Simulations multi-échelles de la saisonnalité des vagues de chaleur et des pluies de mousson en Afrique de l'Ouest PDF Download
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Book Description
Cette thèse porte sur l'étude du climat de l'Afrique de l'Ouest à l'aide du modèle global développé à l'Institut Pierre Simon Laplace et des observations principalement acquises pendant la campagne d'Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine AMMA. Les travaux de la thèse visent plus spécifiquement à améliorer la représentation du climat ouest africain par la réduction des biais relevés dans l'exercice d'inter-comparaison des modèles couplés CMIP5 provenant en particulier des interactions atmosphère-surface, dans l'objectif de mieux prédire la distribution des pluies sur la région mais également des événements extrêmes tels que les vagues de chaleur. Les résultats ont montré que la représentation de la saisonnalité des températures et des précipitations en Afrique de l'ouest était altérée par de forts biais sur le bilan d'énergie à la surface et la circulation de grande-échelle ( positionnement latitudinale des éléments clés de la mousson). La première partie du travail consiste à mettre en place une technique d'évaluation basée sur deux protocoles expérimentaux et visant à : i) distinguer les biais dus à la circulation de ceux dus au bilan d'énergie à la surface , ii) faciliter l'exploitation des données sur sites, iii) isoler l'effet des paramétrisations. Dans cette partie, les biais sur la circulation et le le bilan d'eau sont illustrés. L'importance de l 'utilisation des techniques de guidage des vents horizontaux pour l'exploitation des mesures sur sites et pour l'analyse de l'effet des paramétrisations du modèle en Afrique de l'ouest est mise en lumière. Les données in-situ sont ensuite utilisées afin: 1) d'identifier les biais sur le bilan d'énergie, 2) relier ces biais aux défauts des paramétrisations utilisées dans le but de trouver des pistes d'amélioration. Grâce à cette étude, un certain nombre de problèmes, comme une mauvaise spécification de l'albédo de sol nu et des différents types de plante ou des "bug" sur le fonctionnement dans le couplage entre inertie thermique et humidité des sols, ont été identifiés. Certains sont dorénavant corrigés dans les versions récentes du modèle développées pour l'exercice CMIP6. Aussi dans ce manuscrit, nous montrons les progrès réalisés grâce à cette méthodologie sur la représentation du bilan d'eau et d'énergie, ainsi que les problèmes qui subsistent. Enfin, La dernière étude rassemble les travaux sur le rôle des aérosols dans la représentation du climat ouest africain et dans la mise en place des vagues de chaleur. Dans cette partie, nous avons introduit des poussières interactives avec la météorologie et calculé leur impact sur la représentation du bilan d'énergie à la surface. Puis, dans le cadre de l'ANR ACASIS, nous avons étudié la vague de chaleur de 2010. Ce travail nous a permit de mettre en exergue le lien entre les aérosols et l'augmentation de l'eau précipitable au printemps et de démontrer par ce fait l'importance des aérosols dans la représentation des vagues chaleur. Pour finir, nous avons abordé la question du couplage dynamique-physique à l'aide d'un nouveau protocole expérimental et à travers l'analyse de l'impact des aérosols sur les pluies de mousson.
