Processus de crues éclair : édition internationale

Qu'est-ce qu'une crue éclair ?

Des eaux de crue chargées de boue s'engouffrent dans une zone lessivée et submergent une route au Maroc.

Les crues éclair peuvent se produire dans presque toutes les régions du monde. Une crue éclair provoquée par des précipitations est véritablement un phénomène hydrométéorologique puisqu'elle est déterminée tant par les conditions hydrologiques que par les conditions météorologiques. Les crues éclair se distinguent de crues plus étendues ou des crues en général par leur courte durée : de plusieurs minutes à quelques heures.

En raison de la brièveté des délais, il est pratiquement impossible de s'y préparer, comme dans le cas d'une crue classique, en mettant des sacs de sable et en prenant d'autres mesures pour préserver ses biens. La prévision des crues éclair suppose une compréhension approfondie des caractéristiques hydrologiques locales et une surveillance continue de la météorologie afin que des messages efficaces d'information et alertes soient adressés à la population. Ce module aborde les processus hydrologiques et météorologiques qui contribuent souvent à la survenue des crues éclair et en déterminent le degré de gravité. Nous étudierons également plusieurs technologies et outils courants utilisés dans la surveillance et la prévision des crues éclair.

À la fin de cette partie, vous saurez :

  • Définir une crue éclair
  • Repérer les principaux processus physiques à l'origine des crues éclair
  • Percevoir le lien entre l'intensité des précipitations et les caractéristiques du ruissellement associées aux crues éclair

Définition d'une crue éclair

Des eaux de crue d'environ un mètre de hauteur envahissent un carrefour routier dans le centre-ville de Toowoomba (Australie) en 2011.

Selon l'Organisation météorologique mondiale (OMM), une crue éclair est une crue de courte durée avec un débit de pointe relativement élevé.

Le service national de météorologie des États-Unis retient des critères plus spécifiques, en précisant notamment les délais et le niveau de menace : une crue éclair est une crue mettant en danger la vie, qui commence dans les 6 heures, souvent dans les 3 heures, suivant un événement déclencheur. D'autres Services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN) peuvent retenir des critères temporels différents, plus adaptés aux conditions hydrologiques et climatologiques sur leur territoire.

Une crue éclair peut être déclenchée par des pluies intenses, par la rupture d'un barrage, d'une digue ou d'une autre retenue d'eau, ou par la montée soudaine du niveau de l'eau causée par un embâcle. Dans certaines régions, l'activité volcanique ou d'autres activités géothermiques entraînant une fonte soudaine des neiges peuvent également constituer un sujet d'inquiétude.

Image représentant les événements susceptibles de déclencher une crue éclair : des précipitations intenses (colonne de pluie illuminée par des éclairs), une rupture de barrage (de l'eau s'engouffrant par une fissure dans le mur d'un barrage au Canada), un embâcle dans une rivière (des milliers de gros morceaux de glace se précipitant contre de petits bâtiments en Alaska) et la fonte rapide des neiges provoquée par l'activité volcanique (éruption de cendres volcaniques sur fond de montagnes recouvertes de neige)

Une crue est généralement liée à une étendue d'eau précise. Cependant, des crues éclair peuvent se produire dans des zones normalement sèches, sans cours d'eau visible.

L'eau commence à envahir le lit plat et asséché d'une rivière en Arizona.

Par conséquent, la définition d'une crue éclair inclut l'inondation rapide de zones normalement sèches, telles que des routes, des passages souterrains et des bâtiments.

Crues éclair et prévision des crues

Logigramme des étapes du processus de prévision d'une crue

Les crues éclair sont des phénomènes hydrologiques soudains dont la survenue peut être très difficile à prévoir. Dans la plupart des cas, des précipitations de forte intensité se conjuguent à un ruissellement rapide, souvent très efficace. Par conséquent, la nature des précipitations et le ruissellement anticipé sont des éléments clés à des fins de prévision. La formation d'embâcles dans les fleuves peut également jouer un rôle dans le déclenchement des crues éclair, en particulier en amont de l'embâcle.

Relation entre les précipitations et le ruissellement

Une intensité plus élevée des précipitations peut entraîner un ruissellement plus important car le sol ne peut pas absorber l'eau assez rapidement. De manière générale, plus les précipitations sont fortes, plus le risque d'important ruissellement de surface est élevé. En outre, la survenue de précipitations intenses sur de longues périodes peut considérablement accroître la gravité des crues.

Bien que la saturation du sol augmente le risque de ruissellement, de nombreuses crues éclair se produisent alors même que le sol n'est pas saturé. Il est important de se rappeler que, dans certaines situations, les caractéristiques du ruissellement peuvent jouer un rôle tout aussi important que l'intensité des précipitations.

RESSOURCES SUPPLÉMENTAIRES

Pour en savoir plus sur l'infiltration et d'autres questions liées au sol, consultez la partie « Chemins du ruissellement » dans Processus de ruissellement et d'écoulement : édition internationale.

Questions de révision

Question 1

L'événement déclencheur d'une crue éclair peut être ____.
(Choisissez toutes les bonnes réponses.)

Les réponses correctes sont a), b) et d).

Veuillez faire un choix.

Question 2

La survenue de crues éclair est presque toujours liée à l'existence d'un sol saturé.
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est b).

Veuillez faire un choix.

Influence des conditions météorologiques

Pluie abondante sur les berges extérieures des îles en Caroline du Nord

Les conditions météorologiques peuvent influer de manière décisive sur le moment, l'emplacement et la gravité des crues éclair. L'intensité et la durée des précipitations sont des éléments clés à prendre en compte dans la prévision du risque de crue éclair.

Voici ce que vous allez apprendre dans cette partie :

  • Les types de nuages produisant les pluies les plus intenses et la façon dont l'intensité des précipitations peut varier
  • Les facteurs susceptibles d'accroître l'efficacité des précipitations
  • Les facteurs pouvant prolonger la durée de précipitations intenses

Intensité des précipitations

L'intensité des précipitations est un facteur essentiel à prendre en compte lors de l'examen des conditions météorologiques au moment de la survenue des crues éclair. Les précipitations de très forte intensité se produisent généralement en cas de précipitations convectives liées à des orages ou à des averses tropicales.

Gros orage entouré de cumulus de taille moyenne vus de loin (probablement plus de 30 km).Le nuage d'orage ressemble à une enclume avec des bords cotonneux. La photographie ne permet pas de bien voir le centre vertical de l'orage. La colonne de précipitations en bas du nuage, probablement de la pluie ou de la grêle, ressemble à des spaghettis fins qu'on mettrait dans un bol à l'aide d'une cuillère à spaghetti, avec certains spaghettis pendouillant plus bas que d'autres.

Par exemple, une cellule orageuse typique mesure environ 18 km de haut pour un rayon de 10 km, avec une durée de vie d'environ 20 minutes. Un tel orage produirait des précipitations tombant au rythme de 18 x 106 tonnes par heure, si toute sa vapeur d'eau se condensait et tombait ensuite sous forme de pluie1. Cela correspond à une moyenne d'environ 13 mm h-1, calculée uniformément sur la zone couverte si elle se déplaçait à une vitesse modérée de 10 m s-1. Dans ce cas de figure, les précipitations peuvent être suffisantes pour provoquer des crues éclair dans certaines régions, mais pas dans d'autres. D'autres facteurs entrent en effet en jeu : la durée des précipitations, le degré d'humidité du sol et les caractéristiques hydrologiques locales. N'oubliez pas que ces estimations de précipitations ne concernent qu'une seule cellule orageuse typique. Les orages qui se forment dans d'autres contextes peuvent donner lieu à des précipitations beaucoup plus intenses encore. Ils peuvent être organisés en systèmes de cellules susceptibles de s'étendre sur des dizaines, voire des centaines de kilomètres.

1Doswell, C. A., 1993 : Compte-rendu de l'atelier conjoint Espagne-États-Unis sur les risques naturels (Proceedings, Spain-U.S. Joint Workshop on Natural Hazards), Barcelone, Espagne, 8-11 juin 1993.

Efficacité des précipitations

L'efficacité des précipitations correspond à la quantité de précipitations produite par un système orageux par rapport à la quantité d'humidité absorbée par ce même système orageux. Dans l'exemple ci-dessus, nous avons examiné la quantité de précipitations qui pourrait résulter d'une cellule convective typique, en supposant que toute la vapeur d'eau qu'elle contient soit convertie en précipitations. Bien sûr, cela signifierait que l'efficacité des précipitations serait de 100 %, ce qui est hautement improbable. Aucune tempête ne peut être parfaitement efficace dans la production de précipitations. Mais il peut y avoir de grandes variations dans l'efficacité des précipitations, même entre des orages se produisant dans une même zone. Examinons deux des principaux facteurs qui peuvent améliorer l'efficacité des précipitations.

Humidité relative élevée dans les niveaux moyens de la troposphère

Une humidité relative élevée dans les niveaux moyens de la troposphère peut améliorer l'efficacité des précipitations. En général, les bords des courants ascendants et descendants d'un orage se mélangent à l'air environnant en raison de leur mouvement turbulent.

