Les précipitations. > provoquées par un changement de température ou de pression. + bruine, grêle, grésil
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- Charles Lachance
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1 Les précipitations Les précipitations constituent l unique «entrée» des principaux systèmes hydrologiques continentaux que sont les bassins versants + bruine, grêle, grésil Et les précipitations déposées ou occultes par condensation (rosée, gelée blanche, givre,...). > provoquées par un changement de température ou de pression.
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3 Mesure de la pluie => pluviométrie = hauteur d eau sur une section horizontale Millimètres => 1 mm= 1 litre/m 2 (quelquefois = 10 m 3 / ha). Avantage de cette unité est qu'elle est indépendante de la surface. Section des pluviomètres = 200 cm 2, 400 cm 2, 1000 cm 2 En station météorologique, cette mesure est faite quotidiennement, toutes les heures ou instantanément selon le programme de la station. On définit aussi son intensité (mm/h) comme la hauteur d'eau précipitée par unité de temps. La précision de la mesure est au mieux de l'ordre de 0,1 mm. Averse = épisode pluvieux continu, pouvant avoir plusieurs pointes d'intensité. L'intensité moyenne = hauteur de pluie observée / la durée t Données pluviométriques : La hauteur pluviométrique journalière, mensuelle, annuelle. le module pluviométrique annuel moyen (moyenne arithmétique des hauteurs de précipitations annuelles). la fraction pluviométrique mensuelle (rapport entre le module annuel et le module mensuel considéré) Le nombre moyen de jours de pluie, isohyètes, cartes.
4 Représentations Une pluie peut être caractérisée par plusieurs paramètres qui peuvent avoir, au sein de la même pluie, des temps de retour très différents. Citons notamment : La hauteur totale de pluie, la durée, l'intensité moyenne, les intensités maximales sur des intervalles de temps quelconques, la distribution d'intensité instantanée i(t). La courbe des hauteurs de pluie cumulées représente en ordonnée, pour chaque instant t, l'intégrale de la hauteur de pluie tombée depuis le début de l'averse hyétogramme = histogramme, de l'intensité de la pluie en fonction du temps. = la dérivée en un point donné, par rapport au temps, de la courbe des précipitations cumulées. Important : t et forme.
5 2 lois générales : Pour une même fréquence d'apparition - donc un même temps de retour - l'intensité d'une pluie est d'autant plus forte que sa durée est courte. Ou encore, en corollaire, à durée de pluie égale, une précipitation sera d'autant plus intense que sa fréquence d'apparition sera petite (donc que son temps de retour sera grand). >> courbes Intensité-Durée-Fréquence (IDF) La notion de fréquence est en faite exprimée par la notion de temps de retour.
6 Nomenclature climatique > Classification pluviométrique Nom Régime équatorial humide Régime subtropical humide en Amérique Régime subtropical sec Caractéristiques - plus de 200 cm de précipitations annuelles moyennes - à l'intérieur des continents et sur les côtes - région typique de ce régime : bassin de l'amazone - entre 100 et 150 cm de précipitation annuelle moyenne - à l'intérieur des continents et sur les côtes - région typique de ce régime : pointe sud-est de l'amérique du Nord - moins de 25 cm de précipitation annuelle moyenne - à l'intérieur des continents et sur les côtes ouest - région typique de ce régime : le sud du Maghreb Régime intertropical sous l'influence des alizés - plus de 150 cm de précipitation annuelle moyenne - sur des zones côtières étroites ; humidité - région typique de ce régime : côtes est de l'amérique centrale Régime continental tempéré Régime océanique tempéré Régime polaire et arctique Régimes pluviométriques du monde (Tiré de Champoux, Toutant, 1988) - entre 10 et 50 cm de précipitation annuelle moyenne - à l'intérieur des continents ; il en résulte des déserts ou des steppes - région typique de ce régime : plaines de l'ouest du continent nordaméricain - plus de 100 cm de précipitation annuelle moyenne - sur les côtes ouest des continents - région typique de ce régime : la Colombie britannique, l'europe - moins de 30 cm de précipitation annuelle moyenne - se situe au nord du 60e parallèle ; formation de grands déserts froids région typique de ce régime : le Grand Nord canadien
7 Ou Disdromètre Pluviographe mesure le cumul de pluie en fonction du temps l intensité de pluie Données : -sous forme papier (les plus anciennes) -numériques : mémoire locale ou télétransmise (mesure en temps réel)
8 Le pluviomètre à lecture directe (totaliseurs) est un récipient composé de deux éléments : le collecteur (normalisé) et le récepteur. Le récepteur est gradué en mm
9 Les pluviographes à augets basculeurs sont les plus simples et les plus répandus des appareils enregistreurs. Ce sont des enregistreurs d'évènements qui sont bien adaptés pour la transmission des informations à distance. Deux augets basculent tour à tour lorsque tombe une quantité déterminée de pluie. Lors du basculement, une impulsion est créée (par relais Reed ou ampoule à mercure) et transmise. 1 basculement 20g eau S=1000 cm² 0.2 mm Entretien : Bouchage!