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Cette thèse porte sur l'étude du climat de l'Afrique de l'Ouest à l'aide du modèle global développé à l'Institut Pierre Simon Laplace et des observations principalement acquises pendant la campagne d'Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine AMMA. Les travaux de la thèse visent plus spécifiquement à améliorer la représentation du climat ouest africain par la réduction des biais relevés dans l'exercice d'inter-comparaison des modèles couplés CMIP5 provenant en particulier des interactions atmosphère-surface, dans l'objectif de mieux prédire la distribution des pluies sur la région mais également des événements extrêmes tels que les vagues de chaleur. Les résultats ont montré que la représentation de la saisonnalité des températures et des précipitations en Afrique de l'ouest était altérée par de forts biais sur le bilan d'énergie à la surface et la circulation de grande-échelle ( positionnement latitudinale des éléments clés de la mousson). La première partie du travail consiste à mettre en place une technique d'évaluation basée sur deux protocoles expérimentaux et visant à : i) distinguer les biais dus à la circulation de ceux dus au bilan d'énergie à la surface , ii) faciliter l'exploitation des données sur sites, iii) isoler l'effet des paramétrisations. Dans cette partie, les biais sur la circulation et le le bilan d'eau sont illustrés. L'importance de l 'utilisation des techniques de guidage des vents horizontaux pour l'exploitation des mesures sur sites et pour l'analyse de l'effet des paramétrisations du modèle en Afrique de l'ouest est mise en lumière. Les données in-situ sont ensuite utilisées afin: 1) d'identifier les biais sur le bilan d'énergie, 2) relier ces biais aux défauts des paramétrisations utilisées dans le but de trouver des pistes d'amélioration. Grâce à cette étude, un certain nombre de problèmes, comme une mauvaise spécification de l'albédo de sol nu et des différents types de plante ou des "bug" sur le fonctionnement dans le couplage entre inertie thermique et humidité des sols, ont été identifiés. Certains sont dorénavant corrigés dans les versions récentes du modèle développées pour l'exercice CMIP6. Aussi dans ce manuscrit, nous montrons les progrès réalisés grâce à cette méthodologie sur la représentation du bilan d'eau et d'énergie, ainsi que les problèmes qui subsistent. Enfin, La dernière étude rassemble les travaux sur le rôle des aérosols dans la représentation du climat ouest africain et dans la mise en place des vagues de chaleur. Dans cette partie, nous avons introduit des poussières interactives avec la météorologie et calculé leur impact sur la représentation du bilan d'énergie à la surface. Puis, dans le cadre de l'ANR ACASIS, nous avons étudié la vague de chaleur de 2010. Ce travail nous a permit de mettre en exergue le lien entre les aérosols et l'augmentation de l'eau précipitable au printemps et de démontrer par ce fait l'importance des aérosols dans la représentation des vagues chaleur. Pour finir, nous avons abordé la question du couplage dynamique-physique à l'aide d'un nouveau protocole expérimental et à travers l'analyse de l'impact des aérosols sur les pluies de mousson.
Author: Rémi Meynadier Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 199
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La mousson d'Afrique de l'Ouest (MAO) représente un système climatique régional dont le cycle saisonnier est très marqué, notamment par l'humidité et les pluies de mousson et par la réponse de la végétation et des surfaces continentales. Les populations du Sahel dépendent de manière vitale de la régularité de ce système. Le cycle de l'eau est ainsi un élément primordial de la MAO et son étude est un objectif majeur de la campagne AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine). Dans ce contexte, six stations GPS ont été installées le long du gradient climatique méridien d'Afrique de l'Ouest dès 2005. Cette thèse porte d'une part sur l'analyse de l'humidité atmosphérique à l'aide des données GPS et propose d'autre part une étude plus approfondie des bilans d'eau dans l'atmosphère, à l'aide de différents jeux de données élaborés à partir des produits de la campagne AMMA (observations et modélisation). L'analyse des séries temporelles GPS met en évidence une variabilité spatiale et temporelle de la vapeur d'eau (cycle saisonnier, variabilité intra-saisonnière avec des modes de 10-20 jours, échelle synoptique et cycle diurne) qui est reliée aux processus atmosphériques de la mousson. La précision de ces données permet également d'identifier des biais d'humidité dans les observations de radiosondages et de manière corrélée (via l'assimilation) dans les modèles de prévision météorologique. Une méthode est ensuite développée pour calculer des bilans d'eau intégrés verticalement à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest à partir d'un jeu de données "hybride". Elle combine des estimations de pluies satellitaires, des simulations d'un ensemble de modèles de transfert sol-végétation-atmosphère (TSVA) tous forcés par les mêmes pluies et d'autres produits élaborés de qualité. L'analyse du fonctionnement du cycle hydrologique à l'interface surface-atmosphère à l'aide de ce nouveau jeu de données, permet de confirmer ou d'infirmer certaines hypothèses élaborées dans le passé mais surtout d'apporter un éclairage nouveau sur le cycle saisonnier et la variabilité interannuelle des bilans d'eau et d'énergie à la surface. Nous mettons notamment en évidence des relations entre les termes de ces bilans (convergence d'humidité, pluie, évaporation, ruissellement, humidité dans le sol, et le rayonnement net) distinctes suivant les échelles considérées. Ce jeu de données est ensuite utilisé comme référence pour évaluer les différents termes du bilan d'eau d'un ensemble de modèles météorologiques (ré-analyses, analyses opérationnelles et prévisions des modèles de Météo-France, ECMWF et NCEP). Des biais importants sont diagnostiqués dans les précipitations, les évaporations et la convergence d'humidité de ces modèles. Des hypothèses sont proposées quant à l'origine de ces biais (défauts dans les schémas de convection, dans l'initialisation de l'humidité des sols et dans les données assimilées, mais également des incertitudes de calcul). Pour certains modèles (p.ex. ECMWF), nous identifions une rétroaction de ces biais sur la circulation atmosphérique dans la région de la dépression Saharienne. Ce travail ouvre des perspectives d'améliorations du cycle de l'eau des modèles de prévision météorologique et fournit un jeu de données hybride potentiellement utile pour analyser les interactions des processus aux échelles inférieures (méso-échelle et synoptique).
