Theme 2

Theme 2
Water Cycle
2.01 – 2.13 (presentations)
2.01P – 2.30P (posters)
337
2.01
TENDANCE CLIMATIQUE A PARTIR DES SERIES PLUVIOMETRIQUES DU
BASSIN AMONT DU FLEUVE SENEGAL :
L’EXCEPTION DE LA STATION DE BAKEL
Soussou SAMBOU
Université Cheikh Anta DIOP, Département de Physique, Dakar Fann, Sénégal
La connaissance de la tendance climatique est une donnée très importante en matière de gestion et
de planification de la ressource en eau. Les séries chronologiques des hauteurs de pluies annuelles
contiennent des informations très utiles sur cette tendance climatique.
Dans cet article nous étudions les propriétés statistiques de séries de hauteurs de pluies annuelles
observées dans le bassin amont du fleuve Sénégal situé au Mali et au Sénégal en amont de Bakel.
Nous avons utilisé pour celà des tests d’homogénéité éprouvés en Afrique Occidentale et Centrale
et ailleurs : le test de Pettitt, le test du cumul des résidus et la procédure de segmentation des séries;
pour ces tests, nous retenu comme hypothèse nulle H0=’la série est homogène’. Comme tests
d’indépendance, nous avons retenu le test basé sur l’analyse de l’auto corrélogramme, le test du
coefficient d’auto corrélation d’ordre 1, le test des points de rebroussements, et le test de corrélation
des rangs de Kendall. L’hypothèse nulle pour ces tests est : H0=’la série est aléatoire’.
L’étude que nous entreprenons nécessite une masse importante de données hydro climatiques
collectées en différents sites du bassin versant considéré. Ces données sont constituées des cumuls
annuels de hauteurs de pluies journalières que nous avons obtenues à partir des publications du
CIEH , ORSTOM-Hydrologie, Asecna de l’origine à 1965, puis de 1966 à 1980. La période allant
de 1981 à 1995 a été obtenue pour certaines stations à partir de la banque ORSTOM. Ces séries ont
été critiquées, homogénéisées et les observations manquantes reconstituées par régressions
multiples fondées sur l’analyse en composantes principales. Cette opération nous a permis de retenir
finalement comme stations de référence celles de Bakel, Kayes, Kidira, Kita, Nioro, Mourdali,
Bafoulabé, Toukoto, Faladyé, Kéniéba, Yélimané, Galougo, et comme période de référence la
période 1931-1995. Les calculs ont été faits soit sur tableur Excel (tests du cumul des résidus), soit
à l’aide de programmes écrits en Fortran (test de Pettitt, test de corrélation des rangs de Kendall,
coefficients d’autocorrélation) soit à partir d’un logiciel (test de segmentation des séries). Nous
présentons ci-dessous les résultats obtenus.
Synthèse des tests et résultats
Tests d’indépendance
L’analyse des auto-corrélogrammes montre qu’au niveau de signification α = 0. 05 l’hypothèse
nulle d’indépendance des observations n’est acceptée que pour la station de Bakel. Les autres
stations se caractérisent soit par un coefficient d’auto corrélation d’ordre 1 trop élevé, soit par des
points figuratifs hors des limites de confiance, ce qui ne permet pas de conclure. Le test du
coefficient d’autocorrélation d’ordre 1 rejette l’hypothèse nulle pour les stations de Bafoulabé,
Faladyé, Galougo, Mourdali, Nioro et Yélimané. Le test des points de rebroussement accepte
l’hypothèse nulle d’une série aléatoire pour toutes les autres stations. Le test de corrélation des
338
rangs n’accepte l’hypothèse nulle que pour la station de Bakel. Ces résultats, comparés à l’évolution
interannuelle des séries de pluies annuelles, permet de tirer les conclusions suivantes: le test de
corrélation des rangs de Kendall traduit la tendance linéaire généralisée à la baisse des
précipitations observée à toutes les stations à l’exception celle de Bakel ; le test des points de
rebroussement souligne la forte irrégularité interannuelle des observations commune à toutes les
séries de pluies annuelles ; le test du coefficient de corrélation d’ordre 1 indique une certaine
persistance dans les observations, la tendance de la pluviométrie se maintenant sur quelques années
avant de s’inverser.
Tests d’homogénéité
L’hypothèse nulle est rejetée pour toutes les stations: les points figuratifs des cumuls sortent des
ellipses de Bois associés ; le test de segmentation des séries à l’ordre 2 permet de déceler une
rupture nette et prolongée dans toutes les séries caractérisée par un saut de la moyenne dans le sens
d’un déficit. Cependant, la station de Bakel a un comportement différent : tous les points des
cumuls des résidus se trouvent à l’intérieur de l’ellipse de Bois associé ; le test de segmentation des
séries à l’ordre 2 ne décèle aucun saut de la moyenne, tandis que le test de Pettitt accepte
l’hypothèse nulle.
Analyse en composantes principales réduites
Nous avons approfondi l’étude précédente en appliquant l’analyse en composantes principales
réduites aux séries que nous avons étudiées. A l’aide des éléments de réduction de chaque variable
(moyenne et écart – type) calculés à partir de la série chronologique représentant cette variable,
nous avons déterminé la matrice de corrélation des variables. D’après cette matrice, les stations de
Kéniéba et de Bakel sont faiblement corrélées avec les autres stations. Nous avons alors a été
estimé le poids de chaque station à l’aide du coefficient de corrélation moyen calculé à partir de la
moyenne des coefficients de corrélation: ce coefficient est très faible pour Bakel et Kéniéba et
confirme le comportement singulier de ces stations.
Nous avons ensuite représenté le nuage des variables dans le plan des deux premiers axes factoriels.
Le premier axe, (axe horizontal) rassemble 46,5% de la variance totale ; il révèle une forte
association entre la plupart des variables stations (Nioro, Yélimané, Kayes, Kita, Mourdali, Faladyé,
Galougo, Kidira, Bafoulabé et Toukoto) à l’exception de celles de Bakel et de Kéniéba qui sont très
faiblement corrélées avec cet axe : Bakel est par contre fortement corrélée avec l’axe vertical ( r̂ =
0.76) (10.70 % de la variance totale). Le nuage des variables met donc en évidence l’opposition
entre ces deux stations et les autres.
Comportement singulier de la station de Bakel et perspectives
Le comportement singulier de la station de Bakel sur la période analysée (1931-1995) est manifeste:
les observations contenues dans cette série sont indépendantes entre elles (propriété vérifiée par
tous les tests d’indépendance utilisés), et la série est homogène (stationnaire et absence de rupture
dans la moyenne). L’hypothèse d’erreurs systématiques survenues au cours de la chaîne
d’acquisition et de traitement des données peut être avancée, mais il faudrait justifier pourquoi seule
la station de Bakel serait concernée. Une étude plus poussée avec des outils plus performants est
souhaitable pour trouver une justification convaincante du comportement singulier de cette station.
339
2.02
APPLICATION OF THE GIBBS SAMPLER TO CONDITIONAL SIMULATION
OF SAHELAN RAIN FIELDS
Hubert ONIBON (1), Thierry LEBEL (2) and Abel AFOUDA (1)
(1) CIPMA UAC, Cotonou, Benin (2) LTHE/IRD, Domaine Universitaire, Grenoble, France
The drought that struck the Sahelian region of West Africa for almost 30 years, starting at the end
of the 60’s, has been widely documented using large scale observations as well as local high
resolution data obtained from such experiments as HAPEX-Sahel and EPSAT-Niger. While this
drought went somewhat abated in the end of the 90’s, the fragility of the Sahelian ecosystem and
the chronic deficit in water resources require to anticipate possible episodes of similar or harsher
drought in the future, whether linked to global climate change or the regional impact of land use
modifications.
GCM’s are currently the only tool available for obtaining possible rainfall scenarios over the Sahel
for the next century. However their coarse resolution imposes to develop models that will provide
rainfall fields at a scale more compatible with the requirements of hydrological models. Despite the
improving performances of regional atmospheric models, stochastic approaches remain a powerful
tool to carry out sensitivity studies regarding the impact of GCM’s rainfall scenarios onto regional
water resources, mainly because several decades of rain may be simulated in a row. Building on a
disaggregation model previously developed for the Sahel, some mathematical problems related to
the conditioning of the turning band algorithm (TBM) used in this earlier version are presented
here, as well as a technique used to solve them.
The TBM is replaced by a Gibbs sampler, which tackle the conditioning issue by sampling from a
multivariate density f(x) for an n-dimensional random vector x. As a preliminary step, the Gibbs
sampler is described mathematically by its iteration kernel. A brief review of the Gibbs algorithm is
given, which emphasize the stationary properties, transition probability, conditional distributions
and convergence criteria. Subsequently it is shown how the stochastic space-time disaggregation
model obtained by replacing the TBM algorithm by the Gibbs sampler provides an elegant and
convenient answer to the conditional simulation of meta-gaussian rain fields. In order to explore the
efficiency of the model, it is tested on a sample of Sahelian rainfields observed during the EPSATNiger experiment. The proposed validation of the model permits to compare observed and
simulated rainfield statistics obtained for various space scales.
Submitted by
Hubert Onibon - Groupe Afriturible International Sarl, 02 BP 1567, Cotonou, République du Bénin
– Tél : (229) 33 06 88 - Portable : (229) 02 17 15 ou (229) 894253
Web : www.afriturible.com / Email :[email protected]
340
2.03
ANALYSIS OF LARGE-SCALE ATMOSPHERIC WATER BUDGET
ESTIMATIONS OVER WEST AFRICA DURING THE MONSOON SEASON
F. GUICHARD, J.-P. LAFORE, C. PIRIOU, N. ASENCIO, A. BOONE, F. FAVOT
AND J.-L. REDELSPERGER
CNRM-GAME (CNRS & Météo-France)
42 avenue Coriolis 31057 Toulouse Cedex, France
1. Context
Our knowledge and understanding of the water cycle over West Africa is still partial and limited.
This is related to a number of issues, encompassing the scarcity of observations, some
methodological aspects as well as several fundamental scientific issues. The water cycle actually
results from the interplay of processes differing in their nature and in the wide range of time and
space scales of their mutual interactions. Indeed, all the mechanisms involved in these interactions
are not yet identified, beyond those that are still debated. Therefore, an accurate estimation of the
water budget at large-scale has remained an elusive goal.
Current estimations of the atmospheric water budget at large-scale are heavily relying on
(re)analyses products obtained from numerical weather forecast systems. Here, we aim to
investigate the accuracy of such budgets at seasonal to intraseasonal scales. Our approach is based
on a combined use of numerical weather products (analysis and forecast from ECMWF IFS,
reanalyses: ERA-40 and NCEP/NCAR reanalysis) and observational products, together with local
data and cloud-resolving model outputs - the latter allow addressing the validity of some currently
used hypotheses (e.g. is the accuracy of water flux estimated from 6-hourly instantaneous fields
sufficient? What is the contribution of the advection of hydrometeors to the water budget? not
shown here).
2. Atmospheric water budget of the ECMWF Integrated forecast system (IFS)
Figure 1 shows the atmospheric water budget for August 2000, as built from the ECMWF daily
forecast simulations, by adding the successive [t0+12h,t0+36h] interval of each run. Here, apart from
neglecting hydrometeors, the only estimated process is the net water flux (F). At this scale (3°x3°,
monthly mean), the budget closure appears relatively satisfactory for the more rainy areas, where
the two dominant cancelling terms are precipitation (P) and F, which is expected. Such a closure is
not realized when the analysed fields are used instead of the forecast fields, because the model
quickly departs from the analysed moisture fields (Fig. 1, lower-left panel). Indeed, the total
atmospheric water vapour content (Q) displays systematic time variations (connected with the relief
among other factors), which leads to an unrealistically large estimation of monthly mean tendencies
∂Q/∂t (2 mm.day-1 ~ 60 mm in a month). This can be partly traced back to spin-up/down issues, and
reflects current weaknesses of large-scale models in their treatment of physical processes.
341
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Figure 1: ECMWF IFS August mean water budget [∂Q/∂t = surface evaporation + net water flux –
precipitation = E + F - P] using the forecast run window [12h,36h] - 3° running mean. The upper
right panel show the closure of this budget [closure = ∂Q/∂t – (E + F - P) ] ; Q is the total
atmospheric water content. All terms are expressed in mm.day-1 (1mm day-1 ~30 W.m-2).
3. Comparison with observational products
A direct comparison of ECMWF IFS with various rainfall products (AGRHYMET, GPCP,
TAMSAT, local data) shows that the northern migration of the monsoon rainfall is located too
much south in the ECMWF IFS (Fig. 2). ERA-40 provides a slight improvement (Fig. 2, upperright panel). This feature leads to negative values of P-E over the Sahelian area in the ECMWF IFS,
i.e., evaporation exceeds -too weak- precipitation there (Fig. 2, lower left panel). In addition,
neglecting δ Q/δ t, P - E ≈ F, thus this term can help to precise the uncertainties affecting water
fluxes derived from NWP products. Surprisingly perhaps, in the simulation, this [P -E < 0] area
also coincides with a zonal band of evaporation maximum (Emax band), located to the north of the
area where P is maximum, and this Emax band is reduced in ERA-40 while at the same time P is
increased there (Fig. 2, right panels). In fact, time series suggests that E is also efficiently controlled
by the soil moisture increments (analysed field). The NCEP/NCAR reanalysis does not behave in
the same way (zonal bands of P and E maxima collocated).
342
Figure 2: August 2000 mean precipitation rate from GPCP product, operational ECMWF IFS and
ERA-40 - 3° running mean (upper panel); P-E from ECMWF IFS (lower left) and E from ECMWF
IFS and ERA-40 (lower right)
Daily time series of precipitation (Fig. 3) show that both ERA-40 and NCEP/NCAR reanalysis are
affected by the latitudinal bias previously discussed (~ 3-4°) – note that this is not the case of all
NWPs, opposite biases can be found. Fig. 3 also stresses that while such products might provide
close dynamical fields, here they depart markedly from each other in terms of day-to-day
variability, and ERA-40 matches better the GPCP rainfall product.
(mm.day-1)
Figure 3: August 2000 time-latitude series of [10W-10E] averaged daily rainfall, from GPCP
product, ERA-40 and NCEP/NCAR reanalysis.
4. Conclusion
This study addresses the large uncertainties affecting the estimations of the atmospheric water
budget over West Africa, for scales ranging from a day to the season. More accuracy is needed, not
only to assess the actual budget, but also to get insight into the operating mechanisms. This is
required for understanding and predicting the monsoon and its evolution over West Africa. Data
collected and analyses realized within AMMA are expected to help reaching this goal.
343
ANALYSE DES ESTIMATIONS DU BILAN D’EAU ATMOSPHERIQUE
EN AFRIQUE DE L’OUEST PENDANT LA MOUSSON
Notre connaissance et compréhension du cycle de l’eau en Afrique de l’ouest est encore partielle et
limitée. Plusieurs causes expliquent cette situation : trop peu d’observations, des aspects
méthodologiques, mais aussi des questions scientifiques plus fondamentales, non résolues. Le cycle
de l’eau résulte d’un ensemble de processus de nature distincte, interagissant entre eux sur une large
gamme d’échelles spatiales et temporelles. Actuellement, les mécanismes impliqués dans ces
interactions ne sont pas tous identifiés, même au delà de ceux qui l’ont été mais sont encore
débattus. Ainsi, une estimation précise du bilan d’eau à grande échelle sur cette région reste un
objectif difficile à atteindre.
Les estimations actuelles du bilan d’eau atmosphérique à grande échelle reposent largement sur des
produits de (ré)analyses issus des systèmes numériques de prévision temps. La présente étude
analyse la précision de tels budgets. La méthode utilisée consiste à croiser les champs fournis par
les ré-analyses (ERA-40 & NCEP/NCAR reanalysis) et des produits d’observations (en particulier
des produits de précipitation), auxquels s'ajoutent des données locales et des simulations explicites
de systèmes convectifs ; ces dernières permettent de quantifier la gamme de validité de certaines
hypothèses couramment employées. L’étude se focalise principalement sur la mousson de l’année
2000. Les résultats obtenus montrent que si certaines différences entre produits d’observation et réanalyses diminuent lorsque l’on considère des échelles spatio-temporelles de plus en plus grandes,
d’autres persistent. Les pluies de mousson des deux ré-analyses restent confinées trop au sud. Ce
défaut est visible par comparaison avec les produits satellitaires comme avec les observations
locales. Les estimations de bilan sont aussi affectées par des problèmes de spin-down, qui reflètent
des lacunes dans le traitement actuel des processus physiques de petite échelle par les modèles de
grande échelle (paramétrisations). Ces différents problèmes affectent les estimations de flux d’eau
fournis par les ré-analyses.
344
2.04
USING MSG FOR GPCP PRODUCTS ENHANCEMENT
F. CHOPIN (1), J.C BERGES (2) , M. DESBOIS (1), A. ALI (3) AND A. AMANI (3)
(1) LMD, IPSL/CNRS, Palaiseau, France (2) PRODIG, Université Paris 1, Paris, France
(3) Centre AGRHYMET, Niamey
1. Introduction
The daily data product is the GPCP data provided with the finest resolution in time and space. MSG
geostationary satellite supplies fine scale structures information with a very high space time
resolution on twelve different wavelengths. Because of the close relationship between MSG
information and the presence of precipitation, a rainfall probability algorithm can be performed.
The rainfall presence is established thanks to the precipitation radar of TRMM and used to train a
feed forward neural network. These probabilities are a good solution in order to introduce the finest
details of MSG multi-spectral information into the GPCP product. The choice of the MSG chosen
parameters will be briefly described. Then the neural network structure and the rainfall probability
product will be presented. Finally the Sliding Rescaling Algorithm (SRA) allowing merging GPCP
1dd data with rainfall probabilities will be developed and validated thanks to a reference raingauge
dataset.
2. Multi-spectral infrared capacities
The MSG radiometer has been designed to enhance cloud classification and these new facilities
should improve rainfall estimations. In tropical area, the estimations efficiency is highly dependent
of their discriminating capacities between convective clouds and other formations. Due to their low
temperature, cirrus screening is a sensitive part of these methods and a method based on only one
infrared channel could not operate a proper discrimination. In order to assess relative efficiency of
MSG thermal channel for cirrus screening we have simulated their spectral response on an ice cloud
of various thicknesses. The radiative transfer model has been initialized with a standard tropical
atmosphere, a 15 km top cloud altitude and a water content of 0.05 g/m3.
Figure 1: difference of radiative temperature between each MSG channel with the 10.8 µm channel
in a radiative transfer model for an ice cloud of various thicknesses
345
For each MSG channel, the difference of radiative temperature with 10.8 µm channel has been
plotted (figure 1). The 3.9 µm channel has been omitted as to noisy at low temperatures.
The two split-window channel (8.7 µm and 12.0 µm) perform well, their difference with 10.8 µm
quickly increasing with cloud thickness, reaching a maximum around 100 meters and then
decreasing until 0. The other channels behaviour looks as more complex but except CO2 channel
(13.4 µm) they converge to 0 for a thick cloud.
3. Neural Network
Neural networks are now widely used as non linear regression method. To actually implement a
neural estimator the first step is to design network architecture. Then the model coefficients are
assessed by comparing estimated with reference values and by back propagating estimation error to
correct the coefficients. This operation is done for each element of the learning dataset and the
estimation of these coefficients requires multiple iterations of this process. The reference dataset is
provided by TRMM precipitation radar. A positive rainfall amount is interpreted as a probability of
rainfall equal to 100%. Otherwise reference rainfall probability is 0%. An example is presented on
figure 2.
%
Figure 2: Example of rainfall probability image
4. Merging GPCP 1dd with rainfall probabilities
In order to combine these rainfall probability images with GPCP rainfall intensities, a Sliding
Rescaling Algorithm (SRA) is applied. The starting point of this algorithm is a probability matching
formula (1). In a point the GPCP rainfall intensity Igpcp can be considered as the product between
the corresponding true rainfall probability Pr , and the corresponding potential rainfall intensity Ip.
(1)
I gpcp = I p × Pr
These potential rainfall intensity images still have to be calculated. In order to reduce the biases
linked to the errors from the GPCP 1dd and from the rainfall probability products we have decided
to compute daily potential intensity images smoothing both GPCP rainfall intensities and rainfall
probabilities in time and space.
From the relation (1), we define a downscaling step in time and space equation (2). This step allows
to evaluate the potential rainfall intensity in a circular window of area A for a given period T :
(2)
I p ( A, T ) =
∫∫ I (a, t ) da dt
gpcp
AT
∫∫ P (a, t ) da dt
r
346
AT
The calculation of a potential rainfall intensity Ip(a,T) is made possible for each pixel “a” of the
geostationary satellite image thanks to the utilisation of a sliding window of area A (example on
figure 3).
mm / 15 minutes
Figure 3: Potential rainfall intensity image (Ip) of the July 14th 2004 calculated on the period June
30th –July 29th 2004
5. Rainfall estimation
Once the daily potential rainfall intensity Ip images are computed, the estimated rainfall intensity at
time t during day d and position a can be calculated with the formula (3) deduced from the equation
(1):
(3)
I e (a, t ) = I p (a, d ) × Pr (a, t )
Let Pr(a,d) be the cumulative rainfall probability during day d and position a. The estimated rainfall
accumulation during a period T can be easily computed with the equation (4) :
(4)
I e (a, T ) = ∑ I p (a, d ) × Pr (a, d )
d∈T
mm
Figure 4: SRA estimated rainfall intensity image (Ie) on July 2004
The estimated rainfall accumulation (Figure 4) is deduced from the relation (4). The advantage is
that the geostationary satellite images resolution has been here preserved.
A first visual comparison can be done with the GPCP 1dd product for the same period. This can be
seen on the figure 5.
347
Figure 5: Accumulation of rainfall on July 2004 according to the GPCP1dd product
6. Validation
A 1° x 1° raingauge dataset provided by the IRD and AGRHYMET is used to compare and validate
this sliding rescaling algorithm (SRA) with GPCP 1dd. The validation datasets have been provided
with an estimate of its uncertainty ε for each grid cell and with ten day periods time resolution.
Results of SRA have been gridded with 1° x 1° cells in order to make the comparison. Table 1
represents the mean of the absolute value in term of bias and the mean value for the other statistical
parameters of the ten days periods from June to September 2004 for both GPCP 1dd and SRA
products.
On table 1, the bias and the root mean square differences are expressed in mm. Two studies have
been done: First one considers all the grid validation cells Second one takes into account the 50%
grid validation cells with the lowest validation uncertainty. Results from SRA are better according
to each parameter and the efficiency of this algorithm is increasing while only the cells with lowest
validation error are considered.
7. Conclusion
This method has been validated for all the ten days periods rainfall accumulations during the 2004
rainy season and seems to improve the GPCP 1dd results on our dataset in particular in term of bias.
Downscaling rainfall on geostationary resolution allows matching with any final product grid size
or any watershed for hydrological models.
This algorithm has to be considered as a way to improve a reference dataset (here GPCP) tacking
into account the rainfall probability for each pixel and for every slot of the studied period.
