Etude des précipitations à haute résolution

Auteur: Basile Pauthier

ABSTRACT

INRODUCTION
Capturing rainfall with high spatial and time resolution is critical for practical as well as scientific reasons. The only way to obtain reliable measurements is to quantify rainfall by rain gauge. Spatial variability in rainfall between the scale of a single rain gauge (of the order of 0.2m) and the scale of some kilometers poses a key problem. The implementation of a rain gauge network is necessary in order to observe spatial variability in rainfall. The data obtained can subsequently be compared with radar estimates. A rain gauge network, of a sufficient resolution allows the observation of spatial and temporal variability (Berne et al 2004) that is controlled by specific types of rainfall events.

I) THE HYDROMETEORS

A) Definition
Hydrometeors or precipitations are particles of water or ice formed in the atmosphere (rain, snow and hail) and at the Earth’s surface (dew and frost) as a result of condensation.

B) Formation mechanisms
Precipitations arise from condensation of atmospheric water. Condensation can occur only if the condition of atmospheric water saturation is reached (Molinie,2004). This saturation can be caused by four thermodynamic processes: isobaric cooling, adiabatic expansion, contribution by water vapor and by mixing and turbulence.
Another condition is that the atmosphere must contain microscopic particles known as condensation nuclei.

C) Precipitation patterns
Rain events are divided into three main patterns: frontal or stratiform, orographic and convective precipitations. These patterns differ in origin, geographical extent and intensity.

II) MEASURMENT OF PRECIPITATIONS

A) Interest of measurements
Nowadays, precipitations are studied for many applications as agriculture or urban planning (Russo et al 2005, Rupp et al 2011). High resolution rainfall studies are really important for urban planning, especially for those related to the concept of discharge capacity of sewerage.

B) Measurement by rain gauges
This type of measurement is what scientific community calls direct measurement. It generally consists in a conical graduated container in which you can read the amount of water collected. Other types of rain gauge exist. Due to its simplicity and better accuracy, the tipping bucket rain gauge is one of the most used. The most accurate type is the weighing rain gauge but it is financially inappropriate for a network implementation.
Rain gauge networks are frequently used for rainfall measurement. The purpose of these measurement is to produce a data set that best represent the rainfall over an entire region. Calculation of average rainfall is based on the assumption that rainfall recorded by one gauge is representative of the surrounding area. The question is from what distance from the rain gauge this hypothesis is void? (Berne et al 2004, Ciach et Krajewski 2006).

C) Measurement by radar
Radar is a measuring tool emitting electromagnetic waves. A part of these waves are backscattered by hydrometeors. Radar picks up two types of data: the intensity of backscattered signal and the distance of the target scattering the electromagnetic waves from the radar. In order to confirm those radar data, studies compare it to rain gauge network data (Ciach an Krajewski 1998 and 2002, Llasat et al 2005, Russo et al 2005).

III) SMALL SCALE PRECIPITATIONS VARIABILITY

Small scale precipitation variability is important for many applications such as water balance (Nicks 1963) or drainage systems of urban water (Berne et al 2004, Russo et al 2005).
Ciach and Krajewski highlight the three key factors having an influence on rainfall variability in small scale. Time is the first one. Time scale variations can produce totally different results. The more time scale is large, the smoother produced data will be and lower will be the spatial resolution .
The second factor is the chosen resolution of the network. If the distance between the rain gauges is too large the network could not register every rainy events.
The last one is the rain type. Every rainy events are not identical. They are varying in duration and extent. Rain type is thus a factor acting on two others.

CONCLUSION

Rainfall study with a high resolution appears to be particularly difficult because the factors that control data are multiple and vary over the time. One of the most important point in this study is the choice of the rain gauge network mesh size because it defines the resolution at which events will be recorded. Comparisons between rain gauge data and those from radar are interesting due to the improvement of radar data it permit. Those comparisons are important for both scientific but also social and economic questions (agriculture, urbanism, tourism…).
This bibliographic work was conducted to know the reference studies in this domain in order to perform a similar work over a wine producing region. The purpose of this study will be to assess the impact of rainfall variability from a phytosanitary and water balance points of view.
Another objective will be to identify the synoptic situations associated with this variability.

