Créée le 31 décembre 1966 sous l’impulsion de l’état par décret, la communauté urbaine de Lyon (Grand Lyon) se situe au nord du couloir Rhodanien, à la confluence du Rhône et la Saône (fig. 1). Elle présente une forte concentration urbaine en regroupant 57 communes sur une superficie de 515 km². Fort de 1 300 000 habitants, ce territoire est donc pourvu d’une densité moyenne supérieure à 2500 habitants au kilomètre carré. L’agglomération concentre ainsi 80% de la population du Rhône sur seulement 16% de sa superficie.

En cas d’épisodes pluvieux de forte intensité, cet espace urbain fortement imperméabilisé peut être ponctuellement touché par de nombreuses inondations, provoquées par ruissellement. Ces inondations sont très fortement liées à la répartition spatiale du phénomène pluvieux (Renard et Riquier, 2008). A l’échelle de l’agglomération, de grandes disparités spatiales existent entre les épisodes successifs, et aucune portion du territoire n’est épargnée. Une étude précédente fondée sur le réseau pluviométrique du Grand Lyon a néanmoins montré des directions et des orientations significatives dans la distribution de ces épisodes pluvieux intenses sur l’agglomération (Renard et Comby, 2007). En effet, une très grande majorité de ces épisodes provient du sud-ouest avec une orientation de 45°N environ, et les passages des noyaux de pluie intenses d’une dizaine de km² sont clairement identifiables à l’aide des 30 pluviomètres de la communauté urbaine.

Mais si le réseau pluviométrique dense du Grand Lyon est un outil qui permet d’appréhender de manière relativement précise la répartition spatiale de la pluviométrie sur son territoire, le radar météorologique local de Météo-France permet d’affiner cette première approche. En effet, ce radar est installé depuis mi-mai 2001 sur la commune de St Nizier d’Azergues, à une quarantaine de kilomètres au nord-ouest de Lyon. Il fait partie du réseau Aramis géré par Météo France. La figure 1 donne la position de cette localisation et le tableau 1 rappelle les principales caractéristiques de ce radar. Sa couverture hydrologique est telle qu’il est possible de détecter des noyaux de pluies intenses bien développés en altitude jusqu’à 260 km environ. A terme, cet outil peut donc être utilisé sur la communauté urbaine en temps réel à des fins de détection et d’anticipation des phénomènes pluvieux intenses. Ceci pourra permettre une optimisation du système d’assainissement en temps réel par temps de pluie et des dispositifs de gestion des eaux pluviales, afin de réduire les inondations par ruissellement et de limiter les rejets au milieu naturel.

Ces épisodes pluvieux intenses sont généralement associés à des manifestations de type orageux. Il existe désormais une classification bien établie des orages (Chancibault, 2002). Il s’agit de la cellule ordinaire, de l’orage multicellulaire et de l’orage supercellulaire. Une première observation des données disponibles a permis de constater que le Grand Lyon était affecté en grande majorité par des orages de types multicellulaires. Ce sont des ensembles de plusieurs cellules convectives, où plusieurs de ces cellules peuvent coexister en permanence, mais à des étapes différentes de leur développement (stade cumulus, stade de maturité et stade de dissipation - Byers et Braham, 1949). Alors que la durée de vie d’une cellule ordinaire est d’une trentaine de minutes environ, (Browning, 1986 ; Weisman et Klemp, 1986 ; Emmanuel, 1994), la régénération continuelle de ces cellules toutes les 5 à 10 minutes dans un phénomène multicellulaire amène finalement à une durée de vie de l’orage de plusieurs heures (Chancibault, 2002).

Cette étude se propose donc d’analyser les caractéristiques de ces cellules de pluies intenses, telles que la superficie, la vitesse, l’orientation ou encore l’intensité. Pour cela, une suite de traitements de statistiques spatiales pour en mesurer les distributions géographiques a été mise en place, puis un modèle en a été créé afin d’automatiser les tâches répétitives et de limiter les opérations manuelles (fondée sur les outils Spatial Statistics et ModelBuilder d’ArcToolbox, ainsi que sur l’extension Tracking Analyst d’ArcMap). L’explication de cette méthodologie est l’objet de la première partie de cette étude, qui précédera son application sur l’épisode pluvieux intense du 29 juillet 2005 et l’exploitation des résultats.

2.1 Analyse globale spatiale et statistique de l’épisode pluvieux
 
Lors de l’épisode pluvieux du 29 juillet 2005, la méthodologie mise en place a détecté 563 noyaux de forte intensité (figure 7). Une première observation permet de constater une structuration dans la répartition spatiale des centres moyens pondérés. Cette répartition est confirmée par la carte de densité issue de ces centres (figure 8), avec des couloirs de passages globalement orientés de 45°N. En conséquence, 437 vecteurs de déplacement ont été créés. Ces vecteurs de déplacement confirment l’orientation des couloirs de passage de la carte de densité, certains s’orientant notamment perpendiculairement aux lignes de crêtes du massif central ou du sud du Jura (figure 9).