1x1
BIAS
RMSD
WRMSD
NRMSD
R²
SKILL
GPCP 1dd
100% (280)
SRA 2-0
100% (280)
GPCP 1dd
50% (140)
SRA 2-0
50% (140)
7,74
3,23
6,85
3,09
24,32
19,02
19,18
13,25
2,26
1,93
1,36
2,14
1,40
1,77
1,34
2,08
1,32
145,72
0,59
0,64
0,62
0,70
0,12
0,51
0,08
0,60
39,19
Ground Data
MIN RAIN
MAX RAIN
MEAN RAIN
Table 1 : mean values of absolute values in term of bias and mean values for the other statistical
parameters of the ten days periods from June to September 2004 for both GPCP 1dd and SRA. All
validation cells or only 50% validation cells with lowest associated error have been considered.
348
2.05
TRMM-OBSERVED CHARACTERISTICS OF WEST AFRICAN MESOSCALE
CONVECTIVE WEATHER SYSTEMS
Z. Debo ADEYEWA (1), Edward ZIPSER (2) and Chuntao LIU (2)
(1) Department of Meteorology, Federal University of Technology, Akure, Nigeria
(2) Department of Meteorology, University of Utah, Salt Lake City, USA
1. Introduction
The Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite has provided detailed observations of
precipitating systems in the tropics since its launch in late 1997. The unique combination of its
instruments has facilitated simultaneous measurements of many quantities related to precipitation
such as radar reflectivity, passive microwave brightness temperature, lightning flash counts, etc.
The large and comprehensive Utah TRMM precipitation feature database enables us to examine the
characteristics of different sizes of precipitating systems in these regions including their radar and
ice scattering characteristics, with emphasis on mesoscale convective systems (MCS) as these
systems have the greatest impact on the hydrological cycle in the region (Nesbitt and Zipser, 2003;
Nesbitt et al, 2000; Toracinta et al, 2002).
2. Data and Methodology
The data used for this study were derived from the assorted instruments on the TRMM spacecraft.
Our present database covers a period of 5 years and enables us to answer a number of crucial
questions regarding the roles of MCS and other precipitating systems, as well as their diurnal and
seasonal cycles, which are associated with variations in the solar forcing in these regions. For the
analyses, West Africa has been structured into 12 regions based on rainfall patterns, vegetation and
terrain: Western Semi-Desert, Central Semi-Desert, Eastern Semi-Desert, South Western Sahel,
South Central Sahel, South Eastern Sahel, West African Coast Rainforest, Dry Rainforest, Nigerian
Savanna, Chad-CAR Savanna, Southern Sudan Savanna, and the Nigeria-Cameroon Rainforest.
3. Some Preliminary Results
The studies have shown that on the average, the MCS fraction is highest in the southern Sahel
region where at least, over 70% is attributed to this feature. MCS contribution increases gradually
from the rainforest region (~65%) to the southern Sahel, then decreases gradually to the lowest in
the Sahara (~20%). The TRMM observations give details of the characteristics of West African
MCSs responsible for the majority of its annual rainfall and is strongly linked to the movement of
the Inter-Tropical Discontinuity (ITD) across the region.
We also used the distributions of median echo heights of max 20- and 40-dBZ over West Africa as
indicators of convective intensity. The storms in the equatorial regions are very high for the intense
(MCS) storms. The general height over this region is about 15 km. We note that the height of
storms in the southern Sahel are a little higher than those in the rainforest regions. Storms over the
Nigeria/Cameroon rainforest are lower than their northern or southern counterparts by 1 km. They
are comparative in height to those in southern parts of Africa. We also note that storms over the
349
northernmost parts of Africa are very low (9-10 km). This is due in part, to the fact that the intense
squall lines that travel across the Sahel dissipate before reaching these upper latitudes. Storms over
high terrain areas tend to have lower echo tops.
Some of the regions were further categorized into some groups based on their observed convective
intensity (e.g. Fig. 1). Parameters used for this include mean monthly rainfall, seasonal density of
MCS precipitation features, fraction of MCS area, MCS contribution to total rain, max 6-km
reflectivity, mean MCS flash density, mean MCS max 20-dbz height, mean MCS min 85 pct, and
the diurnal characteristics of MCS.
TRMM was able to capture the phases of the diurnal cycle of convection in the different regions
and also revealed detailed information on the diurnal pattern of systems linked with small and large
convective systems. In some regions, a bi-modal pattern in the diurnal cycle of surface rain rate,
maximum echo heights and lightning flashes prevail while a very clear afternoon peak of
convective activities occur in some other regions. In the rainforest areas for instance, the peak of
dominant rainfall is in the early morning hours (Fig. 2). TRMM-derived information on the
hydrologic cycle could be used to improve the prediction of rainfall and the provision of vitally
needed information on rainfall and runoff particularly in the Sahelian regions.
Figure 1 : Some five-year characteristics of TRMM-derived West African precipitation
350
Figure 2: Five-year characteristics of mean maximum phases of MCS.
Left : MCS rain. Right: MCS flash density
References
Nesbitt, S. W. and E. J. Zipser: "The diurnal cycle of rainfall and convective intensity according to three years of
TRMM measurements", J. Climate, 16, 1456 - 1475, 2003.
Nesbitt, S. W., E. J. Zipser, and D. J. Cecil: “A census of precipitation features in the Tropics using TRMM: Radar,
ice scattering, and lightning observations”, J. Climate, 13, 4087–4106, 2000.
Toracinta, E. R., D. J. Cecil, E. J. Zipser, and S. W. Nesbitt: “Radar, passive microwave, and lightning
characteristics of precipitating systems in the Tropics”, Mon. Wea. Rev., 130, 802– 824, 2002.
CARACTERISTIQUES DES SYSTEMES CONVECTIFS
CLIMATIQUES OUEST-AFRICAIN
Grâce à une exceptionelle combinaison des ses instruments, le satellite de la Mission Tropicale de
Mesures de Pluie (TRMM) fournit une observation détaillée des sytèmes de précipitations dans les
tropiques, depuis son lancement fin 1997. Il a facilité des mesures simultanées de plusieurs
éléments liés à la précipitation tels que : la reflectivité du radar, la température de brillance microonde passif le comptage des éclairs, etc.
L’Afrique de l’ouest a été diviseé en 12 régions selon les modéles de pluviométrie, de
végétation et de terrains : région semi-désertique occidentale, région semi-désertique centrale,
région semi-désertique orientale, le Sahel sud-ouest, le Sahel sud-central, le Sahel sud-est, la côte
ouest, la forêt humide africaine, la forêt aride, la savane nigerianne, la savane du Tchad-CAR, la
savane du sud-Soudan et la forêt humide Nigerianne-Camerounaise. La base de données de
référence du complet dataset géré à l’Un Utah (TRMM) nous permet d’examiner les caratéristiques
de différentes ampleurs de système de précipitation dans ces régions, y compris leurs
caractéristiques radar et de dispersion par la glace, en se concentrant sur les systèmes convectifs
mésoéchelles (MCS), puisque ces systèmes ont un grand impact sur le cycle hydrologique de la
région. Nos bases de données couvrent actuellement une période de 5 années et nous permettent de
répondre à un certain nombre de questions cruciales concernant le rôle de MCS et d’autres systèmes
de précipitation, aussi bien au cycle journalier que saisonnier associés aux variations du forçage
solaire de cette région. Les informations résultantes du TRMM sur le cycle hydrologique peuvent
ainsi être utilisées pour améliorer la prévision de la pluviométrie et fournir aussi des informations
vitales sur le chute des pluies et le ruissellement, particulièrement dans les régions sahéliennes.
351
2.06
MULTI-YEAR STREAMFLOW AND PRECIPITATION ANALYSIS
FOR THE ANKOBRA RIVER, GHANA
Michael M. TANU, Karen I. MOHR and Anantha R. AIYYER
University at Albany, SUNY, Albany, NY, USA
1. Introduction
Analysis of trends in hydroclimatological variables such as streamflow and precipitation have been
found to be an effective way to investigate regional climate variability (e.g., Karl et al. 1989;
Lettenmaier et al. 1993; Molnar and Ramirez 2002; Dery et al. 2005). Branstetter and Erickson
(2003) examined the simulation by a GCM of discharge from major river basins around the world,
obtaining particularly poor results for African rivers such as the Niger River. The Guinea Coast
region of West Africa has significant contrasts in land cover and soil moisture, making the link
between precipitation and streamflow difficult to simulate particularly in large-scale dynamical
models. We are investigating the relationship between precipitation and streamflow at a variety of
timescales to improve our understanding of the short- and long-term trends in this relationship.
This presentation depicts the monthly long-term trends in streamflow and precipitation for several
sites in the Ankobra River basin in Ghana. The Mann-Kendall test of trends for non-parametric
variables is used to determine the trend directions in these two hydroclimatic variables. Study data
cover the period 1960-2003.
2. Results and Discussion
Stream gauge data for three sites (Bonsaso, Bepo, and Prestea) exhibit a bimodal distribution, with a
major peak in June and a minor peak in October (Fig. 1a). Trend analysis using the Mann-Kendall
test (Fig. 1b) showed that at the 95% confidence level (Z ≥ 1.96), all the stations have a significant
decreasing trend from March to July. From September to November, the decreasing trend is
significant at Prestea but not at Bonsaso or Bepo.
The analysis of precipitation trends used stations Axim, Takoradi, and Sefwi-Bekwai. These
stations were chosen for their proximity to the stream gauges and their reliable long-term records.
The bimodal distribution of precipitation in Fig. 2a has a major wet season peaking in June and a
minor peaking in October. The trend statistics (Fig. 2b) for precipitation do not have the same
consistent, significant decrease apparent in the streamflow trends (Fig. 1a).
The decreasing trend in streamflow and the variable trend in precipitation in the Ankobra River
basin in southern Ghana require further study to determine the causes of these trends and explain
the difference in trends (variable vs. decreasing) between precipitation and streamflow. One
possibility is to extend this analysis to other rivers in Ghana to see if these same trends exist
elsewhere. Because 60% of the precipitation in Ghana is contributed by a small number of large
convective systems, interannual variability in their frequency and characteristics will be
investigated for the impact on streamflow. Long-lived convective systems with a significant
stratiform rain fraction are likely to have a greater impact on streamflow than shorter-lived systems
352
even if intense. Since the decrease in streamflow is more pronounced than precipitation in the study
area, it is also necessary to consider the withdrawal of water for human use around the river basin.
3. References
Branstetter, M. L. and D. J. Erickson 2003: Continental runoff dynamics in the Community Climate System Model 2
(CCSM2) control simulation. J. Geophys. Res., 108, 4550, doi:10.1029/2002JD003212.
Dery, J. D., M. Stieglitz, E. C. McKenna, and E. F. Wood, 2005: Characteristics and trends of river discharge into the
Hudson, James, and Ugava Bays, 1964-2000. J. Climate, 18, 2540-2557.
Karl, T. R., J. D. Tarpley, R. G. Quayle, H. F. Diaz, D. A. Robinson, and R. S. Bradley, 1989: The recent climate
record: What it can and cannot tell us. Rev. Geophys., 27, 405-430.
Lettenmaier, D. P., E. F. Wood, and J. R. Wallis, 1993: Hydro-Climatological trends in the continental United States,
1948-88. J. Climate, 7, 586-607.
Molnar, P., and J. A. Ramirez, 2000: Recent trends in precipitation and streamflow in the Rio Puerco Basin. J. Climate,
14, 2317-2328.
Bonsaso
Prestea
Bepo
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Bepo
Prestea
Bonsaso
(b)
-1
-2
-3
-4
Dec
Nov
Oct
Sep
Aug
Jul
Jun
May
Apr
Mar
Feb
Jan
-5
Dec
Oct
Nov
Sep
Jul
Month
Aug
Jun
Apr
May
Mar
Jan
Trend statistics (Z)
0
Feb
Streamflow (m3/s)
(a)
Month
Fig 1. (a) Streamflow for Bepo, Bonsaso, and Prestea on the Akobra River (1960-2003).
(b) Trend statistics Z for monthly streamflow. At the 95% confidence level, Z is significant if greater
than or equal to 1.96.
Axim
(a)
Takoradi
Sefw i-Bekw ai
(b)
Takoradi
Sefw i-Bekw ai
-2
Dec
Nov
Oct
Sep
Month
Aug
Jul
-2.5
Jun
Dec
Nov
Oct
Sep
Month
Aug
Jul
Jun
May
Apr
Mar
Feb
Jan
0
May
100
-1
-1.5
Apr
200
0
-0.5
Mar
300
Feb
400
1
0.5
Jan
500
Trend statictics (Z)
Rainfall (mm/day)
Axim
1.5
600
Fig 2. (a) Precipitation for Axim, Takoradi, and Sefwi-Bekwai (1960-2003).
(b) Trend statistics Z for monthly precipitation, Z ≥ 1.96.
Corresponding author
Michael M. Tanu - Department of Earth and Atmospheric Sciences, University at Albany, 1400
Washington Ave., Albany, NY 12222, USA – Email : [email protected]
353
2.07
CHANGEMENTS D’USAGE DES SOLS ET MODIFICATIONS
DU CYCLE DE L’EAU AU SAHEL
Ibrahim Bouzou MOUSSA (1), Luc DESCROIX (2), Stéphane BOUBKRAOUI (2), Ibrahim
MAMADOU (1), Iliassou ALZOUMA (1), Eric LE BRETON (3)
et Okechukwu AMOGU (2)
(1) Université Abdou Moumouni, département de géographie, Niamey, Niger
(2) LTHE, IRD, Niamey, Niger (3) Université Paris 8, département de géographie, France
L’augmentation des écoulements observée depuis quelques décennies au Sahel a eu comme
conséquences en zone endoréïque un accroissement du nombre des mares, de leur taille et de leur
durée en eau ; en zone exoréïque, un accroissement de débits et une diminution des débits de base et
des temps de réponse.
Ces changements sont dus aux modifications des usages des sols, qui se sont traduites par une mise
à nu de ceux ci et un encroûtement de leurs horizons superficiels.
Mais ce changement drastique de comportement hydrodynamique des versants a eu des
conséquences qu’on a négligées jusqu’à présent et qui commencent à avoir des conséquences
catastrophiques.
On observe en particulier :
- un comblement des bas fonds, envahis par le sable venu des versants moins recouverts par la
végétation ;
- par voie de conséquence, une modification du fonctionnement des mares, celles-ci étant comblées
ou coupées par ces sédiments ;
- on observe aussi des changements de cours drastiques des koris (oueds) qui sont bloqués dans leur
cours normal quand celui-ci est encombré par les matériaux apportés préalablement
- enfin, on note un rapide ensablement du lit du fleuve Niger.
On se propose d’analyser les liens entre les changements d’usage des sols et le très fort
accroissement de l’érosion puis les relations entre cette dernière et les changements en cours dans
l’hydrologie sahélienne.
354
LAND USE CHANGES AND CONSEQUENT
WATER CYCLE MODIFICATIONS
Increased runoff observed for some decades on endoreic areas of the Sahel, led to an enhancement
of number of ponds, of their size and the duration of their water content ; and, on exoreic areas, to
increasing discharges and a reduction in base flows and basins lag time.
These changes are linked to land use evolution, which caused a rise in bare soils areas and in
crusting of their surface horizons.
However, this drastic change in hillslopes hydrodynamic behaviour had consequences whose
analyse was neglected until the last years ; these changes in hillslopes behaviour begin to have
severe impact on water resources.
The following processes where observed, among others :
- a sediment filling of sahelian low ground areas, linked to increased erosion on hillslopes ;
- as a consequence of the latter, a modification in ponds mechanisms, due to their sediment filling,
or their division by alluvial fans ;
- severe changes in the « koris » (local name for temporary flow or wadi) course, their channels
being blocked by material coming from hillslopes ;
- and thus ; a strong silting up of Niger River is observed.
Relationship between the land use changes and the severe increase in erosion on the one hand, and
between the latter and hydrological modifications on the other hand, are described and analysed
here.
355
2.08
IMPLEMENTATION AND INITIAL EVALUATION OF A RAIN GAUGE
NETWORK DEPLOYED IN SENEGAL
Paul A. KUCERA (1), Everette JOSEPH (2), Greg JENKINS (2)
and Amadou GAYE (3)
(1) University of North Dakota, Grand Forks, North Dakota, USA
(2) Howard University, Washington, DC, USA (3) UCAD, Dakar, Senegal
A high spatial and temporal resolution rain gauge network has been sighted and deployed or is in
the process of being deployed in the western regions of Senegal in preparation for the intensive
observation phase (IOP: August-September 2006) of AMMA. The rain gauge network consists of a
large-scale and dense-scale component. The large-scale component includes 20 high-resolution
tipping bucket rain gauges located over the spatial domain that will be observed by the NASA
polarimetric S-Band polarimetric Doppler radar (NPOL) during the IOP. Most of the large-scale
network rain gauges were deployed in June 2005. The network will provide high quality rainfall
observations for verification of the NPOL and available spaceborne rainfall estimates. The densescale network consists of 20 high-resolution rain gauges located over an area that is about 12 x 12
2
km in extent, which was sighted in June 2005 and will be deployed in May 2006. The dense-scale
network will provide estimates of the small-scale variability. The network will be used to provide
uncertainty bounds in the remote sensing rainfall products. An overview of the rain gauge network
along with preliminary analysis of the rainfall observations from 2005 will be given in the
presentation.
MISE EN ŒUVRE ET EVALUATION INITIALE D'UN RESEAU DE MESURE DE
PLUIE DEPLOYE AU SENEGAL
Un réseau à haute résolution spatiale et temporelle de mesure de pluie a été déployé ou est en cours
d'être déployé dans les régions occidentales du Sénégal en vue de la phase intensive d'observation
(SOP : Août-Septembre 2006) d'AMMA. Le réseau de mesure de pluie se compose d'une
composante grande échelle et d’une composante de grande densité. La composante grande échelle
inclut 20 mesures de pluies haute résolution situées dans le domaine spatial qui sera observé par le
radar polarimétrique Doppler S-Bande de la NASA (NPOL) pendant la SOP. La plupart des
mesures à grande échelle de pluie de réseau ont été déployées en juin 2005. Le réseau fournira des
observations de précipitations de haute qualité pour la vérification du NPOL et des évaluations
disponibles de précipitation satellite. Le réseau de grande densité se compose de 20 mesures à haute
résolution de pluie situées couvrant un secteur qui est environ 12km x 12km , qui sera déployé en
mai 2006. Ce réseau fournira des évaluations de la variabilité de petite échelle. Le réseau sera
employé pour fournir des limites d'incertitude dans les produits de précipitation de télédétection.
Une vue d'ensemble du réseau de mesure de pluie avec l'analyse préliminaire des observations de
précipitations de 2005 sera donnée dans la présentation.
356
2.09
CONTRIBUTION OF THE MCS ANVILS TO RADIATIVE, HEAT AND WATER
BUDGETS : A STRATEGY FOR QUANTIFICATION AT DIFFERENT SCALES
Dominique BOUNIOL, Alain PROTAT, Nicolas VILTARD, Yvon LEMAITRE
and Georges SCIALOM
CETP, CNRS, Vélizy, France
Deep convection is the ultimate source of tropical upper tropospheric extended clouds, i. e. tropical
anvils. These anvils formed in the outflow spread around large areas and exceed the duration of
deep convection by many hours. The microphysics of crystals in this type of clouds is an important
parameter impacting the radiative and heat budgets and the amount of water stored in ice phase and
therefore the water budgets at different scales.
th
The AMMA-SOPD (5-20 september 2006) will be devoted to the documentation of the internal
structure and processes of these anvils by deploying a specific set of airborne instrumentation
consisting of a five-beam Doppler cloud radar, a three wavelength lidar and a set of in-situ
microphysical measurements onboard the french Falcon-20. Specific flying strategies (including
ground-site and satellite overpasses) have been defined in order to be able to build radiative, water
and energy budgets at different spatial and temporal scales.
Since the duration of SOPD is very limited, preliminary studies based on previous monsoon seasons
have been undertaken in order to estimate how the characteristics of the anvils observed during this
period are representative of a whole monsoon season. These preliminary studies make use of the
existing satellite measurements in order to obtain a first panel of the internal structure of these
anvils. The outcomes of these studies will be presented at the conference.
Submitted by :
Dominique Bouniol – Email : [email protected]
357
CONTRIBUTION DES ENCLUMES DES MCS AUX BILANS RADIATIFS, DE
CHALEUR ET D’EAU : UNE STRATEGIE POUR LA QUANTIFICATION A
DIFFERENTES ECHELLES
La convection profonde est la source ultime des nuages de grande extension de la haute troposphère
tropicale, les enclumes tropicales. Ces enclumes se forment dans le flux sortant, s’étendent sur de
vastes surfaces et leur durée de vie dépasse de plusieurs heures celle de la convection profonde. La
microphysique des cristaux dans ce type de nuage est un paramètre important qui a un fort impact
sur les flux radiatif et de chaleur, ainsi que sur la quantité d’eau présente en phase glace et donc sur
les bilans d’eau à différentes échelles.
La SOP D d’AMMA (5-15 septembre 2006) sera consacrée à la documentation de la structure
interne de ces enclumes et des processus associés grâce au déploiement d’un jeu spécifique
d’instrumentation aéroportée composé d’un radar nuage Doppler à cinq faisceaux, d’un lidar à
trois longueurs d’onde et d’un ensemble de mesures microphysiques in-situ, à bord du Falcon-20
français. Des stratégies de vol spécifiques (incluant des survols d’instruments sol et des passages
satellite) ont été définies de façon à être en mesure de calculer les bilans radiatif, d’eau et d’énergie
à différentes échelles d’espace et de temps.
Comme la durée de la SOP D est très limitée, des études préliminaires ont été menées sur les
saisons précédentes de mousson afin d’estimer de quelle façon les caractéristiques des enclumes
observées durant cette période sont représentatives de l’ensemble d’une saison de mousson. Ces
études préliminaires utilisent les données satellite de façon à obtenir une première image de la
structure interne de ces enclumes. Les résultats de ces études seront présentés à la conférence.
358
2.10
ANALYSIS OF TOTAL WATER VAPOUR CONTENT FROM GPS DATA,
RADIOSONDES AND NUMERICAL WEATHER
PREDICTION MODELS IN WEST AFRICA
O. BOCK (1), M.N. BOUIN (2), F. GUICHARD (3), A. WALPERSDORF (4),
E. DOERFLINGER (5) and F. MASSON (5)
(1) Service d'Aéronomie/CNRS, Université Paris VI, Paris, France
(2) LAREG, Institut Géographique National, Marne-la-Vallée, France
(3) CNRM / CNRS - Météo-France, Toulouse, France
(4) Lab. Géophysique Interne et Tectonophysique, Grenoble, France
(5) Lab. Dynamique de la Lithosphère / CNRS, Montpellier, France
1. Context and objectives
This work has been conducted in the framework of the AMMA project (http://www.ammainternational.org/). The first objective was to assess the potential and accuracy of GPS data in
Africa for the retrieval of precipitable water vapour (PWV). To this aim, data from the permanent
GPS network in Africa have been processed and PWV estimates have been compared to
independent observations such as radiosondes (RS), AERONET sun photometers, and numerical
weather prediction (NWP) model re-analyses from the ECMWF (ERA-40) and the NCEP (version
2, hereafter NCEP2). A second objective was to determine the climatological characteristics and
meteorological features of the region from the GPS data. Various scales have been analysed: from
seasonal cycle to diurnal cycle. The spectral characteristics retrieved from GPS PWV have been
compared with the other datasets and with independent climatologies. Some interesting features
could be evidenced from the GPS data, such as the modulation of PWV at intra-seasonal and
synoptic scales. Synoptic scale variability could be related to easterly waves. The origin of intraseasonal variability needs further investigation and correlation with the climatological and
meteorological environment. The good performance of GPS data in Africa promoted the
deployment of a dedicated AMMA GPS network, in coordination with the enhancement of the
existing radiosounding network. Figure 1 shows the location of the GPS and RS data for the present
study, as well as GPS stations planned within the AMMA project, during EOP and SOP phases. The
aim of the EOP GPS network is to document PWV in three key regions: tropical forest of Benin,
savanna in Niger and semi-arid climate in Mali. It will provide special insight into the meridian
variability of the ITCZ and ITF during monsoon onset and retreat. The SOP network will extend the
view in the horizontal, giving hence insight into the zonal variability at mesoscale, namely for the
study of water budgets and atmospheric processes (e.g. mesoscale convective systems).
