Pluviomètre

Pluviomètre

Le pluviomètre est un instrument météorologique destiné à mesurer la quantité de précipitations (surtout la pluie) tombée pendant un intervalle de temps donné. On présuppose que l'eau des précipitations est uniformément répartie et qu'elle n'est pas sujette à évaporation^[1]. Le résultat de la mesure s'exprime en millimètres ou bien en litres par mètre carré^[2]. En agriculture il est préférable de dire que cela correspond à 10 m³ d'eau de pluie tombée sur 1 ha.

Le pluviographe est un pluviomètre comprenant un dispositif d'enregistrement continu de la hauteur d'eau des précipitations^[3].

Histoire

Les premières mesures des quantités de pluie connues ont été faites par les Grecs vers 500 av. J-C.. Cent ans plus tard en Inde, les gens utilisaient des bols pour recueillir l’eau de pluie et la mesurer^[4]. Dans les deux cas, la mesure de pluie aidait à estimer le rendement futur des cultures.

Dans l’ouvrage Arthashâstra utilisé dans le royaume de Magadha, des normes avaient été établies pour la production céréalière et chaque grenier de l’État possédait un tel pluviomètre aux fins de taxation^[5]. En Palestine, à partir du IIème siècle av J.-C. des écrits religieux mentionnent la mesure des pluies pour des besoins agricoles^[4].

En 1441 en Corée, le premier pluviomètre standard en bronze, appelé « Cheugugi », a été développé par le scientifique Jang Yeong-sil pour usage à travers un réseau couvrant tout le pays^[4],[6].

En 1639, Benedetto Castelli, disciple de Galilée, effectua les premières mesures de précipitations en Europe pour connaître l’apport en eau d’un épisode pluvieux pour le lac de Trasimène. Il avait étalonné un récipient en verre cylindrique grâce à une quantité d’eau connue et repéré le niveau correspondant sur le cylindre. Il avait ensuite exposé le récipient à la pluie et marqué toutes les heures, par un repère, le niveau atteint par l’eau.

En 1662, l’anglais Christopher Wren, mit au point le premier pluviomètre à augets, ou pluviographe, qu’il associa l’année suivante à un météographe, un appareil qui enregistre plusieurs paramètres météorologiques tels que la température de l’air, la direction du vent et les précipitations. Son pluviomètre était constitué d’un entonnoir récepteur et de trois compartiments qui récupéraient chaque heure à tour de rôle les précipitations^[4],[7]. En 1670, Robert Hooke utilise lui aussi un pluviomètre à augets^[4].

Avec le développement de la météorologie, la prise de mesures des différents paramètres de l’atmosphère se répand. Les pluviomètres se perfectionnent mais les principes de base demeurent les mêmes. En France, l’association météorologique créée par Urbain Le Verrier diffuse le pluviomètre « Association » ^[4]. Divers pluviomètres et pluviographes ont suivi ceux à augets basculants. Mentionnons les pluviomètres enregistreurs à flotteurs, utilisés à partir du XIX^e siècle, et les pluviomètres à balance^[4].

Description

Un pluviomètre est constitué de deux parties importantes^[4] :

• un collecteur en forme de d’entonnoir le plus large possible, afin de représenter une surface importante de collecte ;
• un contenant étalonné ou mécanisme qui reçoit cette eau.

L’effet d’entonnoir permet de diminuer l’erreur de mesure en augmentant la distance entre chaque unité de la graduation. L’intérieur du pluviomètre est constitué d’un revêtement particulier pour limiter le mouillage. Le cône de l’entonnoir doit être assez profond, ce qui permet à l’eau de s’écouler sans risque de rejaillissement. Un grillage filtre les débris et évite que le pluviomètre ne se bouche.

Le collecteur doit être placé à une hauteur suffisante, généralement un mètre du sol, et à une distance de plusieurs mètres d’autres objets afin qu’on n’y retrouve pas d’eau provenant du rebond sur le sol ou ces objets. Les bords du collet du pluviomètre doivent être biseautés sur l’extérieur pour limiter l’incertitude provenant de gouttes ruisselant de l’extérieur du cône de collecte.

