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Les précipitations Météo-France MeteoPhil http://meteophil.free.fr Cours de météorologie PRECIPITATIONS Page 1/14 LES PRECIPITATIONS 1. GENERALITES SUR LES PRECIPITATIONS Un nuage est un ensemble de gouttelettes d’eau et/ou de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère du fait de leur faible masse volumique, de la résistance de l’air et des mouvements ascendants existant dans l’atmosphère, aussi faibles soient-ils. Lorsque le poids de ces gouttelettes d’eau vient à être plus important que les forces qui les maintiennent en suspension, ces gouttes précipitent. Le caractère d’une précipitation est défini par : - sa nature ( pluie, bruine, grêle, neige, … ) - son caractère ( continu, intermittent, averse ) - son intensité ( faible, modérée, forte ) On mesure les quantités de précipitations tombées avec un pluviomètre gradué en fonction de sa surface de réception des précipitations. L’unité de mesure est le millimètre 1 mm = 1 litre d’eau / m² 1 mm = 10 tonnes d’eau / hectare Intensité des précipitations : Faible inférieure 3 mm / heure Modérée de 4 à 7 mm / heure Forte supérieure 7 mm / heure 1. MESURE DES PRECIPITATIONS On pourrait croire qu’une fois tombée, la pluie n’intéresse plus le météorologiste. Faux, car elle représente une nouvelle source d’humidité au sol qui s’évaporera de nouveau au-dessus du sol pour se refroidir et former des nuages ou du brouillard. De plus, les précipitations sont un élément important du cycle de l’eau qui lui même est primordial pour comprendre, prévoir les formations des perturbations et autres phénomènes météorologiques ( brouillard, … ). On utilise donc des pluviomètres pour recueillir les quantités de pluies tombées, mesurées en mm de hauteur. Cette unité est liée en fait à la surface de réception du pluviomètre. 1 mm = 1 litre d’eau / m² soit 10 tonnes d’eau / ha !

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LES PRECIPITATIONS

1. GENERALITES SUR LES PRECIPITATIONS Un nuage est un ensemble de gouttelettes d’eau et/ou de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère du fait de leur faible masse volumique, de la résistance de l’air et des mouvements ascendants existant dans l’atmosphère, aussi faibles soient-ils. Lorsque le poids de ces gouttelettes d’eau vient à être plus important que les forces qui les maintiennent en suspension, ces gouttes précipitent. Le caractère d’une précipitation est défini par :

- sa nature ( pluie, bruine, grêle, neige, … ) - son caractère ( continu, intermittent, averse ) - son intensité ( faible, modérée, forte )

On mesure les quantités de précipitations tombées avec un pluviomètre gradué en fonction de sa surface de réception des précipitations. L’unité de mesure est le millimètre 1 mm = 1 litre d’eau / m² 1 mm = 10 tonnes d’eau / hectare Intensité des précipitations : Faible inférieure 3 mm / heure Modérée de 4 à 7 mm / heure Forte supérieure 7 mm / heure

1. MESURE DES PRECIPITATIONS On pourrait croire qu’une fois tombée, la pluie n’intéresse plus le météorologiste. Faux, car elle représente une nouvelle source d’humidité au sol qui s’évaporera de nouveau au-dessus du sol pour se refroidir et former des nuages ou du brouillard. De plus, les précipitations sont un élément important du cycle de l’eau qui lui même est primordial pour comprendre, prévoir les formations des perturbations et autres phénomènes météorologiques ( brouillard, … ).

On utilise donc des pluviomètres pour recueillir les quantités de pluies tombées, mesurées en mm de hauteur. Cette unité est liée en fait à la surface de réception du pluviomètre. 1 mm = 1 litre d’eau / m² soit 10 tonnes d’eau / ha !

