcul des covariances du vent et de la température donne accès aux flux de chaleur sensible et de quantité de mouvement, ainsi qu’à la longueur de Monin-Obukhov. Le tableau suivant rassemble les paramètres physiques accessibles par l’anémomètre ultrasonique. Parmi tous ces paramètres, nous nous intéresserons à celles plus ou moins associées à la dispersion des polluants atmosphériques. Par exemple, σu, σv et σw parce que elles déterminent les composantes verticale et horizontales de la TKE.

USA-1 Tab1