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Les océans expliquent une part importante de la variabilité des pluies de mousson en Afrique de l'ouest. Quels sont les mécanismes physiques de ces interactions océan- atmosphère ? Comment sont-elles reproduites par les modèles de climat ? Ces deux questions sont ici abordées, en séparant d'emblée les échelles de temps interannuelles et décennales, et en confrontant les simulations réalisées pour le 4e rapport du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (GIEC) aux données observées du xxe siècle. À l'échelle interannuelle, les anomalies de température à la surface du Pacifique équatorial, du golfe de Guinée, et de la Méditerranée sont statistiquement liées aux anomalies des pluies d'Afrique de l'ouest. La question de la stationnarité de ces liens au cours du xxe siècle est brièvement abordée. Les mécanismes physiques sont ensuite appréhendés dans les réanalyses atmosphériques et dans les simulations couplées du GIEC. Pour comprendre le comportement du modèle du Centre national de recherches météorologiques (CNRM), différentes expériences de sensibilité sont réalisées en prescrivant à l'océan une tension de vent réanalysée, sur le Pacifique tropical ou sur tout globe. Une simulation atmosphérique avec des températures de surface prescrites est aussi utilisée pour discuter du rôle du couplage océan-atmosphère. Étant donné le caractère saisonnier de la mousson africaine, le phasage temporel de la variabilité océanique doit être considéré avec attention. Dans les modèles couplés, les biais de l'El Niño-Southern Oscillation (ENSO) et de l'Atlantic Niño conduisent en effet à des interactions océan-mousson différentes de celles observées. À terme, une meilleure compréhension et simulation de la variabilité océanique et de ses influences pourrait permettre d'améliorer les scores de prévision saisonnière sur l'Afrique de l'ouest.
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La saison des pluies en Afrique de l'Ouest est primordiale pour les populations locales. La mise en place de la mousson (MAO) se produit fin juin et correspond à un affaiblissement global de la convection sur la région puis une transition brutale des précipitations de la côte de Guinée vers le Sahel. C'est le mécanisme responsable de ce « saut » qui est étudié ici à partir d'expériences numériques. La capacité du modèle à aire limitée WRF à reproduire la circulation de la MAO en 2006 a d'abord été évaluée. Différentes paramétrisations de la convection et de la couche limite ont été testées et leur impact sur les simulations analysé. Des tests de sensibilité ont ensuite été effectués pour évaluer le rôle de la dépression thermique saharienne et de la SST (mécanismes proposés dans d'autres études) sur la mise en place de la MAO. Les résultats montrent que la phase de transition dépend plus fortement de la dynamique de grande échelle que des éléments régionaux. Plus précisément, la mise en place de la mousson Indienne libère une onde de Rossby qui se propage vers l'ouest, arrive au dessus de l'Afrique du Nord en favorisant les intrusions de masses d'air sec au dessus de l'Afrique de l'Ouest qui inhibent la convection. En parallèle, le gradient méridien de pression de surface est renforcé et la MAO s'intensifie en advectant de l’humidité au dessus du Sahel. Une fois l'onde évacuée, la convection se réorganise au dessus du Sahel où les conditions thermodynamiques sont favorables. L'utilisation de simulations globales avec LMDz a confirmé le rôle de la mousson indienne sur toute la période 1989-2008 avec cependant des années plus ou moins marquées.
