Evaluation des ressources en eau atmosphérique au Nord-Cameroun à l’aide des méthodes conventionnelles et satellitales





titreEvaluation des ressources en eau atmosphérique au Nord-Cameroun à l’aide des méthodes conventionnelles et satellitales
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Après homogénéisation et contrôle, le traitement effectif des données concerne entre autres la distribution des précipitations, la caractérisation de la sécheresse, la détermination de l’évapotranspiration et du bilan hydrique.

2 –2 – Méthodes de détermination des séquences, des seuils pluvieux dominants et du bilan hydrique

La distribution des précipitations concerne la prise en compte des précipitations journalières et leur distribution saisonnière. La pluviométrie journalière sert de base à l’analyse des séquences pluvieuses et des séquences sèches. Il s’agit d’abord de déterminer le nombre de jours pluvieux consécutifs en dégageant le nombre de fois qu’un jour, 2 jours, 3 jours ou 4 jours soient suivis de 2, 3, 4 jours ou plus sans pluie. On peut également caractériser les séquences pluvieuses par expression de la persistance de jours pluvieux consécutifs ; en effet, « entre jours successifs, la dépendance entre un jour sec ou pluvieux avec la veille est évidemment plus marquée, et la probabilité de la pluie est plus grande lorsqu’il a plu la veille que si le temps est demeuré sec » (Fodé M. et Adamou F.M., 1994). Ensuite, il est question de calculer l’intensité des séquences à l’intérieur de la saison pluvieuse en dégageant le nombre de jours consécutifs sans pluie. L’objectif ici étant de déterminer les probabilités d’occurrence pour chaque mois, des sécheresses intra-saisonnières et faux démarrages de la saison des pluies par l’analyse des fréquences des évènements secs. Ces probabilités inspirés du modèle de la chaîne de Markov d’ordre 1, sont déterminées par : probabilité d’un jour sec Ps=Ts/Ts+Th ; probabilité d’un jour pluvieux Ph=Th/Ts+Th, avec Ts durée moyenne des épisodes secs, et Th durée moyenne des épisodes pluvieux. Pour obtenir ces durées moyennes, nous procédons au décomptage des évènements issus des tableaux bruts de relevés pluviométriques journaliers ; ensuite, nous pondérons les fréquences en les multipliant par le nombre de jours correspondant pour obtenir la valeur du rapport fréquence pondérée/fréquence brute, donnant de ce fait la valeur de la durée moyenne sèche.

Cette pluviométrie journalière concerne aussi la détermination des seuils pluvieux caractéristiques proéminents dans l’image moyenne et qui peuvent constituer des apports importants dans la distribution des pluies. Elle concerne l’apport d’un seuil pluviométrique bien déterminé qui émerge de la distribution saisonnière des pluies. Il s’agit alors de dégager le poids des pluies exprimé en tranches de moins de 20mm, de 20 à 50mm et de plus de 50mm par événement pluvieux. Il est donc question de calculer la fréquence de jours de pluie suivant les tranches ci-dessus et d’observer leur évolution journalière afin de parvenir à dégager leur poids le long de la saison.

La détermination de la sécheresse envisagée dans cette étude repose essentiellement sur le calcul des déficiences d’évaporation pour mieux illustrer les déficits hydriques des stations étudiées. La déficience d’évaporation provient de l’écart entre l’évapotranspiration potentielle et l’évapotranspiration réelle. Le calcul des déficiences découle de l’analyse du bilan hydrique qui intègre l’analyse de l’évapotranspiration. Pour l’évapotranspiration potentielle, les méthodes de Turc et Thornthwaite sont utilisées, du fait de la disponibilité de mesure des paramètres météorologiques dans les installations des stations étudiées. Les formules de calcul de l’ETP pour les principales méthodes choisies sont les suivantes :

Pour Thornthwaite, la formule ne prend en compte que la température comme principal facteur évaporant :

ETP=16(10T/I)F()

T = température du mois en °C

I = i, total des 12 valeurs mensuelles de l’indice de chaleur.

i = (T/5)1.514, indice de chaleur.

 = 6.75x10-7I3-7.71x10-5I2+1.79x10-2I+0.49

F() = coefficient de correction qui dépend de la latitude et du mois.
La formule de Turc intègre en plus de la température, le rayonnement par la prise en compte de la radiation au niveau de l’atmosphère et l’insolation enregistrée au sol.

E.T.P.= 0,4 t/t+15 (IG + 50) avec IG = Qs(0,18 + 0,62 n/N)Qs = valeur quotidienne moyenne de la radiation à la limite de l’atmosphère, n/N = rapport d’insolation et t = température moyenne mensuelle.

