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LA PLUVIOMETRIE

3.1. GENERALITES

3.1.1. DÉFINITIONS COURANTES EN MÉTÉOROLOGIE ET HYDROLOGIE

On englobe sous le terme de précipitations, toutes les eaux météoriques qui tombent à la surface de la terre, tant sous forme liquide (pluie, bruine) que solide (neige, grêle, grésil).

D'un point de vue physique, la pluie peut être définie comme des gouttes d'eau d'un diamètre variant entre 0.5 et 5 mm, tombant ou non sur le sol (reprise par l'évaporation ou par les mouvements de l'atmosphère).

La bruine est une précipitation assez uniforme, caractérisée par de très fines gouttelettes d'eau rapprochées les unes des autres, qui tombent d'un Stratus (type de nuage bas). Le diamètre des gouttes de bruine varie entre 0.1 et 0.5 mm.

Le terme averse, abondamment employé par les météorologistes, les météorologues, les climatologues, les agronomes, et les hydrologues, s'adresse à une pluie soudaine et abondante, (mot créé en 1642; de pleuvoir à la verse Le Petit Robert 1990).

Dans certaines conditions, la vapeur d'eau des basses couches de l'atmosphère se condense directement sur les surfaces froides du sol ou des végétaux, sous forme de rosée ou de gelée blanche, selon la saison. Ces quantités, généralement modestes vis à vis des pluies, ne sont pas prises en compte dans les bilans hydrologiques.

Météo-France donne comme consigne à ses observateurs de noter le phénomène (rosée ou gelée blanche) sur le bordereau, mais de ne pas le quantifier, même s'il y a de l'eau au fond de l'appareil, par exemple, de l'ordre de 0.2 à 0.3 mm.

Enfin, dans certaines régions montagneuses souvent arides, soumises à une influence océanique et régulièrement ventées, comme les côtes du Chili et du Pérou pour partie, les Iles Galapagos (au large de l'Equateur), en Afrique du Sud, au Cap-Vert (archipel situé au large de Dakar), au Yémen, ou dans le désert de Namibie, il peut stagner sur de longues périodes une mer de brouillard. Ainsi, au dessus de 600 m environ, des conditions météorologiques très singulières permettent à la végétation de prospérer malgré de faibles pluies.

Arbres et arbustes captent l'eau des brouillards et des bruines, donnant naissance à de véritables forêts dites nébuleuses.

Ces brouillards mouillants ou précipitations occultes qui se déposent sur les feuilles des arbres peuvent représenter un pourcentage important du total des eaux disponibles pour la végétation, et aller même jusqu'à dépasser le total des précipitations mesurées classiquement.

Le terme pluviométrie désigne indifféremment pour les francophones:

La pluviométrie regroupe aussi les mesures à pas de temps variable obtenues à l'aide d'enregistreurs; le terme pluviographie peut alors se substituer au terme pluviométrie.

La hauteur des précipitations qui atteint le sol pendant une période donnée est définie comme l'épaisseur que celles-ci couvriraient sur un plan horizontal, s'il n'y avait pas de perte par écoulement, infiltration et évaporation, et si les précipitations solides fondaient sur place.

Dans le Système International d'Unités, la hauteur des précipitations est exprimée en millimètres (mm) et dixièmes de millimètre.

Les médias donnent parfois des hauteurs de pluies - souvent exceptionnelles et catastrophiques-en litres par mètre carré (l/). Cette unité est identique à celle utilisée par les météorologistes: le millimètre.

En effet, on a bien:

1 litre/1 mètre carré =m/m = 0.001 m = 1 mm.

Dans les pays anglo-saxons (Angleterre, USA, Liberia et Ghana en Afrique...) les hauteurs de précipitations sont encore souvent mesurées et exprimées en pouces et fractions décimales de pouce.

Les correspondances suivantes sont suffisamment précises pour effectuer les conversions des valeurs:

1 pouce = 25.4 mm;

1 mm. = 0.04 pouce.

3.1.2. UTILITÉ ET UTILISATION DES MESURES DE PLUVIOMÉTRIE

3.1.2.1. Au niveau des particuliers.

Une des principales informations attendue des bulletins météorologiques terrestres (et marins) est la probabilité de voir des précipitations dans les jours qui viennent.

Pour certains secteurs d’activité économique, le renseignement quantifié (hauteur des précipitations) peut être important, et ceci d'autant plus que l'activité est en rapport avec le milieu naturel, c'est à dire du secteur primaire (producteur de matière non transformée), comme l'agriculture, la pêche, les mines et carrières.

Le renseignement quantifié peut être utile aussi dans certaines branches du secteur secondaire (producteur de matières transformées), comme le génie civil, le bâtiment et les travaux publics.

3.1.2.2. En agriculture.

Au Nord-Ouest de la région parisienne, nous avons recensé sur 200 environ, après une averse dévastatrice en août 1972, vingt-quatre agriculteurs effectuant des relevés pluviométriques à titre privé. Leurs intérêts étaient les suivants:

Dans une grande majorité de la France rurale, où l'agriculture est fortement mécanisée, il s'agit pour l'exploitant de définir le matin quel outillage il devra utiliser: enfoncement du tracteur compensé par l'emploi de cerclages ajustés aux roues, profondeur de travail du soc de la charrue, parties du terrain probablement inondées etc.

En Guadeloupe, Département français d'Outre-mer, la canne à sucre est cultivée dans bon nombre de parties basses et bien arrosées des deux Iles de la Grande-Terre et de la Basse-Terre. Le produit des récoltes est acheminé vers les Usines (autrefois des moulins à vent) où la canne est traitée pour en extraire le jus destiné à fournir le sucre et/ou le rhum.

En 1981, le chef de culture d'une de ces usines faisait relever huit postes pluviographiques répartis sur le territoire cultivé. Avec ces observations, dont il prenait la moyenne arithmétique, il estimait le rendement prévisible de l'année en cours, par comparaison entre les rendements et la répartition pluviométrique des campagnes des années précédentes.

3.1.2.3. Carrières.

Un exploitant de carrière (de sable, galets, gypse, argile, calcaire etc.) doit tenir compte de la quantité de pluie tombée avant d'envoyer ses équipes travailler sur le terrain: possibilités d'évolution des machines et des hommes, crainte d'éboulements sur le front de taille etc.

3.1.2.4. Bâtiments, travaux publics et travaux routiers.

En Moselle, département du nord-est de la France, depuis le début des années 1960, une entreprise relève un pluviomètre qui permet chaque matin d'estimer l'humidité des sols à travailler, selon leur nature (sableux au Nord de la région, très argileux au Sud), et de définir ainsi les possibilités de travail des hommes et des machines.

Après une pluie de 10.0 mm environ, le chef de travaux évitera d'aller sur les chantiers du Sud. Après plusieurs journées de pluie, le responsable pourra décider d'arrêter tout travail sur le terrain (débauche d'une partie des équipes). Après une forte averse, il sera important d'estimer et vérifier auprès de voisins (téléphone) si une tranchée a été inondée ou non, quelles sont les modifications éventuelles des terrains remaniés sur les chantiers routiers etc.

Par ailleurs, la mesure de la température de l'air permet aux responsables de cette entreprise de prévoir les possibilités (ou impossibilités) de prise du ciment, réduite en cas de températures basses et souvent impossible en dessous de zéro degré, sans adjonction de produits spéciaux.

3.1.2.5. Collectivité, tourisme et information.

De nombreux Services Publics utilisent les prévisions météorologiques, mais la pluviométrie tient sans doute la place prépondérante dans la connaissance du temps qu’il va faire à des échéances de 1 à 5 jours (limite supérieure actuelle de prévision).

Parmi ces Services Publics, on doit citer en tout premier lieu les Services Météorologiques Nationaux. En France, il s’agit de Météo-France, dénomination moderne, depuis mars 1990, de l'ancienne Direction de la Météorologie Nationale Française.

Au delà de la prévision à court terme -une journée- qui permet de choisir ses vêtements ou son équipement d’excursion, les prévisions à moyen terme -de deux à cinq jours- permettent d'organiser plus sûrement et plus confortablement certaines activités touristiques, notamment de plein air (montagne, nautisme etc.).