INTRODUCTION

Les précipitations sont un des points clefs de nombreuses études scientifiques du fait de leur importance dans de nombreux domaines (agriculture, urbanisme, assainissement, etc…). L’une des caractéristique majeure des champs de pluie, en comparaison avec les champs thermiques, est leur forte variabilité dans l’espace et dans le temps. Dans le cas d’une situation convective, les précipitations présentent une forte variabilité spatiale (de l’ordre de la centaine de mètres) et du fait de leur nature, de forts cumuls de pluie sont enregistrés de manière localisée. Ces évènements représentent donc une menace notamment en zone urbaine (Rupp et al, 2011). L’intérêt d’étudier la variabilité spatio-temporelle des précipitations à haute résolution est donc de comprendre dans quelles situations une forte variabilité spatiale est observée, de quantifier les écarts maximum pouvant être observés entre les pluviomètres et ce sur des pas de temps variables (minute, heure, jour, mois), afin d’anticiper des catastrophes comme des inondations par exemple. Leur étude permet également l’amplification de la précision des modèles de prévision en améliorant les données d’entrée de ces derniers (Russo et al. 2005). La plupart des études portant sur l’analyse des précipitations à échelle fine concerne des zones urbaines (Russo et al.2005, Rupp et al.2011) ou des bassins versants (Nicks et al.1963, Ciach et Krajewski.2006) afin d’établir soit des bilans hydriques dans le cas de ces derniers soit pour améliorer les prévisions à court terme des précipitations du fait de leur impact sur les réseaux pluviaux urbains.
L’étude des précipitations à haute résolution se heurte cependant à des problèmes de résolution engendrée par la variabilité des évènements qui ne présentent pas tous la même répartition spatiale, ni la même intensité (Drufuca et Zawadzki 1974, Berne et al 2004, Russo et al 2005, Ciach et Kajewski 2006).
La première partie de ce travail est une introduction à la notion de précipitations. La seconde explique la partie méthodologique nécessaire pour l’étude des précipitations à haute résolution. Enfin la dernière est une description de l’étude des précipitations à échelle fine et des différents facteurs à prendre en compte.

I) LES HYDROMETEORES

A) Définition

Les hydrométéores ou précipitations représentent selon Molinie (2004) : « toutes les eaux météoriques tombant sur la surface terrestre, tant sous forme liquide (bruine, pluie) que sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, givre,…) ».

Leurs caractéristiques physiques (liquide, solide, taille) dépendent de la température et de la pression de formation (Hufty,2001)

B) Mécanismes de formation

Les précipitations sont issues de la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique. La condensation ne peut se faire que si la condition de saturation atmosphérique en eau est atteinte.
Cette saturation peut être provoquée par plusieurs processus thermodynamiques (Molinie 2004) : – par refroidissement isobare
– par détente adiabatique
– par apport en vapeur d’eau
– par mélange et turbulence
Quand l’air est saturé en eau, la condensation peut se mettre en place, ainsi il y a formation de nuages. Cependant la saturation seule n’est pas suffisante pour provoquer la condensation. La présence de particules solides microscopique est indispensable à la formation des hydrométéores. L’eau gazeuse présente dans l’atmosphère va se condenser ou se solidifier autour de ces particules que l’on appelle, de ce fait, noyaux de condensation. Ce phénomène seul n’est pas suffisant pour que les gouttelettes ou cristaux microscopiques formés puissent précipiter au sol. Afin d’avoir une force de gravité suffisante, les particules doivent subir les processus de coalescence et d’agglomération.

