5.2.1. Direction du vent
Figures 5-1 et 5-2, nous présentons une visualisation conjointe de la moyenne horaire des pluies et de l’intermittence en fonction du secteur des pluviomètres (plaine, piémont, montagne) et de la direction du vent au Mont Aigoual (Fig. 5-1) et à Nîmes (Fig. 5-2). Les directions du vent sont représentées par des angles en degré (360° représente le Nord, 180° le Sud). Les cercles concentriques représentent les iso-valeurs d’intensité en mm.h-1. Sur ces figures, nous observons que les intensités pluviométriques horaires moyennes sont les plus importantes dans le cas d’évènements de CP, quelque soit le secteur.
Figure 5-1 : Intensité horaire moyenne (mm.h-1) et intermittence des précipitations pour l’évènement de convection peu profonde (CPP) et l’évènement de convection profonde (CP) en fonction de la direction du vent au Mont Aigoual et des différents secteurs des pluviomètres (montagne, piémont, plaine). La direction du vent au sol est donnée par l’angle fait par rapport à la verticale (90°=vent d’est, 180°=vent de sud). Les cercles concentriques représentent soit une iso-valeur d’intensité horaire moyenne soit l’intermittence. Une intermittence de 1 signifie que 100% des valeurs pluviométriques sont nulles.
Pour l’évènement de CPP, la moyenne des précipitations horaires est la plus grande en montagne et l’intermittence y est la plus faible (Fig. 5-1 et 5-2). L’intermittence diminue avec l’altitude. Une intermittence de 0 signifie qu’il a plu sur toutes les stations du secteur considéré et pendant toute la durée de l’évènement. Une intermittence de 1 signifie qu’il n’a pas plu sur le secteur durant l’évènement. Cette intermittence est à la fois spatiale et temporelle. Une intermittence de 0,5 signifie par exemple qu’en moyenne seulement un pluviomètre sur deux a enregistré des précipitations durant l’évènement. Cela peut aussi signifier que tous les pluviomètres ont enregistré des précipitations mais seulement sur un nombre d’heures correspondant à la moitié de la durée de l’évènement. Il est impossible de séparer ces deux composantes. Il n’est donc pas possible de conclure sur l’organisation spatiale (organisation en bandes ou non) ni de la stationnarité des précipitations à partir de l’intermittence ainsi calculée.
Chapitre 5 : Elaboration de critères d’extraction dynamiques et pluviométriques 123
Figure 5-2 :Même légende que la figure 5-1 à Nîmes.
L’intermittence nous permet tout de même de conclure sur le secteur le plus concerné par les précipitations durant l’évènement. Ainsi, pour l’évènement de CPP, nous avons bien des précipitations localisées sur le relief quelque soit la direction du vent. Au contraire, pour l’évènement de CP, les intensités horaires moyennes sont les plus grandes en plaine et l’intermittence est globalement la même quelque soit le secteur considéré (Fig. 5-1 et 5-2). Tous les secteurs ont donc été concernés par les précipitations, avec un cumul plus important en plaine. Lors de l’évènement de CPP, la direction du flux est constante et de secteur sud à Nîmes et au Mont Aigoual (Fig. 5-1 et 5-2). Lors de l’évènement de CP, nous observons plus de dispersion : à Nîmes, le vent a une direction marquée à l’ouest alors qu’au Mont Aigoual, le vent est orienté au sud. Le cisaillement directionnel du vent est alors important lors de l’évènement de CP. En montagne et en piémont, l’intermittence est légèrement plus faible et les moyennes sont les plus élevées pour les vents de secteur sud au Mont Aigoual (Fig. 5-1) et à Nîmes (Fig. 5-2), ce qui n’est pas le cas en plaine. Le relief a donc une influence dans le renforcement des pluies issues de convection profonde quand les vents sont de secteur sud.