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Basculement pour 0,2 mm Précision: < 8 % selon intensité Dans le futur, les pluviomètres automatiques seront encore plus perfectionnés et pourront détecter la nature des précipitations ( bruine, neige, pluie … )

2. LES RADARS METEOROLOGIQUES

RADAR = RAdio Detection And Range Un radar émet des ondes électromagnétiques dont une petite partie va revenir après avoir toucher une cible. Les radars météorologiques sont utilisés dans le domaine de la détection à distance des zones de précipitations. Ces « radars précipitations » fournissent des informations sur l’intensité mais aussi sur la quantité des précipitations sur une zone donnée. Remarque : Le développement actuel des radars permet de reconstituer le profil vertical de la température ou du vent ( radar ST ) En 2002, le réseau de radars précipitations de Météo-France ( ARAMIS ) couvre l’ensemble du territoire français avec 19 radars :

Abbeville Arcis Bollène Bordeaux Bourges Brest Collobrières Falaise Grèzes Lyon Nancy Nimes Opoul Plabennec Saint Nizier

Sembadel Toulouse Trappes Treillières

Les radars météorologiques précipitations ont une longueur d’onde actuellement entre 5 et 10 cm et leur rayon d’action de détection est de l’ordre de 200 km, mais 100 km pour ce qui est de donner une intensité.

© Météo-France © Météo-France

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2.1 PRINCIPE DE LA MESURE :

1. Emission d’une onde électromagnétique par le radar

2. Cette onde traverse une zone de précipitations mais une partie est rétro diffusée

3. Une infime partie du signal rétro diffusé est reçu en retour

l d

r

t × c

2 r =

L’onde se déplace à la vitesse de la lumière c . Pendant la durée t, elle a parcouru la distance 2r ( aller-retour ).

L’émission représente quelques centaines de kilowatts. Une infime partie de ce signal émis est reçue sur la parabole du radar ( quelques µW ).

La baisse de ce signal est fonction de la nature des précipitations, de leur intensité, de leur distance …

to to + t/2 to + t

Radar MELODI Radar RODIN λ = 10,7 cm λ = 5,2 cm P = 700 kW P = 250 kW δ = 1,8 ° δ = 1,3 °

λ = longueur d’onde du faisceau électromagnétique

δ = angle du faisceau

Le MELODI est meilleur que le RODIN. Cependant, il pose des problèmes du fait de sa longueur d’onde élevée, il faut une

parabole de diamètre plus grand ce qui entraîne une plus grande prise au vent

δ

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/////////// ///////////

2.2 SOURCES D’ERREUR DE LA MESURE RADAR

Non détection des précipitations dans les basses couches en portée limite

Difficulté de repérer des précipitations comme la bruine et la neige : ⇒ faible rétro diffusion

Zones masquées : ⇒ par le relief ⇒ fortes précipitations masquant une autre zone de pluie

Echos fixes : ⇒ agglomération urbaine à proximité du radar, ⇒ relief

Sous estimation des précipitations liées à un nuage étroit

Propagation anormale des ondes électromagnétiques ⇒ ionisation de certaines couches atmosphériques ⇒ forte inversion de température

Phénomènes de bandes brillantes aux alentours de l’isotherme 0°C ⇒ association de cristaux de glace et d’eau surfondue

Les informations fournies par les radars précipitations sont très utiles et efficaces mais il convient cependant d’être prudent du fait de ces sources d’erreurs. Il faut donc recouper les informations fournies par les radars avec d’autres informations ( images satellites, observations humaines ) 2.3 RADARS EMBARQUES DANS LES AVIONS Ils sont très utiles en vol et permettent d’avoir une information en temps réel sur les zones de fortes précipitations qui sont souvent liées à des zones de turbulence. Ils permettent également de détecter des Cb. En effet, ces nuages sont souvent liés à de fortes précipitations à caractère orageux. Les échos de ces cellules orageuses possèdent une signature très caractéristique.

