Précipitation

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Précipitations moyennes à long terme par mois [1]
Pays par précipitations annuelles moyennes

En météorologie , les précipitations sont tout produit de la condensation de la vapeur d'eau atmosphérique qui tombe sous l'attraction gravitationnelle des nuages. [2] Les principales formes de précipitations comprennent bruiner , pluie , neige fondue , neige , grésil , grésil et la grêle . Les précipitations se produisent lorsqu'une partie de l'atmosphère devient saturée de vapeur d'eau (atteignant 100 % d' humidité relative ), de sorte que l'eau se condense et "précipite" ou tombe. Ainsi, le brouillard et la brumene sont pas des précipitations mais des colloïdes , car la vapeur d'eau ne se condense pas suffisamment pour précipiter. Deux processus, agissant éventuellement ensemble, peuvent conduire à une saturation de l'air : le refroidissement de l'air ou l'ajout de vapeur d'eau dans l'air. Les précipitations se forment lorsque de plus petites gouttelettes fusionnent par collision avec d'autres gouttes de pluie ou cristaux de glace dans un nuage. Les périodes de pluie courtes et intenses dans des endroits dispersés sont appelées averses . [3]

L'humidité soulevée ou forcée de s'élever au-dessus d'une couche d'air sous le point de congélation à la surface peut se condenser en nuages ​​et en pluie. Ce processus est généralement actif en cas de pluie verglaçante. Un front stationnaire est souvent présent près de la zone de pluie verglaçante et sert de foyer pour le forçage et la montée de l'air. À condition que la teneur en humidité atmosphérique soit nécessaire et suffisante, l'humidité dans l'air ascendant se condensera en nuages, à savoir nimbostratus et cumulonimbuss'il s'agit de précipitations importantes. Finalement, les gouttelettes de nuages ​​deviendront suffisamment grosses pour former des gouttes de pluie et descendront vers la Terre où elles gèleront au contact des objets exposés. Lorsque des plans d'eau relativement chauds sont présents, par exemple en raison de l'évaporation de l'eau des lacs, les chutes de neige d'effet lacustre deviennent un problème sous le vent des lacs chauds dans le flux cyclonique froid autour de l'arrière des cyclones extratropicaux . Les chutes de neige d'effet lacustre peuvent être localement abondantes. De la neige orageuse est possible dans la tête de virgule d' un cyclone et dans les bandes de précipitations à effet de lac. Dans les régions montagneuses, de fortes précipitations sont possibles là où l'écoulement ascendant est maximisé au ventcôtés du terrain en altitude. Du côté sous le vent des montagnes, des climats désertiques peuvent exister en raison de l'air sec causé par le chauffage par compression. La plupart des précipitations se produisent sous les tropiques [4] et sont causées par la convection . Le mouvement du creux de mousson , ou zone de convergence intertropicale , amène les saisons des pluies dans les régions de savane .

Les précipitations sont une composante majeure du cycle de l' eau , et sont responsables du dépôt d' eau douce sur la planète. Environ 505 000 kilomètres cubes (121 000 cu mi) d'eau tombent sous forme de précipitations chaque année : 398 000 kilomètres cubes (95 000 cu mi) au-dessus des océans et 107 000 kilomètres cubes (26 000 cu mi) au-dessus des terres. [5] Compte tenu de la superficie de la Terre, cela signifie que les précipitations annuelles moyennes mondiales sont de 990 millimètres (39 pouces), mais sur terre, elles ne sont que de 715 millimètres (28,1 pouces). Les systèmes de classification climatique tels que le système de classification climatique de Köppen utilisent les précipitations annuelles moyennes pour aider à différencier les différents régimes climatiques. Le réchauffement climatiqueprovoque déjà des changements climatiques, augmentant les précipitations dans certaines zones géographiques et les réduisant dans d'autres, ce qui entraîne des conditions météorologiques extrêmes supplémentaires . [6]

Des précipitations peuvent se produire sur d'autres corps célestes. Le plus grand de Saturne satellite , Titan , les hôtes méthane précipitation sous forme d' une lente chute bruine , [7] qui a été observé que des flaques d' eau de pluie à son équateur [8] et les régions polaires. [9] [10]

Types

Un orage avec de fortes précipitations

Les précipitations sont une composante majeure du cycle de l' eau et sont responsables du dépôt de la majeure partie de l'eau douce sur la planète. Environ 505 000 km 3 (121 000 mi 3 ) d'eau tombent sous forme de précipitations chaque année, dont 398 000 km 3 (95 000 cu mi) au-dessus des océans. [5] Compte tenu de la superficie de la Terre, cela signifie que les précipitations annuelles moyennes mondiales sont de 990 millimètres (39 pouces).

Les mécanismes de production comprennent les précipitations convectives, stratiformes , [11] et orographique précipitations. [12] Les processus convectifs impliquent de forts mouvements verticaux qui peuvent provoquer le renversement de l'atmosphère à cet endroit en une heure et provoquer de fortes précipitations, [13] tandis que les processus stratiformes impliquent des mouvements ascendants plus faibles et des précipitations moins intenses. [14] Les précipitations peuvent être divisées en trois catégories, selon qu'elles tombent sous forme d'eau liquide, d'eau liquide qui gèle au contact de la surface ou de glace. Des mélanges de différents types de précipitations, y compris des types de différentes catégories, peuvent tomber simultanément. Les formes liquides de précipitations comprennent la pluie et la bruine. La pluie ou la bruine qui gèle au contact d'une masse d'air sous le point de congélation est appelée « pluie verglaçante » ou « bruine verglaçante ». Les formes de précipitations gelées comprennent la neige, les aiguilles de glace , les granules de glace , la grêle et le graupel . [15]