This paper presents mainly results from the intercomparison study. It provides evidence for: (i) the
high accuracy of GPS and AERONET PWV data; (ii) the existence of dry biases in RS data; (iii)
the limited accuracy of both ERA-40 and NCEP2 re-analyses; (iv) the better performance of ERA40 over NCEP2.
359
Figure 1: map of the domain and
location of existing GPS station
(black triangles with 4-letter
identifier) and RS stations (blue
squares with 5-digit identifier).
GPS stations deployed during
AMMA-EOP phase (2005-2007)
are shown as cyan circles and
those to be deployed during the
SOP (April-September 2006) are
shown as red triangles. Grey
shading shows topography.
2. Results and discussion
RS and GPS PWV estimates have been compared at five GPS stations (DAKA, MAS1, NKLG,
RABT, TGCV), over the period 1999 – 2005. The GPS – RS PWV differences show biases of 2 –
15%, standard deviations of 7 – 16%, and correlations of 81 – 96%. The two major findings are the
identification of: (i) large errors in the RS data from Dakar in September and October 2003 (Fig. 2)
and (ii) a nearly constant large bias (6 – 7 kg m-2) in the RS data from Libreville (not shown). At the
other sites, the agreement between GPS and RS is ~ 3 kg m-2 RMS. GPS and AERONET PWV
estimates have been compared at four stations (ASC1, DAKA, MAS1, TGCV). The agreement is
slightly better than between GPS and RS. The relative (absolute) bias and standard deviation are in
the range – 5% to 11% (–1.7 to 3.6 kg m-2) and 5 – 14 % (1.4 – 3.6 kg m-2), respectively.
Figure 2 shows PWV variations at Dakar reaching 20 kg m-2 (50%) within a few days. The seasonal
cycle is also evident, with values of ~50 kg m-2 in summer and 10 – 20 kg m-2 in winter.
Fluctuations in September and October 2003 have 3 – 4 days and 8 – 10 days periods. They are
linked to the propagation of easterly waves that develop over Central Africa. A wavelet spectral
analysis also reveals significant energy in the 8 – 10 days and 15 – 30 days periods, in November –
December, and ~ 40 days between January and June (not shown).
Figure 2 : Comparison of GPS, RS and AERONET sun photometer PWV data at Dakar, Senegal
(15°N, 18°W), from 01 Sept to 31 Dec 2003. A large bias is seen in the GPS – RS difference:
(9.1 kg m-2 in September and 6.9 kg m-2 in October). The comparison between GPS and
AERONET shows a good agreement (better than 2 kg m-2) all the time.
360
The PWV estimates from the GPS stations have been compared to ERA-40 and NCEP2 PWV
fields. The GPS – ERA-40 relative (absolute) bias and standard deviation are in the range – 9% to
11% (–3 to 3 kg m-2) and 9 – 16 % (3 – 4 kg m-2). The GPS – NCEP2 relative (absolute) bias and
standard deviation are in the range – 6% to 24% (–2 to 9 kg m-2) and 11 – 21 % (3 – 7 kg m-2). Both
NWP models agree quite well with GPS at seasonal scale, but somewhat less at intra-seasonal and
synoptic scales (Fig. 3). They reproduce very badly the diurnal cycle of PWV (Fig. 4). Both models
have increased difficulties at continental stations. Overall, ERA-40 is found to perform better than
NCEP2, especially at coastal stations (ASC1, MALI, RABT). This might be due to higher spatial
resolution and assimilation of humidity data from satellites over the oceans in ERA-40.
Figure 3: Comparison of GPS (black line), ERA-40 (red line) and NCEP2 (blue line) PWV fields
at Libreville, Gabon (0°N, 10°E), from 01 Jan to 31 Mar 2001.
Figure 4: Comparison of GPS (black line), ERA-40 (red line) and NCEP2 (blue line) PWV fields
at M'Barara, Ouganda (1°S, 31°E), for the month of September 2001. This site has a marked
continental climate and strong diurnal cycle. Correlation coefficient between GPS and ERA-40
(NCEP2) is 59% (48%).
Acknowledgements
We thank the different agencies and people involved in the establishment and maintenance of
observational networks (radiosonde stations, GPS stations, and AERONET sun photometers). We
thank IPSL for providing ECMWF and NCEP archives. We acknowledge J.P. Lafore (MeteoFrance) and S. Janicot (IPSL) for their help in the interpretation of results.
Contact
Oliver Bock
Email : [email protected] - Phone: +33 1 4427 8445 - Fax: +33 1 4427 3776
361
ANALYSE DU CONTENU INTEGRE DE VAPEUR D'EAU DANS
L'ATMOSPHERE A PARTIR DE DONNEES GPS, RADIOSONDAGES ET
MODELES NUMERIQUES DE PREVISION EN AFRIQUE DE L'OUEST
La vapeur d'eau atmosphérique est un des composants principaux du cycle de l'eau dans la mousson
en Afrique de l'Ouest. La variabilité de la vapeur d'eau intégrée est analysée à différentes échelles
spatiales et temporelles en Afrique de l'Ouest, sur la période 1999 – 2005.
Pour cette etude, nous avons utilisé des observations du réseau GPS (Global Positioning System) au
sol, de radiosondes (RS), et les ré-ERA-40 analyses du Centre Européen de Prévision
Météorologique à Moyen Terme (CEPMMT). D'abord nous présentons une intercomparaison entre
les trios jeux de données. L'accord entre GPS et RS est de 5-10% de biais et 10-15% d'écart-type.
L'accord entre GPS et modèle est légèrement meilleur (biais < 5% et écart-type < 10%). L'analyse
des séries temporelles révèle des cas où le modèle est largement en défaut (jusqu'à 10 kg m-2). La
variabilité intra-saisonnière est étudiée à l'aide d'une analyse en ondelettes des données GPS. Un
signal fort est observé à Dakar dans la bande spectrale des ondes d'est (périodes de 3 à 9 jours). Le
cycle diurne est également analysé à partir des données GPS. Il est cohérent avec les études passées
utilisant des observations satellitaires. Le cycle diurne du modèle météorologique n'est pas cohérent
avec ces observations. Ce résultat confirme la difficulté des modèles à représenter les processus
intervenant dans le cycle diurne d'une manière générale et de la vapeur d'eau en particulier. Au
cours de la phase EOP du projet AMMA (2005-2007), un réseau de 3 stations GPS sera déployé
entre 10°N et 17°N, le long de 2°E.
Ces données permettront d'étudier plus précisément le cycle de l'eau, dont le cycle diurne de la
vapeur d'eau, et sa variabilité spatiale (entre la région guinéenne au sud et le Sahel au nord) et
temporelle (saisonnière à inter-annuelle).
Contact
Oliver Bock
Email : [email protected] – Phone : +33 1 44 27 84 45 – Fax : +33 1 44 27 37 76
362
2.11
APPROCHE DE MODELISATION INTEGREE DE LA VARIABILITE
PLUVIOMETRIQUE AU SAHEL
Abdou ALI (1, 2), Abou AMANI (1) et Thierry LEBEL (2)
(1) Centre Régional AGRHYMET, Niamey, Niger (2) IRD, Niamey, Niger
Introduction
Les sorties pluviométriques des modèles de prévision du climat sont assez grossières par rapport
aux échelles d’intérêt pour les hydrologues et les agronomes à cause des limites de la résolution.
Les techniques utilisées pour désagréger ces sorties sont encore en développement. Par exemple, il
n’existe pas encore, à notre connaissance, de méthodes permettant de désagréger les sorties
mensuelles des modèles climatiques tout en restituant la structure spatiale observée. Dans ce
contexte, la simulation stochastique des champs de pluie joue un rôle fondamental pour produire
des scénarios permettant de tester l’impact hydrologique ou agronomique de la variabilité
pluviométrique. La présente synthèse se place dans un contexte géostatistique en considérant
l’événement pluvieux comme l’élément de base d’une modélisation stochastique intégrée au Sahel.
Ce choix a un fondement climatologique important au Sahel. Plus que nulle part ailleurs, les
événements pluvieux se présentent comme des objets individuels, facilement identifiables et dotés
de caractéristiques stables dans le temps et dans l’espace ; le nombre d’événements étant, par
ailleurs, le moteur essentiel de la variabilité pluviométrique.
Intérêt d’une modélisation intégrée des champs de pluie au Sahel
Contrairement à ce qui se passe dans le domaine minier, par exemple, plusieurs observations des
champs de pluie sont disponibles pour un même pas de temps. Pour les besoins d’opérationnalité,
de robustesse des inférences et souhaitant disposer d’une représentation la plus synthétique possible
des champs de pluie au Sahel, les différentes observations d’un même pas de temps sont
considérées comme des réalisations indépendantes d’une même fonction aléatoire. Ce choix exige
que ces observations soient assez homogènes, car considérées comme issues de la même
population. Cette hypothèse n’est acceptable qu’à l’échelle de l’événement pluvieux. Or ce sont les
pas de temps fixes (généralement le pas de temps journalier, décadaire, mensuel ou saisonnier) qui
sont utilisés par les services opérationnels. Ces échelles sont également celles des estimations de
pluie par satellite et des modèles globaux ou régionaux. Les cumuls de pluie à ces pas de temps,
cependant, ne sont ni homogènes dans le temps, ni stationnaires dans l’espace car ils sont constitués
d’un nombre d’événements différent. Pour s’affranchir de cette inadéquation entre échelle
appropriée pour la modélisation et celles utilisées par les services opérationnels, une modélisation
multi-échelle ou intégrée (ces deux termes sont utilisés indifféremment) des champs de pluie au
Sahel est proposée. Dans un premier temps, les éléments de base de cette modélisation sont inférés
à l’échelle de l’événement. En plus de l’adéquation statistique et de la robustesse des inférences à
cette échelle, cette approche a l’avantage de caractériser l’élément météorologique à la base de la
pluie, à savoir l’événement pluvieux. Le passage de l’échelle de l’événement aux échelles
supérieures (échelles multi-événementielles) est ensuite envisagé en considérant des relations
d’invariance d’échelle.
363
Passage de l’échelle de l’événement aux échelles supérieures
Le fait de disposer d’un réseau densément instrumenté en zone sahélienne (l’observatoire EPSATNiger) a permis de bien documenter les champs de pluie sur une large gamme d’échelles
temporelles. Des outils de simulation et de désagrégation des champs de pluie ont été développés à
l’échelle de l’événement. Ces travaux ont été effectués dans le cadre gaussien. La technique de
l’anamorphose gaussienne a été utilisée à cet effet. L’intérêt de la loi gaussienne en statistique est
multiple. Notons simplement que pour simuler un champ de pluie en géostatistique dans le cadre
gaussien la connaissance des fonctions de distribution monovariable et de la structure spatiale est
suffisante. Ainsi pour capitaliser les travaux de l’échelle de l’événement aux échelles supérieures il
suffit d’établir des relations permettant de déduire ces deux fonctions pour ces échelles supérieures.
i) Fonction de distribution multi-échelle : la loi des fuites
La relation permettant de connaître la fonction de distribution du cumul de pluie Z T sur une
période T supérieure au pas de temps de l’événement est la loi de fuite (Le Barbé and Lebel 1997).
Elle est caractérisée par deux paramètres: me le cumul moyen de l’événement et NT le nombre
d’événements moyen sur la période T . Cette loi suppose une distribution exponentielle des cumuls
événementiels et une loi de Poisson pour l’occurrence des événements. La fonction densité de
probabilité de cette loi intégrée est la suivante :
f (U T ) = e − NT N T e −U T I1 ( 2 N T U T ) /( N T U T )
où U T = Z T m e et I1 (2 NT U T ) est la fonction de premier ordre de Bessel modifiée. NT est le
facteur d’échelle de cette relation.
ii) Fonction de structure spatiale multi-échelle : le variogramme N-événements
Deux notions sont essentielles à ce niveau : variabilité interne et externe de l’événement. La
variabilité interne caractérise la manière dont se répartit la pluie à l’intérieur de l’espace couvert par
l’événement. La variabilité externe est celle indiquant s’il y a événement ou pas en un point de
l’espace. Considérant une invariance climatologique de ces deux variabilités, le modèle intégré cidessous a été établi (Ali et al. 2003) et permet le calcul du variogramme du cumul de pluie pour un
pas de temps quelconque :
γ~Z = N T {1 2 [mI + mI ]γ~e + [(σ e ) 2 + (me ) 2 ]γ~I − γ~eγ~I }+ N T ( N T − 1){1 2 (me ) 2 (mI − mI ) 2 }
T
1
2
2
1
γ~Z est le variogramme du cumul Z T . me ,
T
σ e et γ e sont la moyenne, la variance et le
variogramme de l’événement pluvieux,
m I et γ I sont la moyenne et le variogramme de
son indicatrice. N T (le nombre d’événements)
représente aussi le facteur d’échelle de cette
relation. La Figure 1 ci-contre présente un
exemple de validation de cette formulation
intégrée sur la zone EPSAT-Niger.
Figure 1 : Comparaison du variogramme expérimental calculé à partir du cumul moyen de 40
événements (40 est à peu près le nombre moyen d’événements par an) et le variogramme théorique
déduit du modèle intégré. L’adéquation est bonne.
364
Application
Disposant maintenant des relations permettant de déduire les fonctions de distribution et de
structure spatiale des champs de pluie pour les pas de temps supérieurs à l’événement, nous
pouvons envisager sans grande difficulté la simulation et la désagrégation des cumuls
pluviométriques au Sahel. Une première application de ces relations a été de développer une
fonction multi-échelle permettant de calculer l’erreur associée à l’estimation de la pluie moyenne
spatiale (Ali et al. 2005a). Cette fonction d’erreur a ensuite été utilisée pour évaluer les réseaux
pluviométriques des pays sahéliens et intercomparer des produits pluviométriques sur la région (Ali
et al. 2005b)
Bibliographie
Ali, A., A. Amani, A. Diedhiou, T. Lebel, 2005: Rainfall Estimation in the Sahel. Part 2: Evaluation of Raingauge
Networks in the CILSS Countries and Objective Intercomparison of Rainfall Products. Journal of Appliead
Meteorology. A paraître.
Ali, A., T. Lebel, and A. Amani, 2005: Rainfall estimation in the Sahel. Part 1: Error Function. Journal of Applied
Meteorology. A paraître
Ali, A., T. Lebel, and A. Amani, 2003. Invariance in the spatial structure of Sahelian rain fields at climatological
scales. Journal of Hydrometeoroly, 4(6) 996-1011.
Le Barbé, L., and T. Lebel 1997: Rainfall climatology of the HAPEX-Sahel region during the years 1950-1990.
Journal of Hydrology, 188-189, 43-73.
Correspondance
Abdou ALI : BP 5040, Niamey, Niger - E-mail : [email protected]
AN INTEGRATED MODELING APPROACH TO
SAHELIAN RAINFALL VARIABILITY
This study concerns an integrated modeling approach to Sahelian rainfields by considering rain
events as the basic elements of rainfall variability. Identifying the rain event characteristics
(cumulative rain event, spatial structure) as climatological invariants and utilizing the concepts of
internal and external variability of rain events, a geostatistical model allowing the characterization
of the spatial variability of rainfields over a broad range of time scales is developped.
On the one hand, this model serves as a tool for diagnosting the different scales of the sahelian
rainfall variability.
On the other hand, it allows extending an estimation error function initially established on the
EPSAT-Niger experiment region to all the Sahelian region. This error function has been used to
evaluate the rainfall networks in the Sahelian countries and to intercompare various satellite rainfall
products for the region.
Correspondence
Abdou ALI, BP 5040, Niamey, Niger - Email : [email protected]
365
2.12
CARACTERISATION DE LA REPONSE HYDROLOGIQUE ET DE L’EROSION
HYDRIQUE D’UN PETIT BASSIN VERSANT SAHELIEN : BASSIN VERSANT
DE TOUGOU AU NORD DU BURKINA FASO
H. KARAMBIRI (1), H. YACOUBA (1), D. SANOU (1), P. DIELLO (1, 3),
M. GUILLIOD (2), G. MAHE (3) et J-E. PATUREL (3)
(1) Groupe des Ecoles EIER-ETSHER, 03 BP 7023, Ouagadougou 03, Burkina Faso
(2) US OBHI, IRD, Ouagadougou, 01 BP 182 Ouagadougou 01, Burkina Faso
(3) HydroSciences IRD, MSE, Université Montpellier 2, 34 095 Montpellier cedex 5, France
A l’instar de tout le Sahel, on observe au Burkina Faso, grâce à de tests statistiques sur les
chroniques de pluies, de températures et d’évapotranspirations, une rupture climatique à partir des
années 1970 se traduisant par une baisse notable de la pluviométrie annuelle. Cette diminution des
pluies a entraîné depuis une trentaine d’années une disparition progressive de la végétation,
accélérée par une forte pression anthropique sur l’environnement à cause d’une population de plus
en plus croissante : coupe de bois pour les besoins énergétiques domestiques, extension des surfaces
de cultures et surpâturage.
Dans la moitié sud du pays, plus humide (pluviométrie annuelle supérieure à 1000 mm), la
diminution des pluies a entraîné une baisse des écoulements de surface et des débits des rivières,
comme dans la majeure partie de l’Afrique de l’Ouest et Centrale depuis trente (30) ans, même dans
les zones où l’on constate une augmentation des zones cultivées.
Dans la moitié nord par contre (pluviométrie annuelle inférieure à 600 mm), malgré la baisse des
pluies, on observe une augmentation des écoulements de surface. Cette augmentation des débits des
cours d'eau est à relier à une augmentation des zones cultivées et des zones de sols nus au détriment
des surfaces de végétation naturelle.
L’augmentation des écoulements de surface et donc de l’érosion hydrique a pour conséquences :
- une perte de fertilité accélérée des sols conduisant à d'importantes baisses de rendements
agricoles,
- un envasement précoce et une dégradation rapide de la qualité des eaux des retenues (barrages,
lacs, mares, boulis,…),
- un sous-dimensionnement de nombreux ouvrages hydrauliques (barrages, ponts, digues, routes,
etc..) du fait de la modification des normes hydrologiques,
- une augmentation des surfaces encroûtées impropres à toute culture,
- une modification du bilan radiatif,
- des conflits sociaux et d'usages nés de la surexploitation des ressources naturelles raréfiées.
C’est donc dans ce contexte que la présente étude est menée et elle vise à une meilleure
compréhension des impacts du changement climatique combiné aux activités anthropiques sur le
cycle de l’eau et les processus de dégradation des sols dans le bassin du Nakambé au Burkina Faso.
Elle permettra une meilleure quantification des différents compartiments du cycle de l’eau
(ruissellement, infiltration, drainage interne, évapotranspiration), une bonne estimation de la
dégradation de l’environnement (érosion des sols, envasement des retenues d’eau, dégradation de la
366
qualité des eaux de surface, etc..) liée à la modification du cycle hydrologique et la mise en œuvre
de modèles hydrologiques à petite échelle intégrant les changements de l’environnement au Sahel.
Le bassin de Tougou, d’une superficie de 37 km² a été retenu pour cette étude et fait partie des sites
locaux d’observations intensives du programme AMMA. Il est situé dans la partie supérieure du
bassin du Nakambé, en zone sahélienne du Burkina Faso, à 25 km à l’Est de Ouahigouya sur l’axe
Ouahigouya-Titao. Ce bassin est fortement cultivé (à environ 95%) et se caractérise par un relief
très peu accidenté avec quelques monticules et collines par endroit, d’altitude faible. La
morphologie présente une succession de collines (haut glacis) raccordées aux axes d'écoulement
(bas-fonds) par de longs glacis. La végétation est surtout dominée par acacia albida et le karité. Les
cultures les plus courantes sont le mil, le sorgho, le maïs, l’arachide et le niébé. Sur le plan
pédologique, on rencontre des sols sableux et sablo-limoneux au niveau du bas-fond, des sols sablolimoneux sur le glacis et un recouvrement gravillonnaire sur les têtes du bassin et les collines.
Le bassin de Tougou comprend deux sous-bassins de superficie inférieure à 1 km², celui de
Bawogo-Pooré en zone entièrement cultivée et celui de Faogodo en zone entièrement dégradée avec
des croûtes superficielles. Le bassin est en cours d’équipement depuis 2004 pour le suivi des
paramètres hydrométéorologiques et d’érosion. Les mesures se font depuis l’échelle de la parcelle
de 1 m² à celle du petit bassin versant de 37 km² en passant par celle des deux sous-bassins de
quelques hectares. Ces mesures concernent la pluie, les écoulements aux exutoires, le ruissellement
à la parcelle, les prélèvements d’échantillons d’eau aux exutoires et à la parcelle, les paramètres
météorologiques (température, vents, humidité relative, évaporation bac), les teneurs en eau et les
flux d’eau dans les sols.
Les résultats préliminaires de la campagne 2004 donne au total 42 événements pluvieux enregistrés
(période du 08/06/2004 au 19/09/2004) dont 14 de hauteur inférieure à 5 mm, 22 de hauteur
comprise ente 5 et 20 mm et 6 de hauteur comprise entre 20 et 45 mm. La pluviométrie annuelle
s’élève à environ 260 mm. La lame d’eau annuelle écoulée est de 26 mm, correspondant à un
coefficient d’écoulement de 10% pour tout le bassin. A l’échelle de la parcelle, les coefficients de
ruissellement sont plus élevés avec une forte variabilité en fonction des états de surface. Ainsi, les
coefficients de ruissellement moyens annuels sont de 35% sur les croûtes de dessiccation (DES), de
50% sur les croûtes d’érosion (ERO) et 71% sur les croûtes gravillonnaires (G). Alors qu’en zone
de cultures, ils varient entre 4% et 19% sur les différentes parcelles.
Quant à l’érosion hydrique, elle s’élève à 0.5 t/ha à l’exutoire du bassin de Tougou. Sur les parcelles
en zone dégradée, elle atteint 42 t/ha sur les croûtes ERO, 57 t/ha sur les croûtes G et 30 t/ha sur les
croûtes DES. An niveau des parcelles en zone de cultures, les pertes en terre sont en moyenne de
6.5 t/ha.
Ces premiers résultats qui doivent être renforcés par les mesures des prochaines campagnes
hydrologiques, montrent d’ores et déjà une réponse fortement contrastée à l’impulsion pluvieuse en
fonction des différents états de surface du bassin. Les zones dégradées à croûtes superficielles
semblent les plus aptes au ruissellement et présentent les taux d’érosion les plus élevés,
comparativement aux zones de cultures.
Mots clés : Changement climatique, activités anthropiques, érosion des sols, ruissellement, états de
surface, Tougou, Nakambé, AMMA, Sahel, Burkina Faso.