3.1.2.6. Service météorologique national: météo – France.

Ce Service d'état, dépendant en France du Ministère des Transports, est responsable, entre autres activités, du suivi, de l'archivage et la mise à disposition des données relevées à environ 3800 postes pluviométriques répartis sur le territoire métropolitain français.

Parmi ces stations, 140 sont des stations dites synoptiques, c'est à dire que les observations y sont effectuées par des professionnels, et souvent 24 heures sur 24. D'après le sens courant de l'adjectif synoptique (qui permet de voir un ensemble d'un seul coup d'œil), dans la plupart de ces stations, comme dans beaucoup d'autres sur les cinq Continents et naguère en mer, sont effectuées toutes les trois heures (0 h, 3 h, 6 h...temps universel, TU) des observations de base (pression atmosphérique, température et humidité de l'air, force et direction du vent, pluviométrie etc.). Ces observations sont envoyées sur les ondes grâce à des messages codés reçus par les Services Météorologiques voisins. Il y a environ trente ans, les météorologistes (français en particulier) traçaient avec ces messages des cartes synoptiques de l'état de l'atmosphère sur l’ensemble Continent Ouest-Européen et Océan Atlantique Est, ce qui permettait des prévisions. Aujourd'hui, ces cartes sont tracées informatiquement, mais le principe est le même, et les prévisionnistes restent présents.

Parmi les 140 stations synoptiques françaises, 7 postes ont été retenus (dont Nîmes près de Montpellier) pour y effectuer des sondages à l'aide de ballons-pilotes lâchés et suivis dans l'atmosphère.

Le nombre et la répartition des stations synoptiques par Etat ont été recommandés, reconnus et acceptés par l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM, créée en 1878). Elles sont plus nombreuses dans les pays développés et dans l'hémisphère Nord (où la masse continentale est plus importante qu'au Sud) que dans les pays en développement.

Les bateaux météorologiques stationnaires étaient en 1990 au nombre de trois dans l'Atlantique. Il n'en existe plus aujourd'hui de français, mais 143 navires (commerce, guerre, pêche) ont été sélectionnés en France pour fournir des points-météo lors de leurs parcours.

Enfin, pour rester dans le cadre du Sud de la France, le Centre Départemental de la Météorologie (CDM) de l'Hérault situé à l'aéroport de Montpellier-Fréjorgues a en charge 60 postes climatologiques (avec au moins un pluviomètre et un thermomètre). La moitié des stations sont gérées sur crédits d’Etat et les trente autres pour le compte du Département. La station de Mauguio, aéroport de Montpellier-Fréjorgues est une station synoptique.

D'autre part, Météo-France anime ou assiste d'autres Services Publics ayant à connaître la météorologie (actuelle ou prévue) en général, et la pluviométrie en particulier.

Ces Services Publics ont en charge des activités multiples qui sont citées (et succinctement explicitées) ci dessous en listant les Commissions spécialisées du Conseil Supérieur de la Météorologie.

3.1.2.7. Aéronautique et marine.

L'accompagnement des aéronefs (avions) a souvent été à l'origine de la création et de la structuration de nombreux Services Météorologiques dans le monde. A titre d’exemple, citons l'Agence pour la Sécurité de la Navigation Aérienne en Afrique et Madagascar (ASECNA), qui est centralisée à Dakar (Sénégal) et présente dans pratiquement tous les Etats francophones du sous-continent ouest et centrafricain.

Il est en effet très important pour un pilote de savoir, entre autres renseignements météorologiques, s'il pleuvra et selon quelle intensité sur son trajet et à son point d'atterrissage.

Les pluies accompagnent très souvent les tempêtes. Elles sont la cause d'une forte diminution de la visibilité en mer; il en va de même des crachins (terme breton pour une petite pluie fine) et des brumes ou brouillards.

Les prévisions météorologiques marines, fournies généralement deux fois par jour sur les ondes, sont nécessaires à toutes activités maritimes.

3.1.2.8. Agriculture.

En dehors des observations privées qui échappent à un archivage et une diffusion systématiques, les agriculteurs ont souvent recours à différentes aides météorologiques d'initiatives régionale ou départementale, sous forme de Bulletins spécialisés lancés sur les ondes, ou édités (par exemple à l’échelle décadaire = de 10 jours).

3.1.2.9. Energie et irrigation.

A titre d'exemple, les gestionnaires de barrages hydroélectriques suivent en permanence l'évolution de la pluviométrie, mais aussi de la couche de neige amont, grâce à des appareils évaluant la hauteur du stock neigeux ainsi que sa densité. Ces données permettent des prévisions pour la gestion optimale des barrages des bassins équipés. En France, on citera l’ensemble des équipements du Rhône, qui ne servent pas uniquement pour l’énergie hydroélectrique, mais aussi pour la navigation et l’irrigation.

3.1.2.10. Environnement.

Toute étude d'un écosystème nécessite la connaissance des conditions climatiques qui régissent leur équilibre. La pluviométrie est souvent un facteur déterminant dans l'organisation de la vie des espèces animales et végétales. L'enseignement de la météorologie et de la climatologie à différents niveaux scolaires ou professionnels favorise la sensibilisation des éducateurs à la préservation de l'environnement.

3.1.2.11. Hydrologie.

En hydrologie la connaissance des précipitations est essentielle car celles-ci conditionnent le fonctionnement du cycle de l'eau. Leur impact est notamment déterminant sur la disponibilité des ressources en eau: écoulements de surface, retenues d'eau naturelles ou artificielles, et nappes d'eau souterraines.

L’absence de pluies génère des périodes de sécheresse provoquant une diminution significative des ressources et parfois une augmentation des impacts des pollutions sur l'environnement. Leur excès provoque de fortes crues destructrices d'ouvrages de franchissement et des inondations parfois catastrophiques.

Les modèles numériques de production de ressources d'un bassin ou de fonctionnement d'un hydro-aménagement nécessitent de disposer de longues séries chronologiques de pluie observées, ou reconstituées à partir des observations.

3.1.2.12. Protection civile et prévention.

Il s'agit principalement du travail des Services d'annonce de crue, qui s’appuie de plus en plus sur les mesures pluviométriques faites en amont des sites à prévoir (appareils transmetteurs via le téléphone, les ondes radio et la télétransmission par satellites).

D’autre part, on assiste aujourd’hui à différents essais de prise en compte des prévisions de précipitation faites par satellite ou par radar. Dans ce cas, la mesure de la pluviométrie au sol reste indispensable pour valider les modèles utilisés et comparer les valeurs de pluie réellement tombée aux quantités d'eau initialement prévues.

3.1.2.13. Routes et génie civil.

La construction des routes et de voies ferrées demandent pour leurs tracés, la mise en place d'ouvrages de franchissement qui doivent être soigneusement dimensionnés. De tels dimensionnements demandent des études hydrologiques, elles mêmes dépendantes de la connaissance des précipitations caractéristiques exceptionnelles qui ne peuvent être connues qu'après l'obtention de séries pluviométriques suffisamment longues.

3.1.2.14. Santé – biométéorologie.

Les pluies sont un des facteurs climatiques qui influent le plus sur la santé des hommes, des animaux et des plantes. On citera par exemple de nombreux parasites tropicaux, qui demandent la présence d’eau pour assurer l’éclosion soit d’une graine, d’un virus enkysté, ou d’une bactérie infectante etc.
 


3.1.3. RAPPELS DE MÉTÉOROLOGIE

Ce paragraphe et le suivant sont inspirés du cours: Météorologie générale dispensé par Météo-France et le Centre National d'Enseignement à Distance, CNED, 1990.

L'atmosphère est la masse d'air (azote et oxygène représentant 99% du volume + de nombreux autres gaz) qui entoure la Terre.

Sa limite supérieure ne peut pas être définie physiquement ou chimiquement; on estime que l'atmosphère s'étend sur quelques 1 500 km. Toutefois, on admet couramment que l'atmosphère météorologique a une épaisseur de 30 km.