Mesure

Précipitation liquide
Les précipitations (y compris la bruine et la pluie) est généralement mesurée en utilisant une jauge de pluie et exprimée en unités de millimètres (mm) de hauteur ou profondeur . De manière équivalente, elle peut être exprimée en quantité spécifique de volume d'eau par zone de captage, en unités de litres par mètre carré (L/m 2 ) ; comme 1L=1dm 3 =1mm·m 2 , les unités de surface (m 2 ) s'annulent , ce qui donne simplement "mm". Cela équivaut également à kg/m 2 , si l'on suppose qu'un litre d'eau a une masse de 1 kg ( densité de l'eau), ce qui est acceptable pour la plupart des applications pratiques. L'unité anglaise correspondante utilisée est généralement le pouce. En Australie, avant la métrique, les précipitations étaient mesurées en "points" définis comme un centième de pouce. [ citation nécessaire ]
Précipitations solides
Un nivomètre est généralement utilisé pour mesurer la quantité de précipitations solides. Les chutes de neige sont généralement mesurées en centimètres en laissant tomber la neige dans un conteneur, puis en mesurant la hauteur. La neige peut ensuite éventuellement être fondue pour obtenir une mesure d' équivalent eau en millimètres comme pour les précipitations liquides. La relation entre la hauteur de neige et l'équivalent en eau dépend de la teneur en eau de la neige ; l'équivalent en eau ne peut donc fournir qu'une estimation approximative de l'épaisseur de la neige. D'autres formes de précipitations solides, telles que les boulettes de neige et la grêle ou même le grésil (pluie et neige mélangées), peuvent également être fondues et mesurées en équivalent eau, généralement exprimée en millimètres comme pour les précipitations liquides. [ citation nécessaire ]

Comment l'air devient saturé

Refroidir l'air jusqu'à son point de rosée

Pluie de fin d'été au Danemark
Formation de nuages ​​lenticulaires en raison des montagnes au-dessus du Wyoming

Le point de rosée est la température à laquelle une parcelle d'air doit être refroidie pour devenir saturée et (à moins qu'une sursaturation ne se produise) se condense en eau. [16] La vapeur d'eau commence normalement à se condenser sur les noyaux de condensation tels que la poussière, la glace et le sel afin de former des nuages. La concentration des noyaux de condensation des nuages ​​déterminera la microphysique des nuages. [17] Une partie élevée d'une zone frontale force de larges zones de portance, qui forment des ponts de nuages ​​tels que l' altostratus ou le cirrostratus . Le stratus est une couche nuageuse stable qui a tendance à se former lorsqu'une masse d'air frais et stable est emprisonnée sous une masse d'air chaud. Il peut également se former en raison de la levée debrouillard d'advection par temps venteux. [18]

Il existe quatre mécanismes principaux pour refroidir l'air jusqu'à son point de rosée : le refroidissement adiabatique, le refroidissement par conduction, le refroidissement par rayonnement et le refroidissement par évaporation. Le refroidissement adiabatique se produit lorsque l'air monte et se dilate. [19] L'air peut s'élever en raison de la convection , des mouvements atmosphériques à grande échelle ou d'une barrière physique telle qu'une montagne ( ascenseur orographique ). Le refroidissement par conduction se produit lorsque l'air entre en contact avec une surface plus froide, [20] généralement en étant soufflé d'une surface à une autre, par exemple d'une surface d'eau liquide vers une terre plus froide. Le refroidissement par rayonnement se produit en raison de l'émission de rayonnement infrarouge , soit par l'air, soit par la surface sous-jacente.[21] Le refroidissement par évaporation se produit lorsque de l'humidité est ajoutée à l'air par évaporation, ce qui force la température de l'air à se refroidir à sa température de bulbe humide , ou jusqu'à ce qu'elle atteigne la saturation. [22]

Ajouter de l'humidité à l'air

La principale vapeur d'eau des moyens est ajouté à l'air sont les suivantes : la convergence du vent dans les zones de mouvement vers le haut, [13] précipitation ou virga tombant d' en haut, [23] diurne chauffage évaporation de l' eau de la surface des océans, des plans d'eau ou de terre humide, [ 24] la transpiration des plantes, [25] l'air frais ou sec se déplaçant au-dessus de l'eau plus chaude, [26] et le soulèvement de l'air au-dessus des montagnes. [27]

Formes de précipitation

La condensation et la coalescence sont des éléments importants du cycle de l' eau .

Gouttes de pluie

Flaque d'eau sous la pluie

La coalescence se produit lorsque des gouttelettes d'eau fusionnent pour créer de plus grosses gouttelettes d'eau, ou lorsque des gouttelettes d'eau gèlent sur un cristal de glace, ce qui est connu sous le nom de processus de Bergeron . Le taux de chute de très petites gouttelettes est négligeable, par conséquent les nuages ​​ne tombent pas du ciel ; les précipitations ne se produiront que lorsque celles-ci fusionneront en gouttes plus grosses. les gouttelettes de taille différente auront une vitesse terminale différente qui provoquera une collision de gouttelettes et produira des gouttelettes plus grosses, la turbulence améliorera le processus de collision. [28] Au fur et à mesure que ces grosses gouttelettes d'eau descendent, la coalescence se poursuit, de sorte que les gouttes deviennent suffisamment lourdes pour surmonter la résistance de l'air et tomber sous forme de pluie. [29]

Les gouttes de pluie ont des tailles allant de 5,1 millimètres (0,20 in) à 20 millimètres (0,79 in) de diamètre moyen, au-dessus desquelles elles ont tendance à se briser. Les gouttes plus petites sont appelées gouttelettes nuageuses et leur forme est sphérique. Au fur et à mesure que la taille d'une goutte de pluie augmente, sa forme devient plus aplatie , sa plus grande section transversale faisant face au flux d'air venant en sens inverse. Contrairement aux images de dessins animés de gouttes de pluie, leur forme ne ressemble pas à une larme. [30] L' intensité et la durée des précipitations sont généralement inversement liées, c'est-à-dire que les tempêtes de haute intensité sont susceptibles d'être de courte durée et les tempêtes de faible intensité peuvent avoir une longue durée. [31] [32] Les gouttes de pluie associées à la fonte de la grêle ont tendance à être plus grosses que les autres gouttes de pluie. [33] Le code METAR pour la pluie est RA, tandis que le codage pour les averses de pluie est SHRA. [34]

