Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Séries temporelles de 1900 à 1998 d'un indice d'anomalies normalisé de précipitations annuelles au Sahel et en Guinée.

2 - Cycle annuel moyen des précipitations pour la période 1979-1996.

3 - Image du satellite METEOSAT dans le canal Vapeur d'Eau du 17 Juin 1997 à 00 heures. Cette image illustre les différentes échelles d'organisation de la convection en Afrique de l'Ouest.

4 - Diagramme temps-latitude des précipitations mensuelles Ouest-Africaines. (© D. Texier)

5 - Champ de corrélations calculées entre l’indice des anomalies de précipitations Sahéliennes en Juillet-Septembre et les températures de surface de mer sur la période 1954-1973 et 1970-1989.

6 - Phases moyennes de l'harmonique diurne des précipitations (en heure locale) pour Décembre-Février et Juin-Août.

8 - Exemple de suivi de trajectoires du centre d'ondes d'Est à 600 hPa et à 850 hPa à partir du tourbillon relatif filtré entre 2 et 6 jours issu des réanalyses européennes pour la période mai-octobre 1995.

7- Précipitations et vents de surface donnés par un Cloud Resolving Model imbriqué dans un modèle de méso-échelle.

9 - Distribution de la localisation initiale des systèmes convectifs de méso-échelle.

.

La région de l'Afrique sub-Saharienne est sans conteste la région au monde qui a connu dans son ensemble la plus forte diminution de précipitations durant les 50 dernières années. Les mécanismes dynamiques et physiques impliqués font actuellement l’objet d’importantes études.

L’évolution des précipitations
La Figure 1 montre l'évolution de deux indices régionaux de cumuls annuels de précipitations, l'un sur le Sahel (Figure 1a) et l'autre sur la région Guinéenne (Figure 1b), exprimés en anomalies normalisées par l'écart-type. La courbe verte représente l'évolution d'échelle décennale de ces indices. La réduction importante des précipitations apparaît très clairement sur l'indice Sahélien, avec des épisodes de forts déficits pluviométriques (1972-73, 1982-84, 1997) qui ont été largement médiatisés. Cependant on peut constater, au vu de la série temporelle de l'indice Guinéen, que cette dégradation des ressources pluviométriques n'est pas limitée à l'espace Sahélien mais concerne l'ensemble de l'Afrique de l'Ouest. Le régime pluviométrique sur cette région est lié au mouvement saisonnier de la zone de convergence inter-tropicale (voir Figure 2) et au développement de la circulation de la mousson Ouest-Africaine entre printemps et automne.

Les programmes
L'impact de cette variabilité pluviométrique des 50 dernières années sur les ressources en eau, les régimes hydrologiques, les productions agricoles, …, est important et demande à être analysé en détail. Ce volet qui concerne le programme Catch sera présenté ultérieurement. En amont, les mécanismes dynamiques et physiques de la mousson Ouest-Africaine doivent être étudiés. Deux actions en ce sens sont présentées ici. D'une part un projet européen, dénommé WAMP (West African Monsoon Project), réunissant dix groupes de recherches européens, a fonctionné de Décembre 1997 à Novembre 2000. D'autre part un groupe de travail s'est mis en place en juin 2000 sous l'égide du PATOM, pour fédérer, à travers l'élaboration d'un plan de travail multi-disciplinaire, les chercheurs français participant aux programmes PATOM, PNEDC, PNRH et PNCA et motivés par un projet inter-programmes sur la mousson d'Afrique de l'Ouest.

Le projet européen WAMP
Ce projet qui a duré trois ans a fédéré dix équipes européennes dont trois en France (au CNRM/Météo-France, au LMD/CNRS, à l'IRD). Le coordonnateur de ce projet était C.D. Thorncroft (Université de Reading) et les informations sur ce projet sont disponibles sur le site http://www.reading.ac.uk/~swsthcri/tropical.html.