Un cumulus géant, aux bords semblables à ceux d'un chou-fleur, s'étale dans le ciel de l'après-midi.

L'air environnant étant presque toujours plus sec, cette sécheresse permet à une partie de l'eau ou de la glace de l'orage de s'évaporer ou de se sublimer plus facilement. Quand l'air environnant à moyenne altitude est humide, l'évaporation et la sublimation sont moindres. En conséquence, une plus grande partie de l'eau et de la glace de l'orage se déverse hors du nuage et sur le sol.

En étudiant les eaux atmosphériques du moment et l'humidité prévue au moyen de sondages, de modèles de prévision météorologiques numériques ou d'algorithmes basés sur des satellites, les prévisionnistes peuvent déterminer si les orages en formation seront plus susceptibles de produire des pluies de forte intensité en raison d'une humidité relative environnante élevée.

Processus de pluie chaude

Dans certains contextes, notamment en milieu tropical maritime, les précipitations peuvent être produites principalement par un processus de pluie chaude. Les particules de précipitations se forment alors principalement dans la phase liquide à des altitudes où la température est supérieure à 0 °C. Le processus très courant de pluie froide correspond, lui, à une situation dans laquelle les particules de précipitations se forment principalement dans la phase solide et la phase de neige, puis fondent en se dirigeant vers le sol.

Section (Coupe transversale) d'un énorme cumulus (pluie froide), à gauche, et d'un cumulus plus petit (pluie chaude), à droite. Pour le nuage engendrant de la pluie froide, le niveau de congélation est situé à un point relativement bas du nuage. Les particules au-dessus du niveau de congélation se divisent en parts presque égales entre glace et liquide. Pour le nuage de la pluie chaude, le niveau de congélation est situé à peu près à mi-chemin entre la base et le sommet du nuage. Les particules au-dessus du niveau de congélation sont pour la plupart liquides.

Cela signifie qu'un orage de pluie chaude produira moins, voire pas du tout, de glace. Cela se produit généralement quand l'« épaisseur des nuages chauds » est très importante, comme la quantité de nuages observée sous le niveau de congélation dans la partie droite de l'image. À des températures supérieures à 0 °C, une couche nuageuse épaisse permet aux gouttes de pluie d'augmenter de taille plus facilement par collision et par coalescence. Autrement dit, les gouttes de pluie s'entrechoquent et s'assemblent pour former des gouttes plus grosses. Ces grosses gouttes ont plus de chance de parvenir au sol sous forme de précipitations et tombent plus vite que les petites gouttes.

Un processus de pluie chaude est plus susceptible de se produire quand la masse d'air présente des caractéristiques tropicales et maritimes. N'oubliez pas qu'il arrive que ces conditions soient réunies à une grande distance des mers tropicales puisque les masses d'air chaud et humide peuvent déferler vers le pôle ou l'intérieur des terres lors du déplacement à grande échelle de systèmes météorologiques. En outre, le soulèvement atmosphérique de basses couches donne couramment lieu à des précipitations extrêmement intenses à partir d'un processus de pluie chaude. Les caractéristiques du terrain ou la discontinuité atmosphérique sont généralement à l'origine de ce soulèvement atmosphérique.

Schéma montrant des eaux de crue submergeant une route à voies multiples. Les voitures sont emportées vers l'aval.

Un orage, où les pluies chaudes ont joué un rôle crucial, a donné en trois heures une quantité de pluie entre 150 mm et 200 mm au Kansas (États-Unis). Il a provoqué une crue éclair sévère sur un petit bassin hydrographique où se trouvait une route à plusieurs voies. Cette tempête présentait une voûte d'écho faible sur le radar, qui montre que la partie la plus intense de l'orage était située près de la base du nuage. On retrouve souvent ce phénomène en cas de pluie chaude. Il en sera question plus en détail dans la partie 4. On peut aussi remarquer l'absence d'éclairs, typique de ce type d'orage. Les prévisionnistes peuvent rechercher la présence de ces caractéristiques afin de déterminer si le milieu favorisera la survenue d'orages avec une présence renforcée des pluies chaudes.

Durée des précipitations

La durée des précipitations de forte intensité est l'autre facteur important à prendre en compte pour évaluer le risque de crue éclair. Nous utiliserons le terme cellule convective pour désigner les averses de pluie ou les orages considérés isolément. Nous utiliserons le terme système convectif pour désigner un ensemble organisé de cellules convectives. En général, les courants ascendants convectifs considérés isolément ne durent pas plus d'une heure, à l'exception des orages supercellulaires. Ainsi, bien qu'une cellule convective unique puisse produire des précipitations intenses, elle ne reste généralement pas assez longtemps au-dessus d'un même endroit pour entraîner une crue éclair. Cependant, quand des cellules convectives et des systèmes convectifs affectent de manière répétée les mêmes zones, des crues éclair deviennent possibles. Nous allons examiner ici quelques-uns de ces cas de crues éclair.

Le mouvement d'un système convectif est déterminé par deux facteurs : l'endroit où il est porté par les vents environnementaux et celui où de nouvelles cellules apparaissent et se dissipent en son sein et le long de ses bords (propagation). La plupart du temps, un système convectif se déplace avec les vents environnementaux et de nouvelles cellules se développent sur le front d'attaque du système. Dans l'ensemble, le système se déplacera alors relativement rapidement, comme on le voit ci-dessous.

Boucle de réflectivité radar montrant un système convectif à méso-échelle se propageant vers l'avant et se déplaçant sur le centre-sud des États-Unis. La boucle montre environ 10 heures de la durée de vie de la tempête.

En général, les systèmes qui se développent de cette manière ne provoquent pas de crues importantes, à moins d'être très grands ou de se déplacer lentement.

Il arrive néanmoins que certains systèmes convectifs produisent de nouvelles cellules dans la direction opposée. De nouvelles cellules sont alors produites vers le bord arrière du système, de sorte que la totalité du système se déplace plus lentement, voire presque pas.

D'autres cellules convectives peuvent se déplacer et être produites parallèlement à l'orientation générale du système. Par exemple, la ligne de cellules ci-dessous ne se déplace pas très rapidement. Cependant, les différentes cellules qui la composent se déplacent assez rapidement et parallèlement à la ligne elle-même. De nouvelles cellules sont produites près de l'arrière de la ligne par rapport au mouvement global de la ligne.

Boucle de réflectivité radar montrant de puissantes cellules convectives sur les mêmes bassins hydrographiques pendant près de 6 heures.

Bien que les cellules se déplacent avec une certaine rapidité, elles présentent toujours un risque important de crue éclair car elles peuvent entraîner des précipitations intenses à répétition sur la même zone. Ce type de déplacement de la tempête se produit aussi souvent le long de fronts stationnaires ou quand le terrain est accidenté. Les cellules qui se déplacent de cette manière sont des cellules en série ou des cellules qui se forment à la chaîne.

Questions de révision

Question 1

Supposons qu'un nuage pluvieux (ou pluvigène) reste stationnaire au-dessus du bassin hydrographique A et produise de la pluie à une vitesse de 30 mm h-1 pendant 15 minutes, puis ne produise aucune précipitation pendant 15 minutes et répète ce schéma pendant 2 heures. Quelle quantité de précipitations tomberait sur le bassin hydrographique A pendant ces 2 heures ?
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est c).

Veuillez faire un choix.

Question 2

Supposons qu'un autre nuage pluvieux (ou pluvigène) reste stationnaire au-dessus du bassin hydrographique adjacent B et produise une pluie qui tombe à la vitesse de 15 mm h-1 en continu pendant 2 heures. Quelle quantité de précipitations tomberait sur le bassin hydrographique B pendant ces 2 heures ?
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est c).

Veuillez faire un choix.

Question 3

Sur la base des situations pluviométriques décrites dans les questions 1 et 2, que pouvons-nous dire sur la survenue de crues éclair dans ces bassins hydrographiques ?

La réponse correcte est c).

La survenue de crues éclair dépend d'autres facteurs, tels que les conditions pédologiques, les caractéristiques du bassin versant et l'utilisation du sol. En général, la survenue de crues éclair est beaucoup plus probable en cas de pluies intenses, comme celles qui tombent sur le bassin A. Les pluies d'une telle intensité ne peuvent généralement pas s'infiltrer dans le sol aussi rapidement qu'elles tombent, ce qui entraîne une grande quantité de ruissellement dans les cours d'eau locaux. Mais comme, dans cette situation, il y a des pauses entre les séries de précipitations, les crues éclair peuvent être évitées, en fonction des caractéristiques du bassin versant. De même, le fait que les précipitations sur le bassin versant B soient moins intenses ne signifie pas qu'il n'y a pas de risque de crue éclair. La présence de certaines conditions, par exemple l'humidité élevée du sol, la raideur des pentes et l'urbanisation, pourrait augmenter le ruissellement de surface au point de provoquer des crues éclair dans ces situations de pluie modérée.

Veuillez faire un choix.

Question 4

À l'aide du menu déroulant, choisissez la réponse qui complète le mieux la phrase.

a) Des systèmes convectifs qui se propagent vents environnementaux inquiètent généralement les prévisionnistes en raison de leur capacité accrue à provoquer des crues éclair.
Veuillez faire un choix.