367
CHARACTERIZATION OF THE HYDROLOGICAL AND WATER EROSION
RESPONSE OF A SMALL SAHELIAN CATCHMENT :
THE TOUGOU CATCHMENT IN THE NORTH OF BURKINA FASO
The Tougou catchment is one of the local intensive observation sites of the AMMA project. It is
located in the Sahelian part of the Nakambé basin in the North of Burkina Faso and has an area of
37 km². In this zone, the combination of climatic factors (decrease of rainfalls) and human factors
(farming and grazing) has led to a serious environmental degradation resulting in a progressive
vegetation disappearance and severe soils crusting since about thirty years.
These environmental changes have induced deep modifications in the hydrological cycle with a
tendency to an increase of surface runoff, river discharges and water erosion rates despite of the
established decrease of rainfalls since 1970. The Tougou catchment, predominantly cultivated, was
equipped in 2004 for the monitoring of hydro-meteorological and water erosion parameters at
different scales (from 1 m²-area plot to 37 km²-area catchment with two sub-catchments of some
hectares).
The first results show high contrasted responses to the rain impulsion according to the different soil
surface characteristics of the catchment. The uncultivated bare soils (erosion and gravelly crusts)
show high runoff coefficients and appear to be more sensitive to water erosion compared to
cultivated soils.
Key words : Climate change, anthropogenic activities, soil erosion, runoff, soil surface
characteristics, Tougou, Nakambé, AMMA, Sahel, Burkina Faso.
368
2.13
LA NAPPE PHREATIQUE EN HAUSSE DU SUD-OUEST NIGER, UN
PARADOXE SAHELIEN ? NOUVEAU BILAN ET PERSPECTIVES
G. FAVREAU (1), A. GUERO (2), S. MASSUEL (3), Y. NAZOUMOU (4),
M. DESCLOITRES (5), M. LEBLANC (6), B. CAPPELAERE (7) et L. DESCROIX (8)
(1) IRD, UMR HSM, Tunis, Tunisie (2) MHELD, Niamey, Niger
(3) Université de Montpellier II, Montpellier, France
(4) Université Abdou Moumouni, Niamey, Niger
(5) IRD, UMR LTHE, IFCWS, Department of civil engineering, IIS, Bangalore, Inde
(6) Monash University, School of Geosciences, Victoria, Australie
(7) IRD, UMR HSM, Montpellier, France (8) IRD, UMR LTHE, Niamey, Niger
Depuis près de 50 ans, la nappe phréatique près de Niamey (Niger) est en hausse quasi-continue
(Fig. 1), malgré le double impact d’un affaiblissement de la MOA et d’une exploitation croissante
de la ressource.
De premiers travaux (Hapex-Sahel, 1997) ont permis d’expliciter ce paradoxe : au sud-ouest du
Niger, la recharge de l’aquifère s’effectue par vidange rapide de mares endoréiques temporaires.
Comme ailleurs au Sahel, le déboisement a favorisé le ruissellement vers les mares, et donc la
recharge localisée. Pour la ressource souterraine, cet impact positif a outrepassé ceux, négatifs,
d’une diminution des pluies et d’une augmentation des prélèvements. Plus récemment, d’autres
approches ont permis de préciser à la fois les processus et le bilan de la nappe :
profondeur nappe (m)
-31
NINE FOUNO
-33
NO3 > 80 mg/L
-35
NO3 < 5 mg/L
-37
Jan-1960
Jan-1980
Jan-2000
Figure 1 : Densification du réseau de drainage endoréique (à gauche) et hausse de la piézométrie et
des nitrates de la nappe phréatique (à droite) suite au déboisement observé depuis 1950.
(1) la télédétection, en particulier l’analyse de photographies aériennes disponibles depuis 1950, a
révélé un triplement de la densité du réseau hydrographique, avec notamment la création de
nouvelles mares endoréiques (figure 1),
(2) la géophysique de sub-surface (EM-34, DC), couplée à (3) de nouvelles mesures
hydrométriques (piézométrie, limnimétrie) et à (4) des modélisations à base physique (surface et
369
souterrain), a montré l’existence d’une recharge occasionnelle sous les ravines et les cônes
d’épandage situés en amont des mares (Massuel et al., 2005),
(5) La géochimie isotopique (3H2O, 14CITD) a permis une quantification de la recharge
« naturelle », estimée à quelques mm/an dans les années 1950, aujourd’hui supérieure à 20 mm/an
(Favreau et al., 2002) ; l’augmentation durable des teneurs en nitrates de la nappe (figure 1) a été
expliquée, notamment par analyse des isotopes stables (15N18O3), comme étant provoquée par le
déboisement et le lessivage consécutif de l’azote naturel des sols (Favreau et al., 2004),
(6) pour cet aquifère transfrontalier de plus de 150 000 km2, une dynamique hydrologique identique
a été montrée à plus vaste échelle, avec des hausses piézométriques interannuelles et des taux de
recharge similaires (Guéro, 2003).
Au sud-ouest du Niger, la nappe phréatique constitue le meilleur intégrateur à long terme des
changements hydrologiques de méso-échelle. Estimé par des enquêtes de terrain, l’usage de l’eau de
la nappe reste faible (0,3 mm/an) ; l’impact des puisages anthropiques reste donc négligeable face à
une recharge actuelle de plus de 20 mm/an (variable de 1 à 4 selon la pluviométrie) et face à
l’impact du déboisement sur le bilan hydrogéologique (augmentation d’un ordre de grandeur de la
recharge sur les dernières décennies).
Dans le cadre du programme AMMA, l’application de méthodes plus spécifiques (géophysique :
RMP ; physico-chimie : caractérisation des températures de recharge de la nappe ;
hydrodynamique : suivis neutroniques de la ZNS profonde) ainsi que la poursuite des suivis
hydrométriques à long terme permettront de mieux contraindre et de modéliser plus finement le
bilan des flux surface – souterrain de cet aquifère singulier, devenu un cas d’école en Afrique de
l’Ouest de l’impact inattendu des changements environnementaux sur le cycle hydrologique.
Références
FAVREAU G. et al., 2002 – Estimate of recharge of a rising water table in semiarid Niger from 3H and 14C
modeling, Ground Water 40(2), 144-151.
FAVREAU G. et al., 2004 – Land clearance as the cause of groundwater nitrate increase in semiarid Niger: evidence
using nitrate isotopes, Proc. Int. Conf. 09/2004, UNESCO, France, pp. 105-106.
GUÉRO A., 2003 – Etude des relations hydrauliques entre les différentes nappes du complexe sédimentaire de la
bordure sud-ouest du bassin des Iullemmeden (Niger) : approches géochimique et hydrodynamique. Thèse de doctorat,
Université de Paris-Sud / Orsay, France.
HAPEX-SAHEL, 1997 – Journal of Hydrology 188-189 (no. spécial).
MASSUEL S. et al., 2005 – Deep infiltration through a sandy alluvial fan in semiarid Niger inferred from electrical
conductivity survey, vadose zone chemistry and hydrological modelling, Catena (soumis). (Premiers résultats sur:
http://www.ccr.jussieu.fr/dga/geofcan03/pdf/massuel.pdf)
Contact : [email protected]
370
THE RISING WATER TABLE IN SW NIGER, A SAHELIAN PARADOX ?
NEW RESULTS AND PERSPECTIVES
For the past 50 years, the groundwater table near Niamey (Niger) has been rising almost
continuously (figure 1), despite a dramatic drop in WAM rainfalls and a steady increase in
groundwater use.
Preliminary results (Hapex-Sahel, 1997) gave the clues to explain this paradox: in south-western
Niger, aquifer recharge occurs mainly by rapid infiltration of water accumulated in seasonal
endoreic ponds; consequently to land clearance, surface crusting has enhanced runoff to the ponds,
and thus localized recharge. For groundwater resources, this positive impact has exceeded those,
negative, of reduced rainfalls and increasing pumpings.
More recently, several approaches were applied to better describe and constrain the hydrological
processes and the groundwater balance: (1) remote sensing revealed a spectacular development in
the surface area of the hydrological network (figure 1), (2) sub-surface geophysics, together with (3)
new hydrodynamic measurements and (4) physically based numerical modelling showed that
occasional recharge occurs through main gullies and sandy alluvial fans (Massuel et al., 2005), (5)
environmental isotopes were used to estimate a tenfold increase in aquifer recharge (Favreau et al.,
2002) and identify land clearance and subsequent leaching of natural soil nitrogen as the cause of
recent groundwater nitrate increase (figure 1; Favreau et al., 2004), (6) for this transboundary
aquifer, a similar trend has been observed at a wider scale (Guéro, 2003).
In south-western Niger, the unconfined aquifer acts as a natural record of hydrological changes.
During the AMMA programme, reinforced surveys and implementation of new methods will aim at
further constraining groundwater flux of this remarkable aquifer, now considered as a classic
example for unexpected effect on the water cycle of environmental changes in western Africa.
371
2.01P
COMPUTATION OF CONVECTIVE KERNELS GROWING RATE
J.C. BERGES (1), F. CHOPIN (2) AND M. DESBOIS (2)
(1) PRODIG, Université Paris 1, Paris, France
(2) LMD, IPSL/CNRS, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France
1. Introduction
Most of satellite based rainfall estimation methods merge polar orbiting microwave data with
geostationary infrared images. The geostationary satellite is mainly used to complement in time and
space microwave estimator on a pixel basis but less for dynamic cloud properties retrieval. Yet it is
well known that the most intense rainfall intensity is associated with a growing phase of convective
kernels and a proper assessment of this growing rate could supply valuable information for these
estimations methods.
Although automatic cloud tracking methods are used on an operational basis, growing rates are
usually estimated as a temperature difference between two successive images without references to
spatial structures. Going beyond a cooling rate to a kernel surface variation indicator requires a
proper management of clusters splitting and merging. But, most of all, kernels identification is a key
issue. Obviously a Mesoscale Convective System (MCS) is not homogeneous as it can get at the
same time expanding and decaying cells.
Our basic input information will be a rainfall probability function which is produced from
geostationary satellite. This function can be estimated by a simple histogram matching method with
microwave data or by a more sophisticated neural network estimator. In this document we will first
describe a general heritage algorithm and then discuss its implementation for growing rate
assessment.
2. Description of heritage process
To support both deterministic and probabilistic convective kernel delineation we consider functions
from the geographic space (quoted XxY). A fuzzy partition "A" of our space is a set of functions fa
(a∈A) satisfying the two properties for each point (x,y):
fa(x,y) ∈{0,1}
(1)
(2)
∑Αfa(x,y) ∈{0,1}
Let fa (a∈A) and fb (b∈B) fuzzy partitions extracted from two successive images, then ha the heir of
fa is defined by:
ha(x,y) = Σb∈B λab fb(x,y)
(3)
where
λab = Sab / Σa'∈ASa'b (4)
and
Sab = ∫∫XYfa(x,y)fb(x,y) dxdy (5)
If equation 4 denominator is null, the corresponding coefficient is set to zero.
The growing rate of fuzzy cluster a is then:
372
∫∫ XYha(x,y)dxdy / ∫∫ XYfa(x,y)dxdy
(6)
It can be verified that ha (a∈A) functions satisfy conditions 1 and 2 and are therefore a fuzzy
partition. Should all the functions be deterministic (getting as value only 0 or 1), then fa (resp. fb)
can be considered as the a (resp. b) cluster indicator function and Sab as the intersection surface of
clusters a and b. As the heritage is ponderated by intersection surface, it is not necessary to suppress
little clusters by a threshold on surface.
An important property of this process is that the heir of fa+fa' is ha+ha' and so it is not sensitive to
cluster merging.
The formula 3 is a matrix product and direct computation is easy as long as the number of fuzzy
partition elements is not to high. The set of coefficients λab is called the transition matrix from A to
B.
3. Actual implementation and results
The space is first segmented by a watershed algorithm applied to the probability function. The local
maxima of rainfall probability are assimilated to pits. The fuzzy partition is the product of the
generated set indicator functions by the rainfall probability. Using a non uniform measurement is
important to suppress the non significant low probability area.
A direct watershed process on the rainfall probability field should produce a thin segmentation. This
could increase the computing time and mitigate the efficiency of the heritage process. As this
algorithm is based on overlapping area, the mean cloud motions have to be small in front of the
cells area size. So a prior step is to smooth the probability function by a median filter. As heuristic,
we suggest to set the filter size to the order of the average MCS displacement during an interslot
lag.
Figure 1: Watershed segmentation 2005/30/07 00:15.
overlayed with rainfall probability (%)
Figure 3 : Growing rate ftom 2005/30/07 00:15 to 0:30
Figure 2 :Watershed segmentation 2005/30/27 00:30
Figure 4 : Rainfall probability difference
373
Figures 1 and 2 display rainfall probability on two successive images of a sahelian
convectivesystem. On this system moving a south-west direction, the most active cells are in front
whereas the rear part shows a smooth probability gradient. The boundaries produced by the
watershed algorithm are linked to local maxima and are rather unstable. So, the follow up of cells
surface requires a much more sophisticated heritage method than automatic cloud tracking which
relies on clearly separated markers.
The resulting growing rate estimator (figure 3) has been masked to suppress the low rainfall
probability area. As expected the highest values are located on the active front of the system. A
comparison with a simple difference of rainfall probability (figure 4) shows a good general
agreement. But at a finer scale, cooling rate is more associated with cloud motion than with cells
size change and its internal variability does not appears as relevant.
3. Conclusion
A new method has been described to retrieve convective kernel growing rate. At an event scale, it
looks as more efficient than the cooling rate usually computed. However the computational burden
associated with watershed algorithm makes this method much heavier to run on long series of data.
To speed up the process the watershed delineation could be replaced by an adaptative threshold and
a simple labelling.
An open issue should be to assess at which aggregation scale these methods give similar results and
which biases are introduced. The TRMM/PR will be used as a reference dataset to investigate
statistical relation with rainfall intensity.
374
2.02P
LARGE-SCALE MOISTURE BUDGET OF THE AFRICAN MONSOON
BASED ON SPACEBORNE AND GROUND-BASED OBSERVATIONS
A. BOUCHARD, C. REVILLET, Y. LEMAITRE, A. PROTAT and N. VILTARD
Centre d’étude des environnements terrestre et planétaires
Institut Pierre Simon Laplace des Sciences de l’environnement, Vélizy, France
The understanding of the water cycle and redistribution of water constituents within the African
monsoon is a main goal of AMMA. The knowledge of the distribution and transformations of water
vapour at different scales is essential in this respect. Many methods have been developed to
estimate this budget at meso-scale based on radar observations. At large-scale models are generally
used although they are known to have difficulties in this particular region, owing mostly to the lack
of operational observations. The processes involved in the moisture budget are:
evaporation/condensation, advection and local temporal evolution of specific humidity, and a
turbulent term. In order to estimate these terms, 4D water vapour fields and velocity fields are
required.
A great number of new spaceborne platforms and radiometric instruments have been or are about to
be launched in order to access both integrated water vapour (e.g., MODIS, MERIS) and profiles of
water vapour (IASI, AIRS, AMSU), precipitation (TRMM, SSM/I), and horizontal wind (MSG). As
a result, there is an increasing need for new analyses to process and merge these data with the
operational ground-based observations. In this context, this paper presents a new 4D variational
data assimilation technique for retrieval of wind, specific humidity and related quantities. This
method is presently applied to numerical simulations in the framework of the preparation of
AMMA for the assessment of the accuracy of moisture budgets computed at large-scale using the
foreseen ground-based instrumental deployment and availability of spaceborne instruments.
Submitted by :
Aurélie Bouchard - Centre d'étude des Environnements Terrestre et Planétaires, 10-12 avenue de
l'Europe, 78140 Vélizy, France - Tel : 01 39 25 39 21 Mail : [email protected]
375
2.03P
VERTICAL PROFILES OF SPACE-BASED RAIN ESTIMATES IN WEST
AFRICA USING TRMM PRECIPITATION RADAR DATA
Samo DIATTA (1), Nicolas VILTARD (2) and Amadou Thierno GAYE (1)
(1) LPAOSF, Dakar, Senegal (2) CETP, Vélizy, FRANCE
To better understand rainfall variability, the vertical structure and evolution of generatingprecipitation systems need to be documented.
Using 2A25 radar TRMM-PR data of the year 2000, representing reflectivity profiles without
attenuation by heavy rains, supplemented by Meteosat data processed with ISIS ( )
.We assume two rain types (stratiform and convective) with two drop size distribution models.
Typical initial Z – R relationship are Z = 283.9R1.446 for stratiform and Z = 159.5R1.511 for
convective rain (Iguchi et al., 2000).
For a same precipitation event, we have positive slope value in equatorial area and negative slope
value in Sahel area, confirming the largest evaporation in Sahel compared with Equator. Morever,
we got a second peak after the bright band by analyzing convective profiles in Equatorial area,
probably caused by deep convections very frequent in this site.
2.04P
WATER VAPOR MERIDIONAL TRANSPORT IN THE SAHELAN REGION
F. FIERLI
Institute of the Atmospheric Sciences and Climate, CNR, Bologna, Italy ([email protected])
We present a multi-year analysis of water vapor southward transport in the Sahelian region. Dry air
can be transported from Northern hemisphere middle latitudes in the tropics in filaments originating
from the upper troposphere. These filaments can propagate southward and penetrate in the middle
troposphere with quasi-isentropic motion. This can have an important impact on convection: dry air
layer in the free troposphere can sustain mesoscale to large convective systems; planetary waves,
that drives southward dry air transport, led to northward advection of moist air from the equatorial
region. We analyze the outputs of domain filling water vapor and potential vorticity transport
simulations, based on ERA40 re-analysis. This allows us to reconstruct the 3D water vapor field
with higher resolution and to identify filamentary structures. The analysis shows the dry air
advection events can be frequent the Monsoon season (up to 1 per week). Their frequency and
degree of penetration show a strong interannual variability. We will show a comparison of the
reconstructed fields with satellite measurements in the upper troposphere in order to provide a more
accurate estimate of water vapor concentration; we will also correlate the analysed variability with
planetary wave activity and convection
376
2.05P
377
2.06P
VALIDATION OF THE TAMSAT ALGORITHM FOR SATELLITE-DERIVED
RAINFALL ESTIMATES IN WEST AFRICA
D.I.F. GRIMES
Department of Meteorology, University of Reading, UK
1. Introduction
The TAMSAT group at the University of Reading, U.K. has generated rainfall estimates for much
of northern Africa for 15 years. The basic algorithm is a simple Cold Cloud Duration (CCD)
approach whose only operational data requirement is Thermal Infra Red imagery from the Meteosat
satellite. The TIR data are accumulated to generate CCD amounts over 10 day (dekadal) intervals.
A linear relationship is assumed between CCD and rainfall amount. The temperature threshold for
the CCD and the parameters of the linear relationship are calibrated against historic, local raingauge
data. Calibration parameters vary with location and season. As the simplest possible satellite-based
rainfall algorithm which makes use of local information, the TAMSAT estimates serve as a useful
baseline against which other more complex algorithms can be judged.
2. TAMSAT rainfall estimation algorithm
The TAMSAT algorithm is based on two assumptions :
1. it is possible to identify a threshold temperature Tt for cloud tops as indicated by the
Meteosat satellite thermal infra red sensor which distinguishes rainy clouds from non-rainy
clouds,
2. there is a linear relationship between the number of hours for which a given pixel is colder
than the threshold temperature (the cold cloud duration or CCD) and the rainfall total within
the pixel. Thus
p = a0 + a1D
(1)
where p is total rainfall, D is cold cloud duration and a0 and a1 are empirical constants.
To calibrate the relationship, it is necessary to determine optimum values for Tt,, a0 and a1. This is
done by comparison with raingauge data in a two stage process. In stage 1, CCD is calculated at a
number of different values of Tt and the value is selected which best distinguishes between rainy
and non-rainy dekads. In stage 2, a regression is carried out between raingauge amounts and CCD at
the optimum threshold for the pixels containing the gauges and including only non-zero CCD. In
practice, more stable calibration parameters are obtained by binning CCD values into appropriate
intervals and regressing the median gauge in each interval against the mid range CCD.
To account for spatial and temporal variability of the three parameters (a0, a1 and Tt), northern
Africa has been divided into eight calibration zones and a separate set of calibration parameters has
been generated for each zone and for each calendar month in the rainy season.
Further details are given in Thorne et al. (2001).
378
3. Merging with available gauge data
Because the TAMSAT algorithm is intended for operational use, there is no attempt to include
contemporaneous data in the calibration process. This is because in a given 10 day period few such
data will exist and those that are available have usually not been quality controlled. However, many
studies (e.g. Armand et al., 1996) have shown that where good quality contemporaneous data are
available, calibrations are improved significantly. One way of dealing with this issue is to use the
calibration based on historic data but merge the results with available, good quality gauge data.
With regard to the merging, it is important to take proper account of the different spatial scales of
satellite pixels and point measurements from raingauges. For this study we have applied a
geostatistical merging technique to give an weighted combination of satellite and available gauge
information (Grimes et al., 1999).
The steps in the process are
1. Block-kriging of the raingauge data to generate a rainfall field at the same spatial scale as
the satellite imagery
2. Estimation of the satellite error by regressing satellite pixel estimates v. gauge pixel
estimates and subtracting the kriging variance from the regression variance to leave the
satellite variance as a residual
3. Calculation of final rainfall field as the average of the gauge and satellite fields weighted by
the inverse of the squared errors.
4. Results
Comparisons between the validation field rainfall field and the two TAMSAT products (satellite
only and satellite + gauge) have been carried out at spatial scales at 0.50, 1.00 and 2.50 for dekadal,
monthly and seasonal accumulations of rainfall. The results are presented both as absolute
differences with respect to the validation data and also normalised with respect to the kriging errors
in the validation data.
References
Armand, Y., Taupin, J-D., Laurent, H., 1996: Validation de deux methódes d'estimation des pluies par satellite à
l'aide du réseau dense de pluviographes de l'experience EPSAT-Niger in 'Validation problems of rainfall estimation
methods by satellite in intertropical Africa', B.Guillot (ed), ORSTOM, Paris, 1996.
Grimes, D.I.F., Pardo, E. & Bonifacio, R., 1999 : Optimal areal rainfall estimation using raingauges and satellite date.
J. Hydrology, 222 (1999), 93-108.
Thorne, V., Coakley, P., Grimes, D.I.F. & Dugdale, G., 2001: Comparison of TAMSAT and CPC rainfall estimates
with rainfall, for southern Africa. IJRS, 2001, Vol 22, No.10, pp1951-1974.
Résumé
Le groupe TAMSAT à l'université de Reading, Royaume-Uni, a généré des estimations de
précipitation pour la plupart de l'Afrique du nord pour une période de 15 années. L'algorithme de
base est une simple approche de “Cold Cloud Duration” (durée de nuage froide - CCD) dont la
seule condition opérationnelle de données s’agit des images thermiques infrarouge du satellite de
Meteosat. Les données de TIR sont accumulées afin de générer des montants de CCD. Un rapport
linéaire est assumé entre le CCD et la quantité de précipitation. Le seuil de la température pour le
CCD et les paramètres du rapport linéaire sont calibrés selon des données locales provenantes d’un
pluviomètre. Les paramètres de calibrage changent selon l'endroit et la saison. Les estimations de
TAMSAT constituent une référence utile pour la comparaison d’autres algorithmes plus complexes,
car il s’agit du plus simple algorithme de précipitation qui se sert de données provenantes de
satellite et utilisant des informations locales. Une comparaison est également présentée entre les
estimations standard de TAMSAT et les données de validation d’AMMA.