5.2.2. Vitesse du vent
La même analyse est réalisée avec une visualisation conjointe de la moyenne horaire des pluies et de l’intermittence dans les trois secteurs et de l’intensité du vent au Mont Aigoual (Fig. 5-3) ou à Nîmes (Fig. 5-4). Quelque soit la vitesse, l’intensité pluviométrique horaire moyenne augmente avec l’altitude alors que l’intermittence diminue avec l’altitude (Fig. 5-3 et 5-4) pour l’évènement de CPP. Pour l’évènement de CP, les intensités pluviométriques horaires moyennes sont plus importantes en plaine. Ces intensités sont bien supérieures à celles enregistrées pour l’évènement de CPP. Durant l’évènement de CPP, les vitesses pour lesquelles il pleut restent supérieures à 20m.s-1 au Mont Aigoual et supérieures à 7m.s-1 à Nîmes. Au contraire, pour l’évènement de CP, les vitesses sont plus faibles. Au Mont Aigoual, les vitesses n’excèdent pas 20m.s-1. A Nîmes, les maxima de précipitation sont observés pour des vitesses inférieures à 7m.s-1. Cependant, que ce soit à Nîmes ou au Mont Aigoual, les maxima de précipitation en montagne et en piémont sont associés aux vitesses les plus élevées (Fig. 5-3 et 5-4), alors que dans le secteur de plaine, les intensités pluvieuses sont plus fortes lorsque les vitesses de vent sont plus faibles. De plus, pour des vitesses élevées (de l’ordre de 20m.s-1), l’intermittence diminue avec l’altitude durant l’évènement de CP. Il en est de même pour des vitesses supérieures à 7m.s-1 à Nîmes. Le relief a donc une influence sur le déclenchement ou le renforcement des précipitations pour ces vitesses.
5.2.3. Température
Durant l’évènement de CPP, les températures mesurées au Mont Aigoual atteignent 6°C en novembre 1986 et 10-11°C en octobre 1987. A Nîmes, elles varient de 15°C en novembre 1986 et 20-21°C en octobre 1987. Durant l’évènement de CP, les températures varient de 6°C à 12°C au Mont Aigoual et de 15°C à 20° à Nîmes. La température est une variable fortement corrélée à la saison, et les observations démontrent qu’il existe, pour l’instant, peu de lien entre les températures mesurées aux stations météorologiques et le type de convection. Il nous semble cependant pertinent d’analyser le gradient thermique entre les stations de Nîmes et du Mont Aigoual, que nous considérerons comme un élément d’information sur la structure thermique verticale de l’atmosphère.
Lors de l’évènement de CPP, le gradient thermique est de 9°C à 11°C. L’air est donc potentiellement instable. Lors de l’évènement de CP, l’amplitude thermique varie entre 6°C et 11°C. Ce sont pour les valeurs de gradient supérieures à 9°C que les précipitations en montagne sont les plus intenses et les plus faibles en plaine.
Chapitre 5 : Elaboration de critères d’extraction dynamiques et pluviométriques 125
Figure 5-3 : Intensité horaire moyenne (mm.h-1) et intermittence des précipitations pour l’évènement de convection peu profonde (CPP) et l’évènement de convection profonde (CP) en fonction de la vitesse du vent au Mont Aigoual et des différents secteurs des pluviomètres (montagne, piémont, plaine).
5.2.4. Humidité relative
Nos analyses montrent que l’humidité relative n’apporte pas d’informations permettant de distinguer l’évènement CPP de l’évènement de CP. Il n’y a pas de valeur précise d’humidité relative qui favorise les précipitations sur le relief. Nous pouvons seulement noter que pour les deux évènements les humidités relatives sont supérieures à 75% à Nîmes et proche de la saturation (99%-100%) au Mont Aigoual.
Figure 5-4 : Même légende que la figure 5-3 à Nîmes.