Question 5

Lesquels de ces facteurs sont susceptibles d'accroître l'efficacité des précipitations ?
(Choisissez toutes les bonnes réponses.)

Les réponses correctes sont a) et c).

Veuillez faire un choix.

Influence des conditions hydrologiques

Les propriétés hydrologiques du terrain peuvent influer de manière décisive sur le moment, l'emplacement et la gravité des crues éclair. Bien que les précipitations soient souvent considérées comme le facteur le plus important à prendre en compte pour la prévision des crues, ce qu'il advient de la pluie une fois tombée au sol peut être encore plus important.

Voici ce que vous allez apprendre dans cette partie :

  • Mobiliser vos connaissances sur les processus de ruissellement en cas de crue éclair
  • Pourquoi certaines textures de sol et certains profils pédologiques peuvent entraîner un plus grand risque de crue éclair
  • Les caractéristiques physiques qui exposent un bassin hydrographique à un risque accru de crue éclair
  • La rapidité et la fréquence des crues éclair en milieu urbain
  • La manière dont les incendies et la déforestation peuvent influer sur le risque de crue éclair

Influence du sol

Les trois propriétés importantes du sol à prendre en compte pour évaluer le risque de crue éclair sont l'humidité, la texture et le profil du sol.

Eau stagnante et rigoles d'écoulement dans un pré par un jour de pluie, Royaume-Uni

L'humidité du sol est souvent considérée comme la propriété jouant le rôle le plus important dans le déclenchement d'un ruissellement rapide et d'une crue éclair. Ce raisonnement n'est pas sans fondement car si le sol est saturé, la pluie ne peut plus s'infiltrer dans le sol. De ce fait, toute la pluie se transforme en ruissellement, quelle que soit la texture du sol.

L'agronome Jim Smart et des fermiers mexicains, Miguel Morales Beltran et Hector Rodriquez Mediola, évoquent la sécheresse de 1996 qui a provoqué l'assèchement du fossé d'irrigation près de Rio Bravo (Mexique).

En revanche, si le sol est sec, de grandes quantités de pluie peuvent s'infiltrer dans le sol au lieu de se transformer en ruissellement. Cette supposition semble fondée pour certaines régions, notamment pour les régions humides et à sol profond. Cependant, dans de nombreux cas, ce raisonnement n'est pas valable.

Par exemple, les crues éclair se produisent à la suite de pluies intenses, dépassant souvent la capacité d'infiltration du sol même s'il est sec.

Si la quantité de pluie dépasse la capacité d'infiltration de la surface du sol, il en résulte un ruissellement de surface. Il s'agit d'un écoulement par dépassement de la capacité d'infiltration du sol. Il en résulte un ruissellement de surface rapide et efficace qui peut se produire même en cas de sécheresse.

Certaines textures de sol comme l'argile et, dans une certaine mesure, le limon très fin peuvent être associées à de faibles taux d'infiltration et entraîner un ruissellement rapide lors de pluies intenses. Par conséquent, le ruissellement à la suite de pluies intenses est susceptible d'être plus rapide et plus efficace avec des sols argileux qu'avec du sable, comme le montre l'animation ci-dessus.

Image montrant l'influence de la profondeur de la roche-mère sur le ruissellement

Bien que les sols sablonneux permettent une meilleure infiltration des précipitations intenses, un ruissellement rapide peut néanmoins se produire s'il n'y a qu'une fine couche de sol. Par exemple, si une couche imperméable de roche se trouve sous une fine couche de sol, cette dernière peut se trouver rapidement saturée et donner lieu à un ruissellement important. On peut voir ci-dessus sur le côté droit de l'image que le sol devient saturé au-dessus de la couche rocheuse.

Pour en savoir plus sur les textures de sol et l'infiltration, consultez la sous-partie consacrée aux « Propriétés du sol » dans Processus de ruissellement et d'écoulement : édition internationale.

Influence du bassin versant

Les caractéristiques du bassin versant peuvent fortement influer sur le ruissellement et, par suite, sur le risque de crue éclair. Dans certains cas, les caractéristiques du bassin versant jouent un rôle plus important que la quantité de précipitations.

Vue aérienne d'une zone arborée rurale, semi-aride, en Arizona dessinant les contours des voies navigables et faisant ressortir les caractéristiques du bassin versant

Les caractéristiques du bassin versant, telles que sa forme, l'inclinaison de sa pente, les méandres du cours d'eau et la couverture végétale, peuvent toutes influer sur la manière dont la pluie est absorbée par le sol. Par exemple, si la pluie tombe sur un bassin versant à forte pente avec peu de végétation, le ruissellement de surface sera plus important que si la pluie se déverse sur un bassin versant à pente douce et bien végétalisé.

Il est également important de prendre en compte la taille du bassin versant pour évaluer le risque de crue éclair. La plupart des crues éclair se produisent dans de petits bassins versants, d'une taille inférieure à 80 kilomètres carrés. Beaucoup de bassins versants où surviennent une crue éclair ont même une taille inférieure à 40 kilomètres carrés.

Tout facteur qui augmente la vitesse et l'efficacité du ruissellement peut exposer un bassin hydrographique à un risque accru de crue éclair. Pour en savoir plus sur l'influence des caractéristiques du bassin versant, consultez la sous-partie « Propriétés du bassin versant » dans Processus de ruissellement et d'écoulement : édition internationale

Cas particuliers de bassins versants

Dans certains cas, les caractéristiques du bassin versant peuvent augmenter le risque de crue éclair en raison de changements importants, parfois spectaculaires, des propriétés de la surface ou du sol. L'urbanisation, les incendies, la déforestation et le gel des sols sont quelques-uns des cas particuliers à envisager.

Eau de pluie s'écoulant dans une rue et dans une grille de drainage des eaux pluviales. À proximité, de l'eau sort d'un regard et inonde encore la rue.
Illustration des effets du réseau urbain en béton sur la contribution du ruissellement dans un bassin versant

L'urbanisation entraîne deux effets majeurs. Tout d'abord, l'urbanisation entraîne une augmentation du pourcentage de surfaces imperméables et de sols compactés. Il en résulte un plus grand volume de ruissellement. Ensuite, les zones urbaines se caractérisent par l'existence de réseaux routiers, de collecteurs d'eaux pluviales, de modifications de la végétation naturelle et, parfois, de cours d'eau rectifiés. Tous ces éléments augmentent considérablement le mouvement des eaux de ruissellement vers et dans les cours d'eau.

Comparaison des hydrogrammes de ruissellement en fonction de l'emplacement du bassin hydrographique : en milieu urbain, en périphérie ou en milieu rural

Par conséquent, par rapport aux conditions qui prévalaient avant l'urbanisation, les cours d'eau urbains débordent plus rapidement, plus fréquemment, et avec un débit de pointe plus important alors même que la quantité de précipitations reste inchangée. De fait, en milieu urbain, les conditions pour la survenue d'une crue peuvent être réunies avec une quantité bien moindre de précipitations que celle qui était nécessaire avant l'urbanisation de la zone considérée.

Les incendies de forêt et la déforestation peuvent également accroître le risque de crue éclair en augmentant le volume du ruissellement et le potentiel de transport sédimentaire par ruissellement.

Érosion en rigole sur la pente d'une colline après l'incendie de Buffalo Creek

Les causes principales sont la suppression de la végétation et, en ce qui concerne les incendies, l'altération possible des propriétés du sol. C'est après la survenue d'incendies de forte intensité dans des forêts de conifères que les risques de crue éclair sont les plus élevés. Dans de tels cas, la végétation est détruite et les sols peuvent être hydrophobes pendant des semaines, voire des années, après l'incendie.

Section (Coupe transversale) montrant les effets de la déforestation sur le ruissellement, les eaux souterraines et le transport de sédiments

Les crues éclair se produisent généralement en saison chaude lors de pluies convectives intenses. Un sol gelé ne pose donc pas de problème en général. Toutefois, si des pluies intenses se produisent sur un sol gelé, un ruissellement efficace pourra déclencher une crue éclair.

Des eaux souterraines émergeant des talus rocheux  et donnant lieu à de spectaculaires chutes d'eau glacée dans une tranchée de route.

Questions de révision

Question 1

L'intensité des pluies est un élément important à prendre en compte lors de l'évaluation du risque de crue éclair. Dans certaines situations, il est tout aussi important de prendre en compte _____.
(Choisissez toutes les bonnes réponses.)

Les réponses correctes sont a), c) et d).

Outre l'intensité des pluies, il est très important de prendre en compte les caractéristiques du ruissellement lors de l'évaluation du risque de crue éclair. Le ruissellement de surface rapide qui se produit pendant une crue éclair est lié à la texture du sol, à son humidité, à sa profondeur, à son utilisation et à la pente.

Veuillez faire un choix.

Question 2

Les facteurs qui augmentent l'efficacité du ruissellement sont _____.
(Choisissez toutes les bonnes réponses.)

Les réponses correctes sont a) et b).

