Sciences hydrologiques

Précipitations

Les précipitations résultent de la condensation de l’eau de l’atmosphère lorsque l’air est refroidi jusqu’au point de rosée, température à laquelle l’air devient saturé en vapeur d’eau. Le processus de refroidissement est généralement initié par le soulèvement de l’air, qui peut résulter d’un certain nombre de causes, notamment la convection, les effets orographiques sur les chaînes de montagnes ou les effets frontaux aux frontières de masses d’air de caractéristiques différentes. La condensation dans l’atmosphère nécessite la présence de noyaux de condensation pour initier la formation de gouttelettes. Une partie du condensat peut être transportée sur de grandes distances sous forme de nuages avant d’être libérée sous forme de pluie ou de neige, en fonction des températures locales. Certaines précipitations sous forme de rosée ou de brouillard résultent de la condensation à la surface du sol ou à proximité. Dans certaines régions, comme la côte nord-ouest des États-Unis, les gouttes de rosée et de brouillard peuvent contribuer de manière significative au bilan hydrique. La formation de la grêle nécessite une séquence d’épisodes de condensation et de gel, résultant de périodes successives de soulèvement. Les pierres de grêle présentent généralement un motif d’anneaux concentriques de glace en conséquence.

Les mesures directes des précipitations sont effectuées par une variété de jauges, qui consistent toutes en une forme d’entonnoir qui dirige l’eau d’influx vers un certain récipient de stockage. Les jauges de stockage stockent simplement les précipitations incidentes, et l’eau accumulée est généralement mesurée sur une base quotidienne, hebdomadaire ou mensuelle. Les jauges d’enregistrement permettent de déterminer les taux de précipitations.

Les volumes de précipitations sont généralement convertis en unités de profondeur-volume par unité de surface. Les mesures obtenues à partir de différents types de pluviomètres ne sont pas directement comparables en raison de l’exposition variable, du vent et des effets d’éclaboussures. Le type de pluviomètre le plus précis est le pluviomètre au sol, dans lequel l’orifice du pluviomètre est placé au niveau de la surface du sol et entouré d’une grille anti-éclaboussures. Les prises du pluviomètre diminuent lorsque l’orifice est élevé au-dessus du sol, en particulier dans les zones soumises à des vents violents. Cependant, dans les régions où les chutes de neige sont importantes, il peut être nécessaire de surélever le pluviomètre pour que son orifice soit dégagé de la surface de la neige. Diverses protections de l’orifice du pluviomètre ont été essayées pour tenter de compenser les effets du vent. Les effets du vent sont plus importants pour la neige que pour la pluie et pour les petites gouttes ou les pluies légères que pour les grosses gouttes.

Une impression de la distribution spatiale de l’intensité des précipitations peut être obtenue par des mesures indirectes des précipitations, en particulier la diffusion radar. La relation entre l’intensité des précipitations et les signaux radar mesurés dépend de divers facteurs, notamment le type de précipitations et la distribution de la taille des gouttes. Les mesures radar sont souvent utilisées conjointement avec des pluviomètres pour permettre un étalonnage en ligne lors de la conversion du signal radar en quantité de précipitations. Les mesures radar sont toutefois effectuées à une échelle spatiale beaucoup plus grande. Une résolution de 5 à 10 kilomètres carrés est courante pour les systèmes opérationnels. Malgré tout, cela permet d’obtenir une image beaucoup plus précise de la configuration spatiale des précipitations sur de vastes bassins versants que ce qui était possible auparavant. L’utilisation de la télédétection par satellite pour déterminer les volumes de précipitations n’en est encore qu’à ses débuts, mais cette technique semble susceptible de s’avérer utile pour estimer les quantités de précipitations dans les régions éloignées.

La mesure des apports de neige au bilan hydrique des bassins versants est également un problème difficile. La technique la plus élémentaire fait appel au parcours de neige, une série de piquets permettant de mesurer l’épaisseur de la neige. Les chutes de neige peuvent cependant varier considérablement en densité, en fonction principalement de l’historique de température de la formation de la neige. La neige accumulée change de densité au fil du temps avant de fondre. La densité de la neige peut être mesurée en pesant un échantillon de volume connu pris dans un cylindre métallique standard. D’autres techniques de mesure des chutes de neige comprennent l’utilisation d’oreillers de neige, qui enregistrent les changements de poids de la neige reposant au-dessus d’eux, ou l’utilisation de pluviomètres équipés d’éléments chauffants, qui font fondre la neige à mesure qu’elle tombe. Ces techniques sont soumises aux effets du vent, à la fois pendant un événement de tempête et entre les événements, en raison de la redistribution de la neige par le vent.

Les statistiques sommaires sur les précipitations sont généralement produites sur la base des quantités quotidiennes, mensuelles et annuelles tombant à un endroit donné ou sur un bassin versant. La fréquence à laquelle une pluie d’un certain volume se produit dans une certaine période est également importante pour l’analyse hydrologique. L’évaluation de cette fréquence, ou de l’intervalle de récurrence de la pluie à partir de l’échantillon de données disponibles, est un problème statistique impliquant généralement l’hypothèse d’une distribution de probabilité particulière pour représenter les caractéristiques des pluies. De telles analyses doivent supposer que cette distribution ne change pas au fil du temps, même s’il a été démontré que dans certaines régions du monde, les changements climatiques peuvent faire varier les statistiques des précipitations. On a longtemps supposé que les précipitations pouvaient présenter des schémas cycliques sur de longues périodes, et des efforts considérables ont été déployés pour rechercher de tels cycles. Dans certaines régions, le cycle saisonnier annuel est d’une importance primordiale, mais les démonstrations de périodicités plus longues ne se sont pas avérées d’application générale.

Les schémas d’intensité et de durée des précipitations sont d’une grande importance pour l’hydrologue, car ils permettent de prévoir les débits des bassins versants et la disponibilité de l’eau, et de faire face aux inondations, aux sécheresses, au drainage des terres et à l’érosion des sols. Les précipitations varient à la fois au sein d’une même tempête et entre les tempêtes, parfois de façon spectaculaire, en fonction du type et de l’ampleur de la tempête et de sa vitesse de déplacement. Au sein d’une tempête, l’intensité moyenne tend à diminuer avec l’augmentation de la superficie de la tempête.

À plus grande échelle, les variations saisonnières des précipitations varient en fonction du climat. Les zones tempérées humides ont tendance à avoir des précipitations réparties assez uniformément tout au long de l’année ; les zones méditerranéennes ont un pic hivernal avec de faibles précipitations estivales ; les zones de savane ont un double pic de précipitations ; et les zones équatoriales ont à nouveau une répartition relativement uniforme des précipitations au cours de l’année. Les précipitations annuelles moyennes varient également considérablement. La moyenne minimale enregistrée à long terme est de 0,76 millimètre à Arica, au Chili, et la maximale de 11 897,36 millimètres à Tutunendo, en Colombie. Les intensités maximales de pluie enregistrées sont de 38 millimètres en une minute (Barot, Guadeloupe, 1970) ; de 1 870 millimètres en un jour (Cilaos, Réunion, 1952) ; et de 26 461 millimètres en un an (Cherrapunji, Inde, 1861).