Etude des précipitations intenses sur la région Sud de l’Océan Indien

Auteur: Basile Pauthier

Introduction

Le pourtour de l’Océan Indien accueille le tiers de la population mondiale. Les pays concernés dépendent d’une économie basée principalement sur l’agriculture, logiquement vulnérable à la variabilité climatique. La région du Sud-ouest de l’Océan indien malgré la présence d’un CMRS (Centre Météorologique Régional Spécialisé) pour l’étude des cyclones a été peu étudiée  que ce soit en terme de cyclogenèse que pour les conséquences régionales des modes climatiques de large échelle.

L’étude des précipitations est depuis de très nombreuses années une composante principale pour la compréhension du climat. Les océans, de part leurs surfaces et leur caractéristiques propres rendaient difficiles voire impossibles les mesures.  Cette étude est aujourd’hui possible au dessus des océans grâce à l’acquisition de données par satellites.

Les océans sont le lieu de formation de nombreux phénomènes climatiques susceptibles d’avoir un impact sur les sociétés tels que les tempêtes ou les cyclones. Il parait donc important d’étudier précisément les précipitations océaniques et continentales afin d’observer leurs fréquences, leurs intensités et les facteurs les contrôlant. Les événements de précipitations intenses qu’ils soient liés ou non à des phénomènes cycloniques présentent à la fois des effets bénéfiques et préjudiciables pour l’homme. Ces évènements peuvent en effet être favorables à l’agriculture de part l’apport hydrique indispensable qu’ils représentent mais également dévastateurs en cas de trop fortes précipitations.

L’étude qui va être présentée s’intègre dans le programme « LEFE » (Les Enveloppes Fluides et l’Environnement) de l’Institut National des Sciences de l’Univers précisément dans le projet VOASSI (Variabilité Océan-Atmosphère du Secteur Sud-ouest de l’océan Indien) dans lequel le CRC s’est investit. Elle se focalise sur l’identification des zones et des périodes où l’occurrence de pluies intenses est significativement plus importante. Cette étude sera menée sur une zone délimitée par les coordonnées suivantes : 2,5°-27,5° S de latitude, 30°-70°E de longitude. Cette zone permet de couvrir une large surface en incluant une partie continentale afin d’observer les éventuelles précipitations qui peuvent se dérouler.

Il est évident que pour atteindre l’objectif fixé, il sera nécessaire de se focaliser sur d’autres questions comme par exemple :

 A partir de quel seuil peut-on juger les précipitations comme étant intenses ? L’occurrence de ces précipitations est-elle identique d’une saison à l’autre ? Comment les appréhender au dessus des espaces océaniques qui couvrent de très larges surfaces ? Des phénomènes globaux tels que El Niño ou le Dipôle de l’Océan Indien peuvent-ils avoir une influence sur ces événements pluvieux ? L’oscillation de Madden-Julian a-t-elle une influence sur la variabilité intra saisonnière des précipitations intenses ?  Afin de répondre à ces questions, l’étude sera découpée en deux étapes distinctes.

Tout d’abord une présentation détaillée des caractéristiques climatiques de la région d’étude sera réalisée. Ce chapitre théorique est nécessaire pour comprendre le contexte (climat global, circulation atmosphérique, courants océaniques) susceptibles d’avoir une influence sur l’apparition de précipitations.

Par la suite, la description de la démarche de travail permettant de définir les éventuelles zones préférentielles de précipitation sera abordée. La comparaison des données satellite à des données au sol permettra de vérifier leur véracité.

Une analyse composite donnera la possibilité de voir l’influence du phénomène El Niño ainsi que du Dipôle de l’Océan Indien sur les évènements de précipitations intenses sur la zone considérée.

Enfin, une étude de la variabilité intra saisonnière des précipitations intenses sera effectuée grâce à l’analyse de l’influence potentielle de l’Oscillation de Madden Julian sur ces évènements

1.1  Présentation générale du climat du Sud-ouest de l’Océan Indien

L’Ouest de l’Océan Indien est caractérisé par un climat possédant  deux saisons bien tranchées.

