Précipitations

Météo

Définitions.

Mesures Par définition, les précipitations sont les produits solides ou liquides résultant de la condensation de la vapeur d’eau, qui tombent des nuages ou qui passent directement de l’air au sol sur lequel ils se déposent. Elles comprennent la pluie, la grêle, la neige, la rosée, le givre, la gelée blanche et la brume qui se dépose.

Les mesures consistent à chiffrer la quantité de précipitations atteignant le sol, représentée par l’épaisseur qu’elle aurait si elle couvrait, sous forme liquide, la projection horizontale de la surface au sol.

Les mesures sont donc exprimées par des hauteurs (en mm). Un millimètre de pluie représente une quantité d’un litre d’eau sur une surface d’un m².

Le cas particulier de la neige est représenté soit par le contenu en eau, soit par l’épaisseur de neige fraîche couvrant une surface horizontale uniforme.

La principale difficulté pour la mesure des précipitations réside dans l’obtention d’un échantillon représentatif des quantités reçues par la région ; aussi le choix de l’emplacement, les formes de l’appareil et les méthodes d’exploitation doivent-elles faire l’objet d’une attention particulière.

Pluviomètres

Les pluviomètres sont les instruments le plus couramment utilisés pour mesurer les précipitations.

Principe

Ils comprennent un collecteur, en forme d’entonnoir, qui draine l’eau captée vers un réceptacle. Le cône récepteur, assez profond pour éviter les pertes par rejaillissement, présente une surface d’ouverture comprise entre 200 et 500 cm².

La capacité utile du réceptacle est prévue pour qu’il puisse toujours contenir les quantités de pluie tombée entre deux observations successives, pratiquées à 6 h et 18 h.

Les pertes d’eau par évaporation sont moins importantes avec des pluviomètres en matériaux plastiques qu’avec des pluviomètres métalliques, l’échauffement de leurs parois au soleil étant toujours plus faible. La mesure des quantités d’eau recueillies est effectuée à l’aide d’éprouvettes graduées en dixièmes de millimètre, ou quelquefois à l’aide de règles gravées sur le réceptacle.

Pluviomètres à transducteur

Pluviomètres à augets basculeurs

Ces appareils sont les plus répandus et fonctionnent avec un compteur volumétrique à augets basculeurs (figure 16).

Figure 16 – Fonctionnement du compteur volumétrique à augets basculeurs

Ce compteur, très simple, possède deux petits récipients identiques accolés pouvant tourner autour d’un axe horizontal. L’eau provenant du cône de réception s’écoule dans l’un d’eux (figure 16a). Lorsqu’il est plein, le système bascule par suite du déplacement de son centre de gravité, assurant la vidange du premier auget et le positionnement du second sous l’orifice du cône (figure 16b et c). Dans les pluviomètres enregistreurs, ce mouvement entraîne un style inscripteur qui se déplace sur un diagramme dont la rotation est proportionnelle au temps.

Ces pluviomètres sont généralement utilisés avec des stations automatiques d’acquisition. La détection du basculement est effectuée par différents transducteurs :

— un relais à mercure associé à l’équipage mobile pour engendrer une impulsion électrique à chaque basculement et transmettre l’information à distance ;

— un détecteur optique à fourche ; cette fourche ne laisse passer la lumière que lorsque les augets sont à l’horizontale, pendant le basculement.

La réponse de ce type de pluviomètre est discontinue, les incréments de mesures sont de 0,1, 0,2 ou 0,5 mm suivant les appareils, ce qui entraîne quelques imprécisions sur la détermination du début et de la fin des épisodes pluvieux, surtout dans le cas de bruines ou de pluies de très faible intensité.

Des erreurs systématiques par défaut se produisent lorsque l’intensité de la précipitation est élevée. Ce comportement tient à ce que les basculements du système ne sont pas instantanés, et l’eau qui s’écoule pendant cette période n’est pas comptabilisée. Des déflecteurs mobiles corrigent en partie ce défaut, mais des erreurs de l’ordre de 10 % sont encore possibles pour des précipitations de l’ordre de 120 mm/h. Lorsqu’elles sont clairement quantifiées par le constructeur, ces erreurs sont corrigeables par logiciel au niveau d’une station automatique.

Pluviomètres à mesure de hauteur d’eau

Ces appareils accumulent l’eau recueillie dans un récipient. Si ce récipient est un tube, un capteur de pression différentielle mesure la hauteur d’eau dans le tube. Un système de siphon ou des électrovannes permet le vidage du tube. Il existe un capteur qui pèse un auget d’un volume de 200 cm³. L’auget bascule de son propre poids et se vide lorsqu’il est plein. Ces appareils permettent d’obtenir l’intensité des précipitations avec une meilleure résolution que les pluviomètres à augets basculeurs.

