L=9800 L=11000 TC Kripirch en heures Watt NERC Watt et Chow Passini Giandotti

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1 Résultat TD 1 BV, calculs des temps de concentration L=9800 L=11000 TC Kripirch en heures Watt NERC Watt et Chow Passini Giandotti Valérie Borrell Estupina L2 FLST403 - UM Les précipitations La période de retour Les types de précipitations Analyse des mesures dans l espace Analyse des mesures en un point Régimes des précipitations 1

2 La période de retour Définition : Averse = précipitation dont l intensitévarie rapidement et qui s accompagne d éclaircies Pluie = Phénomène variable : dans le temps une averse peut durer de qqsmin àqqs100h on peut s intéresser àla valeur de cette variable sur 10 heures (analyse d un événement) sur 1 année (analyse climatologique) et dans l espace la superficie touchée par un orage peut être de qqskm 2, par une pluie cyclonique de qqs1000km 2 on peut s intéresser àla valeur de cette variable àl échelle d un petit bassin versant (qqskm 2 ) àl échelle d un continent (analyse climatologique) Pluie = Phénomène en partie déterministe et en partie aléatoire : Si Partie aléatoire >> Partie déterministe Alors il n y a plus de corrélation entre les différentes valeurs observées du processus Alors on parle de processus stochastique Alors on réalise des statistiques dessus La période de retour Définition : Pluie = Phénomène variable : Pluie = Phénomène en partie déterministe et en partie aléatoire : Outils : Analyses statistiques des séries s chronologiques Objectifs : Objectif général :«Condenser» l information contenue dans une chronique de mesure Objectif appliqué: quelle est la probabilitéd observer une pluie supérieure à100 mm en 2 heures? comment dimensionner les ouvrages de protection? 2

3 Analyse des mesures en un point La période p de retour de pluies et des crues Définition 1 : PERIODE DE RETOUR = Une crue centennale (Q100) est une crue théorique calculée à partir de l'analyse des crues passées et qui a 1 chance sur 100 de se produire chaque année. On peut aussi dire que la crue centennale se produit en moyenne dix fois par millénaire. Définition 2 : PERIODE DE RETOUR = durée théorique moyenne, exprimée en année, qui sépare deux occurrences d'un phénomène donné, si l'on considère une période de temps suffisamment longue. X T [ X > x = T ] 1 N N i = 1 d i d i d i+ 1 d i+ 2 T notion de cyclicité N très grand! x T tem p s Analyse des mesures en un point La période p de retour de pluies et des crues Définition 3 : PERIODE DE RETOUR = Pour les événements rares, la période de retour est l inverse de la probabilité d'occurrence de l'événement considéré au cours d'une année quelconque. 3

4 Valérie Borrell Estupina L2 FLST403 - UM Les précipitations La période de retour Les types de précipitations Analyse des mesures dans l espace Analyse des mesures en un point Régimes des précipitations L humidité Les changements de phase de l eau sont provoqués par des variations de pression et de température : - Température T ( C) - Pression, e (Pa) : e fonction de la température T neige, grêle, glace bruine, pluie, eau dans les cours d eau Pression e, kpa 0.61 condensation solidification solide fusion sublimation 0.01 condensation ou liquéfaction liquide vapeur vaporisation atmosphère = air sec + vapeur d eau en proportions variables Température T, C L eau existe àl état Liquide et Vapeur simultanément. Le changement d état entre L et V se fait pour toute température. Ce changement libère de la chaleur de l état V à l état L et en consomme de l état L à l état V. 4