A l’échelle décadaire quand l’humidité est suffisante, l’E.T.P.= 0,13t/t+15(IG+50).

Le calcul du bilan hydrique suit l’organigramme du bilan mensuel de Thornthwaite. Le seuil de saturation du sol est adopté à 100 mm. D’après l’organigramme de Thornthwaite, l’ETR (Evapotranspiration Réelle) s’exprime en fonction de l’ETP ; en effet, si les précipitations P sont supérieures à l’ETP, ETR=ETP ; dans le cas contraire, l’ETR utilise toute la quantité d’eau précipitée et toutes les réserves du mois précédent. L’ETR varie donc en fonction de l’état des réserves du sol et des précipitations. La réserve du sol R (ou réserve utile) représente la quantité d’eau stockée dans le sol après évaporation et ruissellement. Elle s’obtient par la différence P-ETR pour chaque mois. Lorsque P-ETR >100mm, R=100mm puisque la capacité maximale de rétention d’eau du sol est de 100mm. Par contre, lorsque P-ETR<100mm, on exploite la réserve du mois précédent en l’ajoutant à la valeur déficitaire.

Le traitement des données concerne enfin les méthodes satellitales : celles du Centre de Météorologie Spatiale de Lannion (France), de la FAO/ARTEMIS exploitant les données du satellite Météosat, ou encore les méthodes CMAP et les réanalyses NCEP/NCAR.
3°) – L’estimation des pluies par les données satellitales

a)- Estimation des précipitations par la méthode CMS-Lannion

L’estimation des précipitations par satellite par la méthode CMS-Lannion repose sur une approche basée sur une double paramétrisation : la prise en compte de la source des pluies (nuages pluviogènes) et de la cible des pluies (surface du sol à travers sa température) détectée après le passage des nuages (Carn, 1987). Dans ce travail, nous essayons de procéder à une comparaison graphique entre l’évolution des régimes issus des mesures satellitales et des mesures au sol, pour juger les niveaux de ressemblance dans le comportement des pluies ; ensuite, il est question d’estimer les précipitations en testant la pertinence des résultats obtenus sur la base de l’identification des nuages pluviogènes et du comportement de la température du sol comme indicateur du passage des pluies, et de combiner les deux moyens de mesure. Pour y parvenir, nous faisons recours aux techniques statistiques établissant la relation entre caractères. Les types de relation appropriés sont la régression linéaire et la régression multiple.

Il s’agit dans un premier temps d’estimer les pluies à partir de la mesure par le satellite, de la source des pluies c’est-à-dire l’identification des nuages pluviogènes ; la régression sera alors de la forme Pe =aCB%+b, avec Pe =pluie estimée et CB%=occurrence des nuages froids. Il s'agit dans un deuxième temps d’estimer les pluies à partir de leur impact au sol à travers la détermination de l’équation de régression linéaire Pe =aTmax+b intégrant Tmax=température radiative de surface du sol. La variable a représente la pente, et b l’ordonnée. Il s’agit enfin, de l’estimation par la combinaison des 2 méthodes en prenant en compte à la fois la source et la cible des pluies ; son équation est de la forme

Pe =a1CB%+a2Tmax+b. Les paramètres a1 , a2 et b sont fonction des coefficients de corrélation et des moyennes des différentes variables explicatives CB% et Tmax.

Pour combler les insuffisances présentées par cette méthode de combinaison qui sous-estime les précipitations dans les régions humides et les surestime en zone aride, Carn et Lahuec (1987) ont proposé deux indices : l’indice d’efficacité pluviogénique Pcb=pluie mesurée/nombre d’occurrence et l’indice de refroidissement Pvt=pluie mesurée/Température max. Le premier indice représente l’efficacité en pluie d’une occurrence nuageuse enregistrée en un point à un moment donné, et le second rend compte des réactions thermiques de la surface provoquées par les précipitations en un point à un moment donné. Ces estimations reposent non seulement sur les différentes droites de régression linéaire et multiple, mais également sur le calcul des coefficients de corrélation simple et multiple afin de mesurer le degré des liaisons.

