FA 5.1 - Variabilité et prévisibilité intra-saisonnières en Afrique Centrale

Coordinateurs:

Justificatif /Enjeux:

Les cumuls pluviométriques saisonniers intègrent les événements pluviométriques dans le temps et dans l'espace et, à ce titre, filtrent une partie de la variabilité liée à des mécanismes atmosphériques imprévisibles à l'échelle saisonnière. Ils optimisent ainsi le rapport signal/bruit et la prévisibilité potentielle, associée par exemple au forçage des températures de surface océanique (TSO), à l'échelle interannuelle. Cependant, les cumuls saisonniers des deux saisons des pluies majeures en Afrique centrale (printemps et automne) ne correspondent pas nécessairement aux variables-clés liées aux impacts de la variabilité pluviométrique, notamment en agronomie et en hydrologie. Il est donc nécessaire de comprendre (1) comment se structure la variabilité intra-saisonnière (démarrage/fin des saisons des pluies, distribution séquentielle des pluies, longueur/phase/intensité des séquences pluvieuses et sèches etc.) par rapport au cumul saisonnier et (2) quelle est la prévisibilité potentielle des caractéristiques intra-saisonnières, notamment celles directement impliquées dans les impacts.

Etat de l'art:

Les connaissances sur les modalités et mécanismes de la variabilité climatique intrasaisonnière sont assez bien établies pour l'Afrique de l'Ouest en liaison notamment avec le programme AMMA, mais aussi pour l’Afrique de l'Est (Camberlin et al., 2009). Le travail est beaucoup moins avancé en ce qui concerne l'Afrique Centrale. Or ce secteur est au coeur du fonctionnement de la dynamique atmosphérique tropicale, notamment parce qu'il correspond à l’une des branches ascendantes majeures de la circulation quasi-divergente (avec l'Amazonie et l'Indonésie). Il est aussi l’un des secteurs où l’activité des ondes équatoriales couplées à la convection (ondes de Kelvin et Rossby) est la plus forte, dans les saisons de printemps et d’automne quand la zone de convergence est située à l’équateur (Nguyen et Duvel, 2006). Leur cycle saisonnier influe fortement sur le développement de la mousson en Afrique de l’Ouest (Mounier et al., 2007). A des pas de temps plus longs, une modulation de la convection sur l’Afrique centrale par l’oscillation de Madden-Julian (30-60 jours) est décelable (Matthews, 2004 ; Pohl 2007). Son incidence sur la variabilité observée des pluies reste quasiment inexplorée (Camberlin, 2007), d’autant que les estimations des pluies par satellite, qui s’appuient fortement sur des marqueurs de la convection comme les occurrences de nuages à sommet froid, sont très biaisées en Afrique centrale (McCollum et al., 2000).

Les travaux de Bigot (1997) montrent pour l’Afrique centrale une médiocre cohérence spatiale de la variabilité des pluies. Il est probable que cette faible cohérence, liée à une sensibilité réduite aux grands modes de variabilité tropicaux de type ENSO (Moron et al., 1995), induise une faible prévisibilité interannuelle des pluies, mais cet aspect, tout autant que les causes de la faible cohérence spatiale, demeurent quasiment inexplorés. La géographie de  cette prévisibilité (potentiellement plus forte dans les régions côtières du Cameroun, du Gabon et du Congo, où la variabilité des pluies est notamment forcée par les TSO sudatlantiques; Maloba-Makanga et Samba, 1997) est à préciser. Le rôle de la végétation forestière, dans l’intérieur du continent, sur le cycle de l’eau et la décorrélation spatiale des pluies, constitue un autre point mal compris.

Par ailleurs Yepdo et al.(2009) et Monkam et al (2010) ont montré que les surfaces des zones à climat sévère (aride et semi-aride) ont beaucoup augmenté vers la fin du 20ème siècle tandis les zones à climat doux (notamment la zone forestière ) ont diminué de plus de 50% . Ce sont des résultats importants. Ces études devraient être complétées par des simulations de l’évolution des surfaces des zones climatiques en Afrique Centrale et particulièrement celle de la zone forestière. Ces auteurs montrent que des tendances de réchauffement significatif sont observées sur toutes les zones, avec une variation de l’ordre de 2°K par siècle. Cette croissance de température est accentuée principalement au cours des trois dernières décades, associée à un fort déficit pluviométrique.