////////////

non détecté

////////////

détecté

/ / / / / / Signal atténué après le

passage de cette zone de fortes précipitations

Le signal est une première

fois rétro diffusé

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Rappelons qu’un nuage est un ensemble de minuscules gouttelettes d’eau, de cristaux de glace, maintenus en suspension dans l’air par la résistance de l’air, par de faibles mouvements ascendants. Pour qu’une précipitation se produise, il faut donc un accroissement considérable de la taille des éléments présents dans les nuages, leur poids devenant alors suffisant pour vaincre ces forces d’agitations. Ce phénomène s’appelle Précipitation et s’explique par deux processus ...

3. MECANISME DES PRECIPITATIONS 3.1 L’EFFET BERGERON Du nom du météorologiste Norvégien qui a mis en évidence ce phénomène en 1933

97% des précipitations à nos latitudes prennent naissance dans des nuages à température négative où coexistent à la fois cristaux de glace , minuscules gouttelettes d’eau surfondue.

Le cristal de glace va jouer le rôle de noyau de condensation. Il va y avoir, pour des raisons physiques, condensation autour des cristaux de glace, évaporation des gouttelettes d’eau, soit au total un transfert d’eau vers les cristaux qui vont grossir. Lorsque la masse critique du cristal est suffisante, il précipite, traverse des couches où la température redevient positive ( le plus souvent assez épaisses pour fondre ) et si la durée de chute le permet, il fond : c’est la pluie ! Le diamètre des gouttelettes d’eau constituant un nuage varie entre 2 et 200 µm. L’effet Bergeron permet d’amener leur diamètre autour des 100 µm pour les plus petites. Remarque : 97 % des précipitations à nos latitudes proviennent de nuages dont le sommet est à température négative. Les images satellites infra-rouge vont donc fortement nous intéresser, car elles nous permettent de connaître la température du sommet des nuages. Mais ce n’est qu’un élément. Cependant, l’effet Bergeron a une vitesse limitée. Alors qu’on remarque souvent des précipitations peu de temps après la formation d’un nuage convectif ( Cu, Cb ), il faut donc concevoir un second processus qui accélère le grossissement des gouttelettes d’eau, c’est l’effet de coalescence ou de captation.

Cristal de glace Gouttelette d’eau surfondue

© Météo-France

© Météo-France

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3.2 L’EFFET DE COALESCENCE OU CAPTATION

Du fait de la dispersion des vitesses des particules, les cristaux de glace qui se déplacent dans le nuage, soit en chute libre, soit par turbulence, entrent en collision avec les gouttelettes d’eau surfondue. Il y a donc grossissement par rencontre et agrégation des particules, la congélation des gouttelettes au moment de l’impact, augmentant le volume des cristaux .

Ce processus existe aussi pour de grosses gouttelettes d’eau > 30 µm qui entrent en collision avec des gouttelettes d’eau de diamètre inférieur. Ce processus provoque un accroissement rapide de leur dimension et donc de leur masse, ce qui augmente leur vitesse de chute.

L’accrétion est l’agglomération entre cristaux de glaces et gouttelettes surfondues. L’agrégation est l’assemblage entre cristaux.

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4. LES DIFFERENTES PRECIPITATIONS 4.1. LA PLUIE

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Pluie 0,5 à 5 Oui CODE AERONAUTIQUE : RA Précipitation qui tombe le plus souvent d’un altostratus (As), d’un Nimbostratus (Ns) de manière continue, d’un stratocumulus (Sc), d’un cumulus (Cu), d’un Cumulonimbus (Cb) et plus rarement d’un altocumulus (Ac Cas) sous forme d’averses, d’ondées. Le diamètre des gouttes de pluie varie entre 0,5 et 5 à 6 mm. Rappelons que dans le nuage, le diamètre des gouttelettes d’eau varie entre 2 et 200 µm 4.2 LA BRUINE.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Bruine , 0,1 à 0,5 Non CODE AERONAUTIQUE : DZ Précipitation assez uniforme, caractérisée par de très fines gouttes d’eau très rapprochées qui tombent d’un stratus. Les gouttes semblent même parfois flotter dans l’air de sorte que les mouvements atmosphériques les plus faibles deviennent apparents. De la bruine modérée donnera en moyenne 0,8 mm/heure. 4.2.1 LA BRUINE SURFONDUE. CODE AERONAUTIQUE : Il s’agit de bruine dont la température des gouttes est inférieure à 0°C. Les gouttelettes se congèlent au moment de leur impact sur le sol, sur les objets. Il s’agit bien évidemment d’un phénomène dangereux.