Il a été mis en évidence dans l'atmosphère, un certain nombre de couches caractérisées par leur profil thermique vertical; en particulier, la troposphère au sein de laquelle la température décroît régulièrement de 6.5° C en moyenne par kilomètre d'altitude. La température croît ensuite dans la stratosphère (inversion de gradient), à partir de la limite thermique que représente la tropopause.

La troposphère a une épaisseur variable suivant le lieu et le jour, de 7 à 8 km aux pôles (température au sommet de l'ordre de - 50°C) et de 17 à 18 km à l'Equateur (température de l'ordre de - 80°C).

La troposphère est le siège de nombreux mouvements: vents horizontaux et courants ascendants ou descendants verticaux. C'est dans la troposphère que se produisent les phénomènes météorologiques intéressant le globe, en particulier les nuages, origines des pluies, les vents etc.

L'air atmosphérique est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau.

La quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir l'air atmosphérique est variable selon la température. Le tableau 3.1 fournit pour certaines températures la quantité maximale d'eau que peut contenir un kilogramme (un peu moins d'un ) d'air sec à la pression de 1000 hPa (hecto Pascal, équivalent aux millibars). Pour ces teneurs en eau à ces différentes températures, on dit que l'humidité relative de l'air est de 100%, ou que l'air est saturé en eau:
 


3.1.4. MÉCANISMES DE LA FORMATION DES PRÉCIPITATIONS
DANS L’ATMOSPHÈRE

Raisonnons sur le tableau 3.1. Soit un air situé au sol ayant une température de + 30°C et contenant 14.8 g de vapeur d'eau par kg d'air sec. Cet air n'est pas saturé. Pour le devenir, il lui faudrait contenir 27.4 g d'eau, et son humidité relative est de 14.8/27.4 = 54 %. 

Tableau 3.1 : teneur d'un air saturé en vapeur d'eau en fonction de la température

 
T. en °C
- 20
- 10
0
+ 10
+ 20
+ 30
g/kg
0.8
1.8
3.8
7.8
14.8
27.4

Si cet air est porté en altitude, par exemple par des courants ascendants tels qu'ils existent à l'Equateur ou par 60° N, sa température décroît. Lorsque celle-ci sera de + 20°, l'air sera saturé et aura un degré d'humidité de 100%. Lorsque la température sera de + 10°, 7.8 g de vapeur d'eau seront nécessaires pour entretenir la saturation de l'air, et 7.0 g (14.8-7.8) seront disponibles pour se condenser et former un nuage.

Ainsi, la cause principale de formation d'un nuage est donc le refroidissement par ascendance des masses d'air chargées d'humidité.

Schématiquement, un nuage est un aérosol de fines gouttelettes d'eau et de petits cristaux de glace de diamètres moyens de 2 microns à 0.2 mm (soit 200 microns). Cet aérosol présente le plus souvent une bonne stabilité grâce aux micro turbulences atmosphériques.

Les gouttes de pluie ont des diamètres moyens de 0.5 à 5 mm. Pour qu'il y ait précipitation, il faut nécessairement que le volume de chaque vésicule augmente de 15000 à 15 milliards de fois. Deux mécanismes concourent à cet accroissement :

1. certaines particules grossissent par condensation, sur leur surface, de l'eau provenant, soit directement de l'air environnant, ou indirectement des particules voisines en cours d'évaporation (effet Bergeron);

2. du fait des micro turbulences de l'atmosphère, une multitude de petites particules s'agglomèrent entre elles par un processus dit de coalescence ou de captation.


3.1.5. CLASSIFICATION DES PRÉCIPITATIONS

Sur la base des phénomènes météorologiques qui leur donnent naissance, ou qui les accompagnent, on peut diviser les précipitations en trois classes.

3.1.5.1. Précipitations de convection.

Lorsque par temps calme, l'air saturé ou non, au voisinage du sol est chauffé par les radiations solaires (directement mais surtout indirectement par réflexion sur le sol), il se dilate et s'élève par bouffées au centre des nombreuses cellules de convection qui se forment peu à peu.

Au cours de son ascension, il se refroidit suivant le gradient de l'adiabatique sèche (soit 1°C par 100 mètres) ou saturée (de l'ordre de 0.5°C par 100 mètres) et atteint son point de condensation à une altitude dite niveau de condensation. Il y a alors, à partir de ce niveau, formation de nuages (cumulus). Si le courant de convection vertical initial est intense et se poursuit suffisamment longtemps, il y a précipitations.

Ces précipitations résultent donc d'un temps chaud, elles consistent entièrement en pluie et occasionnellement en grêle.

Elles sont caractéristiques des régions équatoriales et tropicales où, par suite de la faiblesse habituelle des vents, les mouvements de l'air sont essentiellement verticaux.

Un exemple caractéristique est constitué par la Guadeloupe, île tropicale des Petites Antilles, exposée aux alizés d'Est et qui présente au vent une île plate au faible relief qui est le lieu d'une forte convection. Les nuages se forment progressivement en prenant du volume depuis l'extrémité Est de l'île ou la pluviométrie est inférieure à 1000 mm jusqu'au pied des montagnes où la pluviométrie moyenne atteint 2000 à 2500 mm.

Des précipitations de convection surviennent également en zone tempérée et dans les régions chaudes, à peu près uniquement sous forme d'orages d'été locaux et violents, mais tous les orages ne proviennent pas de mécanismes convectifs.

3.1.5.2. Précipitations orographiques.

Lorsque les vents chargés d'humidité, soufflant ordinairement des océans vers les terres, abordent une barrière montagneuse, ou passent de la zone d'influence d'une mer relativement chaude à celle de vastes étendues de sol plus froid, les masses d'air humide ont tendance à s'élever et la détente qui en résulte produit un refroidissement qui peut entretenir la formation d'une couverture nuageuse et déclencher des précipitations.

Ces précipitations, dites orographiques se présentent sous forme de pluie ou de neige sur les versants au vent de la barrière montagneuse.

Par ailleurs, l'obstruction produite sur le trajet des masses d'air humide par un massif montagneux engendre, sur le versant sous le vent, une zone de pluviosité relativement faible. L'air descendant sur ce versant s'échauffe par compression et son humidité relative diminue (effet de Fœhn); il peut même en résulter un régime de vents secs et chauds donnant naissance à des zones semi-arides.

Ainsi, en Guadeloupe, la barrière montagneuse qui culmine à 1460 m et orientée Nord-Sud constitue-t-elle un obstacle aux alizés de secteur Est. La pluviométrie annuelle est de l'ordre de 900 mm sur l'Océan; elle augmente jusqu'à plus de 2.0 m sur les zones plates où les phénomènes convectifs dominent. La pluviométrie atteint, en année moyenne, 12.0 m sur les sommets les plus élevés. Les pluies orographiques fréquentes (360 jours par an) et de faible intensité constituent l'essentiel des précipitations. On constate que l'effet orographique amplifie, seulement dans de faibles proportions, les pluies de convection ou cycloniques.

3.1.5.3. Précipitations cycloniques ou de fronts (chaud ou froid).

Ces précipitations sont associées aux surfaces de contact (fronts) entre des masses d'air de température et d'humidité différentes.

L'observation montre qu'une forte circulation cyclonique produit généralement des précipitations importantes et prolongées. En France, sauf dans les régions méditerranéennes, la majeure partie des précipitations sont des précipitations frontales.

Il est bien entendu que souvent les précipitations réelles résultent d'une combinaison des trois classes élémentaires décrites ci-dessus; ainsi une perturbation cyclonique sera renforcée par des précipitations orographiques, ou accentuera et prolongera des pluies de convection.

Le cas de la Guadeloupe montre qu'en cas de passages d'ouragans, la pluviométrie est relativement homogène. En tout point du Département, elle était généralement comprise entre 300 mm et 400 mm lors du passage du cyclone Hugo le 17 septembre 1989, pourtant un des plus violents du siècle. Il faut cependant relativiser la signification de mesures faites avec des vents ayant atteint 300 km/h.

