résumé
je suis à peu près sûr que vous rencontrez régulièrement des précipitations et que vous êtes parfois assez mouillé car vous n’avez pas les vêtements appropriés! Les précipitations sont à la fois une ressource nécessaire, car elles remplissent les rivières et fournissent de l’eau douce, et une menace potentielle avec de fortes précipitations conduisant à des inondations (éventuellement rapides). Une étape indispensable pour mieux comprendre ce phénomène naturel est de le mesurer correctement., Cela s’avère assez délicat car les précipitations sont extrêmement variables dans le temps et l’espace. Dans cet article, vous apprendrez le fonctionnement de trois appareils de mesure des précipitations fournissant la profondeur cumulative des précipitations (pluviomètres à godets basculants), la taille et la vitesse des chutes de gouttes (disdromètres) ou des cartes des précipitations (radars météorologiques).
Les précipitations sont l’une des expériences les plus partagées sur Terre, et je parie que vous en êtes régulièrement témoin. Parfois, vous êtes prêt avec des vêtements appropriés et parfois non!, Les précipitations sont parfois longues et légères, parfois courtes et lourdes, et parfois longues et lourdes. Lorsque les précipitations sont longues et abondantes, elles peuvent entraîner des inondations rapides, ce qui est dangereux pour la population voisine. Les précipitations sont également nécessaires, car elles fournissent de l’eau aux plantes et remplissent finalement les rivières. Parce que les précipitations sont à la fois une ressource nécessaire et une Menace, il est important de mieux comprendre ce phénomène naturel.
Il est très probable que vous ayez déjà remarqué que la pluie est variable dans le temps. Lorsque vous restez au même endroit, il ne pleut pas tout le temps., Même lors d’un événement pluvieux, la force de la pluie peut changer constamment de très légère à très forte. Les périodes de précipitations les plus fortes sont généralement assez courtes. Ce type de variabilité des précipitations est également visible à plus grande échelle, car comme vous le savez, il y a des mois ou des années plus humides et des années plus sèches. Il existe également une variabilité dans les endroits où les précipitations se produisent. Il peut pleuvoir beaucoup à un endroit et pas du tout, ou avec une force très différente, à quelques kilomètres ou même à quelques centaines de mètres.
la variabilité est une caractéristique fondamentale de la pluviométrie qui la rend complexe à mesurer., Les météorologues (personnes qui étudient la météo) et les chercheurs ont développé de nombreux appareils de mesure qui leur permettent d’étudier l’extrême variabilité des précipitations. Nous expliquerons le fonctionnement des trois appareils les plus couramment utilisés. Les données que nous présentons ont été collectées sur le campus de L’Ecole des Ponts ParisTech, où je travaille.
Comment mesurer la quantité de pluie qui tombe?
la mesure la plus courante des précipitations est la profondeur totale des précipitations pendant une période donnée, exprimée en millimètres (mm)., Par exemple, on peut vouloir savoir combien de millimètres de pluie sont tombés au cours de 1 h, 1 jour, 1 mois ou 1 an.
Vous pouvez facilement obtenir une mesure approximative de la profondeur des précipitations à la maison. Il suffit de suivre ces étapes: (1) Prenez une bouteille avec des côtés lisses, coupez la partie supérieure et retournez-la sur le dessus de la bouteille, pour créer une sorte d’entonnoir (voir Figure 1A). (2) Coller une règle sur le côté de la bouteille et remplissez la bouteille d’eau jusqu’à la note de zéro sur la règle, qui devrait être au-dessus des bosses au fond de la bouteille. Les bosses affecteraient autrement la mesure., (3) Apportez votre pluviomètre à l’extérieur, aussi loin que possible des bâtiments et des arbres. (4) notez régulièrement le niveau de l’eau (par exemple, tous les matins à 8h00 avant d’aller à l’école) pour collecter vos propres données. Si vous prévoyez de prendre vos mesures pendant l’été, une partie de l’eau à l’intérieur de la bouteille s’évaporera (jusqu’à quelques mm par jour) et cela affectera vos mesures. Pour éviter cela, vous pouvez ajouter une mince couche d’huile à l’eau. Comme il est plus léger que l’eau, l’huile va flotter au-dessus de l’eau et éviter l’évaporation., Les mesures que vous obtenez de votre pluviomètre vous dira combien de précipitations se sont produites sur une certaine période de temps.
