Données Météo-France

Cours 3– Hydrologie
M1 : Sciences de la Terre, de l’Eau et de l’Environnement (ST2E)
Ingénierie des Hydrosystèmes et des Bassins Versants (IHBV)
Précipitations
Définitions
Mécanismes de formation des précipitations et Types
Mesures des précipitations
Analyse et traitement des précipitations
Evaluation régionale des précipitations
Florentina Moatar
Université François Rabelais de Tours
UMR CNRS/INSU 6113 ISTO-Tours
[email protected]
Pluie incidente :
Précipitation qui atteint tout objet en relation avec le sol.
Précipitation mesurée par un pluviomètre.
Pluie interceptée (ou interception) :
Portion de la pluie incidente retenue par la végétation et tout autre obstacle, (ex. toiture),
qui retourne directement dans l'atmosphère par évaporation et ne parvient jamais à
la surface du sol.
Sous couvert forestier, on peut écrire :
P interceptée = P incidente – (P directe + P égouttée le long des troncs)
Pluie nette :
Précipitation qui atteint effectivement la surface du sol, après qu'une partie
a été retenue par la végétation.
Sous couvert forestier, c'est la somme de la pluie :
- qui passe directement à travers la canopée
- qui s'égoutte à partir de la canopée,
- du ruissellement le long des troncs.
La différence entre la pluie incidente et la pluie nette est la pluie interceptée.
Pluie nette :
Partie de l'averse qui atteint le cours d'eau par ruissellement
Pluie utile : Portion des précipitations qui contribue à la recharge des réserves en eau du sol
Pendant une période donnée, la différence entre la pluie nette, la quantité d'eau
évapotranspirée à partir de la zone non saturée, et éventuellement le ruissellement.
Pendant l"hiver hydrologique", la "pluie utile" permet la reconstitution des réserves en
eau du sol superficiel (la RU).
La notion de "pluie utile" s'entend toujours sur une période
assez longue pour prendre en compte l'évapotranspiration entre deux phases de précipitations.
Pluie efficace : Fraction des précipitations génératrice d'écoulement, immédiat ou différé,
superficiel ou souterrain.
Comme les précipitations totales, elle s'exprime en hauteur (mm) rapportée à une
unité de temps.
Mécanismes de formation des précipitations et Types
• l’ascendance des masses d’air est à l’origine de la formation des nuages et de
l’apparition des précipitations
De courte durée
De forte intensité
• 3 types de précipitations
cumulonimbus
Fronts froids
Précipitations
Brèves, intenses
Pas très étendues
cumulus
Fronts chauds
Précipitations
Longues, peu intenses
Aires géographiques
Précipitations convectives
• ascendance rapide dans l’atmosphère de masses d’air réchauffées au contact du
sol.
• orageuses, de courte durée mais de forte intensité
• En climat tempéré, en période estivale, responsables des principaux dégâts
(Coulée de boue, crues des torrents, …)
• Ces précipitations forment l’essentiel des précipitations équatoriales.
cumulonimbus
cumulus
Précipitations orographiques
• présence d’une barrière topographique, d’où leur caractère localisé.
Lorsqu’une masse d’air en mouvement bute sur un relief, il se produit une
compression et une ascendance dans la zone au vent et une détente dans la zone
sous le vent (effet de foehn).
L’ascendance orographique force la condensation à cause du processus de
Refroidissement et explique, en conséquence, la naissance des nuages et des
précipitations – nuages orographiques
• précipitations avec des intensités et des fréquences assez régulières.
Les quantités tombées peuvent varier
avec l’altitude (gradient pluviométrique)
Mais avant de parler de gradient pluviométrique
Une étude détaillée est nécessaire
Précipitations frontales (ou de type cyclonique)
Elles sont associées aux surfaces de contact entre les masses d’air de
température, de gradient thermique vertical, d’humidité et de vitesse de
déplacement différents: les fronts.
Front froid
Air chaud
Air froid
Précipitations plus brèves,
moins étendues et plus intenses
sol
Front chaud
Air chaud
Séquences pluviométriques
plus longues et couvrant
des zones plus vastes
Air froid
sol
Mesure des précipitations
• pluviomètre : indique la pluie précipitée dans l ’intervalle de tps séparant deux relevés.