3.2. LA MESURE DES PRECIPITATIONS EN UN POINT

Chacun peut mesurer approximativement la pluie avec un récipient quelconque, une casserole par exemple, de forme cylindrique de préférence (pour éviter une correction entre la surface captante et la hauteur cumulée) placée dans son jardin, loin des arbres, ou sur une terrasse pas trop exposée aux vents.

Ces mesures peuvent être utiles, par exemple, en cas d'une pluie exceptionnelle tombée loin d'un poste pluviométrique officiel ou privé, ou lorsque celui-ci a eu une défaillance de fonctionnement (seau renversé par le vent, ou ayant débordé etc.).

La hauteur de précipitation est définie comme l'épaisseur de la lame d'eau qui s'accumulerait sur une surface horizontale, si toutes les précipitations reçues par celle-ci s'y trouvaient immobilisées.

Sa mesure correcte est relativement délicate car :

Toutefois pour permettre des observations précises et surtout comparables entre elles, il est indispensable d'utiliser des pluviomètres normalisés, au moins à l'échelle d'une vaste région ou d'un Etat.

Nous décrirons successivement les types d'appareils classiques suivants:

3.2.1. LES PLUVIOMÈTRES MANUELS

La plupart des pluviomètres manuels sont des pluviomètres journaliers relevés au moins une fois par jour.

Il est indispensable d'utiliser des pluviomètres normalisés, et de respecter quelques principes généraux:

3.2.1.1. L'ancien pluviomètre français, dit "Association".

Utilisé depuis 1867, il doit son nom à l'Association Scientifique de France qui en a défini la forme, les dimensions et le procédé de mesure. On le retrouve encore fréquemment en France, dans les Départements et Territoires d'outre-mer, et dans les anciennes colonies françaises.

Bien qu'ancien, ce pluviomètre correspond aux principales normes fixées par l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) (1973, 1981), en particulier la surface de la bague est comprise entre les 200 et 500 cm² recommandés.

Une autre norme de l'OMM stipule que le pluviomètre doit être situé à une distance D égale ou supérieure à 4 fois la hauteur H de l'obstacle le plus proche (D >= 4H ). En fait, dans le meilleur des cas, il faut situer l'appareil le plus loin possible de tout obstacle (bâtiment, arbres), surtout si celui-ci est situé du coté d'où vient le vent apportant les pluies: principalement secteurs Ouest et Sud-Ouest en France et en Europe sous influence océanique plus ou moins forte, secteurs Est et Sud-Est en climat méditerranéen, secteur Est et Nord-Est dans les Iles Caraïbes (Martinique, Guadeloupe).

A l'usage (près de 130 années), les inconvénients du pluviomètre Association se sont révélés être les suivants:

Si on n'y prend garde, il y a alors perte d'eau et l'observateur marque une valeur proche de 175 mm, par méconnaissance de ce détail; détail dont doit être bien conscient toute personne utilisant ces données (particulièrement les anciennes).

Pour pallier cet inconvénient, il a été créé, au cours de la deuxième guerre mondiale, un pluviomètre Association tropicalisé, identique au seau classique, mais sur lequel est soudé un manchon de 10 cm de hauteur, et qui autorise une mesure de 275 mm de pluie, qui peuvent cependant être dépassés, comme on le verra ci-dessous.

Le dernier inconvénient du pluviomètre Association est qu'il en a existé successivement dans le temps deux types, le premier ayant une surface de bague réceptrice de 314 cm² (100 p ), le second une surface de 400 cm²

Or les premières éprouvettes étant en verre, donc relativement fragiles, ont été parfois changées par des éprouvettes non en conformité avec la bague, si bien que l'opérateur faisait sans s'en douter des observations journalières (donc mensuelles et annuelles) erronées de + 27% ou - 21.5 % (rapport 400/314, ou son inverse).

Ces erreurs dites systématiques, portant parfois sur plusieurs années, peuvent être mises en évidence par la méthode des totaux annuels cumulés dont il sera question ci-dessous.

Pour pallier cet inconvénient le Service Météorologique Français a mis en service (avant 1970) l'éprouvette en plastique modèle MN-R3-204 de 8.2 mm de contenance totale, dans le corps de laquelle est moulée l'expression: millimètres de pluie sur 400 cm².

L'inconvénient évoqué ci-dessus lié à la capacité maximale d'un pluviomètre est très important, par exemple en climat méditerranéen, puisqu'il a été observé récemment en France dans la région méditerranéenne:

Pour permettre de mesurer des valeurs de cette importance, sans risque d'erreur humaine (compréhensible dans des conditions difficiles), seuls les pluviographes enregistreurs décrits ci-dessous sont utilisables.

3.2.1.2. Le pluviomètre de Météo-France: modèle SPIEA modifié M.N.

Le pluviomètre actuel de Météo-France: modèle SPIEA, modifié Météorologie Nationale R01-2050 A, est le pluviomètre officiel actuel des stations pluviométriques (manuelles) de Météo-France, soit environ 3 600 postes en 1984. SPIEA signifie: Syndicat Professionnel de l'Industrie des Engrais Azotés.

Le modèle original breveté ne comprenait que la bague et le seau transparent. La Météorologie Nationale l'a adopté en y adjoignant une éprouvette qui permet des mesures fines des petites pluies.

A l'utilisation de ce pluviomètre, on a pu observer les faits suivants:

Le relevé effectué une ou deux fois par jour est noté par l'observateur sur son cahier d'après les instructions du Service gestionnaire du réseau pluviométrique. Un système de calque permet à l'observateur de conserver une trace des relevés originaux, si ceux-ci venaient à disparaître lors de l'expédition postale du premier original.

La pluie relevée le jour J + 1 à 8 h est portée et comptée le jour J. Ainsi, une pluie relevée le 4 juillet au matin est la pluie de la journée du 3; de même la pluie mesurée le 1er janvier au matin est la pluie tombée le 31 décembre de l'année précédente.

Ceci est une norme internationale ancienne suivie apparemment aujourd'hui dans le monde entier, bien qu'elle soit source de nombreuses erreurs de datation de la part des observateurs, et lors des recopies. Cette norme, si elle n’est pas suivie scrupuleusement sur les postes voisins d’un même bassin, amène les hydrologues modélisateurs à souvent s’arracher les cheveux.

3.2.1.3. Quelques modèles de pluviomètres recensés dans le monde.

Pour des raisons historiques et pratiques, chaque Etat utilise des types de pluviomètres qui sont différents les uns des autres dans le détail (fig. 3.1).

Une étude effectuée en 1984 sous l'égide de l'OMM (Sevruk et al., 1984), comparant les observations faites dans différents états sur leurs propres appareils avec celles du pluviomètre enterré international Snowdown a montré qu'il n'y avait pas de différence significative entre les mesures au sol et dans les appareils classiques, excepté peut être au Sahel (études ORSTOM, dans l'Aïr en particulier).

a)                                                                             b)

c)

Pluviomètre enterée "Snowdon "
(surface de la bague réceptrice : 120 mm)

Fig. 3.1. Types de pluviomètres (tiré de G. REMENIERAS).

On peut légitimement déduire de la conclusion de cette étude de l'OMM que les résultats d'observations effectuées dans différents Etats peuvent être comparés, ou plutôt peuvent être traités simultanément, par exemple lors du tracé d'une carte des pluies sur une superficie intéressant plusieurs Etats.

3.2.2. LES PLUVIOMÈTRES TOTALISATEURS

Les pluviomètres totalisateurs sont généralement fabriqués par les services techniques des services hydrologiques nationaux.

Un modèle relativement répandu peut être fabriqué à l'aide d'un fût de 200 litres sur lequel a été soudée ou fixée une bague de pluviomètre. L'eau transitant par l'impluvium de cette bague s'accumule dans le fût qui est vidangé lors du passage de l'observateur à l'aide d'un robinet. Le volume des quantités d'eau extraites est mesuré et rapporté à la superficie de la bague. Par exemple, pour une bague de 1000 cm², un litre représente 10 mm (10-3/0.1). Pour une bague de 400 cm², un litre représente 25 mm (10-3/0.04).