- la Figure 1
- A. la maison d’Un pluviomètre. B. Un professionnel basculement seau pluviomètre. C. Un exemple de données obtenues avec un pluviomètre à godet basculant, montrant la quantité de pluie (en mm, axe Y) tombée dans le temps (axe X) le 27 juin 2017 sur le campus de L’Ecole des Ponts ParisTech. L’heure correspond à l’Heure de l’horloge de ce jour., L’augmentation la plus rapide, correspondant à la pluie plus forte, s’est produite entre 13h00 et 14h00.
Les professionnels utilisent des appareils plus compliqués appelés pluviomètres à godets basculants et vous pouvez en voir un sur la Figure 1B. ce pluviomètre ressemble à votre appareil fait maison, sauf qu’il y a deux seaux sous l’entonnoir. L’eau tombant dans le pluviomètre sera acheminée vers un seau par l’entonnoir. Une fois que ce seau est rempli, généralement après 0.,2 mm de pluie tombe, il est conçu pour automatiquement pointe, ce qui signifie que l’autre seau sera désormais sous l’entonnoir. Le processus recommence avec cet autre seau, jusqu’à ce qu’il soit rempli et les conseils. Le pluviomètre enregistre l’Heure de tous les conseils de seau, ce qui donnera au chercheur des données sur la rapidité avec laquelle la pluie tombe au fil du temps. La Figure 1C montre un exemple des données qui peuvent être obtenues à l’aide d’un pluviomètre à godet basculant. Ces observations ont été faites le 27 juin 2017. La profondeur des précipitations (en mm) a rapidement augmenté entre 13h00 et 14h00, ce qui signifie qu’il a beaucoup plu pendant cette période., Pendant une période de pluie légère, cet appareil n’est pas très précis. Par exemple, entre 05h15 et 13h00, tout ce que vous pouvez dire, c’est que 0,2 mm de pluie est tombé (un bout de seau), mais vous ne savez pas exactement quand cette pluie est tombée. Si il y a beaucoup de vent, qui peut également affecter la précision de l’appareil.
Comment mesure-t-on la taille des gouttes de pluie?
de quoi sont faites les précipitations? Les gouttes de pluie, évidemment! Les pluviomètres ne sont pas assez sensibles pour être en mesure de prendre des mesures de gouttes de pluie individuelles. Pour commencer à collecter des données sur les gouttes et leur taille, vous avez besoin d’un appareil appelé disdromètre.,
Avant de décrire un « vrai” disdromètre, voici comment vous pouvez faire à la maison (voir Réf. pour une description plus détaillée). Suivez ces étapes: (1) Prenez une assiette et mettez-y quelques millimètres de farine. (2) Quand il pleut, sortez avec la plaque couverte, découvrez-la pendant quelques secondes afin que quelques gouttes puissent tomber dessus et créer de petits cratères, puis retournez à l’intérieur. (3) Analyser le résultat.
Vous observerez quelque chose de similaire à ce qui est montré sur la Figure 2A, et vous remarquerez que les gouttes n’ont pas toutes la même taille—certaines sont très petites et d’autres très grandes!, En fait, les cratères sont plus gros que les gouttes parce que l’eau se propage légèrement après avoir frappé la plaque, mais ils vous permettent toujours de visualiser directement la grande variété de tailles de gouttes, même pendant un temps très court.