Granulés de glace

Une accumulation de granules de glace

Les granules de glace ou le grésil sont une forme de précipitation constituée de petites boules de glace translucides . Les granules de glace sont généralement (mais pas toujours) plus petits que les grêlons. [35] Ils rebondissent souvent lorsqu'ils touchent le sol et ne gèlent généralement pas en une masse solide à moins qu'ils ne soient mélangés à de la pluie verglaçante . Le code METAR pour les granules de glace est PL . [34]

Les granules de glace se forment lorsqu'une couche d'air au-dessus du point de congélation existe avec de l'air sous le point de congélation à la fois au-dessus et au-dessous. Cela provoque la fonte partielle ou complète de tous les flocons de neige tombant à travers la couche chaude. Au fur et à mesure qu'ils retombent dans la couche sous-congelante plus près de la surface, ils se recongèlent en granules de glace. Cependant, si la couche sous-gelée sous la couche chaude est trop petite, les précipitations n'auront pas le temps de regeler et de la pluie verglaçante se produira à la surface. Un profil de température montrant une couche chaude au-dessus du sol est le plus susceptible d'être trouvé avant un front chaud pendant la saison froide, [36] mais peut parfois être trouvé derrière un front froid qui passe .

Salut

Un gros grêlon, d'environ 6 centimètres (2,4 pouces) de diamètre

Comme d'autres précipitations, la grêle se forme dans les nuages ​​d'orage lorsque des gouttelettes d' eau surfondues gèlent au contact des noyaux de condensation , tels que la poussière ou la saleté. Le courant ascendant de la tempête souffle les grêlons vers la partie supérieure du nuage. Le courant ascendant se dissipe et les grêlons tombent, retournent dans le courant ascendant et se soulèvent à nouveau. La grêle a un diamètre de 5 millimètres (0,20 in) ou plus. [37] Dans le code METAR, GR est utilisé pour indiquer une grêle plus grosse, d'un diamètre d'au moins 6,4 millimètres (0,25 in). GR est dérivé du mot français grêle. La grêle de plus petite taille, ainsi que les granules de neige, utilisent le codage de GS, qui est l'abréviation du mot français grésil. [34] Les pierres juste plus grosses que la taille d'une balle de golf sont l'une des tailles de grêle les plus fréquemment signalées. [38] Les grêlons peuvent atteindre 15 centimètres (6 pouces) et peser plus de 500 grammes (1 livre). [39] Dans les gros grêlons, la chaleur latente libérée par un gel supplémentaire peut faire fondre l'enveloppe extérieure du grêlon. Le grêlon peut alors subir une « croissance humide », où l'enveloppe extérieure liquide recueille d'autres grêlons plus petits. [40] Le grêlon gagne une couche de glace et grossit de plus en plus à chaque ascension. Une fois qu'un grêlon devient trop lourd pour être supporté par le courant ascendant de la tempête, il tombe du nuage. [41]

Flocons de neige

Flocon de neige vu au microscope optique

Les cristaux de neige se forment lorsque de minuscules gouttelettes de nuage surfondues (environ 10 m de diamètre) gèlent. Une fois qu'une gouttelette a gelé, elle se développe dans l' environnement sursaturé . Parce que les gouttelettes d'eau sont plus nombreuses que les cristaux de glace, les cristaux peuvent atteindre des centaines de micromètres au détriment des gouttelettes d'eau. Ce processus est connu sous le nom de processus Wegener-Bergeron-Findeisen. L'épuisement correspondant de la vapeur d'eau provoque l'évaporation des gouttelettes, ce qui signifie que les cristaux de glace se développent aux dépens des gouttelettes. Ces gros cristaux sont une source efficace de précipitations, car ils tombent dans l'atmosphère en raison de leur masse et peuvent entrer en collision et se coller les uns aux autres en grappes ou en agrégats. Ces agrégats sont des flocons de neige et sont généralement le type de particules de glace qui tombent au sol. [42] Guinness World Records liste les plus grands flocons de neige du monde comme ceux de janvier 1887 à Fort Keogh, Montana; prétendument un mesurait 38 cm (15 pouces) de large. [43] Les détails exacts du mécanisme de collage restent un sujet de recherche.

Bien que la glace soit claire, la diffusion de la lumière par les facettes du cristal et les creux/imperfections signifient que les cristaux apparaissent souvent de couleur blanche en raison de la réflexion diffuse de tout le spectre de la lumière par les petites particules de glace. [44] La forme du flocon de neige est largement déterminée par la température et l'humidité auxquelles il se forme. [42] Rarement, à une température d'environ -2 °C (28 °F), des flocons de neige peuvent se former selon une triple symétrie : des flocons de neige triangulaires. [45] Les particules de neige les plus courantes sont visiblement irrégulières, bien que les flocons de neige presque parfaits puissent être plus courants sur les images car ils sont plus attrayants visuellement. Il n'y a pas deux flocons de neige semblables, [46]au fur et à mesure qu'ils grandissent à des rythmes différents et selon des schémas différents en fonction des changements de température et d'humidité dans l'atmosphère à travers laquelle ils tombent sur leur chemin vers le sol. [47] Le code METAR pour la neige est SN, tandis que les averses de neige sont codées SHSN. [34]

Poussière de diamant

La poussière de diamant, également connue sous le nom d'aiguilles de glace ou de cristaux de glace, se forme à des températures proches de −40 °C (−40 °F) en raison de l'air légèrement plus humide provenant du mélange en altitude avec de l'air de surface plus froid. [48] Ils sont constitués de simples cristaux de glace, de forme hexagonale. [49] L'identifiant METAR pour la poussière de diamant dans les rapports météorologiques horaires internationaux est IC. [34]

Déposition occulte

Le dépôt occulte se produit lorsque le brouillard ou l'air fortement saturé de vapeur d'eau interagit avec les feuilles des arbres ou des arbustes sur lesquels il passe. [50]