Le ruissellement est plus rapide et plus efficace en présence de pentes raides, d'une rugosité de surface moindre et de bassins versants plus petits.

Veuillez faire un choix.

Question 3

Les zones urbaines sont plus exposées aux crues éclair : non seulement le ruissellement y est plus important mais il s'y produit plus rapidement.
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est a).

Deux facteurs influent sur le ruissellement dans les bassins versants urbains : 1) Il y a plus de surfaces imperméables et, par conséquent, une plus grande proportion des précipitations se transforme en ruissellement ; et 2) le ruissellement se produit plus rapidement que dans un bassin versant non urbain en raison de la présence de collecteurs d'eaux pluviales, de réseaux routiers et de cours d'eau rectifiés.

Veuillez faire un choix.

Outils et systèmes de prévision des crues éclair

Les crues éclair sont difficiles à prévoir et à détecter car elles surviennent brusquement, sont localisées et découlent de l'interaction d'une multitude de facteurs. Des observations hydrométéorologiques fiables sont essentielles à tout programme de prévision des crues éclair ou d'alerte de la population en cas de crue éclair. L'intégration de données issues de modèles météorologiques numériques dans les modèles de ruissellement hydrologique peut améliorer la qualité des prévisions et l'anticipation des crues éclair. Les possibilités des services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN) d'accéder à ces types d'outils d'observation et de prévision varient considérablement. Dans cette partie, nous allons nous pencher sur les outils d'observation et de prévision et les différentes technologies utilisées.

Voici ce que vous allez apprendre dans cette partie :

  • Comment quelques systèmes manuels et électroniques de base de surveillance et d'alerte de crue éclair fonctionnent
  • Comment les données radar et les données satellite sont utilisées dans la prévision des crues éclair ; les limites inhérentes à ces technologies
  • Comment les indications relatives aux crues éclair sont définies et déterminées, dans quels cas (où et quand) elles sont utilisées
  • Comment et pourquoi les modèles hydrologiques distribués peuvent être utiles en cas de crue éclair

Les systèmes locaux manuels et automatiques d'alerte de crue

Des systèmes locaux manuels et automatiques d'alerte de crue sont utilisés dans de nombreuses villes et vallées à travers le monde, en particulier dans les zones dépourvues de couverture radar ou de réseaux denses de pluviomètres et de stations hydrométriques. La plupart de ces systèmes sont conçus pour être peu coûteux et simples d'utilisation.

Pluviomètre rempli d'eau de pluie

La plupart des systèmes manuels fonctionnent selon un processus simple :

  1. Les données locales de pluies et de débits des cours d'eau sont collectées par des bénévoles à l'aide de jauges manuelles ou automatiques.
  2. Ces données sont ensuite relayées soit par télécommunication par les observateurs, soit par un système automatisé qui les transmet au personnel local coordonnant la lutte contre les crues.
  3. Les coordonnateurs de la lutte contre les crues utilisent les registres historiques et les relevés statistiques locaux ou d'autres tableaux, graphiques et produits de prévision simples fournis par le SMHN pour déterminer si les mesures de pluies et de débit signalées ont dépassé les seuils indiquant l'imminence d'une crue.

On trouve un exemple de ce type de système manuel à Dinalupihan et à Hermosa dans la province de Bataan, aux Philippines. Le système se compose d'un ensemble de limnimètres que la population locale utilise comme repères en période d'intempéries.

Pluviomètre manuel typique utilisé aux Philippines dans le cadre du système d'alerte de crue

Le personnel local ou les observateurs bénévoles relèvent le niveau de l'eau pendant un épisode de précipitations. Des équipements de radiocommunication spéciaux ou des téléphones portables sont utilisés pour échanger des données et des informations pendant cet épisode. Le Service atmosphérique, géophysique et astronomique philippin peut alerter la population quand il prévoit une perturbation météorologique imminente mais c'est toujours la population qui assure la surveillance du système. Le personnel local ou les bénévoles de la communauté émettent une alerte de crue localisée en utilisant une cloche ou une alarme quand la partie surveillée du fleuve a atteint un niveau convenu.

Malgré sa simplicité, ce système est un moyen de faire face au danger imminent de crue dans la zone et d'en atténuer les effets grâce à la participation de la population plutôt que par la création de nouvelles infrastructures.

Les systèmes automatisés fonctionnent de manière similaire mais utilisent des systèmes d'observation et de télécommunication entièrement automatisés. Ils peuvent également s'appuyer sur un système d'alarme automatisé qui retentit et envoie des avertissements électroniques quand une quantité prédéterminée de pluie ou un niveau prédéterminé du cours d'eau est dépassé.

Radar et satellite

Schéma représentant 3 grandes méthodes d'estimation des précipitations : un satellite balayant les nuages depuis l'espace, un radar balayant les mêmes nuages depuis le sol et un réseau de pluviomètres recueillant les précipitations tombant des nuages

La télédétection des précipitations peut fournir des estimations de précipitations qui se sont produites dans des endroits où les gens ne sont pas physiquement présents. Les informations sur les précipitations obtenues par télédétection peuvent provenir de pluviomètres électroniques automatisés ou de radars ou de satellites météorologiques. Les instruments de mesure automatisés fournissent l'échantillon le plus direct des précipitations au sol. Cependant, ils ne donnent que des informations limitées sur la variabilité des précipitations dans l'espace et dans le temps, un point essentiel pour déterminer le risque de crue éclair. Les radars et les satellites météorologiques donnent une représentation des pluies dans une zone donnée mais leur fonctionnement est complexe et les données manquent de précision. De plus, les radars, plus précis dans l'ensemble que les satellites, sont généralement gérés localement et donc coûteux à installer et à entretenir. Les avantages et les inconvénients de ces deux systèmes appliqués à la surveillance et à la prévision des crues éclair sont examinés ci-dessous.

Le satellite

Dans de nombreuses régions ne disposant pas d'une bonne couverture par les radars et les pluviomètres, les données satellite sont le principal moyen d'estimer les précipitations. Plusieurs instruments de satellite peuvent être utilisés à cette fin, parmi lesquels bon nombre de ceux présentés ci-dessous.

Satellites géostationnaires et à orbite polaire participant au système mondial d'observation par satellites, montrés sous forme d'icônes de satellites orbite autour de la Terre

Les capteurs infrarouges embarqués sur des satellites géostationnaires sont probablement les plus connus d'entre eux. Ils fournissent une couverture large et cohérente d'une zone considérée. Les données recueillies par ces satellites arrivent généralement toutes les 15 minutes à 3 heures, en fonction de la plate-forme et de l'emplacement du satellite.

Image infrarouge d'ondes courtes de l'Afrique et de l'océan Atlantique prise par Météosat 8

Quand des nuages sont présents, les capteurs infrarouges observent la température du sommet des nuages. L'estimation des précipitations est fondée sur cette grandeur. Les satellites géostationnaires peuvent ainsi être très utiles pour suivre le mouvement des systèmes de précipitations mais leur estimation des quantités de précipitations peut être imprécise. En revanche, les capteurs hyperfréquence passifs installés sur des satellites à orbite polaire observent les émissions produites par l'eau et la glace présentes dans les nuages pour fournir des estimations plus fiables de la quantité de précipitations. Ils le font toutefois avec une fréquence moindre puisque la plupart d'entre eux observent un endroit précis de la Terre une fois toutes les 12 heures.

Depuis les années 1990, les chercheurs développent des produits pour les précipitations qui combinent la précision propre aux capteurs hyperfréquence dans l'estimation des précipitations avec la fréquence temporelle fournies par les satellites géostationnaires. Cette approche a donné des outils tels que le Multi-Sensor Precipitation Estimate d'EUMETSAT, l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques et SCaMPR, conçu par l'Administration américaine pour les océans et l'atmosphère et le Service national d'information, de données et de satellites pour l'étude de l'environnement (NOAA/NESDIS).

Les équipes de chercheurs ont également réalisé des estimations plus précises des pluies en utilisant les informations pertinentes fournies par les modèles météorologiques numériques. Ces données leur ont permis de mieux calculer la quantité de précipitations qui étaient fondées sur la température au sommet des nuages. L' estimateur hydrologique ci-dessous utilise cette méthode pour les satellites géostationnaires dans le monde entier.

Estimation par un estimateur hydrologique expérimental NOAA/NESDIS  de 24 heures de précipitations sur l'océan Indien

Ces produits de satellites ont été conçus avec l'objectif de développer l'assimilation des données de modélisation numérique, la validation des modèles et les études climatologiques. Ils jouissent d'une popularité croissante auprès des spécialistes de la prévision météorologique en exercice. Depuis 2011, l'estimateur hydrologique et les produits du même type fournissent également les informations de base sur les précipitations utilisées dans les systèmes d'indications relatives aux crues éclair mis en place dans plusieurs régions du monde. Ces systèmes sont abordés plus en détail dans la partie suivante, consacrée aux indications relatives aux crues éclair.

Enfin, les capteurs hyperfréquence (ou radar) actifs contribuent à la surveillance globale des précipitations en livrant des données de la plus grande précision dans les dimensions verticale et horizontale. Les missions de mesure des précipitations à l'échelle du globe fourniront davantage de données de ce type.