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4.3 LA NEIGE.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Neige 2 à 20 (flocons)

Non Non

+1 à -5

CODE AERONAUTIQUE : SN

Précipitations de cristaux de glace, isolés ou soudés, qui tombent d’un altostratus, d’un nimbostratus, et des nuages de l’étage inférieur. Une chute de neige comprend habituellement différents types de cristaux de neige et il peut arriver qu’on observe presque tous les types de cristaux au cours d’une précipitation. Lorsque la température descend en-dessous de -5°C, les cristaux sont généralement agglomérés en flocons.

4.3.1 PROCESSUS DE FORMATION. 2 phases dans le processus de formation de la neige : • Formation d’une particule de glace, “germe

initial” • Croissance de ce “germe initial” par effet

Bergeron Ces “germes” ont une structure hexagonale dont la maille élémentaire est le prisme à base hexagonale. Ces “germes” évoluent en fonction de la température :

-6°C croissance dans la direction (c) et formation d ’aiguilles ou de colonnes

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-12°C croissance dans la direction (a) et formation de plaquettes

- 13 à -16°C croissance maximale sur les arêtes (b) et formation d ’étoiles

La neige tombe à une vitesse de chute de 1 à 2 m/s la température au voisinage du sol intervient dans la qualité et le poids de la neige fraîche. Pour une température de -10°C on a une neige de 50 kg/m3 Pour une température de 0°C, on a une neige de 100 kg/m3

La neige prend des noms différents en fonction de sa forme et de son degré de transparence :

les granules de glace sous un As, ou d’un Ns, la neige en grains sous un St, ou un brouillard, la neige roulée sous un Sc, un Cu, et un Cb.

4.4 LES GRANULES DE GLACE.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Granules de glace < 5 Oui Non

Précipitations de particules de glace transparente tombant d’un As ou Ns, relativement sphéroïdales ou plus rarement coniques de diamètre inférieur à 5 mm. Ils s ’agit de gouttes de pluie congelées une première fois ( ou de flocons de neige ) qui ont traversé une couche d ’air plus chaude et ont donc presque entièrement fondue et qui se recongèlent de nouveau avant d ’arriver au sol.

T < 0°C

T > 0°C

T < 0°C

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4.5 LA NEIGE EN GRAINS.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Neige en grains < 1 Non Non 0 à -10

CODE AERONAUTIQUE : Précipitations de très petites particules de glace tombant sous un St ( ou avec du brouillard ) relativement plates et allongées, dont le diamètre ne dépasse pas 1mm. Le processus de formation est la coalescence, les gouttelettes en surfusion se congelant par contact, au cours de leur chute. La neige en grains apparaît quand la température en surface est approximativement comprise entre 0 et -10°C. 4.6. LA NEIGE ROULEE.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Neige roulée 1 à 5 Oui Oui = 0

CODE AERONAUTIQUE : Précipitation de particules de glace tombant sous un Sc, un Cu ou un Cb, d ’aspect général conique ou arrondi. Leur diamètre peut atteindre 5 mm. La neige roulée se forme par captation de gouttelettes congelées sur un noyau central ( cristal de glace ). Les précipitations se présentent en général sous forme d’averses mélangées à des flocons de neige ou des gouttes de pluie et lorsque la température au sol est proche de 0°C. La masse volumique de la neige roulée étant faible ( < 0.8 g/cm3), elle rebondit au sol et souvent se brise ( facilement reconnaissable )

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4.7. LE GRESIL.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Grésil 2 à 5 Oui Non CODE AERONAUTIQUE : GS

Précipitations de granules de glace translucide qui tombe d ’un cumulonimbus et de diamètre inférieur à 5 mm. Le grésil est en fait un état intermédiaire entre la neige roulée et la grêle.

