Lignes de grains et pluies en Afrique de l’Ouest : variations diurnes

ARTICLE

Auteur(s) :, Amadou Gaye¹, Alain Viltard², Pierre de Félice²

¹Laboratoire de physique de l’atmosphère Siméon Fongang (LPASF), École supérieure polytechnique Université Cheikh Anta Diop (UCAD), Dakar
²Laboratoire de météorologie dynamique Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), École polytechnique 91128 Palaiseau cedex

Données

Les pluies quotidiennes des stations situées sur l’aire 3° N-20° N, 18° O-25° E ont été compilées par l’Institut de recherche pour le développement (IRD), l’Agence pour la sécurité de la navigation aérienne en Afrique et à Madagascar (ASECNA) et le Comité interafricain d’études hydrauliques (CIEH). Le nombre des stations pluviométriques y est d’environ 800 pour les années 1986 et 1987. Il aurait été intéressant de faire porter cette étude sur une année sèche et une année pluvieuse, malheureusement les années pluvieuses pour lesquelles on dispose des images Météosat sont postérieures à 1990 où le nombre des pluviomètres du catalogue de l’IRD n’est plus que de 230 ou même plus faible.

Caractérisation des lignes de grains et évaluation de la pluie moyenne

Soixante-douze LG ont ainsi été suivies en 1986 et quatre vingt-une en 1987.

Le but de ce travail est l’étude des liens entre pluie et LG, de sorte qu’aux conditions de température, d’étendue, de vitesse et de durée de vie énoncées ci-dessus, il en est ajouté une cinquième : dans le rectangle englobant le nuage froid, il doit se trouver au moins une station ayant mesuré au moins un millimètre de pluie à la date où la LG est vue sur l’image IR.

Sur une surface cinq fois plus petite que celle qui est considérée ici mais toujours au Sahel, et pour le seul mois d’août 1985, Rowell et Milford [9] ont compté 157 LG qui ont apparu et disparu dans la zone considérée et 29 autres qui ont soit apparu soit disparu dans cette zone. Au mois de juillet 1985, Desbois et al. [5] n’avaient compté que 25 LG dans un champ beaucoup plus vaste que celui de Rowell and Milford [9], s’étendant de 0° à 20° N et de 30° O à 50° E. Le très grand nombre de LG vues par Rowell et Milford vient probablement de ce que ces auteurs utilisaient les images IR Météosat avec une résolution temporelle de 1 h, (tandis que celle utilisée dans ce travail, comme dans celui de Desbois et al  [5], est de 3 heures) et qu’ils ne mettaient pas de condition à la dimension du nuage froid.

Malgré une résolution temporelle relativement faible, on a été confronté à une difficulté importante. Il était nécessaire d’utiliser au moins 8 images Météosat par jour pour pouvoir suivre correctement une LG, tandis qu’on ne disposait que d’une donnée de pluie par jour. L’hypothèse principale qu’il a fallu faire pour lier pluie et LG a été que la pluie recueillie dans un pluviomètre un jour de passage d’une LG était due à cette dernière et non à un autre phénomène pluvieux. L’expérience montre qu’en général la LG se propage dans un ciel clair. Mathon [10] a trouvé que le temps qui séparait deux événements pluvieux consécutifs était de l’ordre de 2 à 3 jours, lors de l’expérience HAPEX-Sahel (Hydrological and Atmospheric Pilot Experiment-Sahel), sur le degré carré de Niamey (Niger), à environ 13° N-14° N et 2° E-3° E, de sorte que cette hypothèse semble justifiée.

Pour évaluer la pluie apportée par une LG, le raisonnement a été le suivant. Considérons deux images consécutives sur lesquelles on a dessiné les rectangles entourant la LG ( (figure 2) ). Le rectangle hachuré (image k) a une partie commune avec le rectangle blanc (image k-1). L’aire commune aux deux rectangles correspond en moyenne aux 2/3 de l’aire d’un rectangle. La pluie apportée par la LG lors de la prise de l’image k est celle qui est relevée dans les pluviomètres de la zone hachurée. Cette façon de procéder ne s’applique pas à l’image où la LG a été vue pour la première fois. Pour cette image là, la pluie a été évaluée en tenant compte de tous les pluviomètres situés dans le rectangle, en admettant que puisque la LG n’a pas été observée à l’image précédente, toute la pluie collectée lors de la prise de cette première image était due à la LG.