Causes

Activité frontale

Les précipitations stratiformes ou dynamiques se produisent à la suite d'une lente ascension de l'air dans les systèmes synoptiques (de l'ordre de cm/s), comme au-dessus des fronts froids de surface et au-dessus et en avant des fronts chauds . Une ascension similaire est observée autour des cyclones tropicaux à l' extérieur du mur de l' œil et dans les modèles de précipitations en virgule autour des cyclones de latitude moyenne . [51] Une grande variété de conditions météorologiques peut être trouvée le long d'un front occlus, avec des orages possibles, mais généralement leur passage est associé à un dessèchement de la masse d'air. Les fronts occlus se forment généralement autour des zones de basse pression matures. [52] Des précipitations peuvent se produire sur des corps célestes autres que la Terre. Lorsqu'il fait froid, Mars reçoit des précipitations qui prennent probablement la forme d'aiguilles de glace, plutôt que de pluie ou de neige. [53]

Convection

Précipitations convectives

La pluie convective , ou précipitation averse, se produit à partir de nuages ​​convectifs, par exemple cumulonimbus ou cumulus congestus . Il tombe sous forme d'averses dont l'intensité change rapidement. Les précipitations convectives tombent sur une certaine zone pendant une période relativement courte, car les nuages ​​convectifs ont une étendue horizontale limitée. La plupart des précipitations sous les tropiques semblent être convectives; cependant, il a été suggéré que des précipitations stratiformes se produisent également. [32] [51] Graupel et grêle indiquent la convection. [54] Aux latitudes moyennes, les précipitations convectives sont intermittentes et souvent associées aux limites baroclines telles que les fronts froids , les lignes de grains, et les fronts chauds. [55]

Effets orographiques

Précipitations orographiques

Les précipitations orographiques se produisent du côté au vent (au vent) des montagnes et sont causées par le mouvement ascendant de l'air d'un flux d'air humide à grande échelle à travers la crête de la montagne, entraînant un refroidissement adiabatique et une condensation. Dans les régions montagneuses du monde soumises à des vents relativement constants (par exemple, les alizés ), un climat plus humide prévaut généralement du côté au vent d'une montagne que du côté sous le vent ou sous le vent. L'humidité est éliminée par levage orographique, laissant de l'air plus sec (voir vent catabatique ) sur le côté sous le vent descendant et généralement réchauffant où une ombre de pluie est observée. [27]

À Hawaï , le mont Waiʻaleʻale , sur l'île de Kauai, se distingue par ses précipitations extrêmes, car il a la deuxième pluviométrie annuelle moyenne la plus élevée sur Terre, avec 12 000 millimètres (460 pouces). [56] Les systèmes de tempête affectent l'état avec de fortes pluies entre octobre et mars. Les climats locaux varient considérablement sur chaque île en raison de leur topographie, divisible en régions au vent ( Koʻolau ) et sous le vent ( Kona ) en fonction de leur emplacement par rapport aux hautes montagnes. Les côtés au vent font face aux alizés d' est à nord - est et reçoivent beaucoup plus de précipitations; les côtés sous le vent sont plus secs et plus ensoleillés, avec moins de pluie et moins de couverture nuageuse. [57]

En Amérique du Sud, la chaîne de montagnes des Andes bloque l'humidité du Pacifique qui arrive sur ce continent, créant un climat désertique juste sous le vent dans l'ouest de l'Argentine. [58] La chaîne de Sierra Nevada crée le même effet en Amérique du Nord formant le Grand Bassin et les déserts de Mojave . [59] [60] De même, en Asie, les montagnes de l'Himalaya créent un obstacle aux moussons qui entraînent des précipitations extrêmement élevées du côté sud et des niveaux de précipitations plus faibles du côté nord.

Neige

Bandes de neige à effet de lac près de la péninsule coréenne début décembre 2008

Les cyclones extratropicaux peuvent apporter des conditions froides et dangereuses avec de fortes pluies et de la neige avec des vents dépassant 119 km/h (74 mph), [61] (parfois appelés tempêtes de vent en Europe). La bande de précipitations associée à leur front chaud est souvent étendue, forcée par un faible mouvement vertical ascendant de l'air au-dessus de la limite frontale qui se condense en se refroidissant et produit des précipitations dans une bande allongée, [62] qui est large et stratiforme , ce qui signifie tombant des nuages de nimbostratus . [63] Lorsque l'air humide essaie de déloger une masse d'air arctique, la neige qui déborde peut se produire dans le côté polaire de labande de précipitation . Dans l'hémisphère nord, le pôle est vers le pôle Nord, ou nord. Dans l'hémisphère sud, vers le pôle est vers le pôle Sud, ou sud.

Au sud-ouest des cyclones extratropicaux, le flux cyclonique incurvé amenant de l'air froid à travers les plans d'eau relativement chauds peut conduire à des bandes de neige à effet de lac étroites . Ces bandes apportent de fortes chutes de neige localisées qui peuvent être comprises comme suit : Les grands plans d'eau tels que les lacs stockent efficacement la chaleur, ce qui entraîne des différences de température importantes (supérieures à 13 °C ou 23 °F) entre la surface de l'eau et l'air au-dessus. [64]En raison de cette différence de température, la chaleur et l'humidité sont transportées vers le haut, se condensant en nuages ​​orientés verticalement (voir image satellite) qui produisent des averses de neige. La diminution de la température avec la hauteur et la profondeur des nuages ​​est directement affectée à la fois par la température de l'eau et l'environnement à grande échelle. Plus la température diminue avec l'altitude, plus les nuages ​​deviennent profonds et plus le taux de précipitation augmente. [65]

Dans les régions montagneuses, les fortes chutes de neige s'accumulent lorsque l'air est forcé de gravir les montagnes et d'évacuer les précipitations le long de leurs pentes exposées au vent, qui, par temps froid, tombent sous forme de neige. En raison de la rugosité du terrain, la prévision de l'emplacement des fortes chutes de neige reste un défi important. [66]