379
2.07P
RELATION ENTRE LES INTEGRALES SPATIO-TEMPORELLES DE LA
COUVERTURE NUAGEUSE ET LA PLUIE AU SOL A LA TRANSITION ENTRE
UN CLIMAT ARIDE ET UN CLIMAT EQUATORIAL - IMPLICATIONS POUR
LA MESURE DES PRECIPITATIONS
DEPUIS L’ESPACE
Cheikh Mouhamed Fadel KEBE (1), H. SAUVAGEOT (2) et A. NZEUKOU (3)
(1) LPAOSFongang, UCAD, Dakar , Sénégal
(2) Laboratoire d’Aérologie, UPS, Toulouse, France
(3) IUT Fosto Victor, Université de Dschang, Bandjoum, Cameroun
La méthode des aires intégrales (ATI) a été utilisée avec succès pour estimer la distribution de
l’intensité de pluie moyenne et du volume de pluie cumulé dans une région d’étude des latitudes
tropicales à partir des données d’un radar météorologique et du canal infrarouge (IR) du satellite
Meteosat. Dans la plupart des cas, la méthode ATI a été implantée dans des régions ou dans des
zones tests climatiquement homogènes, c’est à dire à l’absence d’une forte variation spatiale du
régime de pluie. Dans ce présent travail, les conditions d’implémentation de la méthode ATI dans
une région présentant deux forts gradients du cumul saisonnier de la pluie, l’un méridional, à la
transition entre régions ayant respectivement un climat désertique et un climat équatorial humide et
l’autre zonal, à la transition entre la mer et le terre. L’aire d’observation est divisée en 4 sous zones
test (nord, sud, terre et mer), dans lesquelles la méthode ATI a été appliquée séparément. Les
coefficients linéaires reliant l’intensité de pluie moyenne et l’aire intégrale pour laquelle l’intensité
de pluie est supérieure à un seuil fixé dans les 4 sous-zones tests sont trouvés presque constants, en
accord avec l’ergodicité des précipitations observées dans la région. De la même manière, le
coefficient linéaire reliant le volume de pluie et l’intégrale spatio-temporelle de la couverture
nuageuse, un paramètre analogue au GPI (Goes Precipitation Index), est aussi presque constant
dans les 4 sous-zones test, avec une valeur moyenne de 3,02 mmh-1. On note seulement un
coefficient de variation (CV) de 8%. Les coefficients de la méthode ATI, aussi bien que les
processus microphysiques et dynamiques qui soutendent le processus de formation de la pluie, ne
semblent pas significativement influencés par la caractère climatique local, même à des petites
échelles spatio-temporelles, dans la zone d’étude. Le rapport entre les aires de pluies et la
couverture nuageuse est notablement presque contant. Au seuil de température de 235 K, ce rapport
est quasiment égale à 1,68.Ces résultats renforcement les résultats des auteurs précédents que la
méthode ATI est une puissante méthode pour l’estimation des précipitations depuis l’espace
Mot cléfs : hydrologie spatiale , pluies tropicales , Meteosat, radar météorologique
380
1. Introduction
Le manque ou l’insuffisance des réseaux au sol (pluviographes et radars) dans les zones tropicales,
amènent à accorder une grande importance à l’interprétation des données de télédétection spatiale
en terme de mesure de précipitation au sol. Parmi les moyens proposés pour atteindre cet objectif,
les méthodes à seuils (ATI). Les méthodes à seuil montrent que le volume de pluie (ou l’intensité de
pluie moyenne, ou la hauteur de pluie cumulée) intégrée sur une aire d’observation durant un
certain temps est linéairement relié à l’aire intégrale occupée par les nuages ayant une température
de brillance (TB) à leur sommet inférieure à un seuil τTB, ou à l’aire pour laquelle l’intensité de
pluie est supérieure au seuil τR (Barett 1970 ; Arkin, 1979 ; Donneaud et al., 1984 ; Atlas et Bell,
1992 ; Sauvageot et al., 1999, parmi d’autres).
La plupart des études relatives à la validation de ces méthodes ont été conduites dans des régions
climatiquement homogènes, c’est à dire des zones où le régime climatique de la pluviométrie ne
présente pas de fortes variations du cumul moyen annuel de la hauteur de pluie .
La présente étude s’intéresse à la variabilité des coefficients reliant le volume de pluie cumulé (V)
ou l’intensité de pluie moyenne <R> à l’intégrale spatio-temporelle de la couverture nuageuse ou de
l’intensité de pluie dans une région des latitudes tropicales présentant un fort gradient nord-sud du
cumul saisonnier de la pluie. En d’autres termes, ces coefficients varient-ils en raison de la présence
de ce gradient ? Le site d’étude choisi est localisé sur la côte Atlantique, à la fin du parcours d’Est
en Ouest des lignes de grains africaines, autour de la région du Cap Vert, une région où deux forts
gradients, terre-mer et nord-sud, du volume de pluie cumulé sont observés.
2. Données et méthodologie utilisées
Les données utilisées pour faire ce travail sont les données d’un radar météorologique basé au sol et
les données infrarouges du satellite géostationnaire METEOSAT. Pour étudier la variabilité des
coefficients de la méthode ATI dans notre zone d’étude, 4 sous-zones identiques à celles utilisées
par Nzeukou et Sauvageot (2002) ont été considérées (figure 1). Les sous zones terre et mer
occupent la partie hachurée de la zone annulaire comprise entre les distances radiales 60 et 180 km
(les données relatives à une distance inférieure à 60 km autour du radar sont éliminées pour éviter
les échos sols plus marqués sur terre que sur mer). Les sous-zones nord et sud sont les zones
annulaires limitées par les distances 60 et 180 km séparées par la latitude de Dakar.
Figure 1: Carte montrant la location et la forme des 4 sous-zones (terre, mer, nord et sud) choisies
pour le calcul des coefficients de la méthode des aires intégrales.
381
3. Résultats et perspectives
A partir des données acquises durant 6 années avec le radar de Dakar-Yoff, nous avons montré que
le coefficient linéaire S(τR) reliant <R> et l’(ATI)R à différents seuils d’intensité de pluie τR est
reproductible et homogène dans les 4 sous-zones, c’est à dire que S(τR) est indépendant des
conditions climatiques locales. Ceci a pu être démontré aussi bien pour l’échantillon Ligne de
grains que pour les échantillons Ligne de Convection et Région Stratiforme pris séparément. Ces
résultats sont cohérents avec ceux obtenus sur l’ergodicité des champs de précipitations dans la
région d’étude ainsi qu’avec la faible variabilité des valeurs de S(τR) en Afrique de l’Ouest
observée avec les données disdromètriques (Nzeukou et al., 2004). Le point d’originalité de ces
résultats par rapport aux études antérieures concerne l’étude de la variabilité de S(τR) dans de
petites aires et pour de faibles durées d’observation, particulièrement dans une zone de transition
terre-mer avec un fort gradient du cumul saisonnier de la pluie.
Nous avons en outre établi la relation entre le volume de pluie cumulé estimé par radar et l’intégrale
spatio-temporelle de la couverture nuageuse calculée à partir des données du canal infrarouge de
Meteosat pour différents seuils de températures de brillance radiométrique. Le coefficient linéaire,
G(τTB), reliant V et l’(ATI)TB est déterminé en régressant les couples de valeurs de 23 évènements
pluvieux obtenus en regroupant les données de 4 saisons de pluies (de 1996 à 1999). Les résultats
obtenus montrent que la variabilité de G(τTB) est minimale pour les seuils situés entre 243 et 235 K,
avec un coefficient de variation (CV) de seulement 8%, c’est à dire que G(τTB) est presque constant
pour les 4 sous-zones(figure 2). Pour le seuil τTB égal à 235 K, la valeur moyenne de G(τTB) dans
les 4 sous-zones est de 3,02 mmh-1, presque exactement la valeur trouvée pour l’indice GPI dans la
zone d’observation de l’expérience GATE (Arkin, 1979).
Figure 2 : Courbe d’évolution de G(τTB) en fonction du seuil de température de brillance dans les 4
sous-zones définies dans la figure 1.
La stabilité des coefficients S(τR) et G(τTB) suggère que les processus dynamiques et
microphysiques qui soutendent la relation entre la pluie et l’intégrale spatio-temporelle de la
couverture nuageuse correspondante ne sont pas influencés par les caractéristiques climatiques
locales dans le cas de l’estimation de quantités de pluie cumulées.
Les récentes avancées dans le domaine de la télédétection spatiale, particulièrement concernant
l’instrumentation, offrent d’importantes potentialités pour la recherche. En effet, l’étude présentée
pourrait être transposée à d’autres sites de l’Afrique sahélienne, éventuellement en combinant
d’autres types de données provenant d’autres satellites. Meteosat Seconde Génération (MSG)
devrait y jouer un rôle important. Tout ceci devrait offrir la possibilité d’accéder à la pluviométrie
en Afrique de l’Ouest pour une utilisation opérationnelle en temps quasi réel. Cependant ces
382
estimations doivent être validées. Les expériences à venir, comme AMMA (Analyse
Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) offrent la possibilité d’une telle validation.
4. Références
ARKIN, P.A., 1979 : The relationship between fractional coverage of high cloud et rainfall accumulations during
GATE over the B-Scale array, Mon Wea Rev., 107, 1382-1387.
DONEAUD, A.A., S.I. NISCOV, D.L. PRIEGNITZ and P.L. SMITH, 1984: The area-time integral as an indicator
for convective rain volume J. Appl. Meteor., 23, 555-561.
NZEUKOU,A.,andH.SAUVAGEOT,2002: Distribution of rainfall parameters near the Coasts of France and
Senegal. J. Appl. Meteor., 41, 69-82.
NZEUKOU, A., H. SAUVAGEOT, A.D. OCHOU and F. KEBE, 2004: Raindrop size distribution and radar
parameters at Cape Verde. J. Appl. Meteor., 43, 90-105.
SAUVAGEOT,H.,F.MESNARD and R.S. TENORIO,1999:The relation between the area-average rain rate and the
rain cell size distribution parameters. J. Atmos. Sci., 56, 57-70.
THE RELATION BETWEEN RAINFALL AREA-TIME INTEGRALS AT THE
TRANSITION FROM AN ARID TO AN EQUATORIAL CLIMATEIMPLICATION FOR RAINFALL ESTIMATION FROM SPACE
The area-time integral (ATI) method has been successfully used to estimate the area-averaged rain
rate distribution and the rainfall volume over an area from radar or from satellite infrared (IR) data.
In most cases, the method was implemented over regions –or test-areas– with an assumed
homogeneous climatic character, that is without a strong spatial variation of the rain regime
throughout the test-area. In the present paper, the behavior of the ATI method is discussed for a
test-area displaying two strong gradients of the cumulative annual rainfall, one meridional, at the
transition between regions having respectively a desertic and an equatorial climate and the other
zonal, at the transition between land and sea. The studied area is divided into four sub-test-areas
(north, south, land, and sea) over which the ATI computation is applied separately. The linear
coefficient relating the radar-observed area-averaged rain rate and the fractional area where the rain
is higher than a threshold calculated over the four sub-test-areas is found to be almost constant, in
agreement with the ergodic character of the rain rate distribution observed in this region. Similarly,
the linear coefficient relating the rain volume over the sub-test-areas to the IR satellite-derived ATI,
a parameter analogous to the GPI (GOES Precipitation Index), is found to be very steady, with a
mean value of 3.02 mm h-1 and a coefficient of variation of only 8%. These coefficients, as well as
the underlying dynamic and microphysical processes, do not seem significantly influenced by the
climatic character, even at short space scale, in the studied area. The ratio of rain areas to cloud
areas is, notably, almost constant. For a brightness temperature of 235 K, the ratio of the cloud area
to rain area is around 1.68. These results strengthen the conclusion of previous authors that the
cloud ATI is a powerful method for rainfall estimate from space.
Key words: meteorological radar, Meteosat, spatial hydrology , tropical rains
383
2.08P
COMPARATIVE HYDROLOGICAL DROUGHT-FLOOD RISK MODELING AT
WEST AFRICAN SAHEL REGION AND NORTHERN MEXICO
Hubert ONIBON (1), Alfonso GUTIERREZ-LOPEZ (2)
(1) CIPMA-UAC, Bénin (2) IMTA, México
Extending from 15°N to 25°N, West Sahel Africa is a wide stretch of land running from the
Atlantic Ocean to Niger; it is a transition zone between the arid Sahara to the north and the wetter
more tropical area to the south. In that order, Northwest Mexico is a essentially transition tropicaldesert zone located from 23°N to 28°N is characterized by the frequent occurrence of extreme
rainfall, causing floods and severe damages to growing and by long periods of drought. The
climates of the West Sahel and Northwest Mexico are typically an arid and unstable environment.
The Sahel area is a predominately sparse savanna vegetation of grasses and shrubs. Northern
Mexico is covered by desert vegetation, including mesquite, cactus, desert scrub, and some grasses.
Over the recent years, these both regions are touched by two different rainfall regimes producing
either extreme precipitation conditions or severe droughts. In such a context, the development of
robust methods of regionalisation is needed as a starting point for water resources planning and risk
prevention. This paper presents a stochastic model of rainfall distribution and its regionalisation.
The analytical formulation of the model and some of its main properties are recalled. The rainfall
regime is described by two parameters: the average rain depth per event and the mean number of
events during a given period (leak distribution). The method is applied to West Sahel Africa and
Northern Mexico and the comparative hydrological drought-flood risk modeling itself is carried out
in a geostatistical framework, focusing on three time scales: annual, monthly and daily. The results
obtained by the model are compared to those obtained by a direct fitting of a Gumbel distribution to
series of extreme values. This provides an integrated approach for the mapping of the hydrological
risk over both gauged and ungauged basins.
Submitted by :
Hubert Onibon - Groupe Afriturible International Sarl, 02 BP 1567, Cotonou, République du Bénin
- Tél: (229) 33 06 88 Portable : (229) 02 17 15 ou (229) 894253
Web : www.afriturible.com - [email protected]
Contact :
(2) IMTA, Paseo Cuauhnáhuac 8532; C.P. 62550, Jiutepec, Morelos, México
384
2.09P
LA VARIABILITE PLUVIOMETRIQUE ET LA DEGRADATION DE LA SAISON
PLUVIEUSE AU SENEGAL
Tidiane SANE (1), Mbaye DIOP (1, 2) et Isidore Marcel SENE (1)
(1) Laboratoire d’Enseignement et de Recherche en Géomatique, UCAD, Dakar, Sénégal
(2) Institut Sénégalais de Recherches Agricoles
L’objectif de ce travail est d’analyser la variabilité spatio-temporelle de la saison des pluies au
Sénégal, de mettre en évidence les relations entre son début et sa durée, et de déterminer la
fréquence des séquences sèches. Ainsi, sept stations choisies selon un gradient nord-sud et est-ouest
sont retenues pour cette étude.
Pour disposer de données plus homogènes, nous avons choisi une série de 1951 à 2000, série
commune aux stations considérées. Le choix de cette période se justifie, d’une part, par la nécessité
de travailler sur une longue période afin d’obtenir des résultats plus fiables et d’autre part, par le fait
que la rupture de stationnarité de la pluviométrie observée au Sahel se situe vers la fin des années
60. La longueur de cette série nous permet de tenir compte à la fois des années relativement
humides (1951-1967) et des années relativement sèches généralement situées au-delà de 1969. La
détermination de la qualité de la saison pluvieuse a nécessité l’utilisation de données
pluviométriques journalières issues du service de la Météorologie Nationale et du Centre national
de recherche agronomique (CNRA) de Bambey de l’Institut Sénégalais de Recherches Agricoles
(ISRA). Ce travail est basé sur des calculs statistiques simples. En effet, la moyenne arithmétique
est calculée à partir des valeurs annuelles obtenues. Elle donne une idée générale de la variabilité
spatiale. Cependant, elle dissimule les fluctuations interannuelles de la durée de la saison des pluies.
Aussi, la détermination de la longueur de la saison des pluies s’inspire des travaux de Gueye et
Sivakumar (1992) et Diop (1996). La méthode empirique de Hazen utilisée par Diop est également
mise à contribution pour cette analyse. Des tests de rupture ont été également utilisés afin de
déterminer les années durant lesquelles les ruptures pluviométriques sont intervenues.
Cette étude montre que le Sénégal, comme l’ensemble de la zone sahélienne, est caractérisé par une
très forte variabilité spatio-temporelle des précipitations. Aussi, le début et la durée de la saison des
pluies varient considérablement d’une année à l’autre et d’une station à l’autre.
L’analyse de la pluviométrie montre une forte variabilité spatiale. En effet, en dehors des cumuls
pluviométriques annuels qui augmentent du Nord au Sud du pays, une importante baisse des pluies
est observée, avec des fortunes diverses, sur l’ensemble du territoire au cours de la période 19682000. La partie septentrionale du Sénégal reste la zone la plus affectée par cette baisse
pluviométrique trentenaire. Par ailleurs, la partie méridionale du pays a, elle aussi, profondément
ressenti cette baisse des cumuls pluviométriques annuels. Cette baisse pluviométrique a affecté la
qualité de la saison pluvieuse à travers la diminution du nombre de jours pluvieux, le rétrécissement
de la longueur de la saison qui se dégrade davantage du Sud au Nord et la fréquence des séquences
sèches qui constituent une contrainte à l’installation et au bon développement des plantes cultivées
d’où donc le problème de la sécurité alimentaire récurrent dans l’espace géographique sahélien.
L’analyse met en évidence la variabilité du nombre de jours pluvieux. Ce nombre est supérieur à la
moyenne durant la période pluvieuse et reste en deçà de celle-ci pendant les années sèches. La
385
tendance générale est à la décroissance des pluies pour la période 1951-2000. Elle révèle également
que la durée de la saison des pluies présente une grande variabilité spatiale. En effet, on observe une
saison des pluies plus longue au sud et à l’Est du pays ; une saison des pluies moins longue au
centre et une saison des pluies beaucoup plus courte au nord du pays.
Les débuts et fins des saisons pluvieuses sont, pour la plupart des cas, affectés par les séquences
sèches. Par ailleurs, le cœur de la saison des pluies n’est pas non plus épargné par ces pauses
pluviométriques qui engendrent des dommages sérieux sur les activités agricoles. En effet, elles
interviennent souvent au cours des phases critiques du développement des cultures.
Ces résultats corroborent ceux du déficit pluviométrique observé à travers le pays depuis le début
des années 70 et mis en évidence par les études antérieures. Cependant, on peut remarquer avec
Diop (1996) que l’évolution en phase ainsi observée entre la longueur de la saison des pluies et le
cumul pluviométrique apparaît seulement à travers la tendance des deux phénomènes, la corrélation
entre les deux n’étant pas toujours significative. Leur évolution tendancielle similaire s’explique par
le fait que tous deux sont liés à la même cause, c’est-à-dire à la migration saisonnière de l’équateur
météorologique.
Ce travail constitue un outil d’aide à la décision en ce sens qu’il peut aider les acteurs du monde
rural à mieux planifier les activités agricoles. Cet appui à la décision réside dans la planification et
l’organisation du calendrier agricole, et l’orientation des recherches en matière d’amélioration
variétale et de redistribution spatiale des cultures sur l’ensemble du pays.
PLUVIOMETRIC VARIABILITY AND DEPLETION
OF THE RAINY SEASON IN SENEGAL
The objective of this work is to analyze the spatiotemporal variability of rainy season in Senegal, to
show the relations between the beginning and the duration of rainy season, and to determine the
frequency of the dry sequences. So, seven stations chosen according to a north-south and east-west
pressure gradient are held for this study.
To have more homogeneous data, we chose a common series from 1951 to 2000 for all considered
stations. The choice of this period justifies itself by the necessity of working on a long period to
obtain more reliable results, the break of stationary of the rains observed in Sahel is situated in the
late 60th. The determination of the rainy season’s quality required the use of daily rainfall data
stemming from the national meteorology service and the National Center of Agronomic Research
(CNRA, Bambey) of the Senegalese Institute of Agricultural Researches (ISRA). This work is
based on simple statistical calculations. Indeed, the average arithmetic is calculated from the
obtained annual values. It gives a general idea of the spatial variability. However, it hides the
interannual fluctuations in the duration of rainy season. So, the determination of the rainy season
duration is inspired by Gueye and Sivakumar (1992) and Diop (1996) works. The empirical method
of Hazen used by Diop is also put in contribution for this analysis. Tests of break were also used to
determine years where the rain breaks observed.
386
This study shows that Senegal, as whole Sahelian area, is characterized by a very strong spatial and
temporal variability of the precipitations. So, the beginning and the duration of rainy season vary
considerably from one year to the other and from a station to the other one.
The analysis of rainfall shows a strong spatial variability. Indeed, except the annual totals rainfall
which increase from North to South, an important decline is observed on the whole country from
1968 to 2000. The northern part of Senegal is the most affected area. Besides, the southern part of
the country has, also, profoundly felt this decline of the annual totals rainfall. This rainy decline
affects the quality of the rainy season through the decrease of the number of rainy days, the
shortening of the season’s length more accentuated from South to North and the frequency of the
dry spells which constitute a constraint for the emergence and the development of crops, creating
the recurring problem of food security in the sahelian area.
The analysis puts in evidence shows the variability of the number of rainy days. This number is
superior to the average during rainy period and remains below this one during the dry years. The
general tendency is the rainfall decrease for period 1951-2000. It also shows that the duration of the
rainy season presents a strong spatial variability. Indeed, we observe a long rainy season in the
South and East of the country, a less long rainy season in the center and a short rainy season in the
North of the country.
The beginning and the end of the rainy seasons are, in the most part of cases, affected by the dry
sequences. Besides, the heart of rainy season is not either spared by these rainy breaks which
engender serious damages on the agricultural activities. Indeed, they often intervene during the
critical phases of the development of the cultures.
These results confirm the decline observed in rainfall distribution through the country since the
beginning of the 70s found by previous studies. However, we can notice with Diop (1996) that the
evolution in phase, observed between the rainy season duration and the annual total rainfall, appears
only through the tendency of both phenomena, the correlation between both not being always
significant. Their similar tendencies evolution can be explained by the fact that both are connected
to the same cause that is the seasonal migration of the meteorological equator.
This work constitutes a decision-making tool in the sense that it can help the actors of the rural
areas to plan better the agricultural activities. This support for the decision lies in the planning and
organization of the agricultural calendar and the orientation of researches for the improvement of
crops varieties and their spatial redistribution across the country.
387
2.10P
NOCTURNAL LOW-LEVEL STRATIFORM CLOUDS DURING
THE WEST AFRICAN SUMMER MONSOON
Jon M. SCHRAGE (1), Stephen AUGUSTYN (1) and Andreas H. FINK (2)
(1) Creighton University in Omaha, Nebraska, USA
(2) Universitaet zu Köln, Köln, Germany
An analysis of METEOSAT satellite images and synoptic reports from Parakou, Benin suggests that
nights lacking deep convection during the West African monsoon are often either completely clear
or completely overcast.
Using radiosonde observations gathered at Parakou during the summer of 2002 and ECMWF
operational analyses, the composite structure of the atmosphere for both cloudy and clear nights are
presented. Cloudy nights are found to occur when turbulent processes result in large scale speed
convergence in the boundary and a positive net moisture flux convergence, whereas the clear
conditions occur when a nocturnal inversion decouples the boundary layer from the surface.