Les stations sont relativement nombreuses entre 12° N et 15° N, là où les pluies sont abondantes en été. Le réseau des pluviomètres est encore assez dense au sud du Tchad, au Bénin, au Togo et en Côte d’Ivoire. Les pluviomètres sont rares au Nigeria, au Ghana et en Guinée ; il n’y en a ni au Cameroun, ni au Liberia ni en Sierra-Leone, dans le fichier de pluie utilisé ( (figure 1) ).

Au nord de 12° N, la hauteur moyenne annuelle de la pluie présente un gradient nord-sud d’environ 1 mm par degré de latitude et, dans l’ensemble, le gradient selon un méridien est très supérieur au gradient selon un parallèle, comme le montrent les cartes de Nicholson et al. [11].

Une méthode simple pour évaluer le volume d’eau apporté par une LG à une image donnée serait de calculer la hauteur moyenne de la pluie dans la zone hachurée de la ( (figure 2) ) en y faisant la moyenne des hauteurs recueillies dans les pluviomètres puis en multipliant cette hauteur par l’aire hachurée. Cependant, comme les pluviomètres sont plus nombreux là où la pluie est en moyenne plus abondante, cette méthode simple risquerait de surestimer le volume d’eau. Pour éviter ce biais, la partie hachurée a été découpée en quatre zones : Z1, Z2, Z3 et Z4 ( (figure 2) ) d’égale hauteur en latitude. À l’intérieur de chaque zone, la méthode simple décrite ci-dessus a été appliquée. Cependant, lorsqu’il n’y avait pas de pluviomètres dans l’une des zones du milieu (Z2 et Z3), la hauteur de pluie était linéairement interpolée à partir des hauteurs des zones adjacentes. Lorsqu’il n’y avait pas de pluviomètres dans les zones extrêmes (Z1 et Z4), on a supposé qu’au nord de Z1 (au sud de Z4) la hauteur de pluie était nulle puisque ces parties sont en dehors de la LG. Cela pouvait à nouveau introduire un biais car rien n’indique que la quantité de pluie produite par une LG décroisse vers ses extrémités nord et sud. Mais à cause de la convexité de l’arc ouest de la LG, de plus grandes parties de Z1 et Z4 ne sont pas couvertes par la LG. Il n’en est pas ainsi pour Z2 et Z3, de sorte que la sous-estimation de la hauteur de la pluie est compensée par une surestimation des surfaces. Cette hypothèse est un pis-aller, mais toutes autres méthodes appliquées aux zones sans pluviomètres seraient critiquables.

En 1986, 718 images ont été examinées ; il n’y avait pas de pluviomètres pour Z1 dans 81 images, pour Z2 dans 116 images, pour Z3 dans 135 images et pour Z4 dans 151 images.

Les résultats obtenus par cette méthode élaborée et assez lourde n’étaient pas très différents de ceux qui avaient été obtenus par la méthode simple décrite d’abord.

Pour les images de 00, 03 et 06 du jour J, on considérait les pluies du jour J-1 où furent totalisées les pluies mesurées à 18 UTC le jour J-1 et celles mesurées à 06 UTC le jour J. Pour les images de 09, 12, 15, 18 et 21, on considérait les pluies du jour J.

Résultats

Cent cinquante-trois LG ont été suivies au cours des deux étés : 85 ont duré moins de 33 heures (11 images), 62 ont duré entre 33 et 63 heures (21 images) et 6 ont été suivies sur plus de 21 images. Les trajectoires des LG sont approximativement dirigées vers l’ouest avec une légère tendance à s’infléchir vers le sud, comme l’ont observé Desbois et al. [5]. Ces auteurs ont mesuré des vitesses zonales moyennes de l’ordre de 15 m/s pour les mois de juillet 1983, 1984 et 1985. Cette valeur a été retrouvée pendant les étés 1986 et 1987 avec une légère modulation selon l’heure ( (figure 3) ). La LG s’accélère de 20 % au milieu du jour.