Image en trois parties montrant trois images de précipitations d'intensité différente superposées à des images GOES de l'ouragan Isidore

Le radar

Les données radar, quand elles sont disponibles, peuvent être encore plus utiles dans l'observation et la prévision des crues éclair que les estimations des satellites. La résolution d'un radar peut atteindre quelques centaines de mètres selon la longueur d'onde du signal utilisé. Cette performance place les radars bien au-dessus des meilleurs produits de pluviométrie par satellite mentionnés précédemment. La figure ci-dessous compare les informations dérivées de données de satellites fournies par l'estimateur hydrologique NOAA/NESDIS et une estimation fondée sur des données radar pour la même région. Il est facile de voir les données plus détaillées fournit par le radar.

Estimation par un estimateur hydrologique de 24 heures de précipitations pendant la tempête tropicale Fay, août 2008
Estimation radar de 24 heures de précipitations pendant la tempête tropicale Fay, août 2008

Les radars peuvent également observer les précipitations dans l'environnement proche à un rythme beaucoup plus rapide que les satellites. Les radars météorologiques peuvent généralement effectuer des relevés sur l'ensemble de la zone couverte en 5 minutes environ. Cette durée réduite s'avère très utile dans des situations de changement rapide, comme les crues éclair. Les données radar peuvent être utilisées comme un outil indépendant pour l'estimation des précipitations. Elles sont aussi fréquemment incluses dans des systèmes de surveillance des précipitations à capteurs multiples et dans l'élaboration d'indications relatives aux crues éclair.

Les radars détectent les particules de précipitations à l'aide d'un faisceau de rayonnement micro-ondes. La granulométrie et le nombre de particules de précipitations que le faisceau rencontre déterminent la quantité de rayonnement renvoyée vers le radar. Ce rayonnement renvoyé, ou « réflectivité », apporte des informations sur l'intensité des précipitations. Lors de l'examen de situations de crues éclair, il est important de garder à l'esprit plusieurs points concernant les informations radar.

Tout d'abord, les faisceaux radar sont émis à différents angles au-dessus de l'horizon. Ainsi, le faisceau radar se situe à des altitudes de plus en plus élevées à mesure qu'il se déplace vers l'extérieur, comme le montre l'illustration ci-dessous.

Schéma montrant un radar balayant deux orages. Une chaîne de montagnes se trouve entre le radar et l'un des orages, faisant obstacle au faisceau radar aux angles de site bas.

Par conséquent, les précipitations examinées par le radar ne correspondent pas nécessairement à la quantité de précipitations tombant sur le sol. Cette différence peut induire en erreur au moment des prévisions, surtout si la zone observée ne dispose pas non plus de pluviomètres pour recouper les informations relevées. Les radars peuvent également sous-estimer ou surestimer les précipitations en raison de plusieurs autres facteurs, notamment le blocage du faisceau, la réfraction, l'atténuation et la bande brillante (un phénomène qui peut renforcer l'écho radar en présence de cristaux de glace ou de flocons de neige).

La « voûte d'écho faible » est une signature radar particulièrement importante pour la prévision des crues éclair. La réflectivité la plus élevée constatée en cas d'orage est concentrée à basse altitude, principalement en dessous de l'altitude du niveau de congélation. Dans les orages présentant une voûte d'écho faible, une grande partie des précipitations se forme pendant la phase liquide dans les parties inférieures du nuage (pluie chaude), comme nous l'avons indiqué précédemment. L'image ci-dessous montre la signature d'une voûte d'écho faible lors d'une tempête au Kansas (États-Unis) qui a provoqué d'importantes crues éclair et dans laquelle le processus de pluie chaude a joué un rôle important.

Section (Coupe transversale) de la réflectivité radar pendant une tempête au Kansas (États-Unis) contenant une voûte d'écho faible, qui correspond à la zone de réflectivité la plus élevée, située dans les niveaux les plus bas de l'orage (sous le niveau de congélation)

Quand on utilise un radar, il faut aussi prendre en compte la manière dont le radar estime l'intensité des précipitations, en particulier lors de la prévision des quantités de pluie dans des environnements propices au processus de pluie chaude. La réflectivité mesurée est fonction du nombre de particules de précipitations présentes et du diamètre des particules à la puissance 6. L'intensité des précipitations est calculée à partir de la réflectivité en utilisant une relation simple fondée sur des estimations empiriques de la population de la granulométrie de chaque goutte de pluie. Dans les cas de pluie chaude, on trouve généralement de fortes concentrations de gouttes de pluie de granulométrie petite à moyenne. En revanche, en cas de pluie froide, les hydrométéores ont tendance à être moins concentrés. De plus, ils présentent une taille variée, pouvant aller de petite à très grande.

Distribution de la granulométrie des gouttes avec ou sans grêle

C'est pourquoi, quand les prévisionnistes remarquent ou anticipent une signature de pluie chaude, par exemple une voûte d'écho faible, il est judicieux d'utiliser une relation différente entre la réflectivité radar des précipitations et leur intensité, fondée sur une densité plus élevée de gouttes de pluie de petite granulométrie. Le tableau ci-dessous met en évidence la différence de valeurs pour la relation réflectivité - intensité de la pluie en cas de pluie convective froide et en cas de pluie convective chaude.

Comparaison de la relation réflectivité - intensité de la pluie pour de la pluie continentale, froide, et de la pluie maritime, chaude, à différentes valeurs de réflectivité.  À 45 dBZ, l'intensité de la pluie est de 27,9 mm/h pour la pluie froide alors qu'elle est de 56,5 mm/h pour la pluie chaude. À 50 dBZ, l'intensité de la pluie est de 63,4 mm/h pour la pluie froide alors qu'elle est de 147,2 mm/h pour la pluie chaude. À 55 dBZ, l'intensité de la pluie est de 144,2 mm/h pour la pluie froide alors qu'elle est de 384,6 mm/h pour la pluie chaude.

Les images radar ci-dessous se rapportent à nouveau à la tempête de pluie chaude au Kansas. L'image de gauche illustre la relation réflectivité - intensité de la pluie en présence de pluies convectives froides. Celle de droite illustre cette même relation en présence de pluies convectives chaudes. On constate une différence de 60 à 80 millimètres entre les deux estimations d'accumulation de précipitations. Celle de droite était la plus précise dans ce cas précis. Un écart aussi important pourrait faire toute la différence dans la décision d'alerter la population ou non si les autorités se fondent uniquement sur les estimations radar.

Vue en plan du radar des précipitations totales pendant une tempête au Kansas (États-Unis). Comparaison de la relation réflectivité - intensité de la pluie pour de la pluie continentale, froide, et de la pluie maritime, chaude. La pluie chaude atteint une intensité maximale d'environ 150 mm alors que pour la pluie froide, elle est d'environ 71 mm.

À l'avenir, ce problème se posera sans doute avec moins d'acuité avec la généralisation de l'utilisation des radars à double polarisation. Les radars à double polarisation sont capables de visualiser les particules de précipitations en deux dimensions plutôt qu'en une seule et peuvent donc fournir des informations détaillées sur la granulométrie et le type des particules concernées.

Questions de révision

Question 1

Quels éléments sont inclus dans la plupart des systèmes manuels d'alerte de crue éclair ?
(Choisissez toutes les bonnes réponses.)

Les réponses correctes sont c) et d).

Veuillez faire un choix.

Question 2

Quelle est la fréquence de mise à jour de la plupart des données recueillies par les produits multi satellites ?
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est b).

Veuillez faire un choix.

Question 3

À l'aide du menu déroulant, choisissez la réponse qui complète le mieux la phrase.

a) Si un orage dominé par le processus de pluie chaude se produit dans une région tempérée de latitude moyenne et que les prévisionnistes n'ajustent pas la relation entre la réflectivité et le taux de pluie à partir de la configuration de la pluie froide, les taux de pluie rapportés seront probablement trop .
Veuillez faire un choix.

Indications relatives aux crues éclair

Définition

Une indication relative aux crues éclair consiste dans l'estimation de la hauteur moyenne des pluies devant tomber sur une zone précise et de la durée des précipitations nécessaires pour y déclencher la crue éclair des petits cours d'eau.

Crue éclair, Ruisseau South Ash (Utah), janvier 2005

L'indication relative aux crues éclair est généralement exprimée en millimètres ou en centimètres pour une durée variable, habituellement 1 heure, 3 heures, 6 heures, 12 heures ou même 24 heures dans certaines régions. Par exemple, si l'indication est de 40 millimètres en 3 heures, cela signifie que les petits cours d'eau devraient entrer en crue si cette quantité ou plus tombe en 3 heures.