Les motivations
On l'a vu plus haut, la variabilité des précipitations est importante en Afrique de l'Ouest, à la fois à l'échelle interannuelle et décennale, et les impacts socio-économiques peuvent être dramatiques. Pour répondre à cette situation, il y a une nécessité importante de pouvoir fournir des prévisions de précipitations fiables, en particulier à l'échelle saisonnière. D'autre part, l'étude des processus de convection atmosphérique au-dessus des continents tropicaux a été négligée ces dernières années au profit de la convection au-dessus des océans. Or ces processus diffèrent au-dessus des continents en particulier par le cycle diurne, le cisaillement vertical du vent, les conditions d'instabilité, l'impact de la végétation. Enfin, le système de mousson Ouest-Africain comporte de fortes interactions d'échelles. La Figure 3 illustre ce fait. Cette image du satellite METEOSAT dans le canal Vapeur d'Eau (ce canal donne une estimation du contenu en vapeur d'eau de la haute troposphère; le code de couleurs va du bleu foncé pour les zones très sèches au jaune/orange/rouge pour les zones les plus humides fortement convectives) du 17 Juin 1997 à 00 heures montre les différentes échelles d'organisation de la convection en Afrique de l'Ouest : à l'échelle continentale la zone de convergence est caractérisée par l'ensemble de six amas nuageux organisés sur une ligne horizontale vers 10°Nord; l'échelle synoptique est mise en évidence par la distance entre deux de ces amas nuageux; la méso-échelle est l'échelle caractéristique de ces amas nuageux; enfin à l'intérieur de ces amas apparaissent des cellules convectives individuelles d'échelle spatiale plus faible. Les modèles de circulation générale qui sont utilisés pour la prévision numérique et les simulations climatiques ont une résolution spatiale qui ne permet pas une bonne représentation des systèmes pluviogènes de méso-echelle. Aussi il est difficile d'estimer la confiance que l'on peut avoir dans des simulations faites avec ce type de modèle. Quatre objectifs scientifiques ont été définis dans ce projet européen.

Le cycle saisonnier
Le cycle saisonnier de la mousson en Afrique de l'Ouest est caractérisé par le mouvement méridien de la zone de convergence inter-tropicale et de la circulation atmosphérique associée (Figure 2). Le Sahel reçoit la plus grande partie de ses précipitations entre Juillet et Septembre. Plus au sud les cumuls annuels sont plus importants et répartis sur deux saisons des pluies, au printemps et en automne. Les éléments principaux de la circulation atmosphérique (en particulier le jet d'Est Africain et les ondes d'Est) ont aussi un cycle saisonnier prononcé qui influe fortement sur l'organisation des précipitations. Ces aspects ont été étudiés en détail au cours de ce projet. Ce cycle saisonnier représente un banc d'essai intéressant pour les modèles de circulation générale qui n'en donne pas une très bonne représentation actuellement : la figure 4 montre deux diagrammes temps-latitude des précipitations moyennes mensuelles en Afrique de l'Ouest pour les observations et pour un modèle de circulation générale ayant un comportement caractéristique de la plupart des modèles. Il apparaît très nettement que la mise en place de la mousson sur le Sahel se fait environ un mois trop tôt et que les précipitations de printemps sont trop fortes.

La variabilité interannuelle et la prévision saisonnière
Le système de mousson d'Afrique de l'Ouest apparaît comme un système couplé océan-atmosphère-continent. On sait que les anomalies de températures de surface de mer à l'échelle globale ont un impact important sur la variabilité interannuelle et décennale des précipitations Sahéliennes. Au cours de ce projet, les mécanismes de téléconnections atmosphériques entre les bassins océaniques, en particulier le Pacifique tropical, et la circulation de mousson Ouest-Africaine ont été étudiés. Il a aussi été montré que les zones océaniques clé peuvent varier au cours du temps : la figure 5 montre que les corrélations les plus fortes entre précipitations Sahéliennes et anomalies de température de surface de mer se situent principalement dans l'Atlantique avant 1970 (Figure 5a) et dans le Pacifique tropical après 1970 (Figure 5b). Ceci doit être pris en compte dans les développements de schémas statistiques de prévision saisonnière de précipitations. Il apparaît aussi que les processus de surface continentale (interactions avec la végétation et l'humidité du sol) jouent un rôle non négligeable dans la dynamique de la circulation de mousson et des systèmes convectifs.