La surface des LG, ou plus précisément le nombre de pixels contenus dans le rectangle entourant la LG, est présentée pour quatre seuils de température, en fonction de l’heure du jour ( (figure 4) ). À tous les seuils, la surface est maximum entre 21 h et 00 h et minimum vers 15 h (à 12 h pour les seuils les plus bas). Cette variation diurne est très semblable à celle que Mathon et Laurent [7] présentent comme ce qu’ils appellent les Mesoscale Convective Systems, MCS (systèmes convectifs d’échelle moyenne) au seuil de – 40 °C. Cependant, la surface couverte par les LG (au seuil de – 40 °C) varie de 14 000 pixels, soit à peu près 350 000 km²) la nuit, à environ 7 500 pixels (soit à peu près 180 000 km²) le jour, tandis que la surface couverte par les MCS varie entre 160 000 km² la nuit et 80 000 km² le jour. Ce rapport de deux à un entre les résultats de cette étude et ceux de Mathon et Laurent vient probablement de ce que, dans ce travail, la dimension limite inférieure pour une LG est de 25 x 25 pixels, soit environ 16 000 km² alors que la limite inférieure pour les MCS était de 5 000 km².

La ( (figure 5) ) donne le nombre d’apparitions des LG en fonction de l’heure. Celles-ci sont beaucoup plus nombreuses à 15 h ou 18 h qu’aux autres réseaux. La ( (figure 6) ) donne le volume d’eau apporté par les LG selon l’heure. Pour ce calcul, la pluie apportée par la première image de chaque LG n’a pas été comptée car pour cette première image c’est la surface totale du rectangle qui est prise en compte pour évaluer le volume. En n’éliminant pas cette première image on risquait de surévaluer les volumes obtenus aux images de 15 h et 18 h puisque c’est à ces heures-là qu’il y a le maximum d’apparitions. Le maximum de pluie s’observe à 21 h en 1986 (environ 2,5 km³) et à 18 h en 1987 (un peu plus de 3 km³). Ces deux années présentent un maximum secondaire à 03 h (1,5 km³ en 1986 et 2,5 km³ en 1987).

Discussion et conclusion

Ces cumulonimbus apparaissent, sur les images IR de Météosat, comme de petits disques de quelques dizaines de pixels de diamètre dont le sommet est très froid. Ces nuages grossissent rapidement et atteignent leur surface maximum vers 00 h. À cette heure, le sol s’est refroidi mais il faut quelques heures pour que la convection se développe de bas en haut. Duvel [13] a étudié la variation diurne de la nébulosité durant les mois de juin, juillet, août et septembre des années 1983, 1984 et 1985, en Afrique au nord de l’équateur. Au Sahel, il a observé, comme cela a été le cas dans ce travail, un minimum vers 12 h et un maximum entre 21 et 00 h.

Roux [14] explique la propagation des LG par la naissance de nouvelles cellules convectives à l’avant de leur front ; il mesure des vitesses, dirigées vers l’ouest, de l’ordre de 18 m/s, parfois supérieures à celle du vent à tous niveaux. La vitesse de propagation des LG telle qu’elle est définie dans ce travail est celle du centre du rectangle circonscrit et non celle du front. On pourrait imaginer que le front soit immobile mais que la traîne se résorbe et disparaisse à l’est ; d’après la définition, la ligne de grain aurait néanmoins une vitesse vers l’ouest. Il est possible que le maximum de vitesse observé vers 15 h soit en partie dû à ce phénomène, mais les tracés, toutes les trois heures, des fronts des LG donnés par Desbois et al. [5] mettent en évidence des variations diurnes de vitesse à peu près conformes à ce qu’indique la ( figure 3 ).

Le volume de pluie subit une variation diurne, avec un maximum de 2,5 km³ environ entre 18 et 21 heures, mais comme les surfaces des LG sont plus petites entre 15 h et 18 h qu’à 21 heures, c’est dans cet intervalle que la hauteur de pluie sous la ligne de grain est maximum : entre 7 et 8 mm ; il y a aussi un petit maximum, moins important de 1,9 km³ (soit 4,2 mm) à 3 heures. Ce maximum est inattendu et inexpliqué. Rickenbach [15] décrit un maximum secondaire de pluie à 3 h locales au sud-ouest de l’Amazonie.