Détermination des indications relatives aux crues éclair

Les valeurs numériques des indications relatives aux crues éclair dépendent de l'humidité du sol constatée au moment considéré et du seuil de ruissellement. Le seuil de ruissellement représente la quantité de ruissellement nécessaire pour déclencher une crue. Il s'agit d'une valeur fixe fondée sur la mesure en fonction du temps, des caractéristiques géographiques et hydrologiques du cours d'eau et du bassin hydrographique. Elle correspond en général au débit au niveau de crue divisé par le pic de l'hydrogramme unitaire pour une durée déterminée. Le débit au niveau de la crue est déterminé à partir de la courbe de tarage (courbe hauteur - débit) de la station hydrométrique. Veuillez consulter Propagation de l'écoulement : édition internationale et Théorie de l'hydrogramme unitaire : Édition internationale pour plus d'informations sur les courbes de tarage (courbes hauteur - débit) et les hydrogrammes unitaires.

Relation entre le seuil de ruissellement et le débit

Quand on utilise un modèle pluie - ruissellement, on y entre les données relatives aux précipitations et à l'humidité du sol pour calculer le ruissellement. Le calcul des indications relatives aux crues éclair se fait différemment. Le seuil de ruissellement et l'humidité du sol sont utilisés pour calculer la quantité de pluie nécessaire pour déclencher une crue. La quantité de pluie ainsi calculée constitue une indication relative aux crues éclair.

Une fois le seuil de ruissellement déterminé, nous pouvons voir quelle quantité de pluie provoquerait ce ruissellement en utilisant les courbes pluie - ruissellement générées par le modèle de ruissellement.

Modèle de ruissellement : courbes pluie - ruissellement

Par exemple, dans l'image ci-dessus, si la valeur du seuil de ruissellement au bout d'une heure est de 20 millimètres, nous voyons qu'elle résulte d'une pluie d'environ 72 millimètres. Cette quantité de 72 mm est l'indication relative aux crues éclair pour le bassin hydrographique considéré.

Question d'entraînement

Modèle de ruissellement : courbes pluie - ruissellement

Question

En vous aidant des méthodes et des images ci-dessus, quelle serait l'indication relative aux crues éclair au bout de 6 heures si le seuil de ruissellement est de 30 millimètres ?
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est d).

Modèle de ruissellement : courbes pluie - ruissellement
Veuillez faire un choix.

Pour vous familiariser avec l'utilisation des courbes pluie  - ruissellement, veuillez consulter l'« Exercice sur les indications relatives aux crues éclair » dans la partie 3 du module Crues éclair du Service météorologique national des États-Unis.

Typologie des indications relatives aux crues éclair

Il y a différents types d'indications relatives aux crues éclair. Une forme de l'indication relative aux crues éclair généralement utilisée concerne l'indication de l'amont des cours d'eau qui est l'indication relative la crue éclair calculée pour les exutoires des bassins versants. En d'autres termes, ll s'agit de la moyenne des précipitations requise sur un bassin versant pour produire une crue à son exutoire. Ce type d'indications est généralement présenté sous forme de tableau, comme dans l'exemple ci-dessous.

Tableau d'indicateurs de crue relatifs à l'amont de plusieurs cours d'eau hypothétiques

Les indicateurs aux nœuds des mailles constituent un autre type usuel d'indications relatives aux crues éclair fréquemement utilisé. Il permet de visualiser la quantité de précipitations nécessaire pour provoquer une crue dans chaque cellule de la maille établie pour une zone de prévision. Un exemple d'indicateurs relatives aux crues éclairs de mailles du bassin versant du fleuve Missouri (États-Unis) est présenté ci-dessous.

Exemple d'utilisation d'indicateurs de crue aux nœuds des mailles, avec l'indication des frontières des comtés, pour le bassin du fleuve Missouri (États-Unis)

On remarque que les zones présentant les mêmes valeurs adjacentes sont plus grandes que les cellules d'une maille. Cela est dû au fait que les valeurs dans les mailles sont associées au bassin versant pour lequel elles ont été calculées. Une représentation des indications relatives aux crues éclair sous forme de maille est souhaitable pour l'utilisation dans des modèles et outils logiciels et pour la comparaison avec le maillage du champ de vision d'un radar. Malheureusement, à l'heure actuelle, ce type de maille ne représente généralement pas les caractéristiques de ruissellement pour chaque cellule. La partie suivante aborde cette question et d'autres limites des indications relatives aux crues éclair, qu'il est crucial de prendre en compte au moment d'établir les prévisions.

Indications relatives aux crues éclair dans la pratique

Schéma : un exemple d'utilisation d'indicateurs de crue aux nœuds des mailles

Dans la plupart des cas, on suppose que les valeurs de seuil du ruissellement sont uniformes pour l'ensemble du bassin versant considéré. En outre, il n'existe qu'une seule courbe pluie - ruissellement par bassin versant. De cette façon, les valeurs des indications relatives aux crues éclair présentées dans la maille reflèteront principalement les caractéristiques des bassins versants eux-mêmes, en particulier quand l'humidité du sol varie peu. L'exemple ci-dessous montre à quel point les cellules de la maille correspondent aux différents bassins versants.

Indication relative à la crue éclair à 3 heures, avec les limites du bassin versant

Le fait que les courbes pluie - ruissellement et les valeur du seuil de ruissellement soient généralement modélisées pour des bassins versants dont la longueur dépasse 250 km constitue une autre limite de ces indications2. Or, les crues éclair se produisent généralement dans des bassins versants de moins de 80 km2, et même souvent dans des bassins de moins de 40 km2.

Accumulation de pluie sur différents bassins versants selon un indicateur de crue à 3 heures.  Les zones de précipitations sont localisées et ne couvrent qu'une partie de certains bassins versants.

Par conséquent, il peut arriver que les indications relatives aux crues éclair n'apportent pas les détails nécessaires en cas de pluies convectives intenses sur un petit sous-bassin versant.

Accumulation de pluie sur différents bassins versants selon un indicateur de crue à 3 heures. Les zones de précipitations sont localisées et ne couvrent qu'une partie de certains bassins versants. Les limites des zones urbaines figurent sur l'image. Ces zones urbaines sont plus petites que la plupart des zones de précipitations.

Enfin, les indications relatives aux crues éclair sont principalement influencées par les conditions d'humidité du sol évaluées dans le modèle de ruissellement. Les bassins versants sont généralement trop grands pour que les prévisionnistes tiennent compte de l'importance des conditions d'utilisation du sol, par exemple l'existence de terres calcinées et stériles à la suite d'un incendie ou les effets de l'urbanisation. De plus, les indications relatives aux crues éclair ne sont probablement pas très adaptées aux zones urbaines. Ainsi, en milieu urbain, les valeurs associées aux indications relatives aux crues éclair devraient être bien plus basses que dans les parties non urbaines du bassin versant.

Les personnes s'appuyant sur ces indications doivent savoir qu'il existe des zones spécifiques pouvant produire un ruissellement beaucoup plus important qu'indiqué. Il peut être utile de recourir à des outils cartographiques et de collaborer avec d'autres organismes pour afficher des informations sur les zones déboisées, les zones brûlées et les bassins versants urbains.

Exemple de système d'indications relatives aux crues éclair

Les systèmes d'indications relatives aux crues éclair sont utilisés dans de nombreuses régions du monde, en particulier aux États-Unis, en Amérique centrale et dans la vallée du Mékong (Cambodge, République démocratique populaire lao, Thaïlande et Vietnam). De nombreux autres pays, tels que le Botswana, l'Afrique du Sud, Haïti et la République dominicaine, sont en phase de test pour mettre en œuvre des systèmes similaires, potentiellement utilisables par tout SMHN. L'Organisation météorologique mondiale (OMM) a pour objectif d'instaurer un système mondial d'indications relatives aux crues éclair en partenariat avec le HRC (Hydrologic Research Center, Centre hydrologique national), une société à but non lucratif basée en Californie (États-Unis). Ces systèmes fonctionnent en exploitant l'estimation en temps réel des données à haute résolution sur les précipitations fournies par les satellites (principalement des produits de la NASA, d'EUMETSAT et de la JAXA, Agence japonaise d'exploration spatiale), qui sont désormais facilement disponibles partout dans le monde. Ci-dessous figure un exemple fourni par le système d'indications relatives aux crues éclair d'Amérique centrale, qui évalue le risque de survenue d'une crue éclair dans un délai d'une heure à six heures pour des bassins d'une taille de 100 à 300 km2.

Utilisation des indications relatives aux crues éclair en Amérique centrale : indicateur de crue à 3 h et menace de crue à 3 h. L'image montre des petits sous-bassins, de 100 à 300 kilomètres carrés.

Le système nécessite la prise en compte de données fournies par des capteurs de précipitations sur place afin de remédier aux biais que comportent les estimations de précipitations par satellite. Comme la densité de ces réseaux de capteurs varie dans le monde, le système intègre l'incertitude des données pour évaluer la fiabilité des indications fournies. Il est en outre possible de recourir à des systèmes mondiaux d'information géographique et à des bases de données numériques sur le relief des terrains pour délimiter les petits bassins versants et définir la topologie de leur réseau hydrographique partout dans le monde. De plus, des bases de données mondiales spatiales sur le sol et sur la couverture terrestre permettent de mettre au point des modèles à base physique qui prennent en compte l'humidité du sol.

Modélisation distribuée

Il est désormais possible de modéliser le ruissellement de manière très détaillée grâce à la disponibilité d'estimations des précipitations à haute résolution spatiale et temporelle, fournies par les radars météorologiques et corrigées au moyen des relevés de pluviomètres, et à l'augmentation importante de la puissance des ordinateurs.