Les systèmes, échelle synoptique et méso-échelle
La figure 6 montre les phases moyennes de l'harmonique diurne des précipitations (en heure locale) en hiver et en été basées sur des estimations satellitales de précipitations et pour le modèle de circulation générale du Met. Office. Le modèle montre des erreurs systématiques, avec une convection qui se déclenche trop tôt dans la journée sur le continent, qui sont similaires à de nombreux autres modèles de circulation générale. Il y a donc une forte nécessité à améliorer les schémas de paramétrisation de la convection dans ces modèles. Dans ce but, l'analyse des principaux systèmes pluviogènes sur l'Afrique de l'Ouest, à savoir les complexes convectifs de méso-échelle et les ondes d'Est d'échelle synoptique, ainsi que leurs interactions, a constitué le cœur initial du projet WAMP. Afin de mieux comprendre le cycle de vie des systèmes convectifs de méso-échelle et leurs interactions avec les ondes d'Est, deux études de cas ont été développées, en utilisant les observations disponibles de deux expériences de terrain, COPT81 et HAPEX92, ainsi qu'en développant des simulations de ces cas avec une hiérarchie de modèles incluant des modèles résolvant explicitement la convection (CRM; Cloud Resolving Model), des modèles emboîtés, des modèles uni-colonnes, des modèles régionaux, des modèles de circulation générale.

Pour le cas Hapex, les tests sur le schéma de convection du modèle régional Aladin (résolutions 25 et 80 km) de Météo-France montrent qu'une fermeture en CAPE améliore la représentation de la ligne de grains par rapport à une fermeture en convergence d’humidité ; l'introduction d'un schéma de surface sophistiqué a aussi un impact positif sur la représentation de la convection. Des simulations de cette ligne de grains ont aussi été réalisées avec le modèle Méso-NH (résolutions 5 km puis 2.5 km). Les résultats sont en bon accord avec les observations satellitales à la fois pour la localisation et le timing du déclenchement et du développement de la ligne de grains (Figure 7). Le déclenchement de cette ligne de grains a donc pu être simulé sans artifice (ex introduction d’une bulle froide en surface). Les conditions favorables sont à la fois de grande échelle (flux de mousson développé jusqu'à 20°N, développement a l’avant du thalweg de l'onde d’est) et de petite échelle (forçage orographique, contrastes thermiques, structures de stabilité/instabilité dans la couche limite, cycle diurne). L’objectif à terme est de faire une simulation en "two-way nesting" pour simuler le cycle de vie complet du système et étudier les interactions entre l'onde d’est et la ligne de grains. Ceci permettra pour la première fois de calculer les impacts à grande échelle du système convectif à différentes étapes de son cycle de vie.

Dans le cas COPT, un modèle uni-colonne a été initialisé par les tendances grande échelle fournies par le CRM, puis les effets de la convection paramétrisés par le modèle uni-colonne sont comparés aux diagnostics dérivés du CRM et des observations disponibles. On peut ainsi améliorer les paramétrisations des différents processus en fonction des diagnostics. Dans cet exemple, le modèle uni-colonne réussit à réduire le cisaillement vertical du vent mais ne représente pas correctement les courants subsidents associés à la dynamique interne de la ligne de grains.