5 L humidité Humidité = l air contient un mélange de gaz invisibles (azote, oxygène ) dont une faible portion de vapeur d eau. La quantitémax de vapeur d eau que peut contenir l air est fct de sa T (si T (air) > alors la Q pot de vapeur >) Humidité relative= Quantitéde vapeur que contient réellement l air en regard de celle qu il pourrait contenir à la même T. 100% => air saturé Elle se mesure avec un hygromètre. Point de rosée = T àlaquelle l air doit descendre pour devenir saturé. Il y a condensation, àpartir du moment où il y a saturation en vapeur d eau de masse d air. Pression e, kpa liquide es(t) e solide Humidité relative (%) Hr = e(t)/es(t) x 100 e(t) : pression de la vapeur d eau dans l air es(t) : pression de vapeur saturante vapeur T Température T, C Les nuages Nuage= Les nuages naissent lorsque de l air humide se refroidit jusqu àson point de rosée et que des gouttelettes d eau ou des cristaux de glace se forment autour de petites particules (poussière, polluant, cendre ). Les nuages restent en hauteur car les gouttelettes sont fines et légères + de 2 milliards pour remplir une cuillérée àcafé d eau! Formation d un d nuage? Un sol froid peut refroidir une masse d air chaude et humide (nuage de faible altitude). Une masse d air froid soulève de l air plus chaud devant elle, ou de l air réchauffé par la terre monte dans les couches plus froides de l atm. Une fois l air l à sa T T de rosée, la vapeur d eau d qu il contient peut se condenser et le nuage se former. 5

6 Mécanisme de formation d une précipitation (schéma bilan) Mécanisme de formation d une précipitation (schéma bilan) Masse d air d Humide Refroidissement par montée Condensation, nuage chaud (T>0 C) Masse d air d Saturée Condensation, nuage froid (T<0 C) Aérosols et apport d eau d Formation de gouttelettes Début de la croissance Formation de cristaux de glace Gouttes Descente Pluie Gros cristaux Descente et fonte D après Anctil et al

7 Les précipitations Précipitations = gouttelettes ou cristaux de glace qui, ayant étésoumis àdes processus de condensation et d agrégation àl intérieur d un nuage, sont devenus trop lourds pour demeurer en suspension dans l atmosphère et tombent au sol Pluie Pluie verglaçante Neige Bruine Bruine verglaçante Grésil Grêle Les différences entre ces précipitations sont essentiellement liées à la taille des gouttes, à leur vitesse de chute et àleur état : ex. Pluie = précipitation dont les gouttelettes tombant au sol ont un diamètre > 0,5mm (-> 10 mm), vit (chute) = 4 à 9 m/s Ex. Bruine = précipitation dont les gouttelettes tombant au sol ont un diamètre < 0,5mm, vit (chute) = 1 à2 m/s 1.2 Les Grandes Circulations Atmosphériques : Vents PRINCIPE DE LA CELLULE CONVECTIVE 2 1 BP Air chaud qui monte Air froid HP La terre se réchauffe + vite que l eau L air froid est plus dense que l air chaud BP VENT HP HP = L air froid s en va et le beau temps s installe Àl avant de la HP : apparition d un front froid => zone de précipitations Air chaud qui se refroidit Air froid La terre se réchauffe plus vite que l eau Cycle inversé la nuit Les différences de températures créent des courants verticaux et les différences de pression des vents horizontaux 7

8 VENTS Vents planétaires = la Terre est inclinée => le soleil ne réchauffe pas tous les points de la surface de la Terre de la même façon => certaines régions sont plus chaudes (les tropiques), d autres plus froides (les pôles). Dans les régions tropicales, l air s élève au fur et à mesure qu il se réchauffe et est remplacé par l air plus froid et plus lourd provenant des pôles. Entre temps, l air chaud qui s élève s étend vers les pôles où il se refroidit et redescend => cycle. + Rotation de la Terre autour de son axe => Coriolis => elle détourne les vents (vers la droite dans l Hémisphère Nord) VENTS Pression atmosphérique = poids de la colonne d air au dessus de nous. + on considère un point haut en altitude dans l atm, + pression diminue (car la colonne d air au dessus est plus petite) Air + lourd et + dense à la surface et Air + léger et + étendu en altitude. Les différences de températures créent des vents Si la T de l air augmente alors les molécules sont + agitées => extension => air + léger Si la T de l air diminue alors les molécules sont - agitées => compression => air + lourd Air chaud qui monte Air froid Air chaud qui se refroidit Air froid La terre se réchauffe plus vite que l eau Cycle inversé la nuit La terre se réchauffe + vite que l eau La terre se réchauffe + vite que l eau L air se déplace des zones de Hautes Pressions (souvent associées à l air frais) vers les zones de Basses Pressions (souvent associées à l air chaud) Coriolis HP vent BP => Vents locaux Air frais Air chaud 8