- la Figure 2
- A. les Mesures obtenues avec la maison d’un disdromètre, faite de farine sur une plaque. B. Un disdromètre optique. Il se compose d’un émetteur générant une feuille lumineuse vers le récepteur. Lorsqu’une goutte tombe à travers l’appareil, le récepteur est ombragé (voir Réf., pour un article scientifique utilisant cet appareil). C. données du Disdromètre indiquant le nombre de gouttes, en fonction des classes de taille de goutte, mesurées lors d’un événement pluviométrique survenu le 27 juin 2017 sur le campus de L’Ecole des Ponts ParisTech. Sur l’axe X, vous pouvez voir la taille des classes de diamètre et sur l’axe Y, le nombre de drop pour cette classe. Comme vous pouvez le voir la largeur des différentes classes n’est pas toujours le même. Ils sont plus petits pour les petites gouttes qui sont plus nombreuses D. taux de pluie en mm / H (axe Y) au fil du temps en H (axe X), pendant le même événement de pluie montré en C., Ce graphique montre que trois pics de précipitations se sont produits au cours de cette journée.
comme vous pouvez l’imaginer, météorologues et chercheurs voulaient un dispositif PLUS automatique et précis que la plaque de farine! Ils utilisent maintenant principalement des disdromètres optiques, qui fonctionnent comme le montre la Figure 2B.ce type de disdromètre est composé de deux parties: un émetteur et un récepteur. L’émetteur génère une feuille de lumière à quelques mm de hauteur. Le récepteur est aligné avec l’émetteur, ce qui signifie que lorsqu’il ne pleut pas, le récepteur reçoit toute la lumière., Cependant, quand une goutte traverse la feuille de lumière, devinez ce qui se passe? La quantité de lumière reçue est plus petite, car une partie est bloquée par la goutte. Si la goutte tombe très rapidement, la durée de la diminution de la lumière reçue sera courte. C’est ainsi que la vitesse descendante (vitesse) de la chute est estimée. Si la chute est importante, le signal mesuré par le récepteur diminuera plus qu’avec une chute plus petite. C’est ainsi que la taille des gouttes est estimée. De cette façon, la taille et la vitesse de chaque goutte passant entre l’émetteur et le récepteur sont mesurées.,
Les gouttes de pluie peuvent atteindre 5 à 6 mm. les plus grosses gouttes sont fendues pendant leur chute. En effet, à cette taille, ils ne sont pas assez forts pour résister à la puissance du vent qu’ils ressentent lorsqu’ils tombent rapidement. La vitesse à laquelle les gouttes tombent augmente avec leur taille: les gouttes de 1 mm tombent à 3 m/s tandis que les gouttes de 5 mm (très grandes) tombent à 8 M/s. La Figure 2C montre le nombre de gouttes de chaque taille tombées lors d’une tempête survenue le 27 juin 2017 en région parisienne. De petites gouttes sont beaucoup plus nombreuses que les grandes. Mais n’oubliez pas qu’une goutte de 1 mm a un volume 125 fois plus petit qu’une goutte de 5 mm!, Cela signifie que, bien qu’elles ne soient pas nombreuses, les grosses gouttes représentent une grande partie de la profondeur des précipitations. Considérons maintenant des pas de temps successifs de 30 s. Ensuite, en ajoutant le volume de toutes les gouttes qui ont traversé le disdromètre pendant un pas de temps de 30 s, vous pouvez estimer la quantité de profondeur de pluie qui est tombée pendant chaque pas de temps de 30 s. Cette estimation vous donnera le taux de pluie, et il est généralement exprimé en mm/h. Le taux de pluie vous donne une idée de la force des précipitations. , Le taux de pluie correspond à la profondeur de pluie qui s’accumulerait sur 1 h, si le taux de pluie restait constant pendant cette heure (ce qui ne se produit en réalité jamais dans la vie réelle). La Figure 2D montre le taux de pluie (en mm/h), avec des pas de temps de 30 s, lors du même événement du 27 juin 2017. La forte variabilité du taux de pluie est facilement visible dans le graphique.
Comment faire des cartes pluviométriques?