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La mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une très forte variabilité des pluies à toutes les échelles spatiales et temporelles. Le travail de thèse se focalise sur la variabilité synoptique et intra-saisonnière de la mousson, dont les impacts socio-économiques peuvent être dramatiques dans cette zone subsaharienne. L'objectif est d'une part de contribuer à la documentation statistique de cette variabilité et la compréhension de la physique associée, et d'autre part de mettre à profit le potentiel de prédictibilité associée à ces échelles pour guider les prévisions à courte et moyenne échéances. Au Sahel, l'humidité est un des facteurs importants pour l'activité pluviométrique, avec souvent un effet limitant sur le déclenchement de la convection profonde. Dès lors ce travail de thèse s'est focalisé sur l'humidité intégrée sur la colonne ou eau précipitable, pour étudier la variabilité de la mousson. L'activité des ondes d'est, principales perturbations synoptiques de l'atmosphère ouest-africaine pendant l'été boréal, a été détectée et analysée sous cette perspective de l'eau précipitable. Cette étude a ouvert une voie à la compréhension du couplage onde et convection au sein de la mousson. Une analyse conjointe des contributions dynamiques et diabatiques à la physique des ondes a été ensuite entreprise. Il ressort que, la dynamique, via les transports d'énergie associée à l'état de base fortement barocline du Sahel, est un élément précurseur et prédominant dans la couche d'atmosphère en-dessous du jet d'est africain. En revanche, dès que les ondes atteignent leur phase de maturité, le rôle de convection devient primordial grâce aux sources de chauffage et puits d'humidité qu'elle introduit dans l'atmosphère. En outre, elle engendre un transfert turbulent et convectif de quantité de mouvement horizontal, de la surface vers les couches plus hautes, permettant de renforcer les circulations dans la moyenne troposphère. La compréhension du couplage onde-convection ouvre alors une perspective à l'amélioration des modèles de prévision du temps sur l'Afrique.
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Les pluies au Sahel connaissent une très forte variabilité spatio-temporelles. A l’échelle décennale, cette variabilité peut aboutir parfois à des situations désastreuses comme la sécheresse des années 1970. Par ailleurs, les modèles de circulation générale atmosphériques, forcés ou couplés à un modèle océanique, ont du mal à simuler correctement le phénomène de la mousson africaine. Cette difficulté à bien modéliser la mousson, combinée à une insuffisance d'observations au siècle dernier, fait qu’aujourd’hui les chercheurs ont du mal à répondre aux questions liées aux tendances des changements climatiques sur l’Afrique de l’Ouest mais aussi aux questions relatives aux impacts de ces changements sur le système atmosphérique global. Pour comprendre et bien simuler la variabilité décennale du système de mousson en Afrique de l’Ouest, nous avons mis en place, dans un premier temps, un protocole basé sur le forçage, pour deux décennies contrastées par leur pluviosité, des modèles atmosphériques par des SSTs climatiques mensuelles et moyennes sur 11 ans, correspondant à ces décennies. On élimine ainsi les modes de variabilité d’échelles inférieures et on sépare en même temps la variabilité interne de l’atmosphère de la variabilité due aux SSTs. Dans un deuxième temps, pour répondre à la question du rôle de la rétroaction de surface sur la variabilité décennale, nous avons mis en place un schéma idéalisé basé sur le rapport évaporation réelle à l’évaporation d’une surface d’eau libre dite potentielle. Ce schéma idéalisé nous permet de découpler les interactions sol-atmosphère et d’étudier séparément la part de chacune de ces deux composantes dans la variabilité.