Les pluviomètres totalisateurs ne doivent pas être négligés. Ils permettent d'obtenir des informations en un point sur les pluies cumulées entre deux relevés. Ces informations peuvent considérablement améliorer la connaissance de la pluviométrie dans des régions difficiles d'accès ou compléter une information plus détaillée obtenue à l'aide de pluviomètres ou d'enregistreurs pluviographiques.

3.2.3. LES PLUVIOGRAPHES ENREGISTREURS

3.2.3.1. Utilisation des pluviographes.

Avec un pluviographe enregistreur, on obtient des graphiques, nommés pluviogrammes, ou des enregistrements sur mémoires magnétiques. On peut ainsi étudier l'intensité de la pluie sur différents intervalles de temps, pratiquement d'une minute à plusieurs heures et déterminer le total des précipitations sur une durée donnée (par exemple la journée de 7 heures à 7 heures le lendemain).

Une intensité de pluie est exprimée en millimètres par heure sur M minutes ou sur H heures.

Les intensités de pluies sont utilisées en particulier en hydrologie urbaine, partie de l'hydrologie qui traite de l'écoulement des eaux usées et pluviales en ville.

Pour schématiser, on peut dire que les réseaux d'assainissement sont conçus et dimensionnés pour évacuer des pluies de probabilité d’occurrence donnée. Un des principaux facteurs est l'intensité de pluie d'une durée de retour choisie (en général 10 années) lue sur des courbes dites IDF, pour Intensités, Durées, Fréquences. Ces courbes IDF sont tracées d'après les observations pluviographiques en un lieu ou une région climatique. La durée prise en compte correspond généralement au temps de concentration du bassin drainé.

3.2.3.2. Principes de mesure.

Il a été expérimenté toute une gamme de capteurs pluviographiques reposant sur des principes divers: flotteur avec siphon au delà d'un volume donné, pesée de l'eau accumulée dans le temps, mesure optique etc.

Le pluviographe le plus communément utilisé est le pluviographe à augets basculeurs, très ancien dans sa conception (fin des années 1600 par l'anglais R. Hooke, d'après L'Hôte, 1990).

Un tel appareil fonctionne de la façon suivante:

Ce mouvement transmis par divers mécanismes est transcrit sur un tambour enregistreur (B mécanisme), effectuant une rotation complète en une semaine, en un jour, ou en une heure.

Il faut noter que la capacité des augets est constante: 20 cm3, mais que la surface de la bague collectrice du pluviomètre est variable. Ainsi, en fonction de la surface de la bague, un basculement d'auget équivaudra à :
 

Surface bague
Pluie mm
200 cm²
1 mm
400 cm²
0.5 mm
1000 cm²
0.2 mm
2000 cm²
0.1 mm

Le diagramme enregistré, ou pluviogramme, est dépouillé avec un lecteur de courbes et un programme écrit à cet effet, ou manuellement sur un tableau.

Ce tableau permet de tracer un graphique (fig. 3.2) en barres représentant l'évolution de l'intensité de pluie en fonction du temps. Ce graphique, ou hyétogrammeest à la base de toute interprétation hydropluviométrique sur un bassin versant (fig. 3.3).

Fig. 3.2. Enregistrement pluviographique.
 
 

Fig. 3.3. Hyétogramme.

Du point de vue de l'évolution du matériel, les constructeurs ont développé aujourd'hui des centrales électroniques d'acquisition qui permettent l'enregistrement automatique sur mémoires flash de grande capacité (2 Mo). Chaque basculement d'auget génère une impulsion électrique dont l'instant est enregistré en datation relative (horloge à quartz donnant le nombre de secondes depuis la mise en service) sur la mémoire. La centrale d'acquisition peut être interfacée avec un modem téléphonique ou avec un émetteur satellitaire (ARGOS, METEOSAT) qui vont télétransmettre l'information aux utilisateurs.

Cette dernière possibilité permet d'obtenir à distance des informations sur les paramètres de maintenance des appareillages (charge de la batterie, état de saturation de la mémoire etc.) très utiles pour les Services Hydrologiques qui peuvent ainsi mieux gérer leurs déplacements et n'intervenir sur site que lorsque cela sera strictement nécessaire.

D'autre part, les Services d'annonce de crue gèrent en routine des appareils de ce type disposés judicieusement en amont des points où doivent être établies les prévisions en hauteur et/ou en débit, et utilisant le canal d'alerte disponible par le système METEOSAT (fig. 3.4).

Fig. 3.4. Pluviographe à augets basculeurs.

3.2.3.3. Les limites liées à l'appareillage.

L'eau captée par la surface horizontale de l'impluvium s'écoule vers un orifice ou ajutage dont le diamètre donné par le constructeur en France par exemple est de 2.5 mm. Cet ajutage permet de vidanger un débit correspondant à une intensité instantanée de 240 mm/h environ sans mise en charge de l'impluvium. Toute intensité supérieure à cette valeur sera écrêtée et une partie de l'eau précipitée sera stockée dans l'impluvium.

Le tableau 3.2 donne les intensités maximales admissibles sans écrêtage en fonction du diamètre de l'ajutage:

Tableau 3.2 : Intensités maximales sans écrêtage (d'après M. Morell, 1979)


 
Ajutage, en mm
2.5
3
3.5
4.5
Intensité maximale, en mm/h
235
320
425
1000

Aussi le Service Hydrologique et/ou Météorologique a tout intérêt à augmenter le diamètre des ajutages de ses appareils à 3.5 mm par exemple, s’il ne veut pas rater les intensités les plus fortes, qui sont justement les plus intéressantes.

Le principe des augets basculeurs impose que ceux-ci soient tarés avec précision, en général à 20 g, pour une surface de 400 et une sensibilité de 0.5 mm.

Pratiquement, le tarage d’un pluviographe s'effectue avec une intensité continue de 100 mm/h pour 20 basculements par exemple. L’expérience montre que les intensités de pluie inférieures à cette valeur de tarage (100 mm/h) seront systématiquement surestimées alors que les intensités supérieures à cette valeur seront sous-estimées.

Le tableau 3.3 donne les erreurs systématiques entachant la mesure d'intensités de pluie:

Tableau 3.3 : Erreurs de mesure en fonction de l’intensité


 
Intensité réelle, en mm/h
20
50
100
150
300
Erreur, en %
+ 6.0
+ 3.0
0.0
- 3.0
- 9.5

3.2.4. L'IMPACT DE L'ENVIRONNEMENT SUR LES MESURES

Le principe même de la mesure de la pluviométrie implique que l'environnement du poste et notamment son exposition aux vents dominants conditionne la qualité des mesures effectuées.

Lors d'averses violentes, les mesures de pluies sont affectées par l'inclinaison globale des filets de pluie (angle d'incidence) et par les turbulences de l'atmosphère au voisinage de l'impluvium (entonnoir). Parfois, seule une faible proportion de l'eau tombant au sol est captée par le pluviomètre.

En effet, il a été montré que l'angle d'incidence de la pluie est une fonction croissante de la vitesse et du caractère ascendant du vent. Par ailleurs, cet angle est d'autant plus important que le diamètre des gouttes de pluie est faible.

Une expérience conduite en Guadeloupe (M. Morell, 1986) a montré qu'à l'occasion d'averses abondantes accompagnées de fortes rafales de vent, l'angle d'incidence pouvait atteindre 80° par rapport à la verticale. Ainsi, la composante horizontale de la pluie pouvait, sur la durée de l'averse, être 2 à 3 fois supérieure à la composante verticale de la précipitation, est mesurée par le pluviographe.

Ainsi, il est toujours préférable d'implanter un poste de mesure dans un environnement légèrement protégé (clairière, versant sous le vent de collines ou petits reliefs etc.) et d'éviter les sites trop exposés tels que crête, versant au vent de petits reliefs ou collines, terrasses d’immeuble etc.
 


3.3. CALCUL DE LA PLUIE MOYENNE SUR UN BASSIN VERSANT

3.3.1. REPRÉSENTATIVITÉ RÉGIONALE DES MESURES

Le but de la mesure des précipitations en un point est d'obtenir un échantillon qui est censé représenter au mieux les précipitations sur toute une région. La région concernée par une mesure ponctuelle aura une superficie variable selon la densité du réseau de postes d'observations; à titre d’exemples voici quelques densités connues:

et plus, dans les régions sahéliennes et sahariennes d'Afrique: Mauritanie, Nord-Mali, Nord-Niger et Tchad du nord.