C) Les types de précipitations

Il existe différents types de précipitations qui sont liées en partie à leurs modes de formations.
Les évènements pluvieux sont divisés en trois grands types :
– Les précipitations dites frontales ou advectives qui sont issues de la rencontre entre une masse d’air chaud chargé en humidité et d’une masse d’air plus froid et sec. La zone de contact entre ces deux masses d’air est appelée « front ». Il existe deux types de zones frontales : un premier front dit « chaud » lorsque la masse d’air plus chaud « progresse » sur la masse d’air froid (qui le précède), et le « front froid » lorsque c’est la masse d’air froid qui progresse sur celle d’air chaud. La masse d’air chaud au contact de la masse d’air froid prend de l’altitude ce qui provoque la condensation des particules d’eau et donc génère des précipitations. Celles-ci sont généralement de longue durée, assez étendues mais de faible intensité (Météo France,2011) dans le cas d’un front chaud.
– Les précipitations dites orographiques qui résultent de la rencontre entre une masse d’air chaud et humide avec une barrière topographique importante. Le relief provoque une montée en altitude de la masse d’air, la condensation des particules d’eau et donc la formation de précipitation (Météo France, 2011).
– Les précipitations convectives issues de l’ascendance rapide d’une masse d’air dans l’atmosphère. Elles se manifestent la plupart du temps sous forme d’orages. Elles ont de ce fait une durée assez courte, une extension spatiale assez faible mais présentent des intensités moyennes à fortes (Météo France, 2011). De telles situations sont observables lorsque l’air est instable, notamment au niveau d’un front froid.

II) LA MESURE DES PRECIPITATIONS

A) L’intérêt des mesures

Le début des mesures des précipitations date de quatre siècles avant JC en Inde à des fins agricoles(Molinie, 2004). De nos jours, les précipitations sont étudiées pour diverses raisons. L’aspect agricole reste d’actualité et constitue toujours un enjeu majeur. Des études ont également porté sur l’intérêt des mesures de précipitations dans un cadre urbain notamment
sur l’importance des mesures de précipitations dans le cadre de l’évacuation d’eau de pluie par les systèmes de drainage (Berne et al 2004, Russo et al 2005, Rupp et al 2011).

B) Les mesures par pluviomètres

Le principe de la mesure des précipitations par pluviomètre est de quantifier les précipitations liquides ou solides atteignant le sol durant un intervalle de temps donné.
Ce type de mesure représente ce que la communauté scientifique appelle la mesure directe. Un pluviomètre est généralement constitué d’un récipient conique gradué dans lequel on peut lire la quantité d’eau récoltée comme dans le cas d’une éprouvette graduée. Ce type de pluviomètre possède cependant plusieurs inconvénients : il nécessite un relevé régulier qui peut varier en fonction des évènements afin d’éviter un débordement et sa précision est clairement dépendante de la lecture des graduations Leroy (2002). Cependant, plusieurs types de pluviomètres peuvent être utilisés. Leroy (2002) estime que le pluviomètre à augets basculeurs est un outil intéressant car il ne présente qu’une faible incertitude (5% max) et se trouve être robuste du fait de sa simplicité de conception (deux augets dont le volume est connu qui basculent tour à tour). L’inconvénient majeur de ce type de pluviomètre réside dans le fait qu’il peut être facilement bouché par des poussières, des résidus végétaux ou par des déjections animales. Le second inconvénient est qu’il ne peut pas mesurer les évènements neigeux.
Le même auteur décrit également le cas du pluviomètre à pesée, qui comme sont nom l’indique, pèse simplement l’eau dans un récipient. C’est l’une des méthodes les plus précise mais également la plus onéreuse et la plus fragile. Il faut également être attentif aux phénomènes de débordement. L’un de ses avantages majeurs est qu’il peut avec l’adjonction de saumure enregistrer les évènements neigeux.

L’utilisation d’un réseau de pluviomètres est fréquente pour les mesures de précipitations. Ces mesures s’inscrivent soit dans des systèmes de prévision à court terme et d’écoulement de ces précipitations (Berne et al 2004, Russo et al 2005, Rupp et al 2011) soit dans la création de bilan de précipitation ( Nicks 1963). Le but des mesures ponctuelles est de produire un jeu de données représentant au mieux les précipitations sur une région entière. La densité du réseau varie en fonction de la zone à étudier. Le calcul des précipitations moyennes repose sur l’hypothèse que la pluie enregistrée par le pluviomètre en place est représentative de la région alentour. Cette hypothèse pose la question de savoir à partir de quelle distance par rapport au pluviomètre cette hypothèse devient caduque. Des études précédentes montrent que cela dépend fortement du type d’évènement pluvieux
Une étude présentant un réseau dense de pluviomètre a été présentée par Nicks (1963) afin d’évaluer l’apport hydrique des précipitations sur le bassin versant de la rivière Washita (USA). Pour ce faire, il a implanté 175 pluviomètres sur une zone de 1130 miles2.
La conclusion de cet article abouti sur le fait que le réseau de pluviomètres peut être réduit à un réseau de cinq à dix pluviomètres dans le cadre du bassin de la rivière. L’auteur conclu également sur le fait que le réseau pourrait être adapté si l’étude devait être faite sur un sous-bassin afin de représenter une zone plus restreinte.
Ceci implique le fait que les mesures de précipitations par pluviomètres ne peuvent être représentatives d’une zone donnée que si le réseau de pluviomètres est suffisamment dense.