4.8. LA GRÊLE.

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Grêle 5 à 50 Oui CODE AERONAUTIQUE : GR La grêle tombe exclusivement d ’un cumulonimbus.

Elle est constituée d ’une succession de couches de glace transparente d ’au moins 1 mm d ’épaisseur et de couches translucides et est dite structure en pelure d ’oignons. Il peut y avoir jusqu’à 20 couches successives, la moyenne est de 5 couches. Cette structure a été longtemps interprétée comme le résultat d ’une succession de

mouvements ascendants et descendants du grêlon autour de l ’isotherme 0°C. Il semble en fait qu’un grêlon grossit dans les régions du cumulonimbus où la température est négative, par captation d’eau liquide surfondue. Au contact du grêlon, cette eau se congèle et donne de la glace dont l’apparence claire ou opaque dépend de la rapidité de ce processus. Congélation lente ⇒ glace transparente Congélation rapide ⇒ glace opaque ( l’air n’a pas alors le temps de s’échapper )

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Les précipitations

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4.9. LE POUDRIN DE GLACE

Caractères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des

particules en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Poudrin de glace 0,03 à 0,2 < -10

CODE AERONAUTIQUE : Précipitation de très petits cristaux de glace qui tombent par ciel clair, souvent si ténus qu’ils semblent en suspension dans l’atmosphère. Le poudrin de glace s’observe dans les régions polaires et à l’intérieur des continents, surtout par temps clair, calme et froid. Il se forme à une température inférieure à –10°C dans une masse d’air qui se refroidit rapidement.

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Les précipitations

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5. TABLEAU RECAPITULATIF DES PRECIPITATIONS

Caract ères prédominants

Nuages Sur sol dur Précipitations

Symbole

As Ns Sc St Cu Cb Ciel clair

Diamètre des particules

en mm

rebondit

se brise

Sur objets s’étale

T°C de l’air en surface

Pluie RA 0,5 à 5 Oui Bruine DZ , 0,1 à 0,5 Non

Granules de glace

< 5 Oui Non

Neige SN 2 à 20 (flocons)

Non Non

+1 à -5

Neige en grains < 1 Non Non 0 à -10

Neige roulée

1 à 5 Oui Oui = 0

Poudrin de glace 0,03 à 0,2 < -10

Grésil GS 2 à 5 Oui Non Grêle GR 5 à 50 Oui

Caractères des précipitations + ou – uniformes, intermittentes ou continues

Sous forme d’averses

Tableau des hydrométéores : Leurs formes de précipitation avec les nuages qui leurs

sont associés Légende des nuages : As : Altostratus Ns : Nimbostratus Sc : Stratocumulus St : Stratus Cu : Cumulus Cb : Cumulonimbus

© AOL – Source : Météo-France

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5. REPARTITION SPATIALE DE LA PLUVIOMETRIE

REPARTITION DE LA PLUVIOMETRIE

SUR LE GLOBE NORMALES DE 1961 à 1990

Zone Pluviométrie annuelle moyenne

Exemple

1 Régime équatorial

humide > 2000 mm Amazonie

2 Régime subtropical

humide en Amérique du Nord

Entre 1000 et 1500 mm Floride

3 Régime subtropical sec < 250 mm Sud du Maghreb

4 Régime intertropical sous influence des

Alizés > 1500 mm

Côte Est de l’Amérique Centrale

5 Régime continental tempéré Entre 100 et 500 mm

Plaines de l’Ouest des Etats-Unis

6 Régime océanique tempéré Plus de 1000 mm Europe

7 Régime polaire et arctique < 300 mm Grand Nord

Canadien

1

2 3

4

5 6

7