Durant l’été, les températures sont élevées mais c’est surtout durant cette saison que la majeure partie des précipitations a lieu. C’est pour cette raison que l’été austral est également appelé saison des pluies.  Ces précipitations sont issues de conditions dépressionnaires, également appelées zone de basses pressions intertropicales, qui ont tendance à migrer vers le sud de l’équateur durant l’été. Cette bande de basses pressions atmosphériques migre de façon différentielle selon la longitude créant ainsi des « thalwegs ».  Un thalweg est observable au niveau du canal du Mozambique, il est expliqué par le fort échauffement marin et créé donc une remontée latitudinale de la zone de basse pression.

Les périodes de « mousson » sont fréquentes durant l’été austral. Cette saison de mousson se déroule sur une zone comprise entre l’équateur et le sud-ouest de Madagascar. Ces événements sont caractérisés par des vents de nord nord-ouest qui avec eux entrainent des masses d’air chaudes, humides et instables qui précipitent des quantités importante d’eau.

Ces vents entrent en contact avec les alizés de sud. Cette convergence provoque de violents courants ascendants, générateurs de fortes pluies : c’est la Zone de Convergence Intertropicale (ZCIT).

L’été austral est également appelé saison des cyclones. La genèse des cyclones et leurs caractéristiques seront développées ultérieurement.

Durant l’hiver austral, la situation est différente. Les conditions atmosphériques sont de nature anticyclonique. L’anticyclone des Mascareignes est particulièrement puissant durant cette période et est situé sur une zone allant entre 25°-30°S et 55°-75°E. Les dépressions polaires sont rejetées loin vers le Sud.

L’hiver austral est une saison sèche durant laquelle l’alizé domine. Quelques dépressions polaires peuvent toutefois atténuer l’anticyclone si elles présentent suffisamment de puissance. Dans ce cas l’alizé faiblit, cependant la soudure entre l’anticyclone mobile post-dépressionnaire et les hautes pressions se fait rapidement.

1.2  Variabilité climatique

1.2.1        Variabilité interannuelle

A l’échelle interannuelle, le phénomène dominant la variabilité climatique sur la planète est El Niño. Malgré le fait qu’il se développe dans l’Océan Pacifique les conséquences de se phénomène se font ressentir sur l’ensemble du globe.

Globalement l’Océan Indien se réchauffe durant une année El Niño, mais du fait des interactions air-mer, les impacts sont prolongés dans le temps.

L’Océan Indien possède également un phénomène de variabilité interannuelle qui lui est propre : le Dipôle de l’Océan Indien (DOI). Du fait de son couplage océan-atmosphère propre à l’Océan Indien, le DOI n’a de conséquences climatiques marquées que sur une échelle régionale.

Xie et al.2002 évoquent une possible influence des anomalies engendrées par El Niño ou le DOI sur le sud-ouest de l’Océan Indien quant à la distribution des cyclones dans cette région. Cependant en raison de l’interdépendance de ces deux phénomènes, certains signaux ayant été reliés à El Niño pourraient être en fait être issus du DOI. Seules de rares études ont essayé de démêler à l’échelle régionale les influences respectives de ces deux modes de variabilité. Un des objectif de cette étude sera donc d’étudier l’influence de ces phénomènes sur le climat régional et notamment sur les précipitations.

1.2.2        Variabilité intra saisonnière

L’Océan Indien est également le théâtre d’un mode de variabilité climatique ayant un pas de temps moins important que ceux évoqués précédemment. L’oscillation de Madden-Julian (OMJ) est présentée comme étant une oscillation de la convection profonde atmosphérique. Cette onde se propage d’ouest en est, le long de l’Equateur, depuis l’Océan Indien jusqu’au Pacifique.

L’influence de l’OMJ sur la température de surface océanique (TSO) dans la région de formation des cyclones a été mise en évidence (e.g Duvel et al. 2004 ; Duvel et Vialard. 2007 ; Vialard et al. 2008) . Son impact sur le développement des cyclones et sur la pluviométrie régionale (Bessafi et Wheeler. 2006 ; Pohl et al. 2007) ont été étudiées et feront l’objet d’une analyse dans cette étude.

1.3  Cyclones tropicaux et cyclogenèse

1.3.1        Fréquence et conditions de Cyclogénèse

Les cyclones tropicaux sont des événements qui nécessitent des conditions particulières pour leur formation. Ces conditions sont à la fois atmosphériques et océaniques. Pour qu’un cyclone se forme, l’océan superficiel doit être à une température d’au moins 28°C. Du point de vue atmosphérique, le cisaillement du vent doit être le plus faible possible, il est nécessaire qu’il y ai une instabilité convective modérée, une circulation cyclonique convergente dans les basses couches et anticyclonique divergente dans les basses couches et que la troposphère soit humide.