« La spatialisation de ces indices une fois étendue pour l’ensemble des stations concernées contribuent à calibrer les images des CB% et Tmax par combinaison linéaire selon l’algorithme Pe=P1(CB%.Pcbch)+P2(Tmax.Pvtch) avec Pe=pluie estimée, P1 et P2 coefficients de pondération ». Cette combinaison n’est pas appliquée sur notre espace d’étude à cause du nombre insuffisant de stations à données EPSAT.
b)– Analyse de la méthode « durée de présence des nuages à sommets froids » développée par le programme ARTEMIS de la F.A.O.
Il est analysé dans un premier temps l’évolution des saisons suivant un rythme annuel, interannuel et suivant la moyenne 1989-1998. Ensuite, il est analysé la durée de présence de nuages à sommets froids suivant un découpage zonal du site d’étude pour dégager la liaison entre la densité des nuages exprimée par leur présence au-dessus d’un lieu et la quantité de pluie tombée à ce lieu. La démarche est inspirée du site www.geoweb.fao.org/FRA/GeoWEB.exe§ChooseCtry. On atteint la page principale du site à partir de laquelle on choisit le pays sur lequel on souhaite avoir les informations. Pour accéder aux informations présentées, on sélectionne la rubrique Cartes et images satellitales et on aboutit à une section qui permet de créer des « cartes personnalisées » par combinaison des informations ; les éléments de la section concernée sont : images satellite et statistiques/images satellite. Pour le premier élément, on accède à la série de cartes nuages à sommet froid exprimée en décades, et pour le second à la possibilité de construire des graphiques d’évolution de la durée de présence de nuages à sommets froids.
c)– Les données d’analyse pluviométrique CMAP et les réanalyses NCEP/NCAR

Le CPC Merged Analysis of Precipitation (CMAP) est un modèle de combinaison des données qui permet par la multiplication des sources, d’élargir le champ d’estimation des pluies et les possibilités d’amélioration des connaissances en matière de climatologie satellitale. Dans ce travail, nous utilisons pour le traitement des données, les possibilités offertes par le Climate Diagnostic Center à partir du site http://www.cdc.noaa.gov/datasets/cmap/. En effet, compte tenu de la densité des données exprimée à l’échelle du globe, l’extraction des valeurs brutes exprimant les paramètres à utiliser s’est avérée difficile à cause du manque de support pouvant contenir toute cette masse de données. Ainsi, à partir des énoncés prévues par la méthode du Climate Diagnostic Center (CDC), on peut construire des thèmes et sous-thèmes de plusieurs paramètres climatologiques (précipitations, pression, température…) et réaliser des graphiques et schémas avec le logiciel graphique GrAds, qui prend en compte la distribution spatiale des paramètres. Pour accéder au logiciel GrAds, on ouvre la page principale du site CDC ; on sélectionne la rubrique Data access and plotting qui permet d'atteindre les données CDC ; à partir de là, soit on procède à la sélection des thèmes de recherche dans le menu, soit on adopte le raccourci search for des mots-clés en saisissant NCEP/NCAR ou CMAP. On accède ainsi à la page correspondant au thème sollicité ; on choisit dans la colonne appropriée, l’icône de conception graphique qui permet d’aboutir à la possibilité de choisir le type et l’échelle des données à cartographier (journalière, décadaire ...), et d’introduire les caractéristiques de réalisation de carte : localisation géographique (latitude, longitude), échelle de temps (date de début des observations et date de fin des observations), option de création de carte, option du graphique, la couleur de fond de carte, les contours, la présence ou non des données sur la carte...C’est après avoir introduit toutes ces informations que l’on exécute la création de la carte.

L’approche CMAP est aussi analysée sur la base des conclusions des travaux antérieurs afin de parvenir à des comparaisons éventuelles. Ces travaux sont notamment les graphiques des précipitations moyennes trimestrielles exprimées en mm/jour par Xie et Arkin en 1997 : http://www.cgd.ucar.edu/cas/catalog/surface/precip/arkin.html. Nous exploiterons également les conclusions de Tsalefac (2002) qui a étudié la méthode à l’échelle pentadaire au Nord-Cameroun. Ainsi, une étude journalière et mensuelle menée sur la base des données NOAA/CIRES du Climate Diagnostic Center peut renforcer l’étude CMAP.

La méthode NCEP/NCAR est quant à elle basée sur la « combinaison de modems globaux complets contenant plusieurs paramètres météorologiques de résolution 2.5°x2.5°». L’exploitation des données suit la même démarche que celle de la méthode CMAP à partir du site www.cdc.noaa.gov/cdc/reanalysis/.

III – ORGANISATION DE LA REDACTION : précision du fil conducteur de la recherche
Ce projet ainsi conçu nous permet à présent de passer à la vérification des hypothèses. Cette vérification s’appuie donc essentiellement sur l’observation de la saison des pluies pour dégager le potentiel pluviométrique de la saison. Elle est organisée en trois parties.