9 1.2 Les Grandes Circulations Atmosphériques : Vents Cellule de Hadley Déviation du fait de la force de Coriolis Cellule de Hadley Apparition de la pluie quand de l air chaud et humide se refroidit (donc en montant) Carte planétaire des vents et courants de la troposphère 1.2 Les Grandes Circulations Atmosphériques : Vents Mousson ZCIT ou équateur thermique (zone de max de T et zone de pluie) janvier 9

10 1.2 Les Grandes Circulations Atmosphériques : Vents Mousson ZCIT ou équateur thermique (zone de max de T et zone de pluie) juillet Types de précipitation Le relief oblige la masse d air à s élever en altitude. 10

11 Types de précipitation Un sol froid peut refroidir une masse d air chaude et humide (nuage de faible altitude). Une masse d air froid soulève de l air plus chaud devant elle, ou de l air réchauffé par la terre monte dans les couches plus froides de l atm. FRONTS Il serait facile de prévoir la météo si ces masses d'air demeuraient stationnaires. Mais tel n'est pas le cas. Elles se déplacent, sous l'impulsion et la circulation de l'air dans les parties supérieures de la troposphère. À mesure que les masses d'air se déplacent, leur température et leur humidité évoluent. Fronts Un front = zone de transition entre une masse d'air (T, humidité, p) qui entre dans une région et celle qui la quitte (T, humidité, pression). Front froid : de l'air froid arrive et déplace de l'air chaud Front chaud : de l'air froid se retire, permet à l'air chaud de s'installer. Pente verticale d'un front froid = 4* celle d'un front chaud => Formation rapide de nuages orageux ou de cumulonimbus. Air froid nuage Air chaud 11

12 Valérie Borrell Estupina L2 FLST403 - UM Les précipitations La période de retour Les types de précipitations Analyse des mesures dans l espace Analyse des mesures en un point Régimes des précipitations Mesures des précipitations Le pluviomètre 1m à 1m50 Photos Bois, ENSHMG Le radar météorologique On mesure : -la hauteur de précipitation (ou lame d eau précipitée) par unité de surface horizontale (mm), -son intensité (mm/h) (hauteur d eau précipitée par unité de temps) --Mesures directes au sol : pluviomètres et pluviographes On mesure la quantitéde pluie traversant une section pluviométrique horizontale sur un intervalle de temps connu La précision de la mesure est au mieux de 0.1 mm. Attention àla représentativitéde l échantillon prélevé, par rapport à la zone, toujours trop étendue, que l on souhaite observer -- Mesures indirectes : radar météo émission d un faisceau d ondes életromagnétiques (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) 12

13 Mesures en x points -> Pluie sur une surface Avec le réseau sol uniquement : Méthodes d interpolation spatiale Moyenne arithmétique tique Sans prise en compte de la répartition spatiale des pluies, moyenne «classique» des relevés pluviométriques aux différents postes pluviométriques couvrant la zone d étude Polygones de Thiessen Avec prise en compte de la zone d influence de chaque poste pluviométrique. On calcule une moyenne de lame d eau précipitée par un calcul de moyenne pondérée par les surfaces représentatives des pluviomètres (ou surfaces des polygones) Courbes isohyètes On cherche àreproduire les lignes d iso valeurs de lame d eau précipitée. On peut alors calculer la lame d eau précipitée sur une surface par une moyenne pondérée par les surfaces entre 2 courbes isohyètes Mesures en x points -> Pluie sur une surface Avec le réseau sol uniquement : Méthodes d interpolation spatiale Moyenne de Thiessen Elle convient notamment quand le réseau pluviométrique n'est pas homogène spatialement (pluviomètres distribués irrégulièrement) Elle affecte àchaque pluviomètre une zone d'influence dont l'aire, exprimée en %, représente le facteur de pondération de la valeur de l'enregistrement. La méthode m des polygones de Thiessen Avec: P moy : précipitation moyenne sur le bassin, A: aire totale du bassin (= somme(a i) ), P i : précipitation enregistrée àla station i, A i : superficie d'influence du polygone associée àla station i. 13

