Diapositive 1

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Cours 3 Hydrologie M1 Sciences de la Terre, de
lEau et de lEnvironnement (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 Florentina.mo
atar_at_univ-tours.fr
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• 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.

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(No Transcript)
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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.
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Mécanismes de formation des précipitations et
Types

• lascendance des masses dair est à lorigine de
  la formation des nuages et de lapparition des
  précipitations

De courte durée De forte intensité

• 3 types de précipitations

cumulus
cumulonimbus
Fronts froids Précipitations Brèves, intenses Pas
très étendues
Fronts chauds Précipitations Longues, peu
intenses Aires géographiques
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Précipitations convectives

• ascendance rapide dans latmosphère de masses
  dair 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 lessentiel des
  précipitations équatoriales.

cumulus
cumulonimbus
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Précipitations orographiques

• présence dune barrière topographique, doù leur
  caractère localisé.

Lorsquune masse dair 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).
Lascendance 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
laltitude (gradient pluviométrique)
Mais avant de parler de gradient
pluviométrique Une étude détaillée est nécessaire
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Précipitations frontales (ou de type cyclonique)
Elles sont associées aux surfaces de contact
entre les masses dair de température, de
gradient thermique vertical, dhumidité et de
vitesse de déplacement différents les fronts.
Front froid
Front froid
Air chaud
Air froid
Précipitations plus brèves, moins étendues et
plus intenses
sol
Front chaud
Air chaud
Front chaud
Séquences pluviométriques plus longues et
couvrant des zones plus vastes
Air froid
sol
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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.

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• collecteur et récepteur
• surface de 200 à 500 cm² (le plus souvent 400
  cm²)
• principale cause derreur 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
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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.

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Mesure des précipitations

• pluviogramme représentation du cumul
  pluviométrique en fonction du temps

• hyétogramme représentation de lintensité des
  précipitations en fonction du temps

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(No Transcript)
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Réseau ARAMIS
Le réseau RADAR
16 opérationnels 2 en cours de validation 6
supplémentaires prévus
Données Météo-France
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Pointage des stations automatiques
Sur cet exemple, en vallée du Rhône, la lame
deau donne des noyaux de pluie de 50mm en 1
heure (en jaune).
Le réseau  temps réel  de précipitation est
très insuffisant. Il ne détecte quun maximum de
10.6 mm.
Radar de Lyon 10 juin 2000 Cumul lame deau
de 16 h à 17 h
Données Météo-France
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Carte du réseau Sol
3500 pluviomètres, densité moyenne dun 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
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Présentation synthétique des données annuelles et
mensuelles

• Modules annuels

• À laide de lhistogramme 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 dobservations comprises entre m - 2/3s et m
  2/3s
• 68 dobservations comprises entre m s et m
  s
• 80 dobservations comprises entre m 2 s et m
  2 s
• 95 dobservations comprises entre m 3 s et m
  3 s

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Cumuls annuels et mensuels Loi normale Loi
log-normale Loi Gamma incomplète
Précipitations journalières Loi Gamma incomplète
tronquée
Précipitations extrêmes Loi de Gumbel
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Présentation synthétique des données annuelles et
mensuelles

• Hauteurs mensuelles

• À laide 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
  dêtre atteintes ou dépassées
• Notion de fréquence au dépassement Fd

• Exemple quantiles expérimentaux des
  distributions des pluies mensuelles à Lyon
  daprès les
• observations de 1881 à 1950 (70 années
  dobservations)
• 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

N étant le nombre dobservations (N 70)
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Détermination des précipitations maximales en 24
h pour un T

• Notion de temps de retour

• Lorsque lon étudie des grandeurs comme les
  précipitations maximales journalières dun point
  de vue
• statistique, on cherche, à déterminer la
  probabilité pour quune 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 lt xi)
• On nomme cette probabilité fréquence de
  non-dépassement Fnd. Son complément à lunité est
  appelé
• probabilité de dépassement, fréquence de
  dépassement ou fréquence dapparition (Fd).

On définit le temps de retour T dun événement
comme étant linverse de la fréquence
dapparition de lévénement. Soit
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Détermination des précipitations maximales en 24
h pour un T

• Ajustement d une loi de probabilité de Gumbel

• 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)

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(No Transcript)
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Notion d averses et d intensités

• Une averse un épisode pluvieux continu,
  pouvant avoir plusieurs pointes d intensité.

• L intensité moyenne d une averse

h hauteur de la pluie de l averse (mm) 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)

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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

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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
Météo France
Moyenne nationale
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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 Météo- France (Centre National de
Recherches Météorologiques, CNRM).

• principe de linterpolation 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 dobs
• modèle ARPEGE

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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 lhumidité
relative
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Mailles 8 km x 8 kmbassin de la Seine
Moyennes annuelles 1970-90 Modèle SAFRAN,
Météo-France CNRM
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Réseau de stations actuel en régionIle-de-France
Centre
Données Météo-France