Dans leur étude, Berne et al (2004) ont présenté des recommandations quant à l’implantation (résolutions spatiale et temporelle) d’un réseau de pluviomètres au niveau d’un espace urbain. Il ressort de cette étude que les résolutions spatiale et temporelle sont fonction de la surface de la zone à couvrir, avec par exemple pour une zone de 1000ha une résolution temporelle nécessaire de 5 min et une résolution spatiale de 3 km au maximum. Cette étude a été menée dans le but d’améliorer les données des réseaux préexistants et des données radar.

C) Les mesures par radar

Un radar est un outil de mesure émettant des ondes électromagnétiques qui seront par la suite captées par un récepteur. Ces ondes captées sont pour une partie rétrodiffusées par les hydrométéores. Le radar récupère deux données l’une étant l’intensité du signal rétrodiffusé et l’autre la distance des cibles diffusant l’onde électromagnétique par rapport au radar.
L’image fournie par le radar est un cliché de rétrodiffusion électromagnétique de volumes d’eau qui sont par la suite convertis en pluies par une série de lois empiriques de type Z=aRb (Bois,2007). Ici a et b sont considérés comme des facteurs empiriques qui varient en fonction du type de précipitations. Cette loi permet de convertir le taux de réflectivité Z en une quantité de pluie R.
Le radar n’enregistre pas uniquement les précipitations mais également les nuages, les changements de l’indice de réfraction de l’air voire les insectes.
Marshall et al (1947) estiment que les données radar permettent d’observer l’intensité des précipitations avec une précision convenable jusqu’à une distance de 100km de la source d’émission.
Afin de confirmer les données obtenues par imagerie radar un certain nombre d’études les ont comparées à des données récoltées au sol. Ciach et Krajewski se sont penchés sur ce problème en 1998. Ils sont partis de l’hypothèse selon laquelle, la variance des différences des valeurs de précipitations radar-pluviomètres pouvaient être séparées en deux parties : l’erreur d’estimation des moyennes de précipitation sur la zone et l’erreur de résolution entre les mesures ponctuelles et zonales. Ils ont mis au point la méthode ESM (error separation method) qui consiste en une robuste procédure permettant de séparer les deux erreurs.

Les auteurs ont montré que la part des radars dans les erreurs de variance augmente avec le temps d’accumulation. Cependant, ils ont également conclu sur le fait que pour que la méthode ESM soit plus performante un réseau de pluviomètre plus dense que celui dont ils disposaient devait être mis en place.
Russo et al (2005) ont comparé des données obtenues par un réseau de 32 pluviomètres répartis sur la ville de Rome aux données fournies par un radar doppler situé à 15km du centre-ville. Ici les données au sol ont été traitées selon deux méthodes : le krigeage et la méthodes des isohyètes. Une courbe isohyète est le lieu géométrique des points sur lesquels il est tombé la même quantité de pluie sur une période donnée. Ici les isohyètes représentent les précipitations moyennes sur la zone considérée.
Le krigeage est une méthode d’interpolation basée sur une pondération calculée suite à l’étude statistique de la variabilité spatiale d’un phénomène (ici, un champ de pluie). Cette méthode se déroule en trois étapes : tracé du variogramme, ajustement de la fonction analytique aux différents points du variogramme, calcul des poids de l’interpolation.

Russo et al (2005) sont arrivés à une erreur standard entre les deux méthodes et l’imagerie radar de 31% pour la comparaison krigeage-radar et 32% pour la comparaison isohyètes-radar. Les auteurs ont expliqué cette différence par une densité de pluviomètres encore trop faible.