La hauteur de pluie lue le jour j (6 h UTC) est attribuée au jour j-1 et constitue sa
« pluie journalière » ou « pluie en 24 heures »
• En France :
en hiver, l ’heure UTC = heure légale -1
en été, l ’heure UTC = heure légale -2
• pluviographe : fournie des diagrammes de hauteurs de précipitations cumulées en
fonction du temps (pluviogrammes).
Principe :
la pluie s ’écoule dans un dispositif particulier (réservoir à flotteur, augets …) qui permet
l ’enregistrement automatique de la hauteur instantanée de précipitation.
• collecteur et récepteur
• surface de 200 à 500 cm² (le plus souvent 400 cm²)
• principale cause d’erreur : variation de son coefficient
de captation avec la vitesse du vent. La quantité de pluie
peut être sous- estimé de 3 à 30% celle qui atteint
réellement le sol
pluviometre
nivometre
Mesure des précipitations
2 types principaux de pluviographes :
• le pluviographe à siphon
• le pluviographe à augets basculeurs
L ’eau qui tombe est recueillie dans un capteur pluviométrique qui la dirige vers
un auget qui bascule et se vide pour un poids donné ; au cours de ce
basculement un deuxième auget, vide, vient se placer sous le tube d ’écoulement
pour se remplir à son tour.
Mesure des précipitations
• pluviogramme = représentation du cumul pluviométrique en fonction du temps
• hyétogramme = représentation de l’intensité des précipitations en fonction du temps
Réseau
ARAMIS
Le réseau RADAR
16 opérationnels
2 en cours de validation
6 supplémentaires prévus
Données
Météo-France
Pointage des stations automatiques
Sur cet exemple, en vallée
du Rhône, la lame d’eau
donne des noyaux de pluie
de 50mm en 1 heure
(en jaune).
Le réseau « temps réel »
de précipitation est très
insuffisant.
Il ne détecte qu’un maximum
de 10.6 mm.
Radar de Lyon
10 juin 2000
Cumul lame
d’eau de 16 h à
17 h
Données Météo-France
Carte du réseau Sol
3500 pluviomètres,
densité moyenne d’un appareil / 160 km²
Les annuaires pluviométriques :
la hauteur pluviométrique journalière
la hauteur pluviométrique mensuelle
la hauteur pluviométrique annuelle
le module pluviométrique annuel moyen
la fraction pluviométrique mensuelle
(rapport entre le module annuel et le module mensuel)
les moyennes, le nombre de jours de pluie
Données Météo-France
Présentation synthétique des données annuelles et mensuelles
• Modules annuels
À l’aide de l’histogramme de fréquence des modules pluviométriques. On porte
• en abscisse les modules observés (en choisissant des « intervalles de classe » )
• en ordonnée on place le nombre des observations qui se placent dans chacun des intervalles
A ces « fréquences expérimentaux » on cherche à ajuster une loi de probabilité, loi qui représente au
mieux les données expérimentales.
• en régime océanique, par expérience, les modules pluviométriques sont représentés par une loi de Gauss
• Loi de Gauss : 2 paramètres (moyenne et écart type)
• si les observations étaient réparties exactement suivant une loi de Gauss, on devrait avoir :
50 % d’observations comprises entre m - 2/3s et m + 2/3s
68 % d’observations comprises entre m – s et m + s
80 % d’observations comprises entre m – 2 s et m + 2 s
95 % d’observations comprises entre m – 3 s et m + 3 s
Cumuls annuels et mensuels
Loi normale
Loi log-normale
Loi Gamma incomplète
Précipitations journalières
Loi Gamma incomplète tronquée
Précipitations extrêmes
Loi de Gumbel
Présentation synthétique des données annuelles et mensuelles
• Hauteurs mensuelles
À l’aide des quantiles expérimentaux des distributions des pluies mensuelles (cf. poly)
• Les valeurs des précipitations mensuelles données par les courbes cotés : 10 , 25 , 50 .. .90 % ont
respectivement 10, 25, 50 … 90 chances sur 100 d’être atteintes ou dépassées
Notion de fréquence au dépassement Fd
Exemple : quantiles expérimentaux des distributions des pluies mensuelles à Lyon d’après les
observations de 1881 à 1950 (70 années d’observations)
Comment détermine-t-on le quantile 10 % de la pluie mensuelle de juillet ?