Contact :
Jon Schrage - Email : [email protected]
388
2.11P
RAIN RETRIEVAL OVER CONTINENTAL AFRICA FROM
SPACEBORNE PASSIVE MICROWAVE INSTRUMENTS
N. VILTARD, F. CHOPIN and A. LO
Centre d’étude des environnements terrestre et planétaires / Institut Pierre Simon
Laplace des Sciences de l’environnement, Vélizy, France
Based on the TRMM instrument package which includes a radar, an algorithm was developed to
retrieve surface rain rates over land using the whole set of passive microwave instruments flying
nowadays. This algorithm relies originally on TRMM Precipitation Radar (PR) and the co-located
TRMM Microwave Imager (TMI) to build a reference database that supports the retrieval. Then this
reference database is used to build other retrieval databases for SSMI and AMSR-E.
The principle of the algorithms and an evaluation of its performances will be presented. The
connection with the the SOP D will also be presented: particularly the expected changes of the
microphysics properties with time and location over the Monsoon season but also the expected
influence of the dynamics.
Beyond the scientific objectives, different products will be proposed to the community from
instantaneous rain estimates to monthly products.
Submitted by
Nicolas Viltard - CETP - CNRS/IPSL - 10-12 avenue de l'Europe - 78140 Vélizy - France
Tel: 01 39 25 39 26 (+33 1 39 25 39 26) - Fax: 01 39 25 47 78 (+33 1 39 25 47 78)
email: [email protected]
389
2.12P
SCALE ISSUES IN ASSESSING THE WATER BALANCE OF
A REGIONAL-SIZE SAHELAN CATCHMENT
Théo VISCHEL (1), Thierry LEBEL (2), Christophe MESSAGER (1), Abou AMANI (3)
(1) LTHE / ENSHMG, France (2) LTHE, Niger (3) Centre Régional Agrhymet, Niger
There are several reasons to address the scale issues for the assessment of the water balance of
regional Sahelian hydrological systems. One of them is the need to better evaluate the available
water resources, another one concerns the need to create relevant climate scenarios at suited scales
for hydrological modelling. It was shown, over a 10000km² area, that the Sahelian endoreic
hydrological systems are highly sensitive to the rainfall variability (Vischel and Lebel, submitted).
It’s now necessary to determinate the relevant scales that are needed for modelling the response of
the Sahelian regional exoreic catchments. As a case study, the hydrological modelling of the Sirba
watershed (38000km², right bank affluent of the Niger River in Garbe Kourou (Niger)) is carried
out.
Despite the lack of fine scale data on the catchment (in average 1 rain gauge every 2500km² at a
daily time-step) the use of a physical-based distributed model (abc) is preferred as the classical
monthly or daily global models usually applied on West African catchments. Indeed this model
allows to evaluate the sensitivity of runoff to fine scale rainfall variabilities (minutes time-step,
kilometric space-resolution) which could be influenced by future climate change. Moreover such a
model is a relevant tool for coupling atmospheric and hydrologic models since it provides
simulations of soil moisture fields at fine space-time scales (see e.g. Messager 2005).
Four years (1983, 1984, 1988, 1990) are selected for the simulations typical of the high
hydroclimatic variability of the Sirba catchment. The daily rainfall is kriged over the catchment and
disaggregated into 5-minute rainfall by using a synthetic hyetograph (Guillot and Lebel 1999,
Messager 2005) typical of the variability of the intensities displayed by the Sahelian mesoscale
convective systems. The hydrologic model is coarsely calibrated in order to retrieve the main
characteristics of the outlet runoff, before carrying out a sensitivity analysis to characterize the
impact of the space-time resolution of rainfall on the catchment stream flows.
The 5-minute rainfall is gradually aggregated up to the 240-minute time-step showing that a
misrepresentation of the fine time scales could lead to an underestimation of 50% of the peak runoff
and 30% on the annual runoff.
A similar aggregation is carried out for the spatial resolution of the rainfields which is gradually
degraded from 0.016°x0.016° to 3.5°x3.5°. This impacts directly the runoff by an underestimation
of the peak discharges (66%) and annual runoff (50%). The degradation of spatial resolution also
influences the timing of the runoff by shifting some runoff peaks of several days or even removing
them. Looking at the influence of the number of raingauges available on the catchment, the effect of
spatial aggregation depends on the density of the raingauge network with lower effect for sparser
network.
390
In order to take into account the model calibration uncertainty, the space-time resolution effects are
tested with sets of parameters different from those retained after calibration. This analysis shows
that the strong non linearity imposed by the channel losses parameter highly influences the
resolution effect which is less influenced by the other parameters.
Finally the fine space-time resolutions of rainfall required to evaluate the water resources and their
future evolutions confirm the necessity to develop and use techniques to allow climate large output
to be used as forcing for lower hydrological model as disaggregation techniques.
Contact :
(1) LTHE / ENSHMG - 1025, rue de la piscine, Domaine Universitaire, 38 400 Saint Martin
d'Hères, France
(2) LTHE, Représentation IRD au Niger, BP 11416, Niamey, Niger
(3) Centre Régional Agrhymet, BP 11011, Niamey, Niger
PROBLEMES D’ECHELLES DANS L’EVALUATION DU BILAN HYDRIQUE
DES SYSTEMES HYDROLOGIQUES SAHELIENS
L’évaluation des ressources en eau des systèmes hydrologiques régionaux ainsi que l’élaboration de
scénarios climatiques adaptés pour étudier leur évolution, nécessitent de prendre en compte
certaines échelles pertinentes dans la modélisation hydrologique. Dans une étude de modélisation
récente, Vischel et Lebel (submitted) ont montré la forte sensibilité des systèmes endoréiques
sahéliens à la résolution spatio-temporelle des champs de forçage pluviométrique. La modélisation
du bassin de la Sirba (38000km², affluent rive droite du fleuve Niger à Garbe Kourou (Niger))
permet de compléter cette analyse aux systèmes sahéliens de type exoréiques.
Malgré le manque de données de fine résolution sur la bassin (en moyenne 1 pluviomètre tous les
2500 km² au pas de temps journalier), l’utilisation d’un modèle distribué à base physique a été a été
choisie préférentiellement aux modèles globaux mensuels ou journaliers couramment appliqués
pour modéliser les systèmes hydrologiques d’Afrique de l’Ouest. Un tel modèle permet en effet
d’évaluer l’impact de la variabilité pluviométrique à fine échelle (pas de temps de l’ordre de la
minute, pas d’espace du l’ordre du kilomètre) sur le ruissellement, en outre ces modèles sont
privilégiés dans les études de couplage entre modèle atmosphériques et modèles hydrologiques car
ils fournissent des simulations des champs d’humidité des sols à des résolutions spatio-temporelles
fines (e.g. Messager 2005).
Quatre années représentatives de la variabilité hydroclimatique du bassin de la Sirba sont choisies
pour effectuer les simulations (1983, 1984, 1988, 1990). Les données journalières de pluie sont
krigées puis désagrégées au pas de temps de 5-minutes sur la base d’un hyétogramme synthétique
représentatif des intensités mises en jeu par les systèmes convectifs de méso-échelle sahéliens
(Guillot et Lebel 1999, Messager 2005). Après un calage approximatif du model permettant de
retrouver les principales caractéristiques du ruissellement à l’exutoire, une étude de sensibilité du
débit à la résolution spatio-temporelle de la pluie est entreprise.
391
Les données de pluie sont graduellement agrégées du pas de temps 5 minutes au pas de temps 240
minutes montrant qu’une résolution temporelle trop grossière peut provoquer une sous évaluation
des débits de pointes de 50% et du ruissellement annuel de 30%.
De façon similaire, la pluie est graduellement agrégée de la résolution spatiale de 0.016°*0.016° à
la résolution de 3.5°*3.5°. La dégradation de la résolution spatiale se répercute directement par
une sous estimation des pics de débit (66%) et du ruissellement annuel (50%). La résolution spatiale
des champs de pluie influence aussi la dynamique temporelle de l’hydrogramme en décalant de
quelques jours voir même en éliminant certains pics de débit.
L’élaboration des champs de pluie à partir de réseaux de différentes densités montre que l’effet de
l’agrégation spatiale est dépendant du nombre de station du réseau avec un effet limité pour les
réseaux les moins denses.
Afin de prendre en compte les incertitudes liées à la calibration du modèle, les effets de résolution
sont testés pour des jeux de paramètres différents de ceux retenus après calibration. Cette analyse
montre que les fortes non linéarités mises en jeu par le paramètre de pertes en réseau influencent
fortement les effets de résolution qui sont moins sensibles aux autres paramètres.
En conclusion les échelles spatio-temporelles requises pour évaluer les ressources en eau à l’échelle
régionale et leur évolution future confirment la nécessité de développer et utiliser des techniques
telles que la désagrégation, permettant d’exploiter les sorties des modèles climatiques à résolutions
grossières pour le forçage à plus fine échelle des modèles hydrologiques.
Contact :
(1) LTHE / ENSHMG, 1025, rue de la piscine, Domaine Universitaire, 38 400 Saint Martin
d'Hères, France
(2) LTHE, Représentation IRD au Niger, BP 11416, Niamey, Niger
(3) Centre Régional Agrhymet, BP 11011, Niamey, Niger
392
2.13P
PRECIPITATION IN NORTH BENIN: COMPARISON BETWEEN GROUNDBASED RAIN EVENT CLASSIFICATION AND CLOUD SYSTEMS TRACKED
FROM SATELLITE DATA
J. DUDEK, H. LAURENT, C. DEPRAETERE and M. GOSSET
LTHE / IRD
A rainfall event classification was developed using raingauges available from the AMMA/CATCH
network in North Benin (see Gosset et al., this issue).
The aim of this study is to compare this classification (rain events) with mesoscale convective cloud
systems tracked from Meteosat data (satellite events). During the period 01 June 2004-30
September 2004, 302 satellite events and 71 rain events were observed. Among the 302 satellite
events, 202 were associated with 1 or more rain events whereas 100 were not associated with any
rain event. Every rain event was associated with at least one satellite event. Quite frequently a rain
event was associated with 2 or more satellite events.
The ground-based classification indicates whether the rain event is well organised and has a wellmarked displacement. This displacement is consistent with that observed from cloud tracking. The
degree of organisation is also, to a certain extend, consistent with the convective cloud organisation
as defined by life duration, speed and vertical development.
393
2.14P
STUDY OF CONVECTIVE ACTIVITY ASSOCIATED WITH STRATOCUMULUS
COVERS DURING WET SEASON
OVER WEST AFRICA
V. GIRAUD (1), F. BOUO-BELLA (2) AND S. CAUTENET (1)
(1) LAMP, Clermont-Ferrand, France (2) Université d’Abidjan, Côte d’Ivoire
1. Introduction
During the monsoon period, stratiform clouds formed over West Africa on large areas. These clouds
are often distributed in several vertical layers. A first thin layer at an altitude close to 1 km is due to
wet air coming from the Gulf of Guinea and penetrating inside the continent. A second layer,
thicker than the fist one, is often above 4000 meters. This layer is isolated from the first one by the
AEJ which transports an air much hotter and dry. Lastly, above 8km, ice clouds produced by
intense convection are often observed. These various cloud layers play a key role in water cycle in
this area and also on the radiation and thus on the stability of the atmosphere. It is thus important to
highlight the sources of these clouds and the mechanisms supporting or blocking the exchanges of
vapor between various levels.
For this modeling study we focused on the role of the convection as vector allowing to make
forward the moisture of low layers through AEJ and as generator of persistent stratiform clouds to
the above 4000 meters. For that we simulate the situation observed on July 7, 1996 above West
Africa. Preliminary results on the vertical transfers of vapor are discussed for a motionless
convective cloud as for convective systems organized as a line that is propagated from East to West.
2. Model used
The no hydrostatic model RAMS was used. In the version used, the microphysical scheme is a onemoment bulk scheme that prognoses water mixing ratio of five hydrometeor classes.
For our simulation, 2 grids were overlapping. The first being itself of 0.8°N with 14°N and -14°W
with 9°E, with a resolution of 25 km. This grid makes it possible to take into account dynamics on a
continental scale, in particular the displacement of the two major flows: flow of monsoon and flow
of Harmattan. The model is forced on the limits of the grid every 6 hours by the analyses of the
Europeen center. A second grid with a resolution of 5 km extends from 5.2°N with 9.7°N and 5.5°W with 5.5°E and makes it possible to better document the interactions between clouds and
dynamics and processes. The two grids have 55 vertical levels between 0 and 18 000 meters.
394
3. Analysis of the simulations
In the lower atmosphere (z<1500m) a relatively intense flow of monsoon (up to 8 m/s) penetrates
largely inside the continent (until 12°N). This flow is countered by Harmattan that rises above the
flow of monsoon and drains the atmosphere between 1500 and 3500 meters.
Figure 1: Horizontal cross section at 7000 meters of the total water contents in g/kg on July 6,
1996 to 9 p.m. UTC. Analysis areas are delimited by the black boxes
Simulation shows 2 cloud systems in the field of the small grid. The first system is an intense
convective cloud which develops in an important way as from July 6 to 6 p.m. UTC. It remains
above Lamto (6.2°N;-5°W) until the end of simulation. The second cloud system presents an
alignment of several convective clouds, which is propagated, from East to West. This is a typical a
squall line. This system enters the field on July 6 to 6 p.m. UTC and joined the cloud at Lamto at
the end of our simulation, the following day at 6 p.m. These cloud systems are observable on the
images provided by the satellite Météosat (IR and Vis).
4. Water vapor vertical transport analysis
The vertical transport of moisture has been evaluated on 4 different areas of 200 by 200 km (see
figure 1). These areas are located at the same latitudes and are distributed in a regular way of west
in east. Figures 2 and 3 show the evolution of the average profiles on each area. Profiles of the total
water contents between July 6 at 6 p.m. UTC and July 7 at 6 p.m. are presented on Fig2, while
water vapor vertical fluxes are shown on Fig. 3. Zone A is positioned on the convective cloud of
Lamto. Zone B, at the east of zone A is quickly under the influence of the stratiform cloud cover
associated to the convective cloud developing in zone A. The cloud enters this zone as of the first
hour of simulation then the total water content increases throughout the simulation. The vertical
extension of the cloud is stable between 4 and 6 km. The zones C and D see the passage of the
organized cumulus system respectively with 16 H UTC and 12h UTC. The vertical extension of the
cloud is maximum at these times. For the two zones, a cloud layer precedes the heavy convection 8
hours before. This cloud is limited between 4 and 6 km and has total condensed water contents
which increase until the arrival of the convective clouds.
395
A
B
C
D
Figure 2 : Temporal evolution of the vertical average profiles of the total water content for the 4
zones described on figure 1
A
B
C
D
Figure 3 : As figure 2 for the vertical average profiles of vertical water vapor flows that are the
product of the vertical wind by the water vapor content
The vertical transport of water vapor fluxes is illustrated by figure 3 in the 4 zones previously
described. Vertical fluxes are maxima for zone A during the mature stage of the cumulus at Lamto.
Moisture is transported since the layer of monsoon until higher altitudes through the dry layer
caused by the AEJ. When the organized convective clouds cross zone C and D, vertical transport
appears in the lower layer but remains definitely weaker through and with the top of the AEJ.
5. Conclusion
From our simulations, and for this situation, we showed that an isolated convective cloud draws the
water vapor available in the wet flow of monsoon although the AEJ. On the other hand the
organized system amplifies Harmattan what pushes back the flow of monsoon and increases the
permeability of the dry layer to 3000 m.
396
2.15P
FIRST MEASUREMENTS WITH AN X-BAND POLARIMETRIC RADAR IN
WEST AFRICA : THE XPORT EXPERIMENT
IN DJOUGOU, DONGA, BENIN
Marielle GOSSET (1), Frédéric CAZENAVE (1), Josias DOSSOUGOIN (1, 2)
and Etienne HOUNGNINOU (2)
(1) Institut de Recherche pour le Développement (IRD), UMR LTHE, IRD Cotonou, Bénin
(2) Université Abomey Calavi, département de Physique, Laboratoire de Physique de l’Atmosphère,
Cotonou, Bénin
1. Introduction
The X-band polarimetric radar Xport, developped by an IRD team, has been installed in Djougou,
in the northnern Benin, since June 2005. This radar was set up as part of the AMMA Enhanced
Observation Period (EOP) strategy. The primary objective of the radar measurements is to sample
with a high spatial and temporal resolution the rain fields associated to the precipitating systems
which are feeding with water the Ouémé water shed and its sub-catchment such as the densely
equipped Donga water shed.The main application is to derive from radar measurement the
Quantitative Precipitation Estimates (QPE) which are needed as a forcing field to run hydrological
models. As the radar is equipped with dual polarization and with 3D scanning possibilities,
volumetric exploration of the Mesoscale Convective Systems and detailed observation of the
microphysical processes and vertical profiles in rain will also be allowed.
Figure 1 and 2 present the radar and the general location of the experimental site, in Djougou. It can
be seen that Xport is part of a network of instrument which were gradually installed over the
mesoscale observatory of the Upper Ouémé Valley, in order to measure and quantify the different
terms of the water cycle. This experimental set up will be further densified in 2006, with the
installation of several instrument during the AMMA Short Observation Period (SOP). This
includes Doppler and precipitation radars, lidars and radiometers , all to be installed within 20 km
from each other to document the details of dynamical and microphysical processes within
Precipitating systems. A similar set up will be installed in the Niamey area in Nigern and this will
allow to compare the characteristics of the rainy events observed in the moist Soudanese region
(Bénin) and in drier sahelian environnement (Niger). During the SOP ground observations in Bénin
will be coordinated with the numerous instrument flights which are planned during the summer
2006.
397
The network of raingages deployed on the Upper Ouémé basin and densified in the Donga area,
with a high resolution target at about 20 km from the radar provides a good data set for validation or
for the application of mixed gage/radar techniques for QPE. An optical disdrometer was also
installed (08/2005) in Nangatchori, about 10 km west from Djougou.
For the 2005 rainy season the scannin g mode was restricted to low elevation scans with a high
repetition rate : a very good strategy to analyse the spatio-temporal variability of rain, usefull for
hydrological applications.
Sucessive ‘PPIs’ scans at a low elevation angle (1.°) and resampling time of about half a minute
were performed for about 4 months. This provides a significative set of data to study the spatiotemporal structure of 2D rain fields in a region characterized by a variety of rainfall event types .
2. Preliminary examples
398
Fig 4 : The evolution (every 10 minutes) of
the local rain pattern associated to a wide
spread MCS which crossed West Africa on
the 28/08/2005. The analysis of such images
in association with the satellite data will be
usefull for downscaling issues.
3. First conclusions from the 2005 Campaigns
-
-
-
Despite the numerous difficulties associated to installing a High-Tech instrument in a region
with little ressources, isolated from the main centers and facilities, and subjected to power
supply instabilities, the 2005 campaign was rather sucessfull :
About a 100 events were recorded, between mid June and mid October 2005, totalizing
more the 200 hours of data. The processing and analysis of the data set is on its way. Selfcalibration techniques and tests of radar data consistency were performed on a few events
and the results are satisfactory.
Further validation and the production of quantitative rainfall products using the rain gages
network and the disdrometer data available from the Nangatchori site, are starting while this
complementary data set will be available and validated. This will allow a final assessment of
the 2005 radar data quality.
Some problems with the elevation (vertical plan) positionning system prevented us from
doing 3D scanning this year. The problem is to be solved and the sampling of vertical
profiles in rain should be possible next year (2006, SOP).
Some hardware improvement are also planned to enhance the quality of the phase reference
measurement and the Doppler products.
399
2.16P
HYDROLOGICAL BEHAVIOUR OF THE DONGA CATCHMENT: TESTING
SOME MODELLING ASSUMPTIONS
M. LE LAY (1), I. ZIN (1), S. GALLE (1), G.M. SAULNIER (1), C. PEUGEOT (2)
L. SEGUIS (2), I. BRAUD (3)
(1) LTHE, Grenoble, France (2) HSM, Montpellier, France
(3) CEMAGREF, Lyon, France
A model was developed in order to test some assumptions on the hydrological behaviour of the
Donga catchment (586 km², Benin). These include the development of sub-surface flows during the
rainy season, which have been modelled with a classical TOPMODEL formulation. A deep
percolation term was added for taking account of a water table which is deconnected from the river
network. Finally, a simple parameterisation of the evapotranspiration losses was proposed,
depending on the atmospheric demand, the vegetation intra-seasonal dynamics and the surface soil
moisture conditions.
The poster will illustrate some sensitivity analysis and the first results on the modelling of the
catchment water cycle at daily time step over the 1998-2004 period. The model structure appears to
be robust and well conditioned by the forcing data. Moreover, the partitioning between simulated
surface runoff, sub-surface flows and actual evapotranspiration seems to reflect the observed one.
400
2.17P
MODELISATION PAR LA METHODE DU « SCALING LAW » DES
DISTRIBUTIONS DE GOUTTES DE PLUIE SUR LA REGION COTIERE DE
DEBUNCHA AU CAMEROUN
A. NZEUKOU (1), L. FIOKO (2), H. SAUVAGEOT (3) et A. GAYE (4)
(1) Université de Dschang, LESAOT BP 134 Bandjoun ([email protected])
(2) Université de Yaoundé I, Faculté des Sciences, Yaoundé, Cameroun
(3) Université Paul Sabatier, CRA, Lannemezan, France
(4) Université de Dakar, LPAOSF, Dakar, Sénégal
La région côtière de Debuncha située au sud-ouest du Cameroun est reconnue comme étant le
deuxième endroit le plus pluvieux au monde avec une moyenne pluviométrique d’environ 13m.
Dans ce climat côtier, on y rencontre un grand nombre de différents types de précipitations présents
en Afrique Sub-saharienne. C’est ainsi que, pour disposer d’un échantillon de mesures assez stable
afin de caractériser les précipitations à partir de la modélisation des distributions des gouttes de
pluie, nous y avons installé un disdromètre à impact de type RD-69.
Dans notre étude, nous avons travaillé avec les données disdrométriques enregistrées au cours de la
période allant du 10 mai au 15 juillet 2004 pour un cumul pluviométrique total de 2657,9 mm.
Pour modéliser les distributions des gouttes de pluie (DSD), nous avons utilisé une for-mule
générale, proposée par Sempere-Torres et al., basée sur la méthode du « scaling law » (SL). Cette
formule générale est caractérisée par deux constantes appelées « scaling exponent » (SE) donc la
détermination des valeurs dépend du climat et du type de précipi-tation.
Après avoir modélisé les DSD, en se basant uniquement sur les différentes valeurs des SE, nous
avons étudié leur variabilité au sein d’un même évènement pluvieux et aussi entre plusieurs
perturbations en prenant compte des différents types de précipitation.
Mots clés : disdromètre, distributions des gouttes de pluie, scaling law.
401
2.18P
ANALYSE DU FONCTIONNEMENT HYDROLOGIQUE A MESO-ECHELLE
SUR LE HAUT BASSIN DE L’OUEME (BENIN)
C. PEUGEOT (1), C. DEPRAETERE (2), L. LE BARBE (2), L. SEGUIS (1), S. GALLE (2), S.
AFOUDA (3), M. ARJOUNIN (1), S. BOUBKRAOUI (2), J.-M. BOUCHEZ (2),
F. JACQUIN (3), F. MALINUR (2), T. OUANI (3), N. THEVENOT (3)
et A. ZANNOU (4)
(1) UMR LTHE, Grenoble, France (2) UMR HSM, Montpellier, France
(3) IRD, Cotonou, Bénin
(4) Service de l’Hydrologie, Direction Générale de l’Hydraulique, Cotonou, Bénin
Sur l’observatoire de méso-échelle de la haute vallée de l’Ouémé (Bénin), on réalise un suivi à long
terme des pluies et des écoulements sur 19 sous-bassins versants. La composition géo-chimique de
l’eau est également analysée. L’objectif est, sur ce site en particulier, de calculer un bilan d’eau
intégrant la surface continentale et l’atmosphère.