Types

Pluviomètre à lecture directe

Les pluviomètres étaient à l’origine manuels, c’est-à-dire qu’un technicien en météorologie devait venir relever régulièrement la hauteur de pluie tombée et vider l’appareil. Aujourd’hui, ils sont souvent dotés de senseurs électroniques qui permettent d’enregistrer en continu et à distance les données. Cependant, les pluviomètres manuels sont encore utilisés par des amateurs ou les observateurs volontaires de réseaux climatologiques. Il existe quatre types de pluviomètres/pluviographes : à cylindre gradué (dit à lecture directe), à auget basculeur, à balance (ou de Fisher et Porter) et optique.

Pluviomètre à lecture directe

Le pluviomètre standard a été développé au tournant du XX^e siècle et consiste en un cylindre gradué dans lequel le collecteur se déverse. Dans la plupart de ces pluviomètres la graduation est à chaque 0,2 mm jusqu’à 25 mm. S’il tombe trop de pluie dans l’appareil principal, le surplus est dirigé vers un autre récipient.

Lors de la prise de mesure, le technicien note la hauteur atteinte sur le cylindre pour connaître la quantité de pluie tombée. S’il y a de l’eau dans le récipient de surplus, il doit la transvider dans un autre cylindre gradué pour l’ajouter à la mesure. Le technicien doit vider le pluviomètre entre chaque lecture.

Étalon

Un tel pluviomètre est dit « normal » ou « étalon » quand il est approuvé comme étalon au niveau national^[8].

Totalisateur

Les pluviomètres utilisés dans les stations peu souvent visitées, comme une station de montagne, contiennent de l'antigel et un liquide comme de l'huile empêchant l'évaporation de l'eau^[9]. Ils sont de plus grande capacité car les relevés peuvent être faits hebdomadairement ou mensuellement.

Pluviomètres/Pluviographes

Pluviographe enregistrant les données de précipitations d'un pluviomètre à augets basculeur

Les pluviomètres ci-dessous sont tous munis d'un système d'enregistrement. À l'origine, le pluviographe était un stylet inscrivant en continu les données - hauteur de précipitations et temps écoulé - sur un papier gradué se trouvant près de l'appareil. (Voir image ci-contre.) Par la suite, le signal provenant du pluviomètre a été transmis par fil à un enregistreur similaire situé dans le bureau du technicien en météo prenant les relevés. Ceci permettait à ce dernier de faire des observations plus rapidement et à n'importe quel moment sans avoir à chaque fois à se déplacer à la station météorologique.

Les données sont maintenant envoyées à un enregistreur numérique qui peut transmettre ces informations à un réseau de distribution d'utilisateurs. Cela permet l'utilisation de stations météorologiques automatiques. Ces données peuvent être traitées pour donner les taux instantanés de précipitations, horaires, quantité totale, etc.

À auget basculeur

Le collecteur dirige la pluie vers une sorte de petite balançoire tape-cul formée de deux réceptacles métalliques, ou augets, de petite taille de part et d’autre d’un axe horizontal. La contenance de ces réceptacles est équivalente à 0,1, 0 2 ou 0,5 mm d’eau, selon la précision de l’appareil^[4],[10]. Il y a toujours un auget à l’horizontale et vis-à-vis de la sortie du collecteur, l’autre fait un grand angle vers le bas. L’eau s’accumule dans celui à l’horizontale qui bascule quand il a atteint le poids nécessaire, et se décharge de son eau par gravité. La quantité de précipitations est mesurée par le nombre de basculements effectués par les augets, détecté par un système mécanique ou optique^[4].