Pluviomètres optiques

Ces appareils, très récents, sont dérivés des capteurs dits « temps présent ». Ils en sont souvent une version simplifiée. Ils comptent le nombre de gouttes passant devant un détecteur optique, avec parfois même une analyse de leur vitesse de chute pour affiner l’estimation de leur taille.

Ils présentent l’avantage de ne pas posséder de pièces mobiles et l’inconvénient de ne pas mesurer directement la quantité d’eau tombée. Ils sont aussi plus sensibles à la nature des précipitations, et sont donc moins précis qu’un pluviomètre classique. Moins sujets aux déréglages mécaniques et au bouchage d’un cône entonnoir, ils peuvent s’avérer plus fiables. Ils sont bien indiqués pour fournir l’intensité des précipitations sur un faible pas de temps (à partir de 10 s).

Détecteur de précipitations

Par définition, un détecteur de précipitations se limite à l’indication de la présence de précipitations. Les pluviomètres optiques ou à mesure de hauteur d’eau peuvent servir de détecteur lorsqu’ils ont une bonne sensibilité et permettent la mesure des faibles intensités.

Toutefois, les appareils les plus répandus sont formés de deux peignes métalliques entrecroisés et électriquement isolés. En cas de précipitations, des gouttes s’accrochent entre les peignes et introduisent une résistance électrique décelable entre ceux-ci. La fin des précipitations est plus délicate à détecter, puisque les gouttes d’eau ont tendance à rester accrochées. Pour éviter ce phénomène, une résistance chauffante fait évaporer les gouttes restantes.

Mesure de la hauteur de neige

L’équivalent en eau d’une précipitation neigeuse peut se mesurer avec un pluviomètre muni d’un réchauffage. Le dispositif de réchauffage est constitué de résistances chauffantes autour du cône et à proximité des augets basculeurs. La puissance nécessaire peut être élevée (jusqu’à 200 W) dans les cas où le pluviomètre est fortement ventilé, mais elle doit être aussi soigneusement régulée en fonction de la température du cône pour limiter le flux d’air chaud ascendant généré au-dessus du cône. En effet, la convection induite modifie l’environnement immédiat du pluviomètre et diminue la quantité de neige effectivement captée.

L’épaisseur de neige elle-même peut être mesurée visuellement avec une perche à neige directement graduée en centimètres et située verticalement au-dessus d’une surface plane. La mesure peut être automatisée avec un capteur à ultrasons situé sur un portique à 2 ou 3 m au-dessus du sol. La précision de mesure atteint quelques centimètres. En montagne, il est toutefois difficile de trouver un site de mesure idéal, plat et non perturbé par l’environnement immédiat.

Exposition et entretien des pluviomètres

On recommande de disposer la bague réceptrice horizontalement à au moins 50 cm au-dessus du sol, sans dépasser 1 m. Une exposition plus proche du sol ou au sol serait plus favorable pour s’affranchir des effets du vent, mais présenterait d’autres inconvénients (accroissement des erreurs par rejaillissement, difficultés d’installation et d’exploitation).

Les turbulences créées par le vent autour du pluviomètre ont pour effet de modifier le champ des précipitations au-dessus du cône récepteur et, par suite, de réduire la quantité d’eau captée. Pour neutraliser cette action, on peut avoir recours à des écrans aérodynamiques.

Ces éléments, en forme de tronc de cône ajouré ou non, sont placés autour du pluviomètre lui-même et ont pour effet d’infléchir les filets d’air vers le bas et d’éviter toute zone d’écoulement rapide au-dessus de la bague. On peut aussi choisir des pluviomètres ayant un profil de verre à pied, avec un carter tronconique reposant sur un pied support de faible encombrement.

Avec ces appareils, la zone de flux accéléré au-dessus de la bague est moins marquée que sur les pluviomètres de forme cylindrique, et ils possèdent donc un meilleur coefficient de captation (figure 17).

Figure 17 – Modification du champ des précipitations
à l’avant et au-dessus de pluviomètres de différentes formes

Pour éviter les perturbations liées à l’environnement, on considère qu’un pluviomètre doit être installé sur un terrain à peu près horizontal et à plus de 4 fois la hauteur de tout obstacle.

Sur le terrain, les pluviomètres ne demandent qu’un entretien et des réglages simples consistant à :

— nettoyer périodiquement l’ajutage et l’orifice d’écoulement ;

— s’assurer de l’horizontalité de la platine supportant les augets ;

— contrôler la réponse du compteur volumétrique en versant une quantité d’eau connue (1 L) dans le cône ; un bouchon fendu calibré, livré avec le pluviomètre, limite de débit à 50 mm/h environ.