D’une manière globale, 4,7 cellules ont été identifiées pour chaque pas de temps, avec en moyenne une intensité maximale de 174,4 mm/h, et une intensité moyenne de 97 mm/h (qui varie peu :  = 13 mm/h) par noyau pluvieux. Ces cellules de forme plutôt arrondie, faisaient en moyenne 43 km² de superficie, et présentaient une rotation de 97°N. Les vecteurs de déplacement, de direction Sud-ouest Nord-est, présentent une orientation moyenne de 47,3°. Leur longueur moyenne de 5544,3 m nous indique une vitesse de 66,5 km/h, qui présente un très faible écart type de 12 km/h. Il convient de remarquer que la variance circulaire moyenne est très faible (0,05), les différents vecteurs lors d’un même pas de temps étant tous pratiquement parallèles (tableau 2).

La proportion de la variance d’un des paramètres imputable à la variance d’un autre a été calculée pour toutes les combinaisons possibles à l’aide de régressions linéaires. Les coefficients de détermination sont dans l’ensemble quasiment nuls, sauf pour la relation entre intensité maximale et intensité moyenne (r²=0,59), et celle entre intensité maximale (ou moyenne) et aire de la cellule (r²=0,49) (figure 10).

2.2 Analyse détaillée de l’évolution de trois cellules intenses
 
Suite à cette première analyse globale, une étude détaillée portant sur trois cellules distinctes a été menée. Les trois cellules sélectionnées sont celles qui ont pu être suivies consécutivement durant une longue période, c’est à dire durant 03h35 pour la cellule A, 02h00 pour la cellule B et 02h05 pour la cellule C (figure 11), sur des distances respectives de 227 km, 146 km et 145 km. Les normes et l’orientation de leurs vecteurs de déplacement ne varient pratiquement pas, les cellules restent sur une trajectoire linéaire de 55°N environ à vitesse constante (55 km/h). Une comparaison détaillée des critères descriptifs de ces cellules montre une similitude certaine avec les critères moyens globaux, avec cependant des valeurs plus forte pour l’intensité et la superficie (tableau 3).

La relation entre intensité maximale et superficie de la cellule se retrouve aussi avec ces trois exemples, comme l’atteste la figure 11. Le coefficient de détermination de cette relation est de 0,45 pour la cellule C, et de 0, 78 pour la cellule B (figure 12). Une des poursuites de ce travail va être de mettre en relation l’évolution des caractéristiques de ces cellules avec des variables environnantes, comme la topographie ou l’occupation des sols.

La méthode élaborée ici a pour but de proposer une description détaillée des caractéristiques physiques des cellules de pluie intense à partir des données radar de Météo-France. Cette méthode repose sur l’utilisation successive de plusieurs outils d’analyse statistique spatiale pour mesurer les distributions géographiques, accessibles via ArcToolbox et l’extension Tracking Analyst d’ArcMap. Afin d’automatiser le processus et de limiter les opérations répétitives, un modèle de fonctionnement général en a été créé, avec ModelBuilder.
            Cette méthodologie, appliquée ici à l’épisode pluvieux intense sur le Grand Lyon du 29 juillet 2005, s’est révélée d’une forte efficacité, et a permis d’exposer des tendances pertinentes concernant cet événement. Tout d’abord, cet épisode a balayé le champ d’étude du Sud-ouest au Nord-est, l’orientation moyenne des vecteurs des cellules étant de 47,3° et leur intensité moyenne de 97 mm/h. Des régressions linéaires ont été effectuées entre toutes les caractéristiques, ce qui a notamment permis de montrer à l’échelle globale un coefficient de détermination de 0,49 entre intensité maximale et superficie de la cellule. Cependant, cette relation peut s’accentuer lors de l’étude détaillée de cellule, la cellule B présentant notamment un r² de 0,78 entre ces deux variables.

BYERS H. et BRAHAM R., 1949. The thunderstorm. Washington D.C.U.S govt, printing off
 
BROWNING K., 1986. Morphology and classification of middle-latitude thunderstorm. In E. Kessler (Ed.), Thunderstorm morphology and dynamics, pp. 133-152, University of Oklahoma Press.
 
CHANCIBAULT K., 2002. Etude numérique des orages supercellulaires en France. Thèse de doctorat de l’université de Toulouse III, discipline physique de l’atmosphère, 163 p.
 
EMMANUEL K., 1994. Atmospheric Convection. Oxford University Press
 
RENARD F., COMBY J., 2007. Caractérisation de l’aléa pluviométrique en milieu urbain à partir d’un réseau de pluviomètres : le cas du Grand Lyon. Climatologie, vol. 4, pp. 131-144
 
RENARD F., RIQUIER J., 2008. Analyse territorialisée du risque de débordements de réseau d’assainissement liés aux eaux pluviales urbaines : application au Grand Lyon. Norois, n° 208, pp. 45-60
 
WEISSMAN M. et KLEMP J., 1986. Mesoscale meteorology and forecasting. Chapter characteristics of isolated convective storms, pp. 331-358