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Les variations climatiques en Afrique de l'Ouest ont un impact parfois catastrophique, particulièrement au Sahel où les populations sont exposées aux aléas des ressources en eau. Comprendre le fonctionnement du climat et ses variabilités est une nécessité pour anticiper ce que pourraient être les conséquences du changement climatique et définir d'éventuelles stratégies d'adaptation. Ceci suppose de connaître les différents modes de variabilité atmosphérique et leurs conséquences sur les processus qui génèrent les pluies. Cette thèse porte sur la part de la variabilité des précipitations au Sahel qui peut être expliquée par la variabilité atmosphérique. L'objectif principal du travail vise à comprendre comment des perturbations du champs de vents à 700 hPa : les Ondes d'Est Africaines (AEWs), agissent sur la convection qui est elle-même à l'origine des précipitations. Un autre aspect consiste à étudier comment les AEWs s'insèrent dans la variabilité interannuelle et intra saisonnière du flux de mousson. Après avoir exposé les connaissances actuelles de la climatologie Ouest Africaine et expliqué la méthodologie développée pour étudier les AEWs, l'étude de la variabilité des précipitations a été faite. La modulation de la convection et des précipitations par les AEWs a été analysée et a permis de distinguer des secteurs propices et inhibiteurs aux fortes précipitations. L'impact des ondes sur la dynamique et la thermodynamique atmosphérique a été ètudié. Les conditions dans les basses couches atmosphériques se sont révélées importantes Ainsi, la variabilités intra saisonnière du flux de mousson et la connexion avec les AEWs et la convection a été analysée.
Author: Benjamin Sultan Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 284
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Cette thèse aborde une caractérisation d'évènements qui stucturent et modulent le cycle saisonnier des pluies en Afrique de l'Ouest. La mise en place de la mousson est étudiée à partir du déplacement méridien de la Zone de Convergence Intertropicale qui montre une transition rapide entre deux positions d'équilibre marquée par une amplification de la dynamique des basses pressions sahariennes. On s'attache également à décrire les fluctuations intra-saisonnières de la convection en Afrique de l'Ouest qui s'expriment dans deux bandes de fréquences à 15 jours et à 40 jours en cohérence avec la dynamique atmosphérique des basses couches et l'échelle des systèmes convectifs. Les applications agronomiques sont abordées en utilisant le modèle SARRA-H du CIRAD. Il est montré que la prise en compte de la mise en place de la mousson comme date de semis améliore le rendement et qu'il existe un impact fort des séquences sèches intra-saisonnières selon le degré de développement de la culture.
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Les variations climatiques en Afrique de l'Ouest ont un impact parfois catastrophique, particulièrement au Sahel où les populations sont exposées aux aléas des ressources en eau. Comprendre le fonctionnement du climat et ses variabilités est une nécessité pour anticiper ce que pourraient être les conséquences du changement climatique et définir d'éventuelles stratégies d'adaptation. Ceci suppose de connaître les différents modes de variabilité atmosphérique et leurs conséquences sur les processus qui génèrent les pluies. Cette thèse porte sur la part de la variabilité des précipitations au Sahel qui peut être expliquée par la variabilité atmosphérique. L'objectif principal du travail vise à comprendre comment des perturbations du champs de vents à 700 hPa : les Ondes d'Est Africaines (AEWs), agissent sur la convection qui est elle-même à l'origine des précipitations. Un autre aspect consiste à étudier comment les AEWs s'insèrent dans la variabilité interannuelle et intra saisonnière du flux de mousson. Après avoir exposé les connaissances actuelles de la climatologie Ouest Africaine et expliqué la méthodologie développée pour étudier les AEWs, l'étude de la variabilité des précipitations a été faite. La modulation de la convection et des précipitations par les AEWs a été analysée et a permis de distinguer des secteurs propices et inhibiteurs aux fortes précipitations. L'impact des ondes sur la dynamique et la thermodynamique atmosphérique a été ètudié. Les conditions dans les basses couches atmosphériques se sont révélées importantes Ainsi, la variabilités intra saisonnière du flux de mousson et la connexion avec les AEWs et la convection a été analysée.
Author: Fatoumata Binta Diallo
Author: Fatoumata Binta Diallo
Author: Rémi Meynadier
Author: Mathieu Joly
Author: Emmanouil Flaounas
Author: Dazangwendé Emmanuel Poan
Author: Abdoul Khadre Traoré
Author: Christophe Lavaysse
Author: Benjamin Sultan
Author: Christophe Lavaysse
Author: Samuel Louvet