10 Les pluviographes à siphon utilisent le principe du flotteur pour l'enregistrement de la hauteur d'eau. Ces appareils sont basés sur la translation verticale d un flotteur dans une colonne de mesure. La pluie est captée par l intermédiaire d un collecteur calibré et est stockée dans la colonne de mesure. La capacité de ce type de capteur est illimitée car lorsque la colonne est pleine d eau, un siphon vide automatiquement l eau. Ce capteur n a aucune pièce en mouvement excepté le flotteur de mesure qui est relié à un enregistreur à tambour, mais présente, entre autres, l inconvénient de ne pas enregistrer la pluie pendant le siphonage de la colonne d eau.
11 Le pluviographe à pesée mesure le poids de la précipitation qui est enregistré en continu; Permettent de mesurer à la fois le cumul et l'intensité de tout type de précipitations (liquides, solides et mixtes).
12 Un capteur de gouttelettes, ou disdromètre, est un instrument utilisé en météorologie pour mesurer la distribution de diamètre des hydrométéores ainsi que leur vitesse de chute. La distribution de diamètre et le nombre de particules de chaque diamètre permet de calculer le taux de précipitation. On peut distinguer avec cet appareil la pluie, de la bruine, de la neige, de la grêle ou du grésil sans observateur humain. Cet appareil est utilisé en recherche, dans les stations météorologiques automatiques ou comme capteur de précipitations le long des pistes d'aéroports. 2 types : -Par impact -Optique
13 Impact : capteur de force qui transforme le choc causé par l'énergie cinétique de l'hydrométéore s'y écrasant en une impulsion électrique dont l'amplitude est proportionnelle à sa masse et sa vitesse de chute. En sachant la vitesse par un autre instrument, comme un profileur de vents, on peut en déduire son diamètre. Optique: un faisceau lumineux coupe le passage de l'hydrométéore. On met ainsi un émetteur et un capteur horizontalement avec un espace entre les deux pour le passage de la précipitation. On peut utiliser la lumière visible, l'infrarouge ou même les microondes. Afin de minimiser la diffusion de la lumière par l'air et la précipitation, on utilise maintenant le plus souvent des lasers. L'amplitude et la durée du signal occasionné par le passage de la goutte sont proportionnelles respectivement à la section verticale et au temps de résidence (vitesse de chute) de la goutte dans le volume lumineux.
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15 Le radar pluviométrique procède par observation des échos provoqués par la réflexion du faisceau radar sur les gouttes de pluie. En calibrant ce retour, nous pouvons estimer les quantités de précipitations qui tombent sur la région de couverture de l'appareil. Ces données sont sujettes à différents artéfacts qui une fois enlevés peuvent donner une bonne estimation jusqu'à environ 150 km du radar. Il est ainsi possible d'évaluer en temps réel l'intensité de l'averse et sa distribution spatiale et de prévoir la quantité de pluie sur la surface concernée. temps donne la distance de la cible site et azimut indique la position de la cible. Information qualitative Portée exploitable :150 à 250 km
16 Choix de l emplacement des pluviomètres Influence du vent : - sur l instrument : réduit la quantité d eau - effets du site sur les trajectoires de vent Choisir un emplacement abrité du plein vent mais sans perturbations locales importantes! Hauteur aussi peu élevée que possible OMM = 30 cm (si sol ne crée pas de rejaillissement) ou 1m, norme la plus courante. Il faut implanter ces capteurs avec attention, car, s ils sont situés près d obstacles comme des arbres ou des bâtiments, les perturbations occasionnées par ces obstacles sont sources d erreurs. Une règle commune est d implanter le capteur à une distance minimale égale au double de la hauteur de l obstacle
17 Choix de l emplacement des pluviomètres Donc 1- Assurer un écoulement de l air parallèle à l ouverture du pluviomètre 2- Eviter toute accélération locale du vent au-dessus de l ouverture 3- Réduire le plus possible la vitesse du vent qui frappe le récepteur 4- Ne donner lieu à aucun rejaillissement vers l ouverture.
18 Précautions Eviter le gel : antigel placé dans le récipient Eviter l évaporation: couche huile 8mm (huile moteur faible viscosité) Surface réceptrice : conique, lisse. Installation Protection Calibration
19 Placés au ras du sol, les pluviomètres mesurent la pluie hydrologique, qui peut être supérieure à la pluie météorologique pour les pluies inclinées par rapport au pluviomètre, comme l'illustre le schéma ci-contre. Dans le cas d'une pluie verticale, la surface de captation correspond à la surface réceptrice réelle avec les deux types de pluviomètres. Sur un terrain en pente, si la pluie est inclinée, la surface de réception d'un pluviomètre météorologique devient elliptique et les deux types de pluviomètres donnent des résultats différents. Le principal "défaut" des pluviomètres placés au ras du sol est qu'ils fournissent une information plus précise que les pluviomètres traditionnels qui ne peut donc pas être comparée à des mesures ordinaires.
