Mise en évidence d’un cycle de la vapeur d’eau durant la saison sèche en Afrique de l’Ouest

Mardi, 12 mai 2015

Des chercheurs du Laboratoire d’optique atmosphérique (LOA, Université Lille 1, CNRS) et du Laboratoire d’aérologie (LA/OMP, UPS / CNRS) ont pour la première fois analysé en détail toutes les données recueillies par un radiomètre micro-onde profileur mis en place à Niamey en Afrique de l’Ouest durant la campagne internationale AMMA en 2006. Ils ont ainsi pu montrer que, contrairement à ce que l’on pensait, même pendant la saison sèche, la vapeur d’eau de la troposphère connaît un cycle de 24 heures caractérisé dans les basses couches par des nuits sèches et des jours plus humides.

La vapeur d’eau est l’un des gaz atmosphériques les plus importants : il contribue à l’effet de serre, il est une source de dégradation des télécommunications qui s’effectuent à travers l’atmosphère et il joue un rôle décisif dans la formation des nuages et des précipitations. C’est donc un gaz dont il est important de connaître avec précision les variations spatiales et temporelles.

Au Sahel, en Afrique de l'Ouest, la météorologie est réglée alternativement par deux régimes de vent :

  • l'Harmattan, de novembre à avril, qui est un vent sec et chaud provenant du Sahara, au nord-est ;
  • un flux humide de mai à octobre, issu du golfe de Guinée, au sud-ouest, et associé à la mousson (très fortes pluies de juillet à septembre).

Pour le premier régime, on parle de saison sèche et pour le second de saison humide.
La météorologie de l'Afrique de l'Ouest a fait l'objet de beaucoup d'études et de campagnes de mesure. La dernière de ces campagnes fut, en 2006, la campagne internationale AMMA (Analyse multidisciplinaire de la mousson africaine), dont le but était de mieux comprendre les mécanismes contrôlant la mousson. Durant AMMA, de nombreuses mesures furent effectuées, notamment par des radiosondages et des stations GPS.

Parmi les instruments de mesure utilisés lors de cette campagne, l'un d'eux a particulièrement intéressé une équipe de chercheurs du LOA et du LA. Il s’agit du radiomètre micro-onde profileur (MWRP - Microwave radiometer profiler) du réseau américain ARM (Atmospheric radiation measurement) qui avait été installé, pour l’occasion, à Niamey (Niger), où la climatologie est caractéristique de l'Afrique de l'Ouest. Bien que ce radiomètre présente le grand avantage de fournir des profils verticaux de vapeur d'eau et de température dans la troposphère, à très haute résolution temporelle (14 s), personne n'en avait encore analysé en détail les données sur toute l’année 2006.

En analysant les données recueillies en continu tout au long de l'année 2006 par cet instrument, les chercheurs ont pu tout d'abord distinguer clairement les deux saisons, sèche et humide, lesquelles se sont avérées être respectivement caractérisées par une humidité absolue(1) de l'ordre de 3 g m-3 et de 15 g m-3. Pour chacune d'elles, ils ont pu établir pour la première fois des séries temporelles (mois par mois) très détaillées de la température et du contenu en vapeur d'eau entre le sol et 6 km d'altitude et ainsi mettre en évidence l’évolution de la structure verticale de ces deux grandeurs.

Mars 2006 (saison sèche) à Niamey : (a) cycle moyen du contenu en vapeur d'eau (Mv) entre le sol et 6 km d'altitude [SR (sunrise) et SS (sunset) correspondent respectivement au lever et au coucher du soleil] ; (b) valeur moyenne du contenu en vapeur d'eau (IWV) intégré sur la colonne verticale entre 0 et 1,4 km d'altitude (courbe bleue), entre 1,4 et 6 km d'altitude (courbe rouge) et somme des deux (courbe noire). C’est ainsi qu’ils ont pu découvrir l'existence tout au long de l'année, et donc surtout pendant la saison sèche, d'un cycle moyen de la vapeur d'eau d’une durée de 24 heures. Ce cycle est caractérisé par une alternance de nuits sèches et de jours plus humides dans les basses couches de la troposphère (entre 0 et 1,4 km d'altitude) et par une alternance inverse aux altitudes plus élevées (entre 1,4 et 4 km d'altitude).
Les chercheurs ont également pu montrer que le contenu total en vapeur d'eau de la colonne d’air analysée (entre le sol et 6 km d'altitude) restait constant tout au long de ce cycle de 24h, seule la répartition de la vapeur selon l’altitude se modifiant au cours du temps.

Ce résultat est très original car on pensait jusqu'à présent – et cela semblait être une conclusion définitive tirée de la campagne AMMA(2) – qu'un tel cycle n'existait au Sahel que pendant la saison humide, précisément de mai à juillet. Il apporte un élément de connaissance important pour la compréhension de la météorologie de l'Afrique de l'Ouest, que les prévisionnistes vont pouvoir utiliser dans leur modèle pour la prévision du temps dans la région. Ce résultat met en outre en évidence que le radiomètre micro-onde est un instrument essentiel pour la description temporelle hyperfine des phénomènes troposphériques.

Les chercheurs ont également montré que ce cycle est principalement contrôlé par des flux nocturnes d'air sec de basses couches venant du nord-est. Néanmoins, l'utilisation du modèle FLEXPART devrait permettre de quantifier les flux de vapeur d’eau impliqués dans le cycle découvert et ainsi de déterminer les contributions précises des différentes sources de vapeur d’eau (provenance locale due au fleuve Niger, à l’évaporation des sols et de la végétation et/ou provenance extérieure).

Note(s): 
  1. Le contenu en vapeur d'eau, ou humidité absolue Mv (en g m-3), est la grandeur pertinente du point de vue physique.
  2. Le fait que ce cycle de la vapeur d'eau en saison sèche soit passé inaperçu s'explique par le fait que les mesures d’humidité effectuées pendant AMMA n’étaient pas adaptées à l’analyse détaillée de l’évolution à très petite échelle temporelle du contenu en vapeur d’eau de la troposphère. Les stations GPS par exemple ne permettent de mesurer que le contenu intégré en vapeur d’eau de la colonne d’air, lequel donne un signal constant pendant la saison sèche. Quant aux radiosondages, ils ne furent effectués que quatre fois par jour et ne fournissaient pas l’humidité absolue mais l’humidité relative (masse de vapeur d'eau dans un certain volume d'air rapportée à la masse d'air sec dans le même volume) qui dépend en outre de la température. Regarder les variations d’humidité relative rend presque imperceptibles les variations du contenu en vapeur d’eau de la troposphère. Sans le radiomètre micro-onde, il est donc difficile d’observer nettement un cycle de 24h de la vapeur d'eau en saison sèche. Pour la saison humide, c'est plus facile car les quantités absolues de vapeur d'eau impliquées sont plus grandes, donc les variations plus aisées à observer.
Source(s): 

V. Louf, O. Pujol, H. Sauvageot, J. Riédi: Seasonal and diurnal water vapour distribution in the Sahelian area from microwave radiometric profiling observations. Quart. J. Roy. Meteo. Soc. DOI: 10.1002/qj.2550

Contact(s):
  • Olivier Pujol, LOA
    olivier [dot] pujol [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 33 60 05

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