5.2.5. Pression atmosphérique ramenée au niveau de la mer
Pour l’évènement de CPP, la pression varie peu (1006 à 1015hPa) et ne semble pas être corrélée avec l’intensité de pluie. Dans les secteurs montagne et piémont, les intensités horaires les plus importantes sont associées à une pression de 1007hPa. En plaine, les intensités horaires sont faibles (<1mm.h-1) et pour des pressions supérieures à 1012hPa. Pour l’évènement de CP, les pressions sont comprises entre 1008hPa et 1020hPa. La variabilité temporelle de la pression au sol est plus grande pour ce type d’évènement. Il apparaît qu’il n’existe aucune gamme de pression particulière pour laquelle les pluies seraient plus intenses sur le relief qu’en plaine et pour laquelle l’intermittence diminue avec l’altitude. En conclusion, la pression ramenée au niveau de la mer n’est pas un critère pour expliquer la localisation privilégiée des pluies sur le relief.
Chapitre 5 : Elaboration de critères d’extraction dynamiques et pluviométriques 127
5.2.6. Analyse de variance
A ce stade, nos conclusions reposent sur une analyse « très visuelle » des données et de leur évolution. Une approche statistique est nécessaire pour confirmer ces premiers résultats. Nous réalisons une analyse de variance sur les pluies en étudiant l’effet du relief sur la variabilité des pluies en fonction des différentes variables atmosphériques. Nous répondons par exemple aux quatre questions suivantes : i) le relief est-il un facteur de variabilité des précipitations (effet principal du relief) indépendamment de la vitesse ? ii) la vitesse du vent est-elle un facteur de variabilité des précipitations (effet principal de la vitesse) indépendamment du relief ? iii) la variabilité des pluies s’explique-t-elle par l’interaction entre le facteur relief et le facteur vitesse (interaction), iv) pour quels secteurs (montagne, piémont ou plaine) ou quelles gammes de vitesses l’interaction se fait-elle (détermination des effets simples) ? Ces questions se posent également en ce qui concerne les variables autres que la vitesse. Les détails des calculs pour les différentes analyses sont donnés en annexe 2. Nous ne présentons ici que la mise en œuvre réalisée pour répondre aux conditions d’utilisation de l’analyse de variance et les principaux résultats.
Mise en œuvre
Nous réalisons une analyse de variance à deux dimensions avec répétitions. Les deux facteurs de variabilité considérés sont le relief (montagne, piémont ou plaine) et la variable atmosphérique (direction du vent, intensité du vent, température, amplitude thermique entre Nîmes et le Mont Aigoual, humidité relative, et pression ramenée au niveau de la mer). Les observations résultent d’un même nombre n de tirages aléatoires indépendants dans chacune des sous populations définies par les combinaisons factorielles des variantes des deux facteurs. Par exemple, nous considérons n valeurs de pluies choisies aléatoirement parmi toutes les pluies enregistrées dans le secteur montagne lorsque le vent était de secteur sud, et ceci pour toutes les combinaisons factorielles (facteur relief x variable atmosphérique = cellule).
Pour répondre aux conditions d’application (chapitre 3), les pluies horaires sont bien indépendantes mais il n’y a aucune raison pour que l’échantillon soit gaussien et que les variances soient homogènes. Si le nombre d’observations dans chaque cellule est identique, l’analyse de variance est robuste à la non-application de la condition d’homogénéité des variances. Pour obtenir des échantillons gaussiens, il est possible de transformer ces données initiales. Nous réalisons alors une anamorphose sur les pluies. Nous supposons au départ que les pluies non nulles suivent une loi gaussienne inverse. Une telle loi est connue pour caractériser la distribution du temps de premier passage d’une particule dans un mouvement brownien. Folks et Chhikara (1978) montrent que la loi gaussienne inverse converge asymptotiquement vers la loi normale. L’interprétation de la loi gaussienne inverse comme le temps de premier passage laisse suggérer son potentiel pour son
utilisation dans l’étude de différents temps ou nombres d’occurrences d’évènements dans de nombreux domaines. Folks et Chhikara (1978) ont montré qu’elle pouvait s’appliquer pour caractériser la distribution des pluies. L’adéquation de nos pluies à une loi gaussienne inverse a été vérifiée en traçant les droites d’Henry (quantile théorique en fonction du quantile empirique). Le principe de l’anamorphose est le suivant : nous associons à chaque donnée pluviométrique sa probabilité d’occurrence dans la loi gaussienne inverse, puis nous considérons la valeur ayant la même probabilité d’occurrence et donnée par une loi gaussienne. Nous réalisons alors l’analyse de variance sur ces valeurs transformées.