III) VARIABILITE DES PRECIPITATIONS A ECHELLE FINE

La variabilité des précipitations à l’échelle fine est importante pour de nombreuses applications comme les bilans hydriques (Nicks 1963) ou encore les systèmes d’évacuation d’eau de pluie urbains (Russo et al 2005, Berne et al 2004).

Ciach et Krajewski (2006) eux ont étudier les facteurs de la variabilité des précipitations en déployant un réseau de 53 pluviomètres répartis en 25 stations sur une surface de 10 kilomètres carrés. Ils ont décomposé les facteurs influençant la variabilité de précipitations en trois parties : – la dépendance à l’échelle de temps.
– la dépendance à la distance inter-pluviomètres.
– la dépendance au régime de pluie.
Le but de leur étude est de décrire les coefficients de corrélation inter-pluviomètres comme étant une fonction de la distance qui les sépare pour différents pas de temps et régimes de précipitations. Pour ce faire ils ont dans un premier temps estimé les coefficients de corrélation de Pearson pour chaque paire de pluviomètres. Dans un second temps ils ont ajusté un modèle paramétrique pour chaque ensemble de coefficients de corrélation obtenus précédemment. Ils ont enfin, présentés leurs résultats sous forme de corrélogrammes.

Les auteurs ont mis en avant le lien entre variabilité spatiale et temporelle des précipitations et l’intérêt d’adapter la densité du réseau de pluviomètres à la résolution temporelle souhaitée.
La variabilité spatiale a tendance à augmenter lors d’enregistrements à échelle de temps très fine. Il parait logique que les corrélations inter-pluviomètres soient plus stables à des échelles de temps plus longues du fait que les cumuls sont plus importants et donc les disparités moins grandes.
Ces auteurs montrent également que la variabilité spatiale évolue selon le type d’évènement pluvieux.

Ici les paramètres s0 et d0 représentent respectivement les paramètres de forme et d’échelle des deux orages considérés. L’orage (1) a donc une plus grande taille que l’orage (2) si l’ont considère ces paramètres.
Le type de précipitations est donc important dans la variabilité spatiale des précipitations. Un évènement de petite taille présentera donc une forte variabilité spatiale lors de son passage au dessus du réseau au sol. Cette observation est valable également dans la comparaison entre un évènement stratiforme présentant généralement un paramètre d’échelle important et un évènement convectif de plus petite taille.

L’étude de la variabilité des précipitations à échelle fine recquiert donc l’implantation d’un réseau de pluviomètres dont la taille de la maille élémentaire doit être suffisament faible pour capturer des fortes variations spatiales sur de courtes distances et ainsi pouvoir enregistrer les évènements convectifs avec une résolution assez importante.
Berne et al (2004) ont dans leur travail étudié les facteurs variabilité spatiale et temporelle pour proposer une maille standard pour un réseau de pluviomètres en fonction de l’aire de la zone à étudier et ce pour les zones urbaines.

CONCLUSION

L’étude des précipitations à haute résolution s’avère être particulièrement difficile car les facteurs de contrôle des données sont multiples et varient dans le temps. Le choix de la maille du réseau à implanter semble être l’un des points clef des différentes études car il définit la résolution à laquelle les évènements sont enregistrés. La comparaison des données obtenues avec celles issues de mesures radar peuvent être intéressantes dans la mesure où elle permet la validation de ces dernières. Ces comparaisons ont une grande importance à la fois scientifique mais elles sont également primordiales dans de nombreux domaines tels que l’agriculture, la sécurité civile, l’urbanisme, le tourisme et sont donc de ce fait, capitales d’un point de vue économique et social. Cette étude bibliographique a été mené afin de connaitre les références en matière d’étude de variabilité spatiale des précipitations à l’échelle fine dans le but d’effectuer un travail similaire en milieu viticole. L’étude qui sera menée dans un milieu viticole n’a pas de réel équivalent, il sera donc intéressant d’étudier la variabilité des précipitations afin de connaitre les situations synoptiques associées et d’évaluer ses impacts d’un point de vue phytosanitaire et de bilan hydrique sur la vigne.

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RESSOURCES ELECTRONIQUES:

Météo France: Les precipitations. En ligne : 02/12/2011.

Copyright: Basile Pauthier

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