Le suivi des systèmes
Au cours du projet, des logiciels de suivi automatique ont été mis en place pour définir un ensemble de statistiques concernant les trajectoires des ondes d'Est et des complexes convectifs de méso-échelle. Ceci a impliqué l'analyse d'un volume important de données incluant en particulier des données satellitales, et de réanalyses. Ils permettent ainsi de diagnostiquer la variabilité saisonnière et interannuelle de ces systèmes ainsi que les zones de formation et de dissipation, leur durée de vie, leur vitesse de déplacement, etc… Ils permettent aussi d'analyser les interactions entre les systèmes synoptiques et la convection de méso-échelle. La figure 8 montre un exemple de l'ensemble des trajectoires de centres d'ondes d'Est répertoriées entre Mai et Octobre 1995 à deux niveaux de pression, 600 hPa en 850 hPa. On peut noter une trajectoire principale à 600 hPa vers 10°Nord au-dessus de l'Afrique de l'Ouest et de l'Atlantique tropical, et deux trajectoires principales sur l'Afrique de l'Ouest à 850 hPa, vers 10°Nord et 20°Nord, qui se fondent en une seule au dessus de l'Atlantique tropical. La figure 9 montre l'utilisation d'un autre logiciel de suivi automatique pour la détermination de la position initiale des systèmes convectifs (caractérisés par une température de brillance inférieure à 233°K) de durée de vie supérieure (Figure 9a) et inférieure (Figure 9b) à 24 heures. Les reliefs et les zones côtières (Figure 9c) jouent un rôle important dans la genèse de ces systèmes.

Vers une expérience de terrain pour l’étude de la mousson d’Afrique de l’Ouest?
Le projet WAMP a confirmé un certain nombre d’insuffisances dans les schémas de paramétrisation des modèles de circulation générale, et a mis en évidence le manque chronique d’un réseau dense de données pour initialiser et évaluer les différents types de modèles. La difficulté principale pour quantifier l’impact des processus opérant dans le système de la mousson Ouest-Africaine est un aspect multi-échelles et multi-processus fortement marqué, en particulier autour de la convection et de son interaction avec la circulation atmosphérique d’échelle synoptique et régionale, et avec les processus de surface. Lors de l’exercice de prospective PATOM fin 1999, il est apparu que le thème de la mousson africaine recouvrait un ensemble de problématiques dans différents domaines sur lesquels des équipes françaises travaillaient, mais le plus souvent de manière séparée. L’avancée des connaissances sur ces aspects nécessite une interaction plus forte entre scientifiques des diverses communautés. Un groupe de travail restreint s'est donc mis en place en juin 2000 sous l'égide du PATOM, représentant les chercheurs français participant aux programmes PATOM, PNEDC, PNRH et PNCA, et motivés par un projet inter-programmes sur la mousson d'Afrique de l'Ouest. Deux objectifs ont été définis initialement : établir un plan de travail pour les cinq ans à venir des travaux au sens large sur la mousson Ouest-Africaine, et définir la faisabilité et préciser les objectifs scientifiques d’une expérience de terrain. Un document a été rédigé, faisant le point sur l’état de nos connaissances, les objectifs scientifiques prioritaires, l’identification de travaux nécessitant l’interaction entre programmes, et une réflexion préliminaire sur une future expérience de terrain. Ce document est disponible auprès de J.-L. Redelsperger (CNRM/Météo-France).

D’autre part cette réflexion se développe aussi dans le cadre d’un groupe Prospective établi par l’INSU qui s’est vu assigner la tâche de réfléchir à l’évolution de la recherche dans les sciences de l’environnement au cours des dix prochaines années. Un premier document de travail a été rédigé. Dans les objectifs majeurs dégagés par cette prospective, l’étude des systèmes couplés océan/sol/atmosphère aux échelles intra-saisonnières a été définie comme prioritaire et la région de la mousson d’Afrique de l'Ouest a été retenue parmi les deux zones d’étude importantes pour la communauté française.

Enfin dans le prolongement de la coopération européenne mise en place durant le projet WAMP, la réflexion en cours autour d’une expérience de terrain s’élargit aux équipes européennes et africaines intéressées et des contacts ont été pris aussi avec la communauté des scientifiques américains impliqués dans cette région.

Contact :
Serge Janicot
responsable du projet WAMP au LMD
LMD
(CNRS - Ecole Polytechnique – ENS – Univ.)
Ecole Polytechnique
91128 Palaiseau
janicot@info17.polytechnique.fr