Objectifs:

Un premier volet serait d'assembler les données pluviométriques quotidiennes, et d'analyser la qualité des estimations satellites, qui est médiocre pour l'instant. Cette mise en oeuvre d’une base de données pluviométriques est un élément clé, car les jeux de données globaux de précipitations sont défaillants pour cette région, comme le montre l’analyse récente des données GPCP effectuée par Yin et Gruber (2010). Sur ce point, on peut solliciter la base de données régionale du programme FRIEND AOC de l’UNESCO.

Un second volet serait d'analyser la variabilité spatio-temporelle avec des méthodes classiques à la fois au niveau des cumuls saisonniers mais aussi à celui des caractéristiques intrasaisonnières. Cette analyse peut être complétée par celle des pluies quotidiennes (modèle de Markov « caché » par exemple) combinée à une étude fine des types de circulation sur le domaine équatorial à partir des ré-analyses atmosphériques ERA-Interim et NCEP-DOE. Ce volet pourrait également comporter une comparaison avec les travaux déjà effectués sur les régions situées plus à l'Est (Kenya/Tanzanie) et plus au Nord (bande guinéo-soudanosahélienne). Ce volet pourrait aussi examiner l'apport des modèles régionaux (comme WRF) dans la compréhension de la climatologie du bassin.

Un troisième volet serait de calculer la prévisibilité potentielle saisonnière et intra-saisonnière à partir des TSO et éventuellement des champs continentaux. Il s’agirait de préciser la part de variance des précipitations forcée par la dynamique atmosphérique de large-échelle dans les différentes parties de l’Afrique centrale.

L’analyse des variations intra-saisonnières sensu lato (3-60 jours, y compris le phasage des saisons des pluies) et de leur prévisibilité a des applications potentielles pour l’agriculture. Les résultats de ces analyses climatologiques permettront d’évaluer l’évolution de la durée de la grande saison sèche (juin-septembre) dans cette région. Par ailleurs, une analyse à partir des données de rendement agricole issues du Ministère de l'Agriculture et du Développement Rural (Minader) au Cameroun ainsi que celles des sites expérimentaux du Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad), sera menée pour évaluer la sensibilité de la variabilité climatique sur le rendement agricole dans la partie Sud du Cameroun. Compte tenu de la faible emprise agricole villageoise au Congo et au Gabon, les aspects intra-saisonniers ne sont pas seuls en jeu, l’aspect fréquentiel interannuel est également important, ainsi que l’évolution de seuils bioclimatiques.

L’augmentation des surfaces des zones Saharienne et Sahélienne entraîne un appauvrissement des sols cultivables. Les sols devenus arides provoqueront à court terme ou à moyen terme la migration des populations vers des terres fertiles, avec la possibilité de conflits sociaux. Il est nécessaire de modéliser l’évolution des zones climatiques et par conséquent des surfaces cultivables, en vue de permettre une anticipation des politiques agricoles liées à la gestion des terres. La baisse constatée des précipitations dans les trois dernières décades du 20ème siècle.

Démarches/méthodes:

  • Self-organising maps (SOM), Chaines de Markov cachées, Réseaux de neurones (KNN) pour la détection des types de temps/ classification des champs de pluie quotidiens ( plusieurs pré-requis relatifs aux données avant d’appliquer ces outils : validité des réanalyses pour la sous-région, densité suffisante du réseau pluviométrique)
  • Filtrages spectraux pour extraire les signaux des ondes équatoriales
  • Analyse multivariée (CCA, EOF etc) pour la structuration des caractéristiques saisonnières/intra-saisonnières vis-à-vis des cumuls, schéma de prévision saisonnière.
  • Analyse des modes de variation forcés par les TSO dans les AGCMs forcés (depuis 1950) + modèles couplés pour prévision saisonnière.
  • Analyse fréquentielle de la saisonnalité en partant de différentes variables bioclimatiques combinées.
  • Utilisation de différents modèles couplés « Végétation – Atmosphère ».