Exemple d'utilisation d'un modèle distribué de risque de crue éclair. Le bassin versant est maillé par de nombreuses cellules très petites colorées en fonction de leur potentiel de ruissellement.

Les modèles distribués de ruissellement apportent des détails très précis sur les précipitations, les caractéristiques du sol et l'utilisation des terres. En modélisation distribuée, les caractéristiques du ruissellement sont modélisées sur la base d'une cellule de maille ou d'un sous-bassin, ce qui fournit une description beaucoup plus fine du ruissellement et du débit des cours d'eau au cours du temps que les indications relatives aux crues éclair. Les indications relatives aux crues éclair sont un bon outil pour avertir de l'imminence d'une crue éclair mais elles ne reflètent pas l'ampleur de la crue. S'il est correctement calibré et qu'il repose sur de bonnes mesures des quantités de précipitations, à haute résolution et de haute qualité, un modèle distribué peut réussir à prévoir la pointe de crue et le débit pour un bassin de 100 km2. Autrement dit, le ruissellement peut être modélisé à la même échelle qu'un orage de convection, ce qui est très important pour la prévision des crues éclair. Les modèles distribués devraient fournir à l'avenir de nouvelles informations et indications sur les conditions hydrologiques là où les données d'observation sur le débit sont insuffisantes. Les modèles distribués se substitueront probablement aux indications relatives aux crues éclair au fur et à mesure que les connaissances progressent en la matière et que la qualité des données s'améliore.

RESSOURCES SUPPLÉMENTAIRES

MIKE, un produit DHI

Concepts de modélisation dans Processus de ruissellement et d'écoulement : édition internationale.

Questions de révision

Question 1

À l'aide des menus déroulants ci-dessous, choisissez l'outil d'observation et de prévision des crues éclair qui complète le mieux les phrases.

a) s'appuie/s'appuient souvent sur les rapports de pluie fournis par les bénévoles.
b) sont mises à jour rapidement, toutes les 5 minutes ou moins.
c) couvre/couvrent des milliers de kilomètres carrés.
d) s'appuie/s'appuient sur les informations relatives à l'humidité du sol.
e) mesure/mesurent les propriétés des nuages pour estimer indirectement les précipitations.
f) nécessite/nécessitent les relevés historiques des caractéristiques des cours d'eau.
g) donne/donnent également une estimation de l'ampleur des crues éclair.
Veuillez faire un choix.

Question 2

L'indication relative aux crues éclair correspond à _____.
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est b).

Veuillez faire un choix.

Question 3

Les indicateurs de crue aux nœuds de maille ne donnent généralement pas le potentiel de ruissellement pour chaque cellule de la maille.
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est a).

Étant donné que les valeurs figurant dans la maille sont fondées sur le seuil de ruissellement et les courbes pluie - ruissellement, elles sont souvent uniformes au niveau d'un bassin versant. En d'autres termes, ces indicateurs ne sont en général pas détaillés mais ils sont plus faciles à utiliser avec d'autres mailles, par exemple celles établies à partir des données fournies par les radars météorologiques.

Veuillez faire un choix.

Question 4

Les indications relatives aux crues éclair et le seuil de ruissellement peuvent être exprimés sous la forme d'une quantité telle que « X mm en Y heures ». En quoi le seuil de ruissellement se différencie-t-il des indications relatives aux crues éclair ?
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est c).

Le seuil de ruissellement mesure le ruissellement tandis que les indications relatives aux crues éclair mesurent la pluviométrie. Ces deux types de mesures portent sur une quantité rapportée à une certaine durée. Les indications relatives aux crues éclair se rapportent à la quantité de pluie qui produira un niveau critique de ruissellement, exprimé par le seuil de ruissellement. À moins que l'efficacité du ruissellement ne soit de 100 %, les indications relatives aux crues éclair donneront un nombre supérieur au seuil de ruissellement.

Veuillez faire un choix.

Question 5

Les valeurs exprimées par les indications relatives aux crues éclair sont généralement trop élevées en ce qui concerne les zones urbaines.
(Choisissez la réponse qui convient le mieux.)

La réponse correcte est a).

Les bassins versants sont généralement trop grands pour que les prévisionnistes tiennent compte de l'importance des conditions d'utilisation du sol, par exemple l'existence de terres calcinées et stériles à la suite d'un incendie ou les effets de l'urbanisation. Ainsi, en milieu urbain, les valeurs associées aux indications relatives aux crues éclair devraient être bien plus basses que dans les parties non urbaines du bassin hydrographique.

Veuillez faire un choix.

Résumé

Qu'est-ce qu'une crue éclair ?

Une crue éclair :

  • Est une inondation à déclenchement rapide qui met la vie en danger.
  • De nombreux SMHN incluent dans leur définition une notion de temps : par exemple, une crue éclair survient en 6 heures, souvent en moins de 3 heures, après l'épisode déclencheur.
  • Les épisodes déclencheurs comprennent : les pluies intenses, la rupture d'un barrage ou d'une digue, la fonte soudaine des neiges en raison de facteurs géothermiques ou la montée soudaine des eaux due à un embâcle dans une rivière.
  • Les crues éclair peuvent provoquer l'inondation de zones sans cours d'eau défini.
  • Dans certains cas, les caractéristiques du ruissellement peuvent jouer un rôle plus important que les précipitations.
  • Des crues éclair peuvent se produire et se produisent en cas de sols secs et de sécheresse.

Influence des conditions météorologiques

  • L'intensité des précipitations est un facteur clé pour déterminer le risque de crue éclair.
  • La même quantité et la même durée de précipitations ne donnent pas toujours la même quantité de ruissellement à un endroit donné, et ce du fait des changements spatiaux et temporels affectant les caractéristiques de la surface.
  • Les précipitations les plus intenses se produisent généralement en cas de précipitations convectives liées à des orages ou à des averses tropicales.
  • L'efficacité des précipitations peut être augmentée :
    • si l'atmosphère environnante se caractérise par une humidité relative élevée dans les niveaux moyens de la troposphère ou
    • si un processus de pluie chaude se produit, au cours duquel une grande partie du nuage est au-dessus du niveau de congélation et les particules augmentent de taille par collision.
  • La durée des précipitations influe également sur le risque de crue éclair.
  • Les précipitations intenses qui se déplacent lentement ou se régénèrent sur les mêmes zones entraînent une durée de précipitation plus longue et présentent généralement le risque le plus grand de crue éclair.

Influence des conditions hydrologiques

  • Il est très important de prendre en compte le ruissellement rapide de surface dans l'évaluation du risque de crue éclair.
  • Il faut tenir compte de l'humidité, de la texture et du profil du sol (y compris des matériaux se trouvant à sa surface) pour déterminer le potentiel de ruissellement.
  • La saturation du sol est une condition importante, mais non nécessaire, pour que se produise un ruissellement de surface rapide.
  • Des précipitations intenses combinées à des sols dont le taux d'infiltration est naturellement faible entraînent un ruissellement rapide, même sur des sols secs.
  • Les textures de sol aux particules plus petites, comme l'argile, peuvent produire un ruissellement de surface plus important lors de pluies intenses.
  • Les zones de sol peu profond sont généralement saturées plus rapidement et produisent plus de ruissellement que les zones de sol profond.
  • Les petits bassins versants sont davantage sujets aux crues éclair que les grands bassins.
  • Des pentes raides, une rugosité des surfaces moindre, la densité élevée des cours d'eau et l'altération des surfaces sont autant de facteurs qui augmentent le risque de crue éclair.
  • L'urbanisation, les incendies de forêt et la déforestation peuvent accélérer la survenue et l'ampleur des crues éclair.
  • L'urbanisation augmente tout à la fois le volume du ruissellement et la vitesse à laquelle il atteint les zones de basse altitude et les cours d'eau.
  • Les incendies de forêt peuvent modifier les caractéristiques du sol et augmenter le risque de coulée de débris et de boue (lave torrentielle).
  • Un sol gelé contribue parfois à augmenter le ruissellement.