• classement en ordre décroissant des 70 observations de pluies mensuelles
• donner un rang i à chaque valeur de pluie
• calcul de la fréquence au dépassement
Fd  i
N 1
N étant le nombre d’observations (N = 70)
Détermination des précipitations maximales en 24 h pour un T
• Notion de temps de retour
• Lorsque l’on étudie des grandeurs comme les précipitations maximales journalières d’un point de vue
statistique, on cherche, à déterminer la probabilité pour qu’une intensité i ne soit pas atteinte ou
dépassée (i.e. soit inférieure ou égale à une valeur xi)
Cette probabilité est donnée, si i représente une variable aléatoire, par la relation suivante :
F(xi) = P(i < xi)
On nomme cette probabilité fréquence de non-dépassement Fnd. Son complément à l’unité est appelé
probabilité de dépassement, fréquence de dépassement ou fréquence d’apparition (Fd).
On définit le temps de retour T d’un événement comme étant l’inverse de la fréquence d’apparition
de l’événement. Soit :
T 1  1
Fd 1Fnd
Détermination des précipitations maximales en 24 h pour un T
• Ajustement d ’une loi de probabilité de Gumbel
Fréquence
au non
dépassement
1
Fnd(Xi)
0
Min X
xi
Max X
• Classement des valeurs des pluies maximales journalières annuelles xi dans l ’ordre croissant
• Calcul de la probabilité empirique au non dépassement Fnd
• Ajustement à la probabilité empirique d ’une loi de probabilité (GUMBEL)
Fnd ( x)  e
 e(  a*( xx 0 ))
Xi
Notion d ’averses et d ’intensités
• Une averse : un épisode pluvieux continu, pouvant avoir plusieurs pointes d ’intensité.
• L ’intensité moyenne d ’une averse :
imoy
h = hauteur de la pluie de l ’averse (mm)
h

t
t = durée de l ’averse (h ou min)
• 2 averses sont considérées comme distinctes si :
• la précipitation tombant durant l ’intervalle de tps Dt qui les sépare est inférieure à un certain seuil DH
(par exemple 2 mm)
• cet intervalle de temps Dt est lui-même supérieur à une certaine valeur définie compte tenu du type de
problème étudié
(par exemple 1 heure)
Les courbes IDF (Intensité - Durée - Fréquence)
• Deux lois générales de pluviosité :
1) Pour une même fréquence d ’apparition, l ’intensité d ’une pluie est d ’autant plus forte que sa
durée est courte.
2) A 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)
• Utilisation des courbes IDF
1) d ’une part synthétiser l ’information pluviométrique au droit d ’une station donnée
2) d ’autre part calculer des pluies de projets utilisées en modélisation hydrologique pour estimer des
crues de projet
Evaluation régionale des précipitations
• Moyenne arithmétique
convenable pour des régions de faible relief et pour lesquelles la distribution des points de mesure
est homogène.
• Méthode des isohyètes
méthode la plus rigoureuse
tracer les isohyètes i.e. des lignes de même pluviosité (isovaleurs de pluies annuelles, mensuelles,
journalières …)
• Méthode des polygones de Thiessen
méthode la plus couramment utilisée
convient notamment quant le réseau pluviométrique n ’est pas homogène spatialement
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Bassin de la Loire : caractéristiques naturelles contrastées
Précipitations moyennes interannuelles
Précipitations faibles :
Val de Loire et les plaines
qui l’enserrent
Moyenne
nationale
Météo France
Précipitations abondantes :
sur les hauteurs
du Morvan
Plaine de l’Allier
abritée par
le Massif Central
Perturbations
océaniques
Précipitations abondantes :
sur les hauteurs
du Massif Central
Perturbations
méditerranéenne
Données climatiques
SAFRAN : sont des données horaires couvrant la France à une résolution
de 8 km sur une projection Lambert-II étendue. Elles sont produites par MétéoFrance (Centre National de Recherches Météorologiques, CNRM).
• principe de l’interpolation optimale
• les observations
• température à 2 m,
• vent à 10 mètres,
• humidité relative à 2 mètres,
• quantité et phase des précipitations,
• rayonnements atmosphérique et solaire incident (direct et diffus),
• nébulosité totale intégrée
• les distances géographiques et les corrélations entre les différents points d’obs
• modèle ARPEGE
Validation sur des mesures pour 2 années:
3675 stations de précipitations,
1062 stations pour la température atmosphérique
465 stations pour la vitesse du vent
819 stations pour l’humidité relative
Mailles 8 km x 8 km
bassin de la Seine
Moyennes annuelles 1970-90
Modèle SAFRAN, Météo-France
CNRM
Réseau de stations
actuel en région
Ile-de-France Centre
Données Météo-France