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21 Mesures des précipitations Le réseau de mesures Réseaux de mesures : ensemble des stations de mesure d un territoire donné : répartition et nature des postes, densité. «La représentativité des précipitations par les mesures est fonction du réseau d'observation. Plus celui-ci est dense, meilleure est l'information et plus l'ensemble des mesures est représentatif de la lame d'eau tombée sur une surface donnée.» Compromis entre précision attendue (type de précipitations, relief, objectifs) et charges d exploitation (entretien, accès, coût, personnel, contrôle et transmission des données)! «L'hydrologue devra donc faire appel à son expérience de terrain pour planifier un réseau. Il tiendra compte du relief et du type de précipitations (frontales, orographiques, convectives). Il s'assurera également des facilités d'accès, de contrôle et de transmission des informations (par l'homme ou par télétransmission : téléphone, satellite, etc.).»
22 Mesures des précipitations Réseaux de mesures : Météo-France : Banque de données PLUVIO et TRANSCLIM ( Source Neppel 2006 Pluviomètres 300 gestion par des bénévoles essentiellement actuellement 3000 postes en France densité variable en fonction du temps ex : région LR 1ere mesure (km) 150 (km) (km) (km) 260 postes postes Pluviographes gestion Météo-France : moins de 10 postes par départements Autres sources de données : EDF, DDE, DDA, SPC, Service technique urbain, 1993
23 Mesures en x points -> Pluie sur une surface Réseaux de mesures : Source Neppel 2006 La pluie ponctuelle est non directement représentative de la pluie en un autre point de la zone étudiée même proche, ni directement représentative des précipitations sur le bassin Lambert II (km) Exemple sur Anduze mesures de pluie sol pour l événement du 08 et 09 septembre 2002, Lame d eau? pluie moyenne sur le bv (mm/pas de temps) notion de lame d eau sur un BV
24 Mesures en x points -> Pluie sur une surface Avec le réseau sol uniquement : Réseaux de mesures : méthodes d interpolation spatiale Sans prise en compte de la répartition spatiale des pluies : Moyenne arithmétique, moyenne pondérée par les surfaces représentatives des pluvios - Thiessen Source Neppel 2006 Thiessen Avec prise en compte de la répartition spatiale des pluies : spline, inverse distance, krigeage (on cherche à reproduire les isohyètes) spline Lambert II (km) krigeage
25 Mesures en x points -> Pluie sur une surface Notion d abattement des pluies (ou réduction) > calcul des pluies moyennes à partir d'observations de longue durée à un poste pluviométrique 1- On suppose connue la répartition statistique des averses ponctuelles en un lieu donné. 2- Etant donnée une pluie ponctuelle en un point arbitraire de la surface et sa probabilité de non-dépassement, quelle est la pluie moyenne de même probabilité sur cette surface? 3-Coefficient d'abattement dit " probabiliste " = rapport de la pluie moyenne de fréquence donnée à la pluie ponctuelle de même fréquence. Avec : K : coefficient d'abattement, Pm : pluie moyenne sur la surface, de fréquence donnée, P : pluie ponctuelle de même probabilité En chaque point, la pluie suit une même loi de probabilité ~ isotropisme OK région homogène et petits bassins versants
26 Mesures d un champ de précipitations Mesure indirecte Radar Principe : émission d un faisceau d ondes électromagnétiques (5<λ<10 cm, puissance plusieurs centaines de kw) dont une partie est rétro diffusée par les hydrométéores. On mesure la puissance de l onde rétrodiffusée (quelques µw) Relation Marshall-Palmer : Z=aIb Z : réflectivité (mesure) mm6/m3 et I intensité en mm/h a et b? RECALER LES MESURES RADAR PAR RAPPORT AUX MESURES SOL
27 Mesures des précipitations Sources d erreur du Radar : 1. Échos fixes liés à des obstacles 2. Précipitations intenses très locales partiellement mesurées 3. Effet de masque ou atténuation 4. Atténuation par des précipitations très intenses Pluie intense atténuation, masque 2 e zone de pluie 5. Profil vertical de réflectivité, lié au volume du nuage exploré par le faisceau d ondes Schémas : Météo France
28 Mesures des précipitations Données Radar : - mesure plus récente que les pluvios ( 1985) - en France réseau ARAMIS, Météo-France : 24 radars couvrent tous le territoire. - MF fournit des images en réflectivités ou en intensités calibrées avec leur procédé Actuellement : résolution spatiale = 1 pixel <--> 1 km² résolution temporelle = 1 image/5min 54 niveaux de réflectivité -traitement des images Radar : Météo-France, BE : exemple Rhéa (Calamar), université : exemple OHMCV Grenoble
29 Mesures d un champ de précipitations Source Neppel I mm/h pluvio radar pas de temps horaire Comparaison pluie Radar et mesure au sol sur le pluvio d Anduze (sept 02)
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