14 Mesures en x points -> Pluie sur une surface Avec le réseau sol uniquement : Méthodes d interpolation spatiale Courbes isohyètes Les isohyètes sont des lignes de même pluviosité(isovaleursde pluies annuelles, journalières, etc.) tracées grâce aux valeurs pluviométriques acquises aux stations du bassin et aux autres stations avoisinantes. Lorsque les courbes isohyètes sont tracées, la pluie moyenne peut être calculée de la manière suivante : La méthode m des isohyètes (isovaleurs isovaleurs) Avec: Pmoy: précipitation moyenne sur le bassin, A: surface totale du bassin. Ai: surface entre deux isohyètes iet i+1,k : nombre total d'isohyètes. Mesures en x points -> Pluie sur une surface Avec le réseau sol uniquement : Méthodes d interpolation spatiale Courbes isohyètes 14

15 Valérie Borrell Estupina L2 FLST403 - UM Les précipitations La période de retour Les types de précipitations Analyse des mesures dans l espace Analyse des mesures en un point Régimes des précipitations Analyse des mesures en un point Test du double cumul : ou recherche d anomalies d dans les chroniques de pluie mesurées Objectif : Contrôler l homogénéité des chroniques et donc identifier des anomalies (déplacement du pluviomètre, changement climatique ) entre stations situées dans une même région climatique Cumul interannuel de la lame d eau annuelle précipitée à la station suspecte Cumul interannuel des moyennes des lames d eau annuelles précipitées aux stations témoins Pluie annuelle (mm) Pluie cumulée (mm)

16 Analyse des mesures en un point Correction de lacunes ou d anomalies d dans les chroniques de pluie mesurées La valeur de la station la plus proche sur les tendances et valeurs absolues très proches! La moyenne arithmétique des valeurs des stations voisines La moyenne àlong terme des valeurs observées àla station soufrant de lacunes pondérée par les tendances des valeurs des stations voisines Pluie annuelle pour 1976 (mm) Pluie Moyenne sur 10 ans d observation (mm) Station avec lacunes? = 370 * 400 / Stations complètes Analyse des mesures en un point Les courbes IDF (Intensité Durée e Fréquence) ou HDF = Relation entre intensitéde pluie (ou cumul de pluie), durée de la pluie et période de retour Pour une même fréquence d apparition (=> même T), l intensitéd une pluie est d autant plus forte que sa durée est courte Pour une durée de pluie égale, l intensitésera d autant plus grande que son temps de retour T sera gd I(D,T) T k T 3 T 2 du temps de retour H(D,T) T k T 3 T 2 T 1 T 1 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 Durée D d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 Durée D avec T 1 <T 2 < <T k Ex : 12 et 13/11/1999 sur l'aude, l'hérault, les PO et le Tarn avec 624 mm/36h [soit 17mm/h] à Lézignan(Aude) dont 551 mm/24h[soit 23mm/h] 16