La première présente l’état des lieux des connaissances relatives aux précipitations au Nord-Cameroun (Chapitre 1). Il y est décrit les caractéristiques physiques dominantes du milieu d’étude ; il est alors question de dégager les facteurs géographiques susceptibles d’influencer la distribution des précipitations. Cet état des lieux passe aussi par la caractérisation du profil humain et la recension des conceptions sociales de la pluviométrie pour souligner l’importance de la contrainte pluviométrique. Il se dégage déjà ici un premier niveau de production du savoir en matière du climat développé par les populations (Chapitre 2). Enfin, cette première partie est celle de la détermination des schémas moyens de l’organisation de la pluviométrie sur notre espace d’étude. Ce schéma dégage les insuffisances des méthodes adoptées pour caractériser le climat notamment à l’échelle mensuelle. Il met également en exergue la contrainte d’insuffisance du réseau de mesure et d’observation des paramètres du climat (Chapitre 3) ; ce qui nécessite une amélioration dans l’analyse des pluies au niveau de l’affinement de l’échelle d’étude et de la densification du réseau d’observation.

Cela resssort dans la deuxième partie où il est question de ressortir les possibilités permettant de rectifier les contraintes évoquées ci-dessus en poursuivant l’analyse du comportement des pluies par les méthodes habituelles (basées sur les techniques statistiques) en mettant l’accent sur l’affinement de l’échelle ; on espère ainsi parvenir à fournir des connaissances nouvelles sur la compréhension du climat de la région. Il s’agit alors de voir dans la distribution de la saison des pluies, les interruptions sèches et les phases pluvieuses ; c’est ce qui fera l’objet de l’étude des séquences sèches/pluvieuses (Chapitre 4). Ensuite, on passera de ce niveau d’alternance entre les interruptions sèches et pluvieuse pour analyser le profil des pluies durant les phases pluvieuses (Chapitre 5) ; il s’agit d’apprécier l’évolution des pluies suivant les totaux progressifs au fil des jours et suivant chaque mois. L’appréciation de cette évolution permettra de savoir quelle est la proportion pluvieuse déjà précipitée et quel potentiel il reste ? Il est en outre considéré, l’apport des seuils de pluie de moins de 20mm, de 20 à 50mm et de plus de 50mm afin de comprendre la distribution du potentiel pluvieux sur la base de ces tranches de pluie. En effet, des chutes fréquentes de pluie d’un certain type peuvent servir d’indicateur pour une utilisation optimale des ressources. Il sera donc établit un rapport entre la proportion tombée et les tranches caractéristiques qui l’ont constitué. Un bilan hydrique (Chapitre 6) dégageant le potentiel pluvieux devra compléter cette appréciation de la saison des pluies. On peut dès lors à la suite de la connaissance du potentiel d’eau dégagé par ce bilan hydrique, apprécier les stratégies développées par les populations pour maîtriser et gérer la ressource hydrique disponible.

La troisième partie concerne l’utilisation des techniques des satellites météorologiques envisagée dans l’optique d’une amélioration des connaissances en pluviométrie sur notre site. Elle suit la même logique d’appréciation de la saison des pluies évoquée précédemment. Elle s’appuie surtout sur l’efficacité des techniques adoptées pour évaluer la ressource pluviométrique. L’indicateur d’évaluation varie en fonction de l’échelle d’estimation proposée par ces méthodes. Ainsi, la méthode EPSAT de l’IRD propose une analyse à l’échelle mensuelle et ne concerne que les 3 stations météorologiques synoptiques de notre espace d’étude (Chapitre 7) ; son intérêt repose sur le fait qu’elle permet une bonne appréciation de l’évaluation par utilisation des techniques statistiques multiples ; elle servira donc pour cette étude de test méthodologique. Cette échelle est améliorée par la démarche de la FAO/SMIAR (Chapitre 8), et des analyses CMAP et réanalyses NCEP/NCAR (Chapitre 9) ; en effet, ces méthodes sont traitées d’une part sur la base d’une appréciation spatiale plus large (espace 6° à 12° de Latitude Nord, et 5°à 20° de Longitude Est étudié globalement), et d’autre part sur la base d’une échelle temporelle fine (décadaire et journalière). On pourra donc aisément apprécier l’efficacité de chaque méthode dans l’estimation des pluies par satellite.

Chaque chapitre comporte une introduction qui intègre le rappel du problème par rapport au chapitre, l’objectif du chapitre par rapport à l’ensemble du travail, et l’hypothèse qui l’accompagne. Une méthodologie spécifique décrit la démarche développée pour atteindre les objectifs fixés par le chapitre.

PREMIERE PARTIE
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