L'expérience montre que les pluies, averses estivales en Méditerranée, grains au Sahel; par exemple, sont souvent très variables (hétérogènes) dans l'espace. Par exemple, dans le Sud de la France, après une très forte averse, il a été mesuré en 24 heures en 3 sites distants de quelques kilomètres, 85.3 mm, 73.0 mm et 47.5 mm.

Quoi qu'il en soit, le calcul de la pluie moyenne sur une surface plus ou moins étendue repose sur l'hypothèse que la pluie ponctuelle est représentative de la région alentours. L'exactitude de cette hypothèse dépend de l'étendue de la région que le pluviomètre est censé représenter, de l'hétérogénéité spatiale des pluies (fonction du type de temps) et de la topographie de la région.

L'hétérogénéité spatiale de la pluie est fonction du type de temps: des pluies convectives souvent de forte intensité peuvent intéresser une zone de superficie très restreinte, c’est le cas vu ci-dessus à Montpellier en 1986. Par contre, les précipitations associées à d'importantes perturbations d’ouest en France et sur l’Europe occidentale en général, peuvent concerner une région très étendue de plusieurs dizaines de milliers de .

La topographie des environs du poste de mesure conditionne la représentativité locale des mesures (cf. impact de l'environnement sur les mesures). La topographie de la région conditionne beaucoup l'hétérogénéité des précipitations du fait des différentes expositions aux perturbations (zones au vent ou sous le vent d’une montagne), de l’effet orographique (il pleut plus en altitude qu’en plaine) etc.
 


3.3.2. CALCUL DE LA PLUIE MOYENNE, PAR LA MOYENNE ARITHMÉTIQUE

Si la pluie est répartie de façon relativement homogène, si la topographie n'est pas trop accidentée et si la répartition des postes est suffisamment homogène sur la région d'étude, on pourra appliquer une simple moyenne arithmétique des observations faites à tous les postes.
 


3.3.3. CALCUL DE LA MOYENNE PAR LA MÉTHODE DE THIESSEN

A la méthode arithmétique parfois trop simpliste, on préfère employer la méthode proposée par Thiessen: on attribue à chaque poste un poids (pourcentage) proportionnel à la zone représentative présumée. Cette zone est définie de telle sorte que chacun de ses points soit plus proche en distance horizontale du pluviomètre considéré que tout autre appareil.

Les zones représentatives sont ainsi des polygones obtenus en traçant entre les stations prises deux à deux les médiatrices, lieux géométriques des points situés à égale distance des extrémités d'un segment de droite. (cf. tracé avec le compas).

Pour le calcul des coefficients de Thiessen (poids) à appliquer à chaque poste, on détermine sur la carte la surface totale du bassin et les surfaces de chaque polygone, par planimétrage (fig. 3.5).

Si S est la surface totale du bassin soit 40.8 cm², (ou 10.2 km² compte tenu de l'échelle), et  la surface du polygone de Thiessen d'un poste i, le coefficient de Thiessen du poste i est égal à: .

La pluie moyenne sur le bassin est égale à la somme des pluies partielles .

Dans l'exemple, on calcule ainsi (tab. 3.4):

Tableau 3.4 :Calcul d'une pluie moyenne par la méthode de Thiessen


 
Station
Surface
Coefficient de Thiessen
Pluie en mm Pluie partielle
en m²
()
au poste ()
()
A
3.10
0.08
1 000
80.0
B
5.76
0.14
1 150
161.0
C
5.72
0.14
1 120
156.8
D
12.62
0.31
1 200
372.0
E
6.51
0.16
1 300
208.0
F
7.10
0.17
1 500
255.0
Total
40.81
1.00
 
1 232.8

La pluviométrie moyenne établie par la méthode de Thiessen est de 1233 mm, à comparer aux 1210 mm calculés par la moyenne arithmétique.

Fig. 3.5. Bassin versant de Vlouca. Carte des polygones de Thiessen.

3.3.4. CALCUL DE LA MOYENNE PAR LA MÉTHODE DES ISOHYÈTES

Une courbe isohyète est le lieu géométrique des points sur lesquels il est tombé la même quantité de pluie, pendant une période donnée.

Les périodes pour lesquelles sont établies les cartes d'isohyètes sont très variables: la durée de l’événement, la journée, le mois, l'année (isohyètes annuelles).

Les isohyètes peuvent représenter des valeurs moyennes interannuelles (isohyètes interannuelles), par exemple les moyennes mensuelles et la moyenne annuelle sur un grand nombre d'années.

Pour dessiner les isohyètes sur un bassin ou une région, on tient compte de la topographie (il pleut généralement plus sur les régions élevées) et d'un certain nombre de stations situées en dehors du bassin.

Pour obtenir la pluie moyenne sur le bassin, on doit effectuer la mesure sur la carte des surfaces (planimétrage) pour lesquelles la pluviométrie est supérieure à une valeur donnée, et ceci pour toutes les courbes isohyètes.

Le calcul, donné sur le tableau 3.5, est identique à celui effectué avec la méthode de Thiessen:

.
Tableau 3.5 : Calcul d'une pluie moyenne par la méthode des Isohyètes


Hauteur 
de pluie 
en mm
Surface 
en m²
Rapport cumulé de surface totale
Rapport de surface entre 2 isohyètes 

()

Pluie moyenne 
en mm

En mm, pluie partielle 

> 1500
0.0
0.000
0.200
1450
290.0
> 1400
8.1
0.200
0.229
1350
309.1
> 1300
17.5
0.429
0.118
1250
147.5
> 1200
22.3
0.547
0.291
1150
334.6
> 1100
34.2
0.838
0.162
1050
170.1
> 1000
40.8
1.000
     
   
Total
1.000
 
1251.3

3.4. CRITIQUE DES DONNEES PLUVIOMETRIQUES

3.4.1. OBJECTIFS ET NÉCESSITÉ D'UNE CRITIQUE

Même en présence de relevés pluviométriques journaliers originaux, c’est-à-dire les manuscrits de l’observateur ou les diagrammes du pluviographe, et à plus forte raison pour des recopies, il convient de se poser des questions sur deux types d’erreurs pouvant entacher ces observations:

  1. les erreurs grossières et aléatoires faites lors de l'observation (pertes d'eau, absence de l'observateur non signalée, décalage de jour etc.), à la recopie ou encore à la saisie des données: oublis, mauvaises interprétations des chiffres, et plus grave mauvaise interprétation de la place de la virgule etc.
  2. les erreurs systématiques dues par exemple au déplacement du site d'observation au cours du temps: en Afrique francophone par exemple, un village peut très bien être déplacé tout en gardant son nom (avec son pluviomètre et son observateur) de plusieurs kilomètres vers des terres plus fertiles.
En France, le pluviomètre peut avoir été déplacé à l’intérieur d’un village tout en gardant le même nom: celui du village, du fait du déménagement de l’observateur ou de son remplacement par une autre personne.

Un autre type d’erreur systématique peut être du à des défauts d'appareillage non remarqués par le Service gestionnaire: éprouvette ne correspondant pas au diamètre de la bague du pluviomètre (entre 400 et 314 cm² pour le pluviomètre Association en particulier), mauvais réglage des augets d'un pluviographe: différents de quelques pour cent par rapport aux 20 grammes habituels.

Ainsi avant toute étude statistique même très simple, comme le calcul d'une moyenne interannuelle, il est recommandé de vérifier si la série des pluies annuelles sur laquelle on va travailler est homogène, c'est à dire si l'échantillon fait bien partie de la même population, ou de deux populations distinctes, artificiellement groupées à notre insu en une série hétérogène.
 
 

3.4.2. CRITIQUE A LA RÉCEPTION DES BORDEREAUX MENSUELS

Théoriquement les bordereaux mensuels devraient être vérifiés dès leur arrivée au Service gestionnaire, ce qui n'est pas toujours possible dans différents Etats, souvent pour des raisons de manque de personnel.