Dans cette perspective, une première étape consiste à calculer les termes du bilan hydrologique.
Pour cela, l’analyse des données collectées sur la période 2001-2005 a permis de mettre en
évidence, sur chaque sous-bassins, la variabilité de la relation pluie-débit et de la relier au type
d’occupation du sol et à la nature du substrat géologique.
Les apports des nappes aux écoulements en rivière, estimés en 2005 à partir de la mesure de la
conductivité électrique de l’eau, et la composition chimique des eaux, sont confrontés aux
observations similaires réalisées sur le site intensif du bassin de la Donga. Ces résultats permettent
d’évaluer tester la transposabilité du fonctionnement hydrologique identifié sur la Donga à
l’ensemble du bassin du Haut Ouémé, notamment en ce qui concerne la contribution des
écoulements souterrains au débit.
Correspondant :
Christophe Peugeot - IRD - 08 BP841 Cotonou - République du Bénin
Email : [email protected]
402
2.19P
ETUDE SYNOPTIQUE DES RESEAUX HYDRO-CLIMATIQUES
D’OBSERVATIONS SYSTEMATIQUES DU BENIN
Aurélien A. Y. TOSSA
Direction Générale de l’Hydraulique, Bénin
Les observations systématiques hydro-climatiques ont commencées depuis les années 1920 au
Bénin et son aujourd’hui assurées sur toute l’étendue du territoire par deux institutions nationales :
la Direction Générale de l’Hydraulique et la Direction Nationale de la Météorologie de l’Agence
pour la Sécurité de la Navigation Aérienne (ASECNA). Ces deux institutions disposent de bases de
données qui constituent une référence pour les études hydro-climatiques.
Cette étude présente un panorama des données disponibles et les opportunités d’analyse quelles
offrent. Elle présente par station ou poste d’observation l’étendue des statistiques disponibles, le
pourcentage des lacunes, les instruments de mesure utilisés pour l’observation, le suivi des données,
la position de la station ou du poste par rapport à l’espace d’étude et de gestion des ressources en
eau : les bassins versants du Bénin. Ce réseau des observations nationales est renforcé par un
observatoire installé sur la haute vallée du fleuve Ouémé.
Mots clés : Chronique, Données, Hydrologie, Climat
Contact : E-mail : [email protected]
403
2.20P
SEASONAL VARIATION OF RELATIVE HUMIDITY AT ILORIN, NIGERIA
C. O. AKOSHILE, A. A. WILLOUGHBY, I. A. ADIMULA, T. B. AJIBOLA,
O. A. FALAIYE, E. B. BABATUNDE, T. O.ARO
Department of Physics, University of Ilorin, Ilorin, Nigeria
Observations of Relative Humidity (RH) are in progress at the University of Ilorin since 1995 using
the Vaisala sensors HMP45C and HMP35C. The data have been analyzed to depict the diurnal,
annual, and seasonal variability for a period of four years. This was done in the context of the West
African Monsoon. Briefly, during the Harmattan dry season, the RH values showed a decline in
value from 90% to 30% in a 22 week period. During the rainy season the RH value increased from
about 30% to 90% in 30 weeks.
Two observable ranges of increment in RH values occurred during the rainy season. The first range
is a period of rapid increase in RH in the early part of the rainy season followed by a period of
milder increase for the remainder of the rainy season. Detailed results on the variability of this
parameter will be presented.
404
2.21P
ROLE DES ARBRES A ENRACINEMENT PROFOND DANS LE
FONCTIONNEMENT HYDRIQUE DES ECOSYSTEMES
SEMI-ARIDES SAHELIENS
Sandie BOUSQUET, Jacques GIGNOUX et Alain PERRIER
Laboratoire « Biogéochimie et écologie des milieux continentaux », ENS, Paris, France
Contexte
Le Sahel est un écosystème fragile qui a subi des changements d'usage des terres et du
régime des pluies importants au cours des 50 dernières années (Delabre 1998) : augmentation des
surfaces agricoles (mil), réduction de la strate arborée, et moindre pluviométrie paradoxalement
accompagnée d’une remontée du niveau des nappes phréatiques (Leduc et al. 2001). Ce paradoxe
s'expliquerait par l'augmentation du ruissellement liée à l'activité agricole, qui conduit à un plus
grand remplissage des mares, principales sources d'alimentation de la nappe dans les bassins
versants endoréiques du Sahel.
Le régime des pluies sahélien est majoritairement constitué de systèmes convectifs organisés
en lignes de grains (Mathon et Laurent 2001). En augmentant l'humidité du sol, les pluies contrôlent
les flux hydriques de surface dont la quantité et la répartition déterminent l'humidité de l'air,
laquelle affecte les processus microphysiques impliqués dans la mise en place des orages (Taylor &
Lebel 1998; Clark et al. 2004). Le mécanisme de cette « mémoire » de la surface conditionnant la
répartition spatiale des pluies est observable à l'échelle de quelques jours. Au delà, une surface
végétale pourrait prolonger cette mémoire par l'exploitation de réservoirs hydriques profonds. Les
arbres à enracinement profond joueraient alors un rôle clé en assurant l'apport d'eau par
transpiration selon une dynamique temporelle et spatiale favorable à l'écosystème.
Parmi les espèces arborées les plus représentées en zone sahélienne, Faidherbia albida
(Del.) A. Chev. est un bon exemple d’arbre à enracinement profond et à phénologie décalée. Il
dispose d’un système racinaire pivotant et présente une phénologie singulière : feuillé en saison
sèche, il perd ses feuilles en début de saison humide.
Expérimentations et relevés en zone sahélienne des caractères hydriques et phénologiques d’un
arbre à enracinement profond : Faidherbia albida.
Site d’étude et matériel végétal
Nous documentons actuellement les caractères hydriques et phénologiques des Faidherbia
albida naturellement présents sur le bassin versant de Wankama situé en zone sahélienne à l’Est de
Niamey (Niger). Les individus étudiés sont répartis sur trois sites sélectionnés selon un gradient de
profondeur de nappe.
Schéma de prélèvement hydrique de Faidherbia albida en milieu sahélien
Nous cherchons à identifier les réservoirs hydriques édaphiques (superficiel, profonds) et
phréatique usités par Faidherbia albida au cours de son cycle de végétation.
Les réservoirs hydriques sont suivis via des relevés hebdomadaires du niveau de la nappe
(piézomètres), du profil d’humidité du sol (sondes à neutrons), et du potentiel hydrique édaphique.
Le schéma de prélèvement hydrique de Faidherbia est notamment étudié via une détermination
405
ponctuelle (feuillaison, LAI maximum, défeuillaison) de la composition en 18O et 2H de la sève, de
la nappe, et du sol.
Déterminisme de la phénologie inversée de Faidherbia albida
Effet des facteurs climatiques
Lors de l'arrivée du front de mousson, l'humidité accrue de l'air pourrait être perçue comme
un signal inducteur de la chute des feuilles. La température et l’humidité de l’air, relevées en
continu sur deux tours à flux, sont mises en relation avec le suivi phénologique : (i) détermination
visuelle des stades de feuillaison, floraison et fructification, (ii) LAI (photos hémisphériques), (iii)
aire et biomasse foliaire.
Effet de la dynamique temporelle et spatiale de l’eau dans le sol
En regard des conditions semi-arides du milieu, la défeuillaison pourrait être induite par un
stress hydrique accru en fin de saison sèche. Le stress hydrique des Faidherbia est notamment suivi
par un enregistrement en continu des fluctuations diurnes du diamètre des branches sur lesquelles
sont disposées des capteurs de déplacement.
Effet de la dynamique temporelle et spatiale de l’azote dans le sol
En fin de saison humide le dépérissement des herbacées annuelles constitue un intrant
d’azote dans la litière puis le sol, suite au lessivage par les pluies. Ce flux d’azote serait-il un
inducteur de la feuillaison? En outre, Roupsard (1997) suggère qu’un déficit en azote en fin de
saison sèche pourrait accentuer la sénescence foliaire. Hebdomadairement, les feuilles sont
prélevées pour une détermination du C/N. Ce dosage est étendu aux différents compartiments de
l’arbre (racines, tronc, feuilles), à la nappe, et au sol en début et en fin du cycle de végétation.
Synthèse de l’impact des ligneux sur le bilan hydrique des écosystèmes sahéliens au moyen du
modèle Treegrass
Treegrass (Simioni 2001) est un modèle 3D adapté aux savanes sahéliennes (Boulain 2004).
Il représente les flux journaliers d’eau et de carbone, ainsi que les interactions entre herbes et arbres
à l’échelle de la parcelle. Le cycle phénologique, l’allométrie, et les paramètres photosynthétiques
(Licor 6400) de Faidherbia albida seront incorporés au modèle.
Le fonctionnement hydrique de ce ligneux au sein de parcelles sahéliennes sera simulé sur
un cycle de végétation afin notamment de quantifier le flux de transpiration en fin de saison sèche et
ses interactions potentielles avec le climat local, et ce pour une densité d’arbre croissante. Ces
simulations seront également effectuées à l'échelle du bassin versant (modèle TGPIX) afin
d'examiner l'impact de la redistribution de l'eau sur le fonctionnement des arbres.
En outre, l’impact écologique des arbres à enracinement profond dans les écosystèmes sahéliens
sera estimé en comparant les simulations d'un bassin versant comportant de tels arbres à celles d'un
bassin versant qui en est dépourvu. La dynamique de l'eau et la phénologie seront étudiées afin de
déterminer si la présence d’arbres à enracinement profond permet un surcroît de production
primaire totale, se fait au détriment de la production primaire du reste du système, ou est
simplement additive (arbres vivant sur un réservoir indépendant). Nous chercherons en particulier à
identifier les changements éventuels de régime hydrique survenant lors d’une variation de densité
des Faidherbia.
Les résultats obtenus avec Faidherbia permettront de formuler des hypothèses sur les
mécanismes hydriques d’autres ligneux sahéliens tels que Guiera senegalensis et d’identifier leur
rôle dans le fonctionnement hydrique des écosystèmes sahéliens, au moyen du modèle Treegrass.
406
ROLE OF DEEP-ROOTED TREES IN THE WATER FUNCTIONING
OF SAHELIAN SEMIARID ECOSYSTEMS
Context
The Sahel has sustained significant changes of land use and rainfall regime during the last fifty
years (Delabre 1998): field expansion (millet), reduction of tree density, and less rainfall singularly
go with an increase of groundwater reserves (Leduc and al. 2001). This paradox would be explained
by the intense land clearing that has occurred in the sahelian area which has enhanced hortonian
runoff, thus increasing the amount of surface water reaching the pools which recharge the
groundwater reserves.
The sahelian rainfall regime mainly consists in short and intense rainfall events of convective origin
(Mathon and Laurent 2001). By increasing soil moisture, the rainfall control water vapour advection
of which the quantity and the distribution determine air moisture, which affects the processes
implied in the formation of precipitation (Taylor and Lebel 1998; Clark and al. 2004). The
mechanism of this land surface "memory" conditioning the distribution of rainfall is observable on a
few day scale. Vegetation could prolong this memory by the exploitation and transpiration of deep
water reserves. The deep-rooted trees would then play a key role by providing water for the
ecosystem according to a favourable spatial and temporal dynamics.
Among the woody species most represented in sahelian zone, Faidherbia albida (Del.) A. Chev. is
a good example of deep-rooted tree with reverse phenology: it is in leaf during the dry season
whereas leaves are shed at the beginning of wet season.
Experiments in sahelian zone of the water and phenological traits of a deep-rooted tree:
Faidherbia albida.
Study site and plant material
We nowadays document the water and phenological traits of Faidherbia albida naturally
present on the Wankama catchment located in the sahelian southwestern Niger, at the east of
Niamey. The studied trees are divided on three sites selected according to an aquifer level gradient.
Water extraction diagram of Faidherbia albida in sahelian zone
We seek to identify the water reserves used by Faidherbia albida during its cycle of
vegetation: upper and deep soil layers, aquifer. The water reserves are followed via weekly
measurements of the aquifer level (piezometers), soil moisture (neutron probes), and soil water
potential. The water extraction diagram of Faidherbia is notably studied via an analysis of the
isotopic composition (18O, 2H) of sap, soil and aquifer, at the time of foliation, maximum leaf area
index, and defoliation.
Determinism of the reverse phenology of Faidherbia albida
Effect of the climatic factors
At the time of the monsoon onset, the increased air moisture could be perceived as an
inductive signal of defoliation. The air temperature and the air moisture, continuously measured on
two flux towers, are compared to the phenological traits: (i) visual determination of the foliation,
flowering and fructification stages, (ii) leaf area index (hemispherical photography), (iii) leaf area
and biomass.
407
Effect of the water spatial and temporal dynamic in the soil
Compared to the semi-arid conditions, defoliation could be induced by an increased water
stress at the end of the dry season. The water stress of Faidherbia is continuously recorded via
LVDT transducers which measure the diurnal diameter variations of branches.
Effect of the nitrogen spatial and temporal dynamic in the soil
At the end of the wet season the degeneracy of annual grasses constitutes a nitrogen inflow
in the litter then the soil, in consequence of leaching by rainfall. This nitrogen flow would be an
inductive signal of foliation? Moreover, Roupsard (1997) suggests that a nitrogen deficiency occurs
at the end of the dry season and could accentuate the leaf senescence. Leaf C/N is weekly measured.
C/N analysis of the aquifer, the soil, and the different compartments of the tree (roots, trunk, leaves)
is effected at the beginning and end of the seasonal cycle.
Synthesis of the woody species influence on the water balance of sahelian ecosystems by means
of the Treegrass model
Treegrass (Simioni, 2001) is a 3D model adapted to sahelian savannas (Boulain, 2004). It
represents daily carbon and water flux, as well as the interactions between grasses and trees at the
local scale. The phenological cycle of Faidherbia albida, its allometry, and its photosynthesis
(Licor-6400) will be incorporated in the model.
The water functioning of Faidherbia in sahelian zone will be computed on a cycle of
vegetation in order to quantify the transpiration flow at the end of the dry season and its potential
interactions with the local climate, for an increasing density of trees. These simulations will be also
carried out at the catchment scale (model TGPIX) so as to examine the consequences of water
redistribution on tree water relations.
Moreover, the ecological impact of deep-rooted trees on sahelian ecosystems will be
estimated by comparing simulations of a catchment comprising these trees, to the simulations of a
catchment without deep-rooted trees. Water dynamic and phenology will be investigated in order to
determine (i) if deep-rooted trees lead to an additional gross primary production, (ii) if their primary
production are made to the prejudice of the remainder of the system, or (ii) if their primary
production is exclusively additional (independent system). In particular, we will seek to identify the
possible changes of water regime occurring at the time of density variation of Faidherbia.
The results obtained with Faidherbia will make it possible to formulate assumptions on the
water relations of other sahelian woody species such as Guiera senegalensis, and to identify their
role in the water functioning of the sahelian ecosystems by means of the Treegrass model.
408
2.22P
RUISSELLEMENT EN MILIEUX CUIRASSES ET GESTION DES EAUX ET DES
SOLS EN ZONE SOUDANIENNE D’AFRIQUE OCCIDENTALE
Drissa DIALLO
IPR/IFRA de Katibougou, Laboratoire d’Agropédologie, Koulikoro, Mali
1. Introduction
Les milieux cuirassés observés dans les écosystèmes soudano-sahéliens d’Afrique occidentale, ont
longtemps attiré l’attention des scientifiques (Maignien, 1958 ; Tricart et Cailleux, 1974). Il s’agit
de plateaux et glacis qui se conservent bien à cause de l’induration ferrugineuse. Les sols associés à
ces modèles sont généralement de faible épaisseur (15 à 30 cm), limono-sableux et gravillonnaires.
Les études pédologiques pour le développement agricole ont toujours insisté sur le caractère
marginal de ces milieux (PIRT, 1983 ; Kaloga, 1978 ; Browers et al, 1976). Cependant, ces terrains
sont utilisés comme terres de culture et pâturages dans de nombreux terroirs villageois dans le Sud
du Mali et ailleurs en Afrique occidentale. La logique paysanne dans cette situation ne semble pas
avoir été analysée de près par les chercheurs. A partir de 1988, nous avons accordé une attention
particulière à ces milieux (Diallo et al, 2004 a) qui méritent d’être connus d’avantage, en particulier
aux plans physique et hydrodynamique. Des connaissances plus fines doivent permettre d’analyser
les problèmes liés à leur utilisation actuelle, et surtout de mieux comprendre leur place dans les
transferts hydriques latéraux, en vue de définir de nouvelles vocations en faveur d’une gestion
durable des écosystèmes et de l’agriculture.
2. Le milieu cuirassé du domaine soudanien
Les paléoclimats et l’évolution morphologique ont laissé des reliefs cuirassés dans l’ensemble de la
zone soudanienne où ils peuvent représenter environ 40 % des petits bassins versants de 100 km2.
Ces reliefs influencent beaucoup les processus morphodynamiques actuels qui caractérisent les
écosystèmes soudaniens (ruissellement, érosion, etc). Ils comprennent deux formes distinctes qui
sont le plateau et le glacis. Le plateau est observé à une altitude variable, en moyenne 400 m. La
présence de nombreuses termitières à chapeau est très caractéristique et rend la microtopographie
irrégulière. Les glacis ont une altitude moyenne de 320 m et une pente de 2 à 8%. A l'aval,
l’ensemble plateau et glacis constituant le milieu cuirassé passe progressivement à une plaine de
pente faible (1 à 2 %), le bas glacis, qui débouche dans le bas fonds.
3. Méthode
Pour compléter les données pédologiques disponibles, 50 profils sont décrits (en insistant sur
l’épaisseur du sol, la couleur du matériau, la porosité, les traces d’engorgement au-dessus de la
couche indurée) et 20 profils retenus pour les caractérisations granulométriques au laboratoire
(méthode internationale). L’estimation du potentiel de ruissellement, vise la connaissance du
volume d’eau, annuellement récupérable par unité de surface, à partir de la quantité annuelle de
pluie.
Ce potentiel de ruissellement est donné par :
PRUI = 10 Pa * KRAM
PRUI :
potentiel de ruissellement ( en m3 ha-1)
409
Pa :
quantité annuelle de pluie (en mm)
KRAM : coefficient de ruissellement annuel moyen (en %)
Les hypothèses utilisées pour l’estimation de PRUI sont :
- Pa = 750 mm et 1200 mm
- KRAM = 41 % (sous jachère) et 42 % (sur parcelle nue ou sous culture), d’après les
mesures sous pluies naturelles et sur parcelles de type Wischemeir (Diallo et al, 2004b).
4. Résultats et discussion
Les sols des reliefs cuirassés sont de faible épaisseur (15 à 30 - 40 cm). Ils sont graveleux avec une
terre fine de texture limono-sableuse.
Les valeurs du potentiel de ruissellement (PRUI) calculées en fonction de l’occupation du sol
(jachère, culture) sont variables :
- 307 500 à 315 000 m3ha-1an-1 pour le soudanien nord (Pa = 750 mm) ;
- 492 000 à 504 000 m3ha-1an-1 pour le soudanien sud (Pa = 1200 mm) ;
Les sols des reliefs cuirassés, du fait de leur faible épaisseur ne peuvent stocker que des quantités
négligeables d’eau, d’où des coefficients et des potentiels de ruissellement élevés. A partir de ces
surfaces à faible perméabilité, situées en tête de toposéquence, les autres segments, situés plus bas,
et le réseau hydrographique reçoivent des quantités importantes d’eau de ruissellement, avec des
risques d’érosion hydrique plus importants. En absence d’une tradition de récupération des eaux de
ruissellement dans ces écosystèmes, de gros efforts de recherche restent nécessaires pour valoriser
le ruissellement produit à partir des surfaces cuirassées.
5. Conclusion
Les surfaces cuirassées des paysages soudaniens semblent favorables à la récupération
d’importantes quantités d’eau au cours de la saison des pluie. Le stockage et la redistribution de
ces eaux dans le paysage agricole peuvent offrir de nombreux avantages : dimunition de l’incidence
des aléats pluviométriques, réduction de l’érosion, préservation de la qualité des eaux de rivière.
Pour cela, des efforts de modélisation et de simulation restent à faire en vue de définir les petits
aménagements hydrauliques nécessaires.
6. Bibliographie
Browers. M, Raunet. M et Keita. B (1976). Carte morphopédologique du plateau mandingue (cercle de Kita et région de
Faladié). 1/20 000, IRAT.
Diallo D., Keita D., Sawadogo B. (2004 a). Les sols peu épais sur cuirasse : Problématiques et alternatives de mise en
valeur en agriculture soudanienne. Revue Malienne de Sciences et de Technologie, 6, 28-37
Diallo D., Barthès B., Orange D., Roose E. (2004 b). Comparaison entre stabilité des agrégats ou des mottes et risques
de ruissellement et d‘érosion en nappe mesurés sur parcelles en zone soudanienne du Mali. Sécheresse, 15, 1, 57-64.
Kaloga B. (1978) Notice explicative des cartes pédologiques des forêts classées des Monts Mandingues de la faya et de
Tienfala. IGN France
Maignien. M (1958). Le cuirassement des sols en Afrique tropicale de l’Ouest, Sols Afr., IV, n°4, pp. 5-41.
PIRT (1983). Les Ressources Terrestres du Mali( Atlas, rapport Technique, Annexes). New York : Kenner Printing
Compagny
Tricart J. et Cailleux A. (1974). Le modelé des régions chaudes, 2è édition. SEDES, Paris :
345 p.
Contact : D. Diallo - IPR/IFRA de Katibougou, Laboratoire d’Agropédologie, BP 6, Koulikoro,
Mali - E-mail : [email protected]
410
2.23P
BILAN HYDRIQUE STATIONNEL SUR LE BASSIN VERSANT DE LA DONGA
(BENIN) : PREMIERS RESULTATS SUR LES STATIONS DE JACHERE ET DE
FORET CLAIRE
S. GALLE (1), N. THEVENOT (3), J.-P. LAURENT (1), L. SEGUIS (2),
C. PEUGEOT (2), S. AFOUDA (3) et T. OUANI (3)
(1) LTHE, Grenoble, France (2) HSM, Montpellier, France (3) IRD Cotonou, Bénin
Sur le supersite de la Donga on réalise un suivi à échelle fine des processus de versants, pour
étudier les interactions entre infiltration, écoulements de surface, de sub-surface, et la végétation.
Notre objectif est la caractérisation intra et intersaisonnière du cycle de l’eau. Pour cela huit stations
de suivi local ont été installées sur le bassin versant. Situées sur les trois principaux types de
couvert, ces stations automatiques mesurent le profil de teneur en eau, de succion et de température
jusqu’à deux mètres de profondeur, ainsi que la hauteur de la nappe et sa conductivité. Elles
devraient prochainement être complétées par des stations de mesure de flux afin de pouvoir suivre
le bilan hydrique complet.