Le choix du seuil de – 30 °C est discutable. Pendant l’ETGA (Expérience tropicale du GARP dans l’Atlantique), au cours de l’été 1974, le canal IRT du satellite géostationnaire américain permettait d’évaluer la température du sommet des nuages. Lorsque celle-ci était inférieure à 235 K (- 38 °C), on estimait que le taux de précipitation était de 3 mm par heure sur la surface recouverte par le nuage froid. Mathon et Laurent [7] ont fixé le seuil à – 40 °C pour l’étude des MCS, et Laing et al. [6] se sont intéressés aux LG dont le sommet était à une température inférieure à – 54 °C. Nous pensons qu’en prenant un seuil à – 30 °C (qui est la température à 9 000 m dans la troposphère tropicale), on accède à la traîne des LG dont la contribution à la pluie n’est pas négligeable, que l’on risque de manquer en prenant un seuil plus bas.

Il y a une part subjective importante dans le suivi des LG sur les images IR de Météosat, pourtant la seule méthode possible dans les régions où les stations d’observations sont rares comme en Afrique. Nous avons cherché à rendre cette part aussi petite que possible en nous donnant quelques règles pour encadrer la LG.

Le choix qui a été fait pour évaluer la pluie moyenne sur une image à l’aide des hauteurs quotidiennes recueillies dans les pluviomètres groupés par zone ( (figure 2) ) est une hypothèse peut-être discutable. Grâce au rapide déplacement des LG observé à l’aide des huit images quotidiennes, il a été possible d’accéder aux variations diurnes de la pluie tout en n’ayant qu’un relevé quotidien par pluviomètre. Nos résultats sont comparables à ceux de la littérature ; nous pensons donc que les hypothèses de définition de la LG et la technique de calcul de la pluie n’introduisent pas de biais systématique dans l’évaluation des précipitations.

Références

2 Laurent H, D’Amato N, Lebel T. How important is the contribution of the mesoscale convective complexes to the Sahelian rainfall? Phys Chem Earth 1998 ; 23 : 629-33.

3 Houze RA. Structure and dynamics of a tropical squall line system observed during GATE. Mon Wea Rev 1977 ; 105 : 1540-67.

4 Roux F. The West Africa squall line observed on 23 June 1981 during COPT81: Kinematics and thermodynamics of convective region. J ARRAY(0x27ce6c)Atmos Sci 1988 ; 45 : 406-26.

5 Desbois M, Kayiranga T, Gnamien B, Guessous S, Picon L. Characterization of some elements of the Sahelian climate and their interannual variations for July 1983,1984 and 1985 from the analyses of Meteosat ISCCP data. J Clim 1988 ; 1 : 867-904.

6 Laing AG, Fritsch JM, Negri AJ. Contribution to mesoscale convective complexes to rainfall in Sahelian Africa: estimates from geostationary infrared and passive microwave data. J Appl Meteorol 1999 ; 38 : 957-64.

7 Mathon V, Laurent H. Life cycle of Sahelian mesoscale convective cloud systems. Quart J Roy Meteor Soc 2001 ; 72 : 105-10.

8 Ropelewski CF, Lamb PJ, Portis DH. Seasonal climate summary. J Clim 1993 ; 6 : 2188-212.

9 Rowell DP, Milford JR. On the generation of squall line. J Clim 1993 ; 6 : 1181-93.

10 Mathon V. Étude climatologique des systèmes convectifs de méso-échelle en Afrique de l’Ouest. Paris : Thèse de doctorat Université Paris 7, 2001; 238 p.

11 Nicholson SE, Kim J, Hoopingarner J. Atlas of African rainfall and its interannual variability. Tallahassee: Dept. Meteorology, The Florida State University, 1988 ; 237 p.

12 Fink AH, Reiner A. Spatio-temporal variability of the relation between African Easterly Waves and West African Squall Lines in 1998 and 1999. J Geophys Res 2003 ; 108 : 4332.

13 Duvel JP. Analysis of diurnal, interdiurnal and interannual variations during northern hemisphere summers using Meteosat infrared channels. J Clim 1988 ; 1 : 471-84.

14 Roux F. Retrieval of thermodynamic fields from multiple-Doppler radar data using the equations of motion and the thermodynamic equation. Mon Wea Rev 1985 ; 113 : 2142-57.

15 Rickenbach TM. Nocturnal Cloud Systems and the Diurnal Variation of Clouds and Rainfall in Southwestern Amazonia. Mon Wea Rev 2004 ; 132 : 1201-19.

2 Gaye A, Viltard A, de Félice P. Lignes de grains et pluie en Afrique de l’Ouest : part des lignes de grains à la pluie totale des étés 1986 et 1987 (à paraître dans Sécheresse).1 UTC : temps universel coordonné (Universal Time Coordinated).