3.4.2.1. Classiquement.

A la réception des fiches mensuelles, le Service gestionnaire reporte les valeurs journalières sur des bordereaux mensuels. Ce travail de disposition différente des observations est effectué dans le but de détecter par comparaison inter-postes d'éventuelles erreurs grossières, des lacunes non mentionnées, des décalages de jour etc.

En fait des bordereaux récapitulatifs avec une présentation par proximité géographique des postes est plus pratique.

Il est évident que ce travail de recopie des observations journalières sur des bordereaux récapitulatifs bénéficie largement aujourd'hui des facilités de l'informatique.

3.4.2.2. En France, de 1973 à 1988.

Le Bureau de l'Eau de la Météorologie Nationale (en juin 1984: 3 600 postes pluviométriques, 36 employés) avait créé à partir du fichier original brut, un fichier critiqué qui va de 1973 à 1988.

La critique effectuée sur les données journalières saisies informatiquement dans chaque département (95 en métropole), permettait de calculer une valeur plausible pour les totaux mensuels manquants, et de rectifier les anomalies journalières (cumul de pluie, décalage de jour etc.). Cette critique était basée, pour chaque département pris séparément, sur le calcul à chaque poste de la pluie théorique mensuelle, tenant compte de la pluie observée aux trois postes les plus proches.

Il était calculé d'autre part pour chaque poste un indice d'homogénéité mensuel, égal au rapport de la pluie observée à la pluie théorique du même poste.

Une cartographie départementale des indices d'homogénéité mensuels permettait de détecter un ou des postes défectueux, représentés par des isolignes nombreuses et rapprochées.

Intervenait ensuite une concertation avec le responsable départemental, pour fixer les compléments et éventuelles corrections portées dans le seul fichier critiqué, le fichier original restant en l'état.

Au cours de cette concertation, il était proposé une ventilation des cumuls, et un listing des anomalies restantes, pour complément d'information.

3.4.2.3. En France, depuis 1989.

Compte tenu des absences des observateurs (compréhensibles les fins de semaine et pendant les congés annuels), des charges de travail inhérentes à la méthode des pluies théoriques décrite ci-dessus, et des progrès techniques, Météo-France avec l'appui du Ministère de l'Environnement et d'autres partenaires tels que les Agences de Bassin, a décidé d'automatiser la moitié de son parc de stations pluviométriques.

La critique journalière immédiate envisagée pour environ 500 stations importantes automatisées, et en temps différé pour les autres, sera basée principalement sur les vérifications suivantes: 3.4.2.4. Critique avec le logiciel CLICOM.

Pour la gestion, l’exploitation et les publications de leurs données météorologiques (dont les précipitations), de nombreux Services Météorologiques Nationaux utilisent de par le monde le logiciel CLICOM, créé et maintenu par l’OMM.

Grâce aux facilités graphiques de ce logiciel, il est possible d’effectuer une critique primaire des observations pluviométriques par tracé d’isohyètes, après que celles-là aient été saisies.
 
 

3.4.3. CRITIQUE A POSTERIORI: HOMOGÉNÉISATION DES DONNÉES
PAR LA MÉTHODE DES TOTAUX ANNUELS CUMULES

3.4.3.1. Vérifications primaires incluses dans le logiciel PLUVIOM de lORSTOM.

Le logiciel PLUVIOM a été écrit lors d’un gros travail de collationnement de toutes les observations pluviométriques journalières de 1966 à 1980 sur 13 Etats francophones d’Afrique de l’ouest et centrale. Pour effectuer une critique initiale de ces données, nous avons retenu les indices suivants reposant sur l’exploration de la seule série chronologique d’une station sans comparaison automatisée avec ses voisines.

Un travail systématique (Y. L’Hôte 1996) effectué sur toutes les stations synoptiques (observées par des Météorologues professionnels) de l'Afrique francophone de l'ouest et centrale, a confirmé la pertinence de ce rapport qui varie de 40 à 80%, selon les types de climat. On a même observé que cela est valable aussi sur les données de Montpellier, et sans doute à beaucoup d’autres endroits.

Pour un rapport inférieur à 30% en Afrique, nous estimons qu'il n'y a pas assez de jours de petite pluie, donc négligence d'observation très probable (cumul de plusieurs journées, oublis de relevés etc.).

L'observateur compte un nombre exact d'éprouvettes pleines, par exemple 4 éprouvettes. Dans la dernière éprouvette, il lit par exemple 6.0 mm et il calcule:

4 éprouvettes x 8 mm = 32 mm.

Il écrira sur le bordereau: 32.6 au lieu de 32 + 6 = 38.0 mm.

Ce type d'erreur peut être très fréquent chez certains observateurs.

Sur les tableaux journaliers imprimés avec le logiciel PLUVIOM, un message d'avertissement est imprimé lorsque de tels surnombres de multiples de 8 et 10 mm sont détectés.

On peut concevoir un type d'erreur semblable avec les anciennes éprouvettes de 10.0 millimètres.

En Tunisie, il a été signalé que certaines éprouvettes ont un volume correspondant à 6 millimètres de pluie, et on rencontre, paraît-il, de nombreux multiples de 6 millimètres.

3.4.3.2. Comparaisons inter-postes.

Les méthodes de vérifications rustiques évoquées ci-dessus, de vérifications mensuelles sur un seul poste ou inter-postes, peuvent être mises en œuvre a posteriori, c'est à dire longtemps après les relevés, une à plusieurs années ou dizaines d'années.

Cependant ces méthodes facilitant la mise en évidence des erreurs aléatoires ne permettent pas de détecter des erreurs systématiques dues soit à un déplacement du site d'observation, soit à une modification défectueuse d'appareillage (éprouvette ne correspondant plus au diamètre de la bague, mauvais réglage des augets du pluviographe etc.).

Les erreurs systématiques sont détectables, dans un premier travail à une échelle de temps plus grande que le mois; on a choisi l'année et la méthode des totaux annuels cumulés.

3.4.3.3. Homogénéisation des données pluviométriques.

Comme il a déjà été dit: avant d'effectuer toute étude statistique même simple (calcul d'une moyenne) sur une série de données pluviométriques annuelles par exemple, il y a lieu de vérifier si cette série fait bien partie d'une même population statistique, ou s'il y a plusieurs populations, du fait:

Pour ne pas avoir effectué ces vérifications préliminaires, on risque de travailler sur une série non homogène, comprenant des éléments de plusieurs populations statistiques réunies.

A plus forte raison, lorsqu'on s'intéresse à la pluie moyenne sur un bassin ou une région, il peut très bien se faire que par exemple pendant les 20 premières années, on ait observé seulement les postes A, B et C, puis pendant 20 ans A, B, C et D,. Les moyennes calculées sur 40 ans en A, B, et C et sur 20 ans en D n'ont pas les mêmes significations si les 20 premières années ont été en moyenne plus fortes que les 20 dernières (exemple de la sécheresse récente au Sahel).

Aussi définissons nous deux types d'homogénéisations:

3.4.3.4. Comparaison des totaux annuels aux postes pluvio-métriques.

Si deux postes sont situés dans une même région climatique, et à une distance pas trop éloignée à l'échelle de la région (200 x 200 km par exemple), il existe une liaison positive significative entre leurs totaux annuels pluviométriques. On exprime ceci en disant qu'il y a 5% de chances, par exemple, pour que les séries soient complètement indépendantes, ou présentent des variations de sens contraires.

Pour visualiser la liaison entre deux séries, on peut établir un graphique des totaux (annuels) comparés, comme cela est présenté en A pour Metz et Nomeny.

Sur ce graphique on voit une dispersion assez importante des points de 1893 à 1908, puisqu'on calcule un coefficient de corrélation de 0.54 (donc éloigné de 1.00).

On voit d'autre part que les années les plus récentes-1901 à 1908-sont séparées des années antérieures situées en bas du tireté tracé; on peut en déduire que la relation P.Metz-P.Nomeny a été différente avant et après 1900 environ, mais il est difficile de chiffrer cette variation et de l'attribuer la première ou la deuxième période.

De plus ce procédé graphique est d'autant plus difficile à exploiter que les séries comparées sont longues (imbroglio des points représentatifs).