Jusqu’à présent, nous avons seulement discuté des dispositifs qui peuvent fournir des mesures de précipitations à un endroit précis., Les pluviomètres et les disdromètres ne vous donnent qu’une idée de la pluie qui s’est abattue sur eux, mais pas sur les zones environnantes ou à 20 km. Pour créer des cartes de précipitations, qui sont des cartes avec la quantité de pluie tombée sur une période donnée (par exemple, 5 min ou 1 h) à plusieurs endroits, nous devons nous appuyer sur le radar météorologique.
le fonctionnement du radar météorologique est résumé à la Figure 3A. tout d’abord, l’équipement radar transmet une onde électromagnétique dans une direction, qui transfère une partie de l’énergie à travers l’atmosphère., Lorsque cette énergie atteint une goutte d’eau dans un nuage, une infime partie de cette énergie est transférée à l’équipement radar. Ensuite, l’appareil mesure cette très petite quantité d’énergie reçue de toutes les gouttes. En utilisant des programmes informatiques spéciaux, il est possible de convertir la quantité d’énergie reçue en quantité de pluie. Il est important de se rappeler qu’un radar ne mesure pas directement la quantité de pluie, mais plutôt la quantité d’énergie renvoyée par les gouttes. Cette conversion de l’énergie en quantité de pluie s’avère délicate et les gens font toujours des recherches pour l’améliorer ., Par exemple, actuellement, la distribution de taille de goutte et l’emplacement de goutte dans un pixel radar sont supposés homogènes. C’est une simplification excessive de la réalité qui peut affecter les mesures . Le programme informatique permet à l’équipement radar d’estimer la quantité de précipitations dans des endroits éloignés. L’équipement radar peut tourner autour et peut également changer son angle, de sorte qu’il peut estimer le taux de pluie dans son environnement.
- Figure 3
- A., Météo radar fonctionne en envoyant une onde dans l’atmosphère où les gouttes de renvoyer une partie de l’écran radar. Les équipements présentés sont situés sur le campus de L’Ecole des Ponts ParisTech. B. Une carte pluviométrique réalisée à partir des données obtenues avec ce radar le 15 septembre 2016 sur 3 min et 40 s. Deux cellules pluviométriques très intenses sont visibles sur la partie inférieure de la carte.
Selon le type de radar, il est possible d’estimer la pluviométrie jusqu’à 150-200 km de l’équipement radar. De nombreux pays développés disposent d’un réseau de radars., En combinant les données collectées par l’ensemble des différents équipements radar, nous pouvons obtenir des cartes des précipitations sur l’ensemble du pays. La Figure 3B montre un exemple de carte radar pluviométrique mesurée par un équipement radar de L’Ecole des Ponts ParisTech. La variabilité des précipitations est visible—remarquez les deux cellules très intenses sur la partie inférieure de la carte, en jaune et en rouge.
Qu’avons-nous appris?
Les précipitations sont extrêmement variables, à la fois dans le temps et entre les différents endroits, ce qui les rend très difficiles à mesurer., Un pluviomètre recueille essentiellement l’eau qui tombe dessus et enregistre l’évolution dans le temps de la profondeur des précipitations, qui est généralement exprimée en mm. Vous pouvez obtenir des informations beaucoup plus détaillées avec des disdromètres. Un drisdromètre génère une feuille de lumière qui est partiellement bloquée lorsqu’une goutte tombe à travers elle. La taille et la vitesse de chaque goutte traversant la feuille de lumière sont estimées à partir de la quantité de lumière bloquée., Pour créer des cartes de précipitations qui mesurent les précipitations sur plusieurs endroits, nous devons utiliser un radar, qui envoie essentiellement de l’énergie dans l’atmosphère et analyse la partie de cette énergie qui lui est renvoyée lorsqu’elle rebondit sur les gouttes de pluie dans l’atmosphère. Il y a encore beaucoup de scientifiques qui travaillent sur des moyens de mesurer avec précision les précipitations au fil du temps et dans plusieurs endroits à la fois.
Glossaire
pluviomètres à godets basculants: un appareil qui mesure la profondeur cumulative des précipitations (en mm) à un endroit précis.,
Disdromètre: appareil qui mesure la taille et la vitesse de chaque goutte de pluie qui la traverse.
Radar météorologique: un appareil qui permet de calculer des cartes de précipitations sur une grande surface pour différentes étapes de temps (par exemple, 5 min, 1 h et 1 jour).
homogène: être du même genre partout.
déclaration de conflit d’intérêts
l’auteur déclare que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.,
Remerciements
Les auteurs saluent le soutien financier partiel de la Chaire « hydrologie des Villes Résilientes” (dotée par Veolia) de L’Ecole des Ponts ParisTech.