411
Les premiers résultats présentés ici concernent le suivi de l’infiltration sur les sites de jachère
herbacée et de forêt claire commencé en 2004. Pour les deux types de couvert on distingue deux
périodes : durant les deux premiers mois de la saison des pluies, les pluies sont espacées, l’eau
s’infiltre uniquement en surface du sol (0-30cm) et est rapidement reprise par évapotranspiration.
C’est dans cette couche de sub-surface que se trouvent la majorité des racines, elle est séparée du
sol sous-jacent par une couche de granulométrie plus fine (limon sableux), à la conductivité
hydraulique plus faible. Cette barrière à l’infiltration ne laisse pas pénétrer l’eau avant début juillet,
lorsque les pluies deviennent plus régulières. On observe à partir de cette période une nette
augmentation du stock d’eau dans le sol, qui peut être expliquée à la fois par la diminution du
coefficient de ruissellement local et par la diminution des flux d’évaporation. C’est à cette période
de l’année qu’on observe les premiers écoulements sur le bassin de la Donga.
Béléfoungou : soil water content (mm)
S_0-30
S_0-100
350
200
08/07/2004
17/07/2005
150
sept.
0
juin
200
mars
50
déc.
250
sept.
100
juin
300
mars
150
Correspondant :
Sylvie Galle - IRD, 08 BP841, Cotonou, République du Bénin - courriel : [email protected]
412
LOCAL WATER BALANCE FOR THREE VEGETATION COVERS
OF THE DONGA WATERSHED (BENIN)
On the Donga supersite, water balance components are monitored along three catenas (slope
extending from interfluve to river) to study the rainfall partition into infiltration, evaporation and
surface runoff for three different vegetation covers. Our aim is to characterise intra and interseasonal variations of the continental water cycle. Thus nine measurement stations are installed on
the three catenas spread over the Donga watershed. Located on the three main vegetation types
(forest, fallow, bushy savannah), each station consists in monitoring three types of profiles from
5cm to 2 m : soil water content, succion and temperature. These profiles are associated with water
table level and conductivity monitoring. They have been recently completed (November 2005) by
surface flux instrumentation to estimate evaporation and close water budget of each catena.
The preliminary results exposed here concern infiltration monitoring on fallow and forest catena
since 2004. For these two vegetation types two periods may be distinguished during the rainy
season. During the first one (April - mid-June) the rainfalls are sparse and the potential
evapotranspiration is high : only the top layer of the soil (0-30 cm) is supplied with water. Major
part of the roots are observed on this sub-surface soil layer. The subsurface soil layer is separated
from the deeper soil by a layer with a finer particule size distribution (sandy loam) with a lower
hydraulic conductivity. This infiltration barrier is not crossed before beginning of July, when
regular rainfall occur. At this time a marqued growth in infiltration is measured. It may be due both
to evaporation decrease and infiltration capacity increase. It is worth noting that first significant
streamflow are oberved in river almost concomitantly.
Correspondent :
Sylvie Galle - IRD, 08 BP841, Cotonou, République du Bénin – Email : [email protected]
413
2.24P
CHARACTERIZATION OF POOL EVOLUTION IN NIAMEY DEGREE (NIGER)
BASED ON HIGH RESOLUTION OPTICAL
REMOTE SENSING DATA
Abdelaziz KALLEL (1), Mehrez ZRIBI (1), Sylvie LE HEGARAT-MASCLE (1),
Sylvain MASSUEL (2) and Luc DESCROIX (3)
(1) CETP, Vélizy, France (2) HSM, Montpellier, France (3) IRD, Niamey, Niger
The hydrology of the Sahel is characterised by the degradation of the drainage network that induces a
lack of large watersheds. In the Niamey degree, different studies have shown the importance of pools
in the hydrology of the region. It was shown that different processes such as evaporation or deep
infiltration depend on the level of filling of the pools. During the last years, several observations
have shown different evolutions of these pools in the Niamey degree.
Our objectives in this paper are to identify the pools and their evolution. Our approach is based on
high resolution optical remote sensing data, SPOT/HRV (20m) and SPOT5 (10m) images. This study
uses a large data base of optical images (5 images in 1992, 1 image in 1994, 1 image in 1996 and 2
images in 2003). The identification approach is based on the NDVI coefficient calculated from Near
Infrared and Red channels for each SPOT image. It is observed that the pools present the lowest
values of NDVI in the studied optical images. The distribution of NDVI for pools is estimated for the
different images, then a threshold is chosen to separate pools from the other types of land use.
First, we observe the evolution of pool surface and their number in the monsoon period from June to
November in 1992. It is clearly shown that the maximum of pool surface corresponds to August
1992. This result is well correlated with rainfall statistics. Second, the estimation of pool surface and
number from 1992 to 2003 shows an increase of the pools, particularly in the tiger bush. This
behaviour could be explained particularly by the increase of the surface runoff in the region.
Keywords : water pools, tiger bush, SPOT/HRV, NDVI
Submitted by :
Catherine Ottlé - CETP-IPSL-CNRS, 10 Avenue de l'Europe, 78140 Vélizy, France
Tel : +33 (0)1 39 25 49 12 - Fax : +33 (0)1 39 25 49 22
Email : [email protected] - Site web : http://www.cetp.ipsl.fr
Contact :
M. Zribi - Tel : +33 (0)1 39 25 48 23 - Fax : +33 (0) 1 39 25 49 22 - E-mail : [email protected]
414
2.25P
ORIGINS OF THE FLOWS IN A TROPICAL BEDROCK BASIN IN BENIN
(DONGA, UPSTREAM OF OUEME RIVER)
B. KAMAGATE (*), L. SEGUIS, G. FAVREAU and J. L. SEIDEL
(*) HSM Montpellier, IRD-CNRS, Montpellier, France
To the western center of Benin, under soudanian climate, one of the objectives of the AMMA
Project is to better forcing the estimation of the surface water budget of the upper Oueme
2
catchment. Key processes studies are undertaken on a sub-catchment (Donga catchment, 586 km ).
In order to determine groundwater flux directions, a differential GPS levelling and dense
hydrodynamic steady were carried out. The results showed that the groundwater was potentially
drained by the hydrographic network. Piezometric observations realised on a local scale (hillslope
of the Ara catchment (13 km2), a sub-catchment of the Donga watershed) indicated the presence of
a perennial groundwater surmounted by transitory flows which disappear during dry season.
To estimate the contribution of the groundwater to the Donga streamflow, a steady of various
tracers (major elements and traces) was initiated in 2003. The dissolved elements content in
groundwater was 3 to 5 times higher than the stream baseflow. This suggested a dominating
contribution to the surface flow of hypodermic flows at low time of residence in agreement with the
hydrodynamic observations. This diagram was repeated during the following year (2004) with a
relatively lower pluviometry. This phenomenon showed a stable contribution of reservoirs on an
interannual scale. Concerning flood, a standard type fluctuation emerged: an abrupt fall of the
contents culminating with the flood’s peak, a progressive recovering of the initial value of the
baseflow succeeded. The constant ionic relationship between various tracers of deterioration (Ca
and Si) indicated a variable contribution of the unique reservoir of sub-surface.
Key words : flow, groundwater, flood, water geochemistry, hydrograph separation
Submitted by :
Bamory Kamagate - HSM Montpellier, UMR Hydrosciences, IRD-CNRS-Université Montpellier
II, BP 64501, 34394 Montpellier cedex 5, France
Emaill : [email protected] - Phone: +33 (0) 467149022
415
2.26P
PROPOSITION D’UN ESTIMATEUR DE L’HYGROMETRIE DANS LA
TROPOSPHERE ET LA STRATOSPHERE AU-DESSUS DE COTONOU
Basile KOUNOUHEWA
Laboratoire de Physique du Rayonnement, Cotonou, Bénin
Nous savons que l’hygrométrie décroît avec l’altitude dans la troposphère ; dans la stratosphère
cette tendance est rompue. La mousson africaine est de toutes les moussons, celle qui a subie les
plus fortes perturbations au cours des quarante dernières années. De telles perturbations sont dues à
un dérèglement de l’hygrométrie dans notre sous région.
Les activités de radiosondage qui se mènent actuellement sur le site de Cotonou aéroport et ce
depuis janvier 2005, dans le cadre du programme AMMA, sont une première dans la documentation
des connaissances sur les données météorologiques en altitude au Bénin.
Des valeurs de température, de pression, d’hygrométrie, de vitesse, de direction de vent et de
concentration d’ozone suivant l’altitude sont régulièrement enregistrées et archivées. Depuis quatre
mois avec le projet TPU, des enregistrements de température de pression et d’humidité se font tous
les jours. Ces données sont enregistrées toutes les dix minutes ; cet enregistrement dure environ 1h
30 min. Le fichier de chaque séance de radiosondage est disponible.
Cet ensemble de fichiers sans être encore très représentative pour mener une étude approfondie, est
un échantillon pour un premier test.
L’ensemble des données recueillies a été mis en forme ; les enregistrements comportant certains
paramètres erronés ont été supprimés. L’exploitation de ces données a été faite sur la base des
hypothèses suivantes :
- Les variations journalières des paramètres utilisés changent très peu entre deux journées au
cours d’une saison à Cotonou. Une journée-type a donc été défini pour chaque saison ;
- Pour des variations de l’altitude de 50 mètres en moyenne, les paramètres étudiés varient
très peu ;
- Il y a un effet climatologique régulier et périodique auquel se superpose un effet de
perturbation météorologique représentant le caractère changeant de l’état de l’atmosphère
au-dessus d’un site donné.
Nous proposons ce premier simulateur de l’hygrométrie, qui au fur à mesure de l’enregistrement de
données, sera corrigé. A partir des données recueillies par radio sondage au-dessus de Cotonou,
nous proposons un modèle de l’évolution de l’hygrométrie avec l’altitude et la température de l’air
dans la troposphère et la stratosphère jusqu’à 25 Km pour quelques périodes-types de l’année.
Contact :
Laboratoire de Physique du Rayonnement, Faculté des Sciences et Technique, Université
d’Abomey-Calavi, 01 B.P. 526 Cotonou, Bénin
416
2.27P
STRATEGIES DE SUIVI DES TRANSFERTS D’EAU DANS LES SOLS : MISES
EN OEUVRE SUR LE SITE DE MESO-ECHELLE DE NIAMEY
Jean-Paul LAURENT, Luc DESCROIX, Stéphane BOUBKRAOUI
et Hamissou ALASSANE
La connaissance des flux d’eau dans la zone non-saturée des sols est d’un intérêt primordial pour la
compréhension des mécanismes de recharge de la ressource en eau souterraine, d’une part et,
d’autre part, pour estimer la quantité d’eau mobilisable par les cultures et la végétation naturelle et
effectivement consommée par celles-ci.
La quantification de ces flux sur le site de Niamey est un problème complexe : le couvert végétal est
extrêmement variable dans l’espace et le temps, les écoulements superficiels pendant la saison des
pluies sont essentiellement temporaires, un système de mares conditionne probablement en partie la
recharge des nappes, la zone non-saturée peut avoir des profondeurs importantes mais on émet
l’hypothèse qu’elle puisse être « court-circuitée » par des écoulements préférentiels…
Dans ce contexte, la conception et le déploiement d’un dispositif expérimental adapté pour le suivi
humidimétrique des sols n’est pas simple. Sur le site de Niamey, c’est un double dispositif qui a été
retenu : un premier réseau de tubes d’accès permet d’effectuer des mesures de teneurs en eau
jusqu’à des profondeurs de l’ordre de 10m à l’aide d’une sonde à neutrons et un second réseau de
stations de mesures automatisées vise à caractériser les régimes d’écoulements de sub-surface. Nous
rappelons d’abord le principe des différents types de mesure mis en oeuvre et nous présentons
l’implantation sur le terrain des dispositifs expérimentaux correspondants. Des résultats de mesure
sont également présentés et leur traitement discuté en vue de leur intégration dans le cadre plus
global d’un bilan hydrique.
Contact :
Jean-Paul Laurent - Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement, CNRSINPG-UJF-IRD, Bureau G103, ENSHMG, 1209 rue de la Piscine, Domaine universitaire de Saint
Martin d'Hères, BP53, 38041 Grenoble Cedex 09, France
Tel : +33 (0) 4 76 82 50 59 – Fax : +33 (0) 4 76 82 52 86
417
2.28P
ETUDE DU SITE DE DJOUGOU (BENIN) PAR TOMOGRAPHIE DE
RESISTIVITE ELECTRIQUE : IMPORTANCE DE LA VARIABILITE SPATIALE
DES COUVERTURES D’ALTERATION POUR LA CONNAISSANCE DU
FONCTIONNEMENT HYDRIQUE SOUTERRAIN
Henri ROBAIN (*), Maxime WUBDA, Sylvie GALLE, Luc SEGUIS
et Christophe PEUGEOT
(*) GEOVAST / IRD, Bondy, France
La tomographie de résistivité électrique est une méthode géophysique de surface qui permet de
caractériser avec une haute résolution spatiale les variations de résistivité électrique dans le soussol. Ce paramètre physique présente une grande variabilité spatiale qui, pour les formations
supergènes, est principalement contrôlée par la nature et l’arrangement des constituants solides, par
la teneur en eau et par la concentration en électrolytes mobiles. Il présente donc un fort pouvoir
discriminant qui permet d’identifier les structures souterraines et de caractériser leur contenu en
eau.
Une campagne de mesure a été réalisée en octobre-novembre 2004 afin de caractériser
l’organisation des couvertures d’altération de deux sites présentant des géomorphologies similaires
mais des couverts végétaux très différents : le site d’Ara qui présente une mosaïque de jachères et
de parcelles cultivées, et le site de Béléfoungou qui est couvert par une forêt claire. L’analyse des
coupes de résistivité permet d’établir avec un détail satisfaisant l’organisation des couvertures
d’altération. Il s’agit de couvertures ferrugineuses dont la géométrie présente une assez forte
variabilité au niveau de chaque site. Des hypothèses peuvent être émises sur le fonctionnement
hydrique souterrain de ces couvertures d’altération, mais il reste à les valider par des observations
directes. Par ailleurs, la connaissance des particularités des sites d’implantation des piézomètres
actuels permet de discuter plus finement les résultats qui y sont obtenus. Enfin, cette étude permet
de proposer l’implantation de stations d’observation supplémentaires pour caractériser certaines
portions de versant qui présentent des spécificités d’organisation qui ne sont pas prises en compte
par le réseau d’observation actuel.
L’organisation des couvertures d’altération des deux sites étudiés présente des différences
importantes. Cette différenciation ne peut pas être expliquée de façon satisfaisante par les
différences actuelles de couvert végétal car les constantes de temps de l’altération sont ici sans
commune mesure avec celles de la végétation. Quoiqu’il en soit, il sera nécessaire de tenir compte
de ces différences pour interpréter correctement l’influence du couvert végétal sur les termes du
bilan hydrologique.
418
2.29P
DYNAMIQUE DE L’EAU SUR DEUX TOPOSEQUENCES DU BASSIN VERSANT
DE LA DONGA (BENIN) AU COURS DE LA SAISON DES PLUIES – IMPACT
SUR LE DEBUT DES ECOULEMENTS EN RIVIERE
L. SEGUIS (1), S. GALLE (2), C. PEUGEOT (1), H. ROBAIN (3), S. AFOUDA (4),
M. ARJOUNIN (2), S. BOUBKRAOUI (2), J.-M. BOUCHEZ (2), F. JACQUIN (4),
F. MALINUR (2), T. OUANI (4), N. THEVENOT (4) et M. WUBDA (5)
(1) LTHE, Grenoble France (2) HSM, Montpellier, France (3) GEOVAST, Paris, France
(4) IRD, Cotonou, Bénin (5) IRD, Ouagadougou, Burkina-Faso
Sur le supersite de la Donga on réalise un suivi à échelle fine des processus de versants, pour
étudier les interactions entre écoulements de surface, de sub-surface et la végétation. Notre objectif
est la caractérisation intra et intersaisonnière du cycle de l’eau. Les toposéquences sont des transects
s’étendant de l’interfluve au lit de la rivière et présentant une succession caractéristique de sols, liée
à leur position topographique. Deux toposéquences ont été équipées dès 2004 pour suivre la
redistribution de l’eau sur des versants couverts de végétation contrastées : la jachère herbacée et la
forêt claire.
Pour chaque toposéquence, le dispositif comprend trois stations de suivi de l’infiltration de l’eau
dans la zone racinaire. Les stations sont situées en haut, milieu et en bas de versant dans le lit
majeur. A chacune de ces stations est associée une batterie de piézomètres permettant de suivre les
nappes d’altérite (10 et 20 m) ainsi que les nappes perchées temporaires (2 m). Pour compléter cette
analyse ponctuelle, des coupes de résistivité ont été établies en fin de saison des pluies, permettant
d’établir l’organisation des couvertures d’altération et du contenu en eau des sols sur le versant à
cette période. Enfin les données de conductivité de l’eau de pluie et de la nappe à différentes
profondeurs sont comparées à celles mesurées dans la rivière au cours de la saison. Le suivi de
l’année 2004 permet une première analyse de la dynamique de l’eau sur le versant, pour les deux
types de végétation. Il apparaît que le début tardif des écoulements en rivière, trois mois après les
premières pluies ne peut être entièrement expliqué par le stockage sur les versants.
Correspondants :
Luc Séguis et Sylvie Galle
IRD 08, BP841 Cotonou, République du Bénin - courriel : [email protected] , [email protected]
419
2.30P
IMPACT DE LA PEJORATION PLUVIOMETRIQUE DES ANNEES 1970 SUR
LES RESSOURCES EN EAU DU BASSIN DE LA SOTA
(BENIN, AFRIQUE DE L’OUEST)
Expédit Wilfrid VISSIN (1, 2) et Pierre CAMBERLIN (2)
(1) LECREDE, Université d’Abomey-Calavi, Cotonou, Bénin
(2) Centre de Recherches de Climatologie, Université de Bourgogne, Dijon, France
L’analyse de la figure 1, met en évidence une tendance générale à la baisse des hauteurs de pluie.
L’application du test de Pettitt (Figure 2) sur la série 1955-1992 des sous-bassins de la Sota à
Gbassè et à Coubéri souligne clairement la présence d’un changement en 1972 d'ailleurs déjà
signalé par d'autres auteurs (MAHE et al., 1995).
Sous−bassin4 : Sota à Coubéri
Sous−bassin4 : Sota à Coubéri
moyenne k(t)
anomalies
4
2
0
−2
−4
55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91
é
200
99%
95%
0
95%
99%
−200
55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91
années
Figure 1 : Evolution de la pluviométrie dans Figure 2 : Mise en évidence de rupture de
les sous-bassins hydrologiques du bassin de stationnarité par le test de Pettitt dans la
série des sous-bassins hydrologiques
la Sota sur la période 1995-1992
La période 1973-1992 est marquée par une baisse des lames d'eau précipitées des mois les plus
humides (juin, juillet, août, septembre) et un étalement plus sensible des pluies pendant la saison
des pluies (Vissin, 1998 et 2001).
Comme les précipitations, on assiste à une tendance persistante à la baisse des écoulements
depuis 1955 (figure 3) qui mérite d’être soulignée, car elle montre une dégradation durable du
système hydrologique. La rupture dans les séries hydrologiques par le test de Pettitt est explicitée
par la figure 4.
d - Bas s in de la Sota à Coubé r i
d − Bassin de la Sota à Coubéri
3
400
anomalies
moyenne mobile
2,5
anomalies
1
0,5
0
-0,555 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91
19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19
-1
moyenne k(u)
2
1,5
200
0
−200
-1,5
anné e
55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91
Figure 3 : Evolution des écoulements dans Figure 4 : Mise en évidence de rupture
le bassin
dans les écoulements par le test de Pettitt
420
L’étude de la variation des coefficients de tarissement sur la période 1955-1992 (figure 5),
montre jusqu’aux années 1971/1972 une relative régularité des valeurs avec un coefficient moyen
de 0,038j-1 dans la Sota à Gbassè et de 0,007j-1 dans la Sota à Coubéri (tableau 1). A partir 1972,
on observe une montée brutale dans l’évolution des coefficients de tarissement avec des valeurs de
0,072 j-1 (Sota à Gbassè) et 0,027 j-1 (Sota à Coubéri) (Vissin et al, 2002).
d - Bas s in de la Sota à Coubé ri
coefficient de tarissement
en j-1
en j-1
Coef f icient de tariss ement
moyenne 55-72
moyenne 73-92
0,12
0,11
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
Coef f icient de tarissement
moyenne 55-72
moyenne 73-92
19
55
19
58
19
61
19
64
19
67
19
70
19
73
19
76
19
79
19
82
19
85
19
88
19
91
19
55
19
58
19
61
19
64
19
67
19
70
19
73
19
76
19
79
19
82
19
85
19
88
19
91
coefficient de tarissement
c - Bas s in de la Sota à Gbas s è
0,12
0,11
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
anné e
anné e
Figure 5 : Variabilité du coefficient de tarissement
Sous-bassins hydrologiques
Périodes
Sota à Gbassè
Sota à Coubéri
1955-1972
0,038
0,007
1973-1992
0,072
0,027
Ecart 1955-1972/1973-1992
0,034
0,02
Déficit en %
89,47
285,71
105,66
Tarissement en jours (1955- 29,8
1992)
Tableau 1 : Coefficients de tarissements moyens des périodes 1955-1972 et 1973-1992 en j-1 et
durée de tarissement en jours
Bassin de Sota à Gbassè
y = 0,5576x + 108,07
R2 = 0,2003
350
300
250
200
150
100
50
0
Bassin de la Sota à Coubéri
350
rechargeen mm
recharge en mm
La corrélation entre écoulement et recharge met en évidence une relation significative entres les
deux paramètres sur les grès (Sota à Coubéri) et très peu sur le socle (Sota à Gbassè) (figure 6).
y = 2,1059x + 35,154
R2 = 0,5363
300
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
350
0
20
écoulement en mm
40
60
80
100
120
écoulement en mm
Figure 6 : Corrélation écoulement et recharge dans le bassin
Références bibliographiques
MAHE G., OLIVRY J.C., 1995 : Variation des précipitations et des écoulements en Afrique de l’ouest et centrale
de 1951 à1989. Rev. Sécheresse. 6(1), 109 - 117.
VISSIN, E. W., 1998 : Contribution à l’étude du fonctionnement hydrologique du bassin de la Sota. Mémoire de
maîtrise, DGAT/FLASH/UNB, Abomey-Calavi, Bénin ,123 pages
421
VISSIN E. W., 2001 : Contribution à l’étude de la variabilité des précipitations et des écoulements dans le bassin
béninois du fleuve Niger. Mémoire de DEA, CRC/université de Bourgogne, Dijon, France, 53 pages.
VISSIN E. W., BOKO M., PERARD J., HOUNDENOU C., 2002 : Recherche de ruptures dans les séries
pluviométriques et hydrologiques du bassin béninois du fleuve Niger (Bénin, Afrique de l'Ouest), In PUBLICATIONS
DE L'ASSOCIATION INTERNATIONALE DE CLIMATOLOGIE., vol 15.
Contact :
(1)Laboratoire d’Étude des Climats, des Ressources en Eau et de la Dynamique des Écosystèmes,
Université d’Abomey-Calavi, 03-BP 1122, Cotonou-03, Bénin - Email : [email protected] ou
[email protected]
(2) Centre de Recherches de Climatologie, Université de Bourgogne, 6 boulevard Gabriel, 21000
Dijon, France
422