Pluviomètre

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.

Un tel pluviomètre est dit « normal » ou « étalon » quand il est approuvé comme étalon au niveau national[10].

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[11]. Ils sont de plus grande capacité car les relevés peuvent être faits hebdomadairement ou mensuellement.

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 donnant un pluviogramme. Par la suite, le signal provenant du pluviomètre fut 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.

Mécanisme d’un pluviomètre à augets basculants.

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[3]^,[12]. 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 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, magnétique ou optique[3].

Dans un 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 est noté sur le graphique du pluviographe. Dans un système magnétique, un aimant fixé sur l'auget fait commuter un contact magnétique (Interrupteur reed), créant une impulsion à chaque basculement permettant le comptage. Dans un système optique, l'auget qui bascule coupe un faisceau lumineux, ce qui est enregistré par une diode optique et un système informatique fait le décompte[3]. Comme dans le cas des pluviomètres à balance, un système de chauffage peut faire fondre les précipitations neigeuses et permettre de mesurer l’équivalent en eau de neige tombée. Ce système est même nécessaire si l’appareil est utilisé en saison froide[13].

Extérieur d’un pluviomètre à augets basculants où la petite ouverture de l'entonnoir peut être aperçue.

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/h, 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[3]. Dans la bruine, le taux de précipitations est souvent trop faible pour être rapporté également[12]. Certains algorithmes ont été développés pour tenir compte de ces limitations de l’appareil[12]. 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.

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. Lorsque l’appareil est presque plein, une valve permet de le vider automatiquement[14]. Durant les mois d'hiver, de l’antigel est également ajouté pour que l'eau ne gèle pas[15].

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 capteur et transformées en valeurs 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.

Le pluviomètre optique est formé d’un collecteur en entonnoir sous lequel se trouve une photodiode ou une diode laser. Les précipitations sont mesurées par détection d’irrégularités optiques. L'entonnoir dirige les gouttes dans le volume d’échantillonnage au sein du faisceau lumineux. En mesurant l’intensité des scintillations, il peut électroniquement déterminer le débit des précipitations[16].

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 légères comme les flocons de neige[3]. Pour remédier à l'effet du vent, il existe des écrans formés de lamelles verticales placés tout autour du pluviomètre. Ces erreurs sont aléatoires.

La température a divers effets. 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 des précipitations, 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 précipitations noté peut donc être faussé, et les horaires de début et de fin des précipitations indiqués seront plus tardifs qu'en réalité.

Les caractéristiques du collecteur et du mécanisme de prise de mesure donnent des erreurs systématiques qui peuvent être en partie corrigées en utilisant certaines équations correctrices. L'eau a tendance à adhérer 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 cette quantité par rapport à la quantité de pluie peut donc être importante dans le cas de précipitations faibles[3]. 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 augets peut n'enregistrer aucun basculement.

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[3]. 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[3].

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[3].

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-estimations. 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[3]. La distance entre le pluviomètre et un obstacle devrait être supérieure à quatre fois la hauteur de cet obstacle[3].