Sites, instruments

Les données disponibles sont soit issues des banques de données internationales, le plus souvent sous forme de données interpolées (par maille de 0,5° côté), soit fournies par les services nationaux. Dans les deux cas la situation n’est pas satisfaisante : les bases de données mondiales sont pauvres en données sur ces régions et représentent mal les pluies, et les services nationaux sont réticents à fournir des données. Les données satellitaires sont encore de qualité trop mauvaise pour pouvoir remplacer significativement les données de pluies  issues des données au sol. Il sera donc impératif de mettre en place ou de disposer d’un réseau de données large et fiable, par une coopération étroite avec les services météorologiques.

Résultats attendus:

  • Description de la variabilité à long terme et intra-saisonnière des pluies régionales, et relations avec les pluies en Afrique de l’Ouest, avec les TSO en particulier Atlantique et Indiennes, et téléconnexions atmosphériques associées.
  • Diagnostic de la prévisibilité de la qualité des saisons des pluies en Afrique Centrale. La prévision saisonnière existe depuis 2002 dans la région (PRESAC, pilotée par l’ACMAD) (http://www.acmad.ne/fr/actualite/presac04.pdf). Il faut évaluer ses performances et les variables utilisées, et préciser le degré de prévisibilité intrinsèque du climat régional.
  • Mise au point de modèles agro-climatiques pour mieux renseigner les choix agricoles par rapport aux prévisions climatiques et augmenter les rendements
  • Mise au point d’un modèle d’évolution des zones climatiques pour permettre une anticipation des politiques de gestion des forêts et des surfaces cultivables,
  • Mise au point d’un modèle de projection des précipitations et des températures dans les zones climatiques pour contribuer à anticiper les stratégies en matière de choix de culture en relations avec la pluviométrie, en vue des meilleurs rendements agricoles.
Références fiche:

Bigot S., 1997: Les précipitations et la convection profonde en Afrique centrale : cycle saisonnier, variabilité interannuelle et impact sur la végétation. Thèse de Doctorat, Dijon, 282p.

Camberlin P., 2007 : L’Afrique Centrale dans le contexte de la variabilité climatique tropicale interannuelle et intrasaisonnière. in Tsalefac et al., Actes du colloque l’Afrique Centrale, le Cameroun et les changements globaux, Presses Universitaires d’Orléans, 25-39.

Camberlin P., Moron V., Okoola R., Philippon N., Gitau W., 2009 : Components of rainy seasons variability in Equatorial East Africa : onset, cessation, rainfall frequency and intensity. Theoretical and Applied Climatology, DOI 10.1007/s00704-009-0113-1.

Maloba Makanga J.D., Samba G. 1997 : Organisation pluviométrique sur l’espace Congo-Gabon (1950-1990). Sécheresse, 1, vol. 8, 39-45.

Matthews, A. J. 2004 : Intraseasonal variability over tropical Africa during northern summer. J. Climate, 17,2427-2440

McCollum J. R., Gruber A., Ba M. B., 2000: Discrepancy between gauges and satellites estimates of rainfall in equatorial Africa. J. Appl. Meteor. 39, 666-679.

Monkam D. Yepdo Djomou Z., LenouoA., Ndiaye A., Ba S. Mkankam kamga F. 2010: Tendance et variabilité climatique d’échelle locale/régionale en Afrique de l’Ouest au cours du vingtième siècle. Publication de l’Association International de Climatologie , ISSN 1140-0307, 23: 415-420

Moron V., Bigot S., Roucou P., 1995 : Rainfall variability in subequatorial America and Africa and relationships with the main sea-surface temperature modes (1951-1990). Int. J. Climato., 15, 1297-1322.

Mounier, F., G. N. Kiladis, S. Janicot, 2007: Analysis of the dominant mode of convectively coupled Kelvin waves in the West African monsoon. J. Climate, 20, 1487-1503.

Nguyen T.T.H., Duvel J.Ph., 2006 : Synoptic scale activity and convectively coupled Kelvin waves over equatorial Africa. Geophys. Res. Lett., DOI:10.1029

Pohl B., 2007 : L'Oscillation de Madden-Julian et la variabilité pluviométrique régionale en AfriqueSubsaharienne. Thèse de Doctorat, Université de Bourgogne, Dijon.

Yepdo Djomou Z, Monkam. D and Lenouo A., 2009 : Spatial Variability of Rainfall Regions in West Africa during the 20th Century. Atmos. Sci. Let,  10: 9 - 13

Yin XG, Gruber A, 2010 : Validation of the abrupt change in GPCP precipitation in the Congo River Basin, Int. J. Climatol., 30(1), 110-119