17 Analyse des mesures en un point Relation de Montana Les paramètres a(t) et b(t) peuvent être régionalisés, plusieurs études : - découpage de la France en 3 régions climatiquement «homogènes» (1977) I(d,T) = a(t)d +b(t), I en mm/min d en min 10 min<d<2h H(t,T)=a(T)t b =(c+d.lnt)t b H en mm, t en h 1h<t<48h Le bassin versant - Caractéristiques HYPOTHESES : Pluie homogène et uniforme Durée de la pluie = Tc Coefficient de ruissellement constant APPLICATION : Soit un bv situéen région III (méditerranéen) d une superficie de 5 km 2, un temps de concentration de 45 minutes et un coefficient de ruissellement de 0.4, quel est le débit de pointe potentiel de crue pour une période de retour de 10 ans??? Méthode Rationnelle Qp = 0,278* CR * hi * A Cohérence des unités Débit de pointe à l exutoire du bassin m 3 /s Coefficient de ruissellement du bassin Aire du bassin km 2 Intensité de pluie pour une averse d une durée d et d une période de retour T mm/h Q IXT = 0.278* C R *I(tc, T) *A Durée = temps de concentration du bassin et période de retour = T fixée par la réglementation 17

18 Valérie Borrell Estupina L2 FLST403 - UM Les précipitations La période de retour Les types de précipitations Analyse des mesures dans l espace Analyse des mesures en un point Régimes des précipitations Régimes de précipitation On définit une répartition mondiale des différents régimes pluviométriques. Pour identifier et classer les diverses régions pluviométriques du globe, on utilise : -Leurs précipitations moyennes annuelles -Leurs précipitations moyennes mensuelles On évalue la précipitation moyenne annuelle sur de longues périodes, elle correspond à la hauteur moyennedes précipitations annuelles tombant en un endroit donné, elle s appelle aussi module annuel, valeur normale ou valeur interannuelle de la précipitation. Précipitations moyennes mensuelles (mm) Température moyenne mensuelle ( C) A -10 B 0 E 22 F C * (ou mensuelles) D 0 25 A- Climat continental de steppe B- Climat océanique C- Climat tempéré de montagne D- Climat méditerranéen E- Climat équatorial F- Climat de mosson Source Musy

19 Régimes de précipitation Nom (source Musy) Caractéristiques région typique de ce régime Régime équatorial humide Régime subtropical humide Régime subtropical sec Régime intertropical sous l'influence des alizés Régime continental tempéré Régime océanique tempéré Régime polaire et arctique + de 200 cm de précipitations annuelles moyennes Se situe à l'intérieur des continents et sur les côtes entre 100 et 150 cm de précipitation annuelle moyenne Se situe à l'intérieur des continents et sur les côtes - de 25 cm de précipitation annuelle moyenne Se situe à l'intérieur des continents et sur les côtes ouest + de 150 cm de précipitation annuelle moyenne Se situe sur des zones côtières étroites entre 10 et 50 cm de précipitation annuelle moyenne Se situe à l'intérieur des continents ; il en résulte des déserts ou des steppes + de 100 cm de précipitation annuelle moyenne se situe sur les côtes ouest des continents - de 30 cm de précipitation annuelle moyenne se situe au nord du 60e parallèle ; formation de grands déserts froids bassin de l'amazone pointe sud-est de l'amérique du Nord le sud du Maghreb côtes est de l'amérique centrale plaines de l'ouest du continent nord-américain la Colombie britannique, l'europe le Grand Nord canadien 2.3. Les Précipitations : Régimes - de 300 mm de précipitation annuelle moyenne, formation de grands déserts froids + de mm de précipitations annuelles moyennes mm de précipitation annuelle moyenne Se situe à l'intérieur des continents ; il en résulte des déserts ou des steppes + de mm de précipitation annuelle moyenne Se situe sur les côtes ouest des continents Source : historicair pour wikipédia

20 Conclusion Les précipitations sont variables dans le temps et l espace. Les mesures sont encore souvent faites ponctuellement mais il existe plusieurs méthodes pour les spatialiser. On peut aussi avoir recours aux radars météorologiques La critique des données est une étape importante de l analyse. Pour estimer les fréquences d apparition d événements pluvieux de durée et intensitépré-fixéeson a recours aux courbes IDF. A partir de ces dernières on peut établir des pluies de projet ou des débits de pointe utilisés pour dimensionner des aménagements. 20