Dans les tropiques

Répartition des précipitations par mois à Cairns montrant l'étendue de la saison des pluies à cet endroit

La saison des pluies ou des pluies est la période de l'année, couvrant un ou plusieurs mois, où tombe la plupart des précipitations annuelles moyennes dans une région. [67] Le terme saison verte est aussi parfois utilisé comme euphémisme par les autorités touristiques. [68] Les zones avec des saisons humides sont dispersées à travers des portions des tropiques et subtropicales. [69] Les climats de savane et les zones avec des régimes de mousson ont des étés humides et des hivers secs. Les forêts tropicales humides n'ont techniquement pas de saisons sèches ou humides, car leurs précipitations sont également réparties tout au long de l'année. [70] Certaines zones à saisons pluvieuses prononcées connaîtront une rupture des précipitations à mi-saison lorsque la zone de convergence intertropicaleou le creux de mousson se déplace vers le pôle de leur emplacement au milieu de la saison chaude. [31] Lorsque la saison des pluies se produit pendant la saison chaude, ou l'été, la pluie tombe principalement en fin d'après-midi et en début de soirée. La saison des pluies est un moment où la qualité de l'air s'améliore, [71] la qualité de l'eau douce s'améliore, [72] [73] et la végétation se développe de manière significative. Les nutriments du sol diminuent et l'érosion augmente. [31] Les animaux ont des stratégies d'adaptation et de survie pour le régime plus humide. La saison sèche précédente a entraîné des pénuries alimentaires jusqu'à la saison des pluies, car les cultures n'ont pas encore mûri. Les pays en développement ont noté que leurs populations présentent des fluctuations de poids saisonnières dues aux pénuries alimentaires observées avant la première récolte, qui survient tard dans la saison des pluies. [74]

Les cyclones tropicaux, source de très fortes précipitations, consistent en de grandes masses d'air de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre avec une basse pression au centre et des vents soufflant vers le centre dans le sens des aiguilles d'une montre (hémisphère sud) ou dans le sens inverse (hémisphère nord). [75] Bien que les cyclones puissent avoir un coût énorme en vies humaines et en biens personnels, ils peuvent être des facteurs importants dans les régimes de précipitations des endroits qu'ils impactent, car ils peuvent apporter des précipitations indispensables dans des régions autrement sèches. [76] Les zones sur leur passage peuvent recevoir l'équivalent d'un an de précipitations d'un passage de cyclone tropical. [77]

Distribution géographique à grande échelle

À grande échelle, les quantités de précipitations les plus élevées en dehors de la topographie tombent sous les tropiques, étroitement liées à la zone de convergence intertropicale , elle-même la branche ascendante de la cellule de Hadley . Les régions montagneuses près de l'équateur en Colombie sont parmi les endroits les plus humides de la planète. [78] Au nord et au sud se trouvent des régions d'air descendant qui forment des crêtes subtropicales où les précipitations sont faibles; [79] la surface terrestre sous ces crêtes est généralement aride, et ces régions constituent la plupart des déserts de la Terre. [80] Une exception à cette règle est à Hawaï, où le flux ascendant dû aux alizés conduit à l'un des endroits les plus humides de la Terre.[81] Sinon, le flux des Westerlies dans les montagnes Rocheuses conduit aux emplacementsles plus humides et les plus enneigés d'altitude [82] en Amérique du Nord. En Asie pendant la saison des pluies, le flux d'air humide dans l'Himalaya entraîne certaines des plus grandes quantités de précipitations mesurées sur Terre dans le nord-est de l'Inde.

Mesure

Pluviomètre standard

Le moyen standard de mesurer les précipitations ou les chutes de neige est le pluviomètre standard, que l'on peut trouver en plastique de 100 mm (4 pouces) et en métal de 200 mm (8 pouces). [83]Le cylindre intérieur est rempli de 25 mm (1 po) de pluie, le trop-plein s'écoulant dans le cylindre extérieur. Les jauges en plastique ont des marquages ​​sur le cylindre intérieur jusqu'à une résolution de 0,25 mm (0,01 in), tandis que les jauges en métal nécessitent l'utilisation d'un bâton conçu avec les marquages ​​appropriés de 0,25 mm (0,01 in). Une fois le cylindre intérieur rempli, la quantité à l'intérieur est jetée, puis remplie avec les précipitations restantes dans le cylindre extérieur jusqu'à ce que tout le liquide dans le cylindre extérieur soit parti, s'ajoutant au total global jusqu'à ce que le cylindre extérieur soit vide. Ces jauges sont utilisées en hiver en enlevant l'entonnoir et le cylindre intérieur et en permettant à la neige et à la pluie verglaçante de s'accumuler à l'intérieur du cylindre extérieur. Certains ajoutent de l'antigel à leur jauge afin de ne pas avoir à faire fondre la neige ou la glace qui tombe dans la jauge. [84] Une fois que la neige/glace a fini de s'accumuler, ou à l'approche de 300 mm (12 po), on peut soit l'amener à l'intérieur pour la faire fondre, soit utiliser de l'eau tiède pour remplir le cylindre intérieur afin de faire fondre les précipitations gelées dans le cylindre extérieur , en gardant une trace du fluide chaud ajouté, qui est ensuite soustrait du total global une fois que toute la glace/neige est fondue. [85]

D'autres types de pluviomètres comprennent le pluviomètre à coin (le pluviomètre le moins cher et le plus fragile), le pluviomètre à auget basculeur et le pluviomètre à pesée . [86]Les jauges à coin et à godet basculant ont des problèmes avec la neige. Les tentatives pour compenser la neige/glace en réchauffant le godet basculant rencontrent un succès limité, car la neige peut se sublimer si la jauge est maintenue bien au-dessus du point de congélation. Les jauges de pesage avec antigel devraient faire l'affaire avec la neige, mais encore une fois, l'entonnoir doit être retiré avant le début de l'événement. Pour ceux qui cherchent à mesurer les précipitations à moindre coût, une boîte cylindrique avec des côtés droits fera office de pluviomètre si elle est laissée à l'air libre, mais sa précision dépendra de la règle utilisée pour mesurer la pluie. N'importe lequel des pluviomètres ci-dessus peut être fabriqué à la maison, avec suffisamment de savoir-faire . [87]