Mécanisme d’un pluviomètre à augets basculants

Extérieur d’un pluviomètre à augets basculants où l'on voit la petite ouverture de l'entonnoir

Dans le système mécanique, l’auget en réserve est en contact avec une tige métallique et ferme donc un circuit électrique. En basculant, c’est l’autre auget qui ferme ce circuit. Le passage d’un contact à l’autre était noté sur le graphique du pluviographe. Dans un système optique, l'auget qui bascule coupe un faisceau lumineux ce qui sera enregistré par une diode optique et fera le décompte^[4]. Comme dans le cas des pluviomètres à balance, un système de chauffage peut faire fondre la précipitation et permettre de mesurer l’équivalent en eau de neige tombée. Ce système est même nécessaire si l’appareil est utilisé en saison froide^[11].

L’avantage de ce pluviomètre est de mesurer le taux de précipitations en plus de la mesure totale, ce qui indique l’intensité de celles-ci. Cependant, quand le taux de précipitations est trop grand, par exemple 400 mm/heure, l’ouverture du collecteur peut ne pas être assez grande et on obtient un effet de cumul dans l’entonnoir, ce qui fausse le taux sans changer l’accumulation totale^[4]. Dans la bruine, le taux de précipitations est souvent trop faible pour être rapporté également^[10]. Certains algorithmes ont été développés pour tenir compte de ces limitations de l’appareil^[10].

Le pluviomètre à augets n’est pas aussi précis que celui à mesure directe, car si la pluie se termine avant que l’auget horizontal ne soit plein, l’eau dans celui-ci ne sera pas comptée. Pire, une saute de vent peut le faire basculer plus tard et donner une fausse accumulation alors qu’il n’y a pas de pluie.

À balance

Pluviomètre de Fisher et Porter

À la place d’un cylindre gradué, le pluviomètre à balance, ou de Fisher et Porter, reçoit la pluie dans un récipient relié à une balance. Une fine couche d’huile est mise dans le récipient avant usage. Celle-ci flottera sur l’eau de pluie venant du collecteur, empêchant son évaporation. Quand l’appareil est presque plein, une valve permet de le vider automatiquement^[12]. Durant les mois d'hiver, de l’antigel sera également ajouté pour que l'eau ne gèle pas^[13].

La variation de la masse d’eau dans le récipient est transformée en équivalent de millimètres d’épaisseur selon la densité de l’eau. Les modèles primitifs faisaient cette transformation en déplaçant la pointe d’un stylet sur un papier graphique spécialement gradué à cet effet. Avec l’avènement de l’électronique, les données sont recueillies par un senseur et transformées en valeur numériques directement dans un enregistreur de données.

Ce type de pluviomètre mesure toute la pluie tombée et peut mesurer les précipitations solides, comme la neige et la grêle, s’il est muni d’un système de chauffage. Cependant, il est plus dispendieux que le pluviomètre à lecture directe et demande plus d’entretien que celui à augets basculants.

Optique

Le pluviomètre optique est formé d’un collecteur en entonnoir sous lequel se trouve une photodiode ou une diode laser. La précipitation est mesurée par détection d’irrégularités optiques. L'entonnoir dirige les gouttes dans le volume d’échantillonnage au sein du faisceau lumineux. En détectant l’intensité des scintillations, on peut alors déterminer le débit de la précipitation électroniquement^[14].

Sources d'erreurs de mesure

L’accumulation n’est représentative que de l’endroit précis où se trouve le pluviomètre et peut différer grandement d'autres sites de mesures environnants car le taux de précipitations varie grandement dans le temps et l'espace. Les relevés d'un seul pluviomètre ne sont donc pas caractéristique de la pluie qui tombe dans toute une région. De plus, chaque appareil a sa limite de précision et les données souffrent également d’autres erreurs de mesure^[4] :

• Effets du vent et de la température ;
• Erreurs dues aux caractéristiques du collecteur ;
• Erreurs dues au fonctionnement du capteur ;
• Erreurs de placement de l'appareil.

Pour pallier ces défauts, certaines corrections sont parfois utilisées et les stations météorologiques utilisent souvent deux types de pluviomètres pour la contre-vérification des données.