Résultats
Pour l’évènement de CPP, le nombre trop faible d’observations pluviométriques pour les stations de plaine (4) et de piémont (10) ne nous permet pas de faire une analyse de variance pertinente (le facteur « relief » n’a pas d’effet : cela est dû au fait que nous avons dû regrouper les données de piémont et de plaine). Si nous considérons la totalité de l’épisode pluvieux de novembre 1986 (du 13 novembre à 6h au 15 novembre à 6h) et d’octobre 1987 (du 3 octobre à 3h au 6 octobre à 3h), plutôt que de nous restreindre aux 20 heures de précipitations orographiques, l’analyse de variance (annexe 2) met en évidence que le facteur « direction du vent à Nîmes » interagit avec le facteur « relief », ce dernier ayant une influence sur la variabilité des pluies pour le facteur « vent de Sud ». La vitesse du vent au Mont Aigoual explique la variabilité des pluies en montagne et le facteur « relief » a un effet sur les pluies pour des vitesses supérieures à 31m/s. Le facteur « humidité relative à Nîmes » a un effet sur la variabilité des pluies. Le facteur « relief » a un effet significatif sur la variabilité des pluies lorsque l’humidité relative à Nîmes est de 85-90%. Il n’y a pas d’effets ou d’interaction pour les autres variables.
L’analyse de variance montre que, même au sein d’un évènement de convection profonde, les valeurs des variables atmosphériques influencent la localisation ou l’intensité des précipitations. En montagne, les précipitations dépendent de la vitesse du vent au Mont Aigoual. L’influence d’un vent de secteur sud pour un renforcement des précipitations sur le relief lors de cet évènement n’est cependant pas mise en évidence.
5.2.7. Bilan et limites Bilan
Quelques soient les valeurs des variables atmosphériques considérées, l’analyse statistique montre que pour l’évènement de CPP, les précipitations sont effectivement localisées majoritairement dans le secteur montagne (les intermittences y sont les plus faibles et les cumuls les plus importants) et qu’elles sont de faibles intensités (<10mm.h-1). Le flux de basse couche est constant (de secteur sud à
Chapitre 5 : Elaboration de critères d’extraction dynamiques et pluviométriques 129
Nîmes et au Mont Aigoual), intense (supérieur à 7m.s-1) et humide (saturation au Mont Aigoual). La stationnarité des précipitations de l’évènement de CP sur le relief est confirmée par une intermittence proche de 100% pour les pluviomètres de plaine. L’extension spatiale des précipitations est limitée à la zone de montagne et le système pluvieux n’affecte que très légèrement la zone de plaine au cours des 20h.
Pour l’évènement de CP, les intensités pluviométriques horaires moyennes sont élevées et, pour cet évènement, plus marquées en plaine. Les intermittences sont identiques quelque soit le secteur considéré. Le flux dans les basses couches varie durant cet évènement en vitesse et en direction. Un cisaillement directionnel est également présent, ce qui n’est pas observé pour l’évènement de CPP.
La vitesse et la direction du vent influencent de manière significative la répartition des précipitations et leur intensité. Durant l’évènement de CP, certaines vitesses et directions du vent semblent influencer la formation des précipitations sur le relief alors que globalement le système se situe en plaine.
Limites
L’analyse statistique proposée constitue la première étape dans la recherche des variables atmosphériques expliquant le développement de la convection peu profonde organisée en bandes. Le faible nombre d’heures de CPP constitue la principale limite de cette analyse, il est donc prudent de ne pas conclure sur des propriétés générales de ces évènements. Cette première analyse nous permet cependant d’élaborer quelques critères de sélection pour rechercher d’autres évènements de CPP. Mais seuls des critères dynamiques pourront être considérés, afin de ne pas tenir compte des caractères explicatifs de certaines variables pouvant varier avec les saisons.