Lorsqu'une mesure des précipitations est effectuée, divers réseaux existent aux États-Unis et ailleurs où les mesures des précipitations peuvent être soumises via Internet, tels que CoCoRAHS ou GLOBE . [88] [89] Si un réseau n'est pas disponible dans la région où l'on vit, le bureau météorologique local le plus proche sera probablement intéressé par la mesure. [90]

Définition de l'hydrométéor

Un concept utilisé dans la mesure des précipitations est l'hydrométéore. Toutes les particules d'eau liquide ou solide dans l'atmosphère sont appelées hydrométéores. Les formations dues à la condensation, telles que les nuages, la brume , le brouillard et la brume, sont composées d'hydrométéores. Tous les types de précipitations sont constitués par définition d'hydrométéores, dont la virga , qui est une précipitation qui s'évapore avant d'atteindre le sol. Les particules soufflées de la surface de la Terre par le vent, telles que la poudrerie et les embruns marins, sont également des hydrométéores , tout comme la grêle et la neige . [91]

Estimations satellites

Bien que les pluviomètres de surface soient considérés comme la norme pour mesurer les précipitations, il existe de nombreux domaines dans lesquels leur utilisation n'est pas possible. Cela comprend les vastes étendues d'océans et les zones terrestres éloignées. Dans d'autres cas, des problèmes sociaux, techniques ou administratifs empêchent la diffusion des observations de jauge. En conséquence, le record mondial moderne des précipitations dépend en grande partie des observations satellitaires. [92]

Les capteurs satellitaires fonctionnent en détectant à distance les précipitations, en enregistrant diverses parties du spectre électromagnétique qui, selon la théorie et la pratique, sont liées à l'occurrence et à l'intensité des précipitations. Les capteurs sont presque exclusivement passifs, enregistrant ce qu'ils voient, à la manière d'une caméra, contrairement aux capteurs actifs ( radar , lidar ) qui envoient un signal et détectent son impact sur la zone observée.

Les capteurs satellitaires actuellement utilisés dans la pratique pour les précipitations se répartissent en deux catégories. Les capteurs infrarouges thermiques (IR) enregistrent un canal d'environ 11 microns de longueur d'onde et donnent principalement des informations sur le sommet des nuages. En raison de la structure typique de l'atmosphère, les températures au sommet des nuages ​​sont approximativement inversement proportionnelles à la hauteur du sommet des nuages, ce qui signifie que les nuages ​​plus froids se produisent presque toujours à des altitudes plus élevées. De plus, les sommets nuageux avec beaucoup de variations à petite échelle sont susceptibles d'être plus vigoureux que les nuages ​​à sommet lisse. Divers schémas mathématiques, ou algorithmes, utilisent ces propriétés et d'autres pour estimer les précipitations à partir des données IR. [93]

La deuxième catégorie de canaux de capteurs se situe dans la partie hyperfréquence du spectre électromagnétique. Les fréquences utilisées vont d'environ 10 gigahertz à quelques centaines de GHz. Les canaux jusqu'à environ 37 GHz fournissent principalement des informations sur les hydrométéores liquides (pluie et bruine) dans les parties inférieures des nuages, avec de plus grandes quantités de liquide émettant des quantités plus élevées d' énergie rayonnante micro-ondes . Les canaux au-dessus de 37 GHz affichent des signaux d'émission, mais sont dominés par l'action d'hydrométéores solides (neige, graupel, etc.) pour diffuser l'énergie radiante micro-onde. Des satellites tels que la mission de mesure des précipitations tropicales (TRMM) et la mission de mesure des précipitations mondiales (GPM) utilisent des capteurs à micro-ondes pour former des estimations des précipitations.

Il a été démontré que des canaux et des produits de capteurs supplémentaires fournissent des informations utiles supplémentaires, notamment des canaux visibles, des canaux IR supplémentaires, des canaux de vapeur d'eau et des récupérations de sondages atmosphériques. Cependant, la plupart des ensembles de données sur les précipitations actuellement utilisés n'utilisent pas ces sources de données. [94]

Ensembles de données satellitaires

Les estimations IR ont une compétence assez faible à des échelles temporelles et spatiales courtes, mais sont disponibles très fréquemment (15 minutes ou plus souvent) à partir de satellites en géosynchrone.orbite terrestre. L'IR fonctionne mieux dans les cas de convection profonde et vigoureuse, comme les tropiques, et devient progressivement moins utile dans les zones où les précipitations stratiformes (couches) dominent, en particulier dans les régions de latitude moyenne et élevée. La connexion physique plus directe entre les hydrométéores et les canaux hyperfréquences confère aux estimations hyperfréquences une plus grande compétence sur des échelles de temps et d'espace courtes que ce n'est le cas pour l'IR. Cependant, les capteurs à micro-ondes ne volent que sur des satellites en orbite terrestre basse, et ils sont assez peu nombreux pour que le temps moyen entre les observations dépasse trois heures. Cet intervalle de plusieurs heures est insuffisant pour documenter adéquatement les précipitations en raison de la nature transitoire de la plupart des systèmes de précipitations ainsi que de l'incapacité d'un seul satellite à saisir correctement le cycle quotidien typique des précipitations à un endroit donné.

Depuis la fin des années 1990, plusieurs algorithmes ont été développés pour combiner les données de précipitations provenant de plusieurs capteurs de satellites, cherchant à souligner les points forts et à minimiser les faiblesses des ensembles de données d'entrée individuels. L'objectif est de fournir les « meilleures » estimations des précipitations sur une grille spatio-temporelle uniforme, généralement pour la plus grande partie possible du globe. Dans certains cas, l'homogénéité à long terme de l'ensemble de données est soulignée, ce qui est la norme d' enregistrement des données climatiques .