Dues au climat

Pluviomètre de Ficher et Porter avec un écran protecteur pour limiter la force du vent

Lors de situations venteuses, le taux de collecte est bien inférieur à la réalité car la pluie forme un angle avec le collecteur. La variation de pression et la turbulence près de son ouverture peuvent également repousser les gouttes vers le haut. Ceci est plus important avec un vent très fort et/ou avec des précipitations légère comme les flocons de neige^[4]. Pour remédier à l'effet du vent, il existe des écrans formés de lamelles verticales placés tout autour du pluviomètre. (Voir image ci-contre.) Ces erreurs sont aléatoires.

La température a divers effet. D'une part, en s'écoulant dans l'entonnoir du collecteur, les gouttes d'eau subissent une friction qui les échauffe. De plus, la chaleur accumulée par le collecteur, s'il était au soleil antérieurement, peut être transférée à l'eau. Ces deux apports peuvent faire évaporer une partie de la précipitation, ce qui réduit donc la quantité mesurée par le pluviomètre.

D'autre part, l'eau se dilate avec la chaleur ce qui fait que pour une même masse de pluie, le volume augmente avec la température. Ainsi dans un pluviomètre à lecture directe, l'eau atteindra une hauteur différente selon la température. Il faut donc appliquer une correction pour obtenir la valeur à une température standard, généralement 15 °C. Cet effet ne s'applique pas aux autres types de pluviomètres qui mesurent essentiellement la masse.

Finalement, les précipitations sous forme solides, comme la neige et la grêle, peuvent boucher la sortie du collecteur. Même si un système de chauffage permet de les faire fondre, si le taux de précipitations est fort, il y aura un délai entre la chute de ces précipitations et le moment de leur mesure. Le taux de précipitation noté peut donc être faussé, et les horaires de début et de fin de la précipitation indiqués seront plus tardifs qu'en réalité.

Dues aux caractéristiques du collecteur

Les caractéristiques du collecteur et du mécanisme de prise de mesure donnent des erreurs systématiques qui peuvent être en partie corrigées en utilisant des équations en tenant compte. L'eau a tendance à s'accrocher aux objets ; ce phénomène du mouillage est la première de ces erreurs. Lors des précipitations, une partie de l’eau reste ainsi collée aux parois sur le cône de collecte. Cette quantité d’eau non mesurée dépend du matériel utilisé dans le pluviomètre et est toujours la même s'il est propre. La proportion de cet quantité par rapport à la quantité de pluie peut donc être importante dans le cas de précipitations faibles^[4]. La quantité d’eau se rendant dans la partie de mesure peut donc être inférieure à la résolution de l'instrument et le pluviomètre à auget peut n'enregistrer aucun basculement.

Dues au fonctionnement

En cas de très fortes précipitations, comme mentionné antérieurement, l'eau peut s'accumuler temporairement dans le collecteur à cause du faible diamètre du trou de sortie, ce qui fausse le taux instantané de précipitations^[4]. Ou bien, il y a des pertes d'eau pendant le temps de basculement des augets et le pluviomètre sous-estime la quantité totale de précipitations^[4].

Finalement, l'ouverture du collecteur peut ne pas être complètement parallèle à l'horizontale ce qui réduit la surface de collecte et entraîne une erreur de mesure systématique^[4].

Dues au placement

Si le pluviomètre est trop près de bâtiments ou d’arbres, le vent peut être bien différent de celui de l’environnement général et causer des sur ou sous-estimation. D’après une recommandation de l’Organisation météorologique mondiale, la surface du bord du collecteur du pluviomètre doit se situer entre 0,5 et 2 mètres du sol et il doit être installé dans un endroit plat dont la pente du terrain environnante doit être inférieure à 19 degrés^[4]. La distance entre le pluviomètre et un obstacle devrait être supérieure à quatre fois la hauteur de cet obstacle^[4].

Notes et références

Voir aussi

• Le nivomètre pour la mesure de la neige non fondue.

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