Outils et systèmes de prévision des crues éclair

  • Les systèmes locaux d'alerte de crue manuels et automatiques ne fonctionnent généralement que sur la base des données des pluviomètres et des stations hydrométriques.
  • Dans de nombreux cas, ce sont des bénévoles qui enregistrent les mesures données par ces instruments.
  • Les systèmes manuels et locaux d'alerte de crue utilisent des informations historiques sur les cours d'eau pour déterminer si le niveau ou l'intensité des pluies dépasse le seuil de crue.
  • Les principaux avantages de l'utilisation de données satellite pour la prévision et la surveillance des crues éclair sont la couverture continue de grandes zones et la couverture de régions relativement peu peuplées et non observées par ailleurs.
  • Leurs principaux inconvénients sont la mesure indirecte de l'intensité des précipitations par des calculs basés sur d'autres propriétés des nuages et des délais de mise à jour plus longs, de 1 à 12 heures, selon la plate-forme du satellite.
  • Des outils tels que le Multi-Sensor Precipitation Estimate d'EUMETSAT bénéficient de la précision des capteurs hyperfréquence à orbite polaire et de la couverture importante et rapidement mise à jour des satellites géostationnaires pour effectuer des estimations multi-capteurs des précipitations.
  • Quant aux produits tels que l'estimateur hydrologique, ils utilisent les données issues de modèles météorologiques numériques pour mieux calculer l'intensité des précipitations à partir des températures du sommet des nuages transmises par les satellites géostationnaires.
  • Les principaux avantages de l'utilisation des données radar dans la prévision et la surveillance des crues éclair sont la mesure directe des particules de précipitations et d'autres éléments du système de précipitation, une résolution de quelques centaines de mètres ou moins et des mises à jour rapides, toutes les 5 minutes ou moins.
  • Leurs principaux inconvénients sont les divergences dans les estimations de l'intensité des précipitations dues à l'évaluation empirique de la relation réflectivité - intensité de la pluie et des problèmes techniques tels que les blocages de faisceau et la petite taille de la zone de couverture.
  • L'intensité des pluies est calculée à l'aide de radars sur la base de relations empiriques réflectivité radar-intensité de la pluie. Les prévisionnistes doivent savoir sur quelles relations s'appuyer suivant la saison et le type d'événement de précipitation pour obtenir les estimations de précipitations les plus fiables possibles.
  • Les indications relatives aux crues éclair consistent dans l'estimation du volume de précipitations nécessaire en une durée donnée pour « déclencher une crue éclair des petits cours d'eau ».
  • Les deux méthodes courantes d'indicateurs relatives aux crues éclair sont : l'indicateur de crue éclair de l'amont des cours d'eau et l'indicateur de crue éclair aux nœuds des mailles.
  • Les mailles font souvent apparaître la même valeur pour des bassins versants entiers puisqu'elles sont élaborées à partir de paramètres relatifs au bassin tout entier.
  • Les deux valeurs utilisées pour établir les indications relatives aux crues éclair sont le seuil de ruissellement et les courbes pluie - ruissellement.
  • Le seuil de ruissellement correspond à la quantité de ruissellement nécessaire sur une période donnée pour provoquer la crue des petits cours d'eau (les cours d'eau qui appartiennent au réseau de drainage des bassins versants de petite superficie).
  • De nombreux modèles de ruissellement mis au point par les SMHN produisent des courbes pluie - ruissellement qui fournissent la relation entre la quantité de pluie à l'échelle du bassin et la quantité de ruissellement à l'échelle du bassin.
  • Les courbes pluie - ruissellement permettent de calculer la quantité de pluie nécessaire pour produire le ruissellement correspondant au seuil de ruissellement.
  • Les courbes pluie - ruissellement tiennent compte des variations de l'humidité du sol.
  • Les indications relatives aux crues éclair sont élaborées à partir des bassins versants qui sont généralement plus grands que les bassins où surviennent les crues éclair.
  • Ces indications ne sont guère utiles dans le cas de bassins particuliers, par exemple en milieu urbain ou en présence de terres calcinées et stériles par suite d'un incendie.
  • Les systèmes d'indications relatives aux crues éclair fondés sur les estimations par satellite des précipitations et sur les données concernant l'humidité du sol sont actuellement utilisés en Amérique centrale, dans la vallée du Mékong, en Haïti, en République dominicaine et en Afrique australe. L'OMM a noué des partenariats avec des agences consultantes pour promouvoir l'utilisation d'un système mondial d'indications relatives aux crues éclair fondé sur des données satellite dans les régions qui ne disposent pas encore de cette technologie.
  • Les modèles distribués peuvent également prévoir l'amplitude des crues éclair à venir.
  • Les modèles distribués permettent de mieux mettre en évidence dans une maille le rôle des pluies et du ruissellement et devraient à terme remplacer le système actuel d'indications relatives aux crues éclair.

Contributeurs

Commanditaires COMET

Le Programme COMET® est parrainé par le Service météorologique national des États-Unis de l'Administration américaine pour les océans et l'atmosphère (NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration) et bénéficie également du financement :

  • de l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT)
  • du Service météorologique du Canada (SMC)
  • du Service national d'information, de données et de satellites pour l'étude de l'environnement (NESDIS, National Environmental Satellite, Data and Information Service) dépendant du NOAA
  • et du Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC) des États-Unis

Ont collaboré à ce projet

Chef de projet/conception pédagogique/création multimédia

  • Andrea Smith — UCAR /COMET

Conseiller scientifique principal

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET

Conseiller scientifique adjoint

  • Claudio Caponi — Organisation météorologique mondiale (OMM)

Graphisme/conception de l'interface

  • Brannan McGill — UCAR/COMET
  • Steve Deyo — UCAR/COMET

Responsable de projet en chef

  • Dr Patrick Parrish — UCAR/COMET

Contributeurs au projet original de cours d'hydrologie fondamentale

Chef de projet/conception pédagogique

  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Conseillers scientifiques principaux

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET
  • Dr Richard Koehler — UCAR/COMET

Création multimédia

  • Dan Riter — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Montage audio/production

  • Seth Lamos — UCAR/COMET

Narration audio

  • Dr Richard Koehler — UCAR/COMET

Graphisme/conception de l'interface

  • Steve Deyo — UCAR/COMET
  • Heidi Godsil — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Tests de logiciels/assurance qualité

  • Michael Smith — UCAR/COMET
  • Linda Korsgaard — UCAR/COMET

Gestion des droits d'auteur

  • Michael Smith — UCAR/COMET

Équipe d'intégration 2020 COMET HTML

  • Tim Alberta — Responsable de projet
  • Dolores Kiessling — Chef de projet
  • Steve Deyo — Graphiste
  • Gary Pacheco — Développeur Web principal
  • David Russi — Traductions en espagnol
  • Gretchen Throop Williams — Développeuse Web
  • Tyler Winstead — Développeur Web

Equipe de traduction française

  • Dr Bi Tozan Michel N'GUESSAN — Docteur-Ingénieur en Génie Civil et Environnement Enseignant-chercheur
  • Rokhaya Ba — OMM
  • Alexandre Alix — Partenariat Français pour l'Eau (PFE) / French Water Partnership (FWP)

Personnel de COMET, automne 2010

DIRECTEUR

  • Dr Timothy Spangler

DIRECTEUR ADJOINT

  • Dr Joe Lamos

ADMINISTRATION

  • Elizabeth Lessard, directrice administrative et commerciale
  • Lorrie Alberta
  • Michelle Harrison
  • Hildy Kane
  • Ellen Martinez

ASSISTANCE INFORMATIQUE ET PROGRAMMATION

  • Tim Alberta, responsable de groupe
  • Bob Bubon
  • James Hamm
  • Ken Kim
  • Mark Mulholland
  • Victor Taberski - étudiant assistant
  • Chris Webber - étudiant assistant
  • Malte Winkler

CONCEPTEURS DE RESSOURCES PÉDAGOGIQUES

  • Dr Patrick Parrish, responsable de projet en chef
  • Dr Alan Bol
  • Maria Frostic
  • Lon Goldstein
  • Bryan Guarente
  • Dr. Vickie Johnson
  • Tsvetomir Ross-Lazarov
  • Marianne Weingroff

GROUPE DE PRODUCTION MÉDIA

  • Bruce Muller, responsable de groupe
  • Steve Deyo
  • Seth Lamos
  • Brannan McGill
  • Dan Riter
  • Carl Whitehurst

MÉTÉOROLOGUES/SCIENTIFIQUES

  • Dr Greg Byrd, responsable de projet en chef
  • Wendy Schreiber-Abshire, responsable de projet en chef
  • Dr William Bua
  • Patrick Dills
  • Dr Stephen Jascourt
  • Matthew Kelsch
  • Dolores Kiessling
  • Dr Cody Kirkpatrick
  • Dr Arlene Laing
  • Dave Linder
  • Dr Elizabeth Mulvihill Page
  • Amy Stevermer
  • Warren Rodie

RÉDACTEUR SCIENTIFIQUE

  • Jennifer Frazer

TRADUCTION EN ESPAGNOL

  • David Russi

ADMINISTRATION AMÉRICAINE POUR LES OCÉANS ET L'ATMOSPHÈRE/SERVICE NATIONAL MÉTÉOROLOGIQUE DES ÉTATS-UNIS - DÉPARTEMENT DE FORMATION À LA PRISE DE DÉCISION EN MATIÈRE DE PRÉVISION MÉTÉOROLOGIQUE (FORECAST DECISION TRAINING BRANCH)

  • Anthony Mostek, chef de département
  • Dr. Richard Koehler, responsable de la formation en hydrologie
  • Brian Motta, formateur au Système interactif de préparation des prévisions (Interactive Forecast Preparation System, IFPS)
  • Dr. Robert Rozumalski, coordonnateur des ressources pour la science et la formation (SOO/STRC)
  • Ross Van Til, météorologue
  • Shannon White, formatrice au système avancé de traitement météorologique interactif

METEOROLOGICAL SERVICE OF CANADA VISITING METEOROLOGISTS

  • Brad Snyder

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