Dans d'autres cas, l'objectif est de produire la meilleure estimation satellitaire instantanée, ce qui est l'approche du produit de précipitation à haute résolution. Dans les deux cas, bien sûr, l'objectif moins souligné est également considéré comme souhaitable. L'un des principaux résultats des études multisatellites est que même une petite quantité de données de jauge de surface est très utile pour contrôler les biais endémiques aux estimations satellitaires. Les difficultés liées à l'utilisation des données de jauge sont que 1) leur disponibilité est limitée, comme indiqué ci-dessus, et 2) les meilleures analyses des données de jauge prennent deux mois ou plus après la période d'observation pour subir la transmission, l'assemblage, le traitement et le contrôle qualité nécessaires. Ainsi, les estimations de précipitations qui incluent des données de jauge ont tendance à être produites plus loin après l'heure d'observation que les estimations sans jauge. Par conséquent,bien que les estimations qui incluent des données de jauge puissent fournir une description plus précise des « vraies » précipitations, elles ne sont généralement pas adaptées aux applications en temps réel ou quasi réel.

Le travail décrit a abouti à une variété d'ensembles de données possédant différents formats, grilles spatio-temporelles, périodes d'enregistrement et régions de couverture, ensembles de données d'entrée et procédures d'analyse, ainsi que de nombreuses formes différentes d'indicateurs de version d'ensemble de données. [95] Dans de nombreux cas, l'un des ensembles de données multi-satellites modernes est le meilleur choix pour une utilisation générale.

Période de retour

La probabilité ou la probabilité d'un événement avec une intensité et une durée spécifiées est appelée période ou fréquence de retour . [96] L'intensité d'une tempête peut être prédite pour n'importe quelle période de retour et durée de tempête, à partir de cartes basées sur des données historiques pour l'emplacement. [97] Le terme tempête de 1 an sur 10 décrit un événement pluvieux qui est rare et n'est susceptible de se produire qu'une fois tous les 10 ans, il a donc une probabilité de 10 pour cent une année donnée. Les précipitations seront plus importantes et les inondations seront pires que la pire tempête attendue en une seule année. Le terme tempête de 1 sur 100 ansdécrit un événement pluvieux qui est extrêmement rare et qui se produira avec une probabilité d'une seule fois par siècle, a donc une probabilité de 1 pour cent au cours d'une année donnée. Les précipitations seront extrêmes et les inondations seront pires qu'un événement sur 10 ans. Comme pour tous les événements de probabilité, il est possible, bien qu'improbable, d'avoir deux « tempêtes sur 100 ans » en une seule année. [98]

Configuration inégale des précipitations

Une partie importante des précipitations annuelles dans un endroit particulier tombe sur quelques jours seulement, généralement environ 50 % au cours des 12 jours avec le plus de précipitations. [99]

Rôle dans la classification climatique de Köppen

Carte climatique Köppen-Geiger mise à jour [100]
  Un F
  Un m
  Aw/As
  BWh
  BWk
  BSh
  BSc
  CSA
  Csb
  Csc
  Cwa
  Cwb
  Cwc
  CFA
  Cfb
  Cfc
  Dsa
  DSB
  DSC
  Dsd
  Dwa
  Dwb
  Dwc
  Dwd
  DFA
  Dfb
  Dfc
  Dfd
  HE
  EF

La classification de Köppen dépend des valeurs mensuelles moyennes de température et de précipitation. La forme la plus couramment utilisée de la classification de Köppen a cinq types primaires étiquetés A à E. Plus précisément, les types primaires sont A, tropical; B, sec ; C, moyenne latitude moyenne ; D, à mi-latitude froide ; et E, polaire. Les cinq catégories principales peuvent être divisées en classes secondaires tels que la forêt tropicale , la mousson , la savane tropicale , subtropicale humide , continental humide , climat océanique , climat méditerranéen , steppe , climat subarctique , toundra , calotte polaire, et désert .

Les forêts tropicales sont caractérisées par des précipitations élevées, avec des définitions fixant les précipitations annuelles normales minimales entre 1 750 et 2 000 mm (69 et 79 pouces). [101] Une savane tropicale est un biome de prairie situé dans des régions climatiques semi-arides à semi-humides des latitudes subtropicales et tropicales, avec des précipitations comprises entre 750 et 1 270 mm (30 et 50 pouces) par an. Ils sont répandus en Afrique et se trouvent également en Inde, dans le nord de l'Amérique du Sud, en Malaisie et en Australie. [102] La zone climatique subtropicale humide est l'endroit où les précipitations hivernales (et parfois les chutes de neige) sont associées à de grandes tempêtes que les vents d'ouest dirigent d'ouest en est. La plupart des précipitations estivales se produisent lors d'orages et de cyclones tropicaux occasionnels. [103] Les climats subtropicaux humides se trouvent sur les continents du côté est, à peu près entre les latitudes 20° et 40° de l'équateur. [104]

Un climat océanique (ou maritime) se trouve généralement le long des côtes ouest aux latitudes moyennes de tous les continents du monde, bordant les océans frais, ainsi que le sud-est de l'Australie, et s'accompagne de précipitations abondantes toute l'année. [105] Le régime climatique méditerranéen ressemble au climat des terres du bassin méditerranéen, de certaines parties de l'ouest de l'Amérique du Nord, de certaines parties de l'ouest et du sud de l'Australie, du sud-ouest de l'Afrique du Sud et de certaines parties du centre du Chili. Le climat se caractérise par des étés chauds et secs et des hivers frais et humides. [106] Une steppe est une prairie sèche. [107] Les climats subarctiques sont froids avec un pergélisol continu et peu de précipitations. [108]

Effet sur l'agriculture

Estimations des précipitations pour le sud du Japon et la région environnante du 20 au 27 juillet 2009.