Heureusement, les séries de totaux pluviométriques annuels présentent généralement des distributions statistiques peu dissymétriques, donc proches de la loi normale, en particulier en France où la loi de Gauss est souvent la mieux adaptée aux séries annuelles (excepté en climat méditerranéen).

Dans ces conditions, la régression entre deux séries a de fortes chances d'être linéaire, et on peut exprimer le degré de liaison de cette régression par le coefficient de corrélation. Il en est de même pour toute combinaison linéaire des termes correspondants de ces séries, et en particulier, les totaux cumulés à partir d'une date donnée.

On préfère un graphique des totaux annuels cumulés (B sur la figure), pour déceler les anomalies éventuelles. Ainsi, l'anomalie autour de 1900 est bien mise en évidence par une différence de pente dans la représentation chronologique des cumulés.

3.4.3.5. Analyse et interprétation des graphiques de totaux annuels cumulés (fig. 3.6).

Dans le cas étudié ci-dessus des deux séries de Metz et Nomeny, pour déterminer quel est le poste qui a une anomalie avant ou après 1900, et éventuellement corriger ou supprimer des observations douteuses, il faut ajouter des comparaisons deux à deux des totaux cumulés à une troisième station.

D'une manière plus générale si les stations A et B, connues entre les années 1 à n, ont des séries homogènes entre elles, le graphique des totaux cumulés de B en fonction de A présentera (n - 1) points alignés autour d'une droite de pente p égale au rapport PMa/PMb, des moyennes interannuelles de A et B. Par contre, la prise en compte d'une station C présentant une hétérogénéité à partir de l'année i (entre 1 et n) introduira des ruptures de pente au niveau de l'année i, dans les graphiques des totaux cumulés: A/C et B/C.

On peut faire plusieurs hypothèses concernant ces ruptures de pente, hypothèses qui doivent être vérifiées d'après les données mensuelles et/ou journalières originales:

Fig. 3.6. Méthodes des totaux annuels comparés et cumulés.

Si le rapport des pentes avant et après rupture est voisin d'un rapport d'appareillage connu (1.27 ou son inverse 0.785, soit 400 cm²/300 cm² ou 314/400), on peut légitimement supposer une erreur d'éprouvette, et après vérifications diverses, corriger (dans le bon sens) par ce rapport toutes les valeurs annuelles, mensuelles et journalières, puisqu'il y a eu erreur tous les jours. Si le rapport des pentes ne correspond pas à une valeur d'erreur d'appareillage recensée, on devra rechercher s'il n'y a pas eu changement d'environnement ou déplacement du poste, surtout si le changement de pente intervient après une lacune d'observation. Dans l'affirmative, les corrections, portées sur le seul fichier critiqué ou opérationnel, sont alors faites sur les seuls totaux annuels, et mensuels pour éventuellement conserver une cohérence de son travail. Par contre on n'effectuera pas de correction journalière systématique dans ces cas là.

La figure 3.7 donne un exemple de totaux cumulés à cinq stations A à E, comparés à un groupe de base formé des moyennes des pluies d'un certain nombre de postes jugés surs dans la région:

Fig. 3.7. Méthode des totaux cumulés par groupe de stations.

A: station homogène;

C: station présentant une cassure nette;

B: station présentant deux cassures nettes, avec rétablissement de la pente la plus fréquente;

D: station avec lacune offrant deux périodes de même pente, donc homogènes;

E: station en régime pluviométrique particulier, mais paraissant homogène.

Cette figure donne en outre des clés d'interprétations des graphiques des totaux annuels cumulés.
 
 

3.5. CHOIX D'UNE SERIE DE BASE HOMOGENE, VECTEURS
REGIONAUX, PRESENTATION DU LOGICIEL MVR

3.5.1. NÉCESSITÉ D'UNE SÉRIE DE BASE

Avec la méthode manuelle des totaux annuels cumulés vue ci-dessus, quand le nombre de stations à comparer deux à deux dépasse 3 ou 4, le nombre de calculs et de graphiques devient vite important, puisqu'il est égal au nombre de combinaisons de n éléments pris 2 à 2, ou encore:

,

soit, après calculs, 10 graphiques pour 5 stations, 15 pour 6 postes, 21 pour 7 stations etc.

Pour réduire le nombre de graphiques à tracer, il est donc nécessaire de trouver dans la région soit un poste dont on est particulièrement sur de l'homogénéité dans le temps (ce qui est très rare compte tenu des variations d'environnement), soit un composé de plusieurs postes surs, par exemple les moyennes annuelles successives des 4 stations les mieux observées. Cette série servira de référence pour comparer tous les postes de la région, y compris les stations utilisées dans la série de base, et on réduit par ce procédé le nombre de graphiques au nombre de stations à tester.

La généralisation de la recherche d'une série de base homogène (pour diminuer le nombre de graphiques) a amené les hydrologues de l'Orstom à définir une station fictive représentative de la région à étudier. Ceci a conduit plusieurs auteurs à proposer ce qu'on appelle globalement des vecteurs régionaux:

Ces différentes méthodes ont été programmées, et en particulier la méthode HIEZ, sous le nom de MVR 1.5 (pour Méthode du Vecteur Régional, version 1.5), utilisable actuellement avec des données annuelles.
 
 

3.5.2. PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DU VECTEUR RÉGIONAL (MVR)

3.5.2.1. Hypothèses et calculs compris dans MVR.

Dans une région climatique homogène, les observations de pluie collectées à chaque poste et à chaque date (année) peuvent être représentées par une matrice (A).

La méthode du Vecteur Régional repose sur deux hypothèses fondamentales:

Le modèle suivant a été pris en compte: la matrice des données initiales (A) peut être décomposée en la somme d'une matrice théorique (B) et de la matrice des résidus et des erreurs (C).
D'autre part, la matrice (B) peut être obtenue à partir du produit d'un vecteur-colonne (L) par un vecteur-ligne (C). Les coefficients  sont propres à chaque station, tandis que les () sont des indices pluviométriques caractérisant chaque année. La série des indices  forme le vecteur régional.
Pour les déterminations des coefficients , j = 1...m, et des indices , i = 1...n, le programme cherche à minimiser la matrice (E) des résidus par un procédé itératif d'estimation du mode de chaque ligne, et du mode de chaque colonne, de telle sorte que la valeur la plus probable des résidus soit nulle. Ces calculs ont été appelés traitement ligne-colonne, ou LC par l'auteur de la méthode.

3.5.2.2. Limites "climatiques" d'utilisation.

Un travail systématique effectué à grands traits sur quatorze états de l'Afrique subsaharienne (Water Assessment), ainsi que des essais en Tunisie, nous amènent à constater que MVR -comme les autres méthodes de comparaison de séries pluviométriques annuelles- trouve ses limites dans les zones intertropicales à pluviosité faible en dessous de 500-400 millimètres annuels.

En réalité, nous pensons que plutôt que le total faible (MVR a été essayé sans problème sur la région parisienne, où il pleut 500-600 mm. par an), ce sont les types de pluies (ligne de grains, averses tropicales) qui entrent en jeu. Ainsi sur l'Afrique de l'Ouest et Centrale, ce sont sur les zones à climats semi-aride, sahélien et sahélien de transition que MVR a été le plus difficile à mettre en œuvre, là où le total annuel est formé du cumul d'un petit nombre (3 à 10-15) de fortes averses à caractère localisé. Ces difficultés sont apparues en particulier sur l'ensemble du territoire de la Mauritanie, et au Nord des états du Sénégal, Mali, Niger et Tchad.

3.5.2.3. Difficultés courantes d’utilisation de MVR.

Après de nombreux essais d’utilisation du logiciel MVR (version 1.5) sous plusieurs climats, il ressort que l’inconvénient majeur est l’existence fréquente de plusieurs modes pour une station.

Ceci nous a amené a souhaiter la remise en chantier du logiciel avec le calcul d’un seul mode et l’utilisation parallèle de la médiane et/ou la moyenne, ce qui est bien sûr un peu contraire à la méthode initiale de l’auteur (G. Hiez).