Les précipitations, en particulier la pluie, ont un effet dramatique sur l'agriculture. Toutes les plantes ont besoin d'au moins un peu d'eau pour survivre, c'est pourquoi la pluie (étant le moyen d'arrosage le plus efficace) est importante pour l'agriculture. Alors qu'un régime de pluie régulier est généralement vital pour des plantes saines, trop ou trop peu de précipitations peuvent être nocives, voire dévastatrices pour les cultures. La sécheresse peut tuer les cultures et augmenter l'érosion, [109] tandis qu'un temps trop humide peut provoquer la croissance de champignons nuisibles. [110] Les plantes ont besoin de quantités variables de précipitations pour survivre. Par exemple, certains cactus nécessitent de petites quantités d'eau, [111] tandis que les plantes tropicales peuvent avoir besoin de plusieurs centaines de centimètres de pluie par an pour survivre.

Dans les régions à saisons sèches et humides, les éléments nutritifs du sol diminuent et l'érosion augmente pendant la saison humide. [31] Les animaux ont des stratégies d'adaptation et de survie pour le régime plus humide. La saison sèche précédente a entraîné des pénuries alimentaires jusqu'à la saison des pluies, car les cultures n'ont pas encore mûri. [112] Les pays en développement ont noté que leurs populations présentent des fluctuations de poids saisonnières dues aux pénuries alimentaires observées avant la première récolte, qui survient tard dans la saison des pluies. [74]

Changements dus au réchauffement climatique

L'augmentation des températures a tendance à augmenter l'évaporation, ce qui entraîne plus de précipitations. Les précipitations ont généralement augmenté sur les terres au nord de 30°N de 1900 à 2005, mais ont diminué sur les tropiques depuis les années 1970. À l'échelle mondiale, il n'y a pas eu de tendance globale statistiquement significative des précipitations au cours du siècle dernier, bien que les tendances aient varié considérablement selon les régions et au fil du temps. En 2018, une étude évaluant les changements dans les précipitations à travers les échelles spatiales à l'aide d'un ensemble de données de précipitations mondiales à haute résolution de plus de 33 ans, a conclu que « Bien qu'il existe des tendances régionales, il n'y a aucune preuve d'augmentation des précipitations à l'échelle mondiale en réponse à le réchauffement climatique observé." [113]

Chaque région du monde va connaître des changements dans les précipitations en raison de ses conditions uniques. Les parties orientales de l'Amérique du Nord et du Sud, de l'Europe du Nord et de l'Asie du Nord et centrale sont devenues plus humides. Le Sahel, la Méditerranée, l'Afrique australe et certaines parties de l'Asie du Sud sont devenus plus secs. Il y a eu une augmentation du nombre d'événements de fortes précipitations dans de nombreuses régions au cours du siècle dernier, ainsi qu'une augmentation depuis les années 1970 de la prévalence des sécheresses, en particulier dans les régions tropicales et subtropicales. Les changements dans les précipitations et l'évaporation au-dessus des océans sont suggérés par la diminution de la salinité des eaux des latitudes moyennes et élevées (impliquant plus de précipitations), ainsi qu'une salinité accrue dans les latitudes inférieures (impliquant moins de précipitations, plus d'évaporation, ou les deux). Sur les États-Unis contigus,les précipitations annuelles totales ont augmenté à un taux moyen de 6,1 % par siècle depuis 1900, avec les plus fortes augmentations dans la région climatique du centre-nord-est (11,6 % par siècle) et du sud (11,1 %). Hawaï est la seule région à afficher une baisse (−9,25 %).[114]

Changements dus à l'îlot de chaleur urbain

Image d' Atlanta, Géorgie , montrant la répartition de la température, avec des zones chaudes apparaissant en blanc

L' îlot de chaleur urbain réchauffe les villes de 0,6 à 5,6 °C (1,1 à 10,1 °F) au-dessus des banlieues environnantes et des zones rurales. Cette chaleur supplémentaire entraîne un mouvement ascendant plus important, ce qui peut induire une activité supplémentaire d'averses et d'orages. Les taux de précipitations sous le vent des villes sont augmentés entre 48% et 116%. En partie à cause de ce réchauffement, les précipitations mensuelles sont d'environ 28 % plus élevées entre 32 et 64 kilomètres (20 à 40 mi) sous le vent des villes, par rapport au vent. [115] Certaines villes induisent une augmentation totale des précipitations de 51 %. [116]

Prévision

Exemple de prévision des précipitations à cinq jours du Centre de prévision hydrométéorologique

La prévision quantitative des précipitations (en abrégé QPF) est la quantité attendue de précipitations liquides accumulées sur une période de temps spécifiée sur une zone spécifiée. [117] Un QPF sera spécifié lorsqu'un type de précipitation mesurable atteignant un seuil minimum est prévu pour n'importe quelle heure au cours d'une période de validité QPF. Les prévisions de précipitations ont tendance à être liées par des heures synoptiques telles que 0000, 0600, 1200 et 1800 GMT . Le terrain est pris en compte dans les QPF en utilisant la topographie ou en se basant sur les modèles de précipitations climatologiques à partir d'observations très détaillées. [118] À partir du milieu jusqu'à la fin des années 1990, les QPF ont été utilisés dans les modèles de prévision hydrologique pour simuler l'impact sur les rivières à travers les États-Unis. [119] Modèles de prévisionmontrent une sensibilité significative aux niveaux d'humidité dans la couche limite planétaire , ou dans les niveaux les plus bas de l'atmosphère, qui diminue avec l'altitude. [120] Le FPQ peut être généré sur une base quantitative, prévisionnelle, ou qualitative, prévoyant la probabilité d'un montant spécifique . [121] Les techniques de prévision par imagerie radar montrent une plus grande compétence que les prévisions du modèle dans les six à sept heures suivant l'heure de l'image radar. Les prévisions peuvent être vérifiées à l'aide de mesures de pluviomètre , d' estimations de radar météorologique ou d'une combinaison des deux. Divers scores de compétence peuvent être déterminés pour mesurer la valeur de la prévision des précipitations.[122]

Voir aussi

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