Malgré le fait que ces conditions favorables à la formation des cyclones soient connues, les mécanismes à l’origine de la formation des cyclones sont encore incertains. Bessafi et Wheeler (2006) ont notamment montré que l’oscillation de Madden-Julian ainsi que les ondes de Rossby ont une influence sur l’activité cyclonique, cependant ces auteurs tempèrent l’idée qu’un seul facteur puisse être à l’origine d’un phénomène aussi complexe que la cyclogenèse.

1.3.2        Trajectoires et importance des cyclones pour  l’étude des précipitations intenses

Les cyclones sont des événements fréquents sur le sud ouest de l’Océan Indien, particulièrement durant l’été austral ( période novembre-avril). Selon Jury et al. (1992) les cyclones ayant lieu sur cette zone représentent 14% du total mondial annuel.

Les cyclones sont également des phénomènes violents et intenses apportant une grande quantité de pluie.

Le travail qui suit a donc pris en compte les cyclones étant donné qu’ils contribuent fortement aux événements de précipitations intenses. Les trajectoires des cyclones seront un élément important à prendre en compte dans l’étude car elles renseignent sur les zones où des précipitations intenses peuvent être préférentiellement rencontrées. Ces trajectoires indiquent en effet le lieu de naissance du cyclone ainsi que les zones touchées.

2.1  Présentation des données

Les données de précipitations TRMM ( Tropical Rainfall Measuring Mission) sont issues d’un programme conjoint entre la NASA et l’Agence d’Exploration Aérospatiale Japonaise (JAXA) dont le but est d’étudier et de surveiller les précipitations tropicales. Les données TRMM sont issues de trois outils de mesure : le radar de précipitations, l’imageur micro-ondes et les capteurs visibles et infra rouge. La combinaison des ces trois outils de mesure permet une estimation jugée fiable par Adebaya et Nakamura (2002) et Arvor et al (2008).

Le jeu de données précisément utilisé est le jeu 3B42 qui se trouve être le même que Arvor et al pour son étude sur l’apport des données TRMM sur les précipitations au Mato Grosso (2008). Ces données couvrent une période comprise entre le 1er janvier 1998 et le 31 décembre 2010. Elles couvrent une zone située entre 2.5°- 27,5°S de latitude et 30°-70°E de longitude ce qui représente un vaste territoire tout en ayant une résolution de 0,25° de coté pour chaque pixel.

Les données utilisées pour les études de variabilité seront décrites pour chaque analyse.

2.2  Outils de traitement

Les données ont été traitées avec le logiciel Matlab. Il s’agit d’un logiciel de calcul très puissant, qui a permis, différentes analyses statistiques accompagnées de cartographie.

Les tests statistiques utilisés furent :

-Le test T de Student : est un test paramétrique utilisé pour la comparaison de moyennes observées.

La formule du test T est la suivante :

m1 et m2 les moyennes des échantillons.

n1 et n2 les tailles des échantillons.

var1 et var2 les variances des échantillons

Le test T nous sera utile dans l’étude de la variabilité interannuelle notamment pour l’étude de l’influence du phénomène ENSO et du Dipôle de l’Océan Indien sur les précipitations intenses.

-L’ANOVA : est un test statistique permettant l’analyse de la variance de plusieurs échantillons. Ce test s’applique lorsque l’on veut mesurer une ou plusieurs variables explicatives catégorielles (facteurs de variabilité) qui ont une influence sur la distribution d’une variable continue.

L’ANOVA nous sera utile dans l’étude de la variabilité intra saisonnière.

2.3  Validation des données TRMM

Afin de vérifier la validité des données TRMM, elles ont été comparées à des données de précipitations acquises au sol par Météo France au niveau des stations dites des « iles éparses ». Ces données ont été traitées afin qu’elles aient un pas de temps quotidien afin de pouvoir les comparer aux données TRMM.

Les iles éparses sont un groupement de petites iles situées autour de Madagascar. Elles sont constituées de cinq iles : Europa, Tromelin, Juan de Nova, les Glorieuses et Bassas-da-India. La dernière ne sera pas prise en compte car elle n’est pas équipée de relevé de précipitations. Elle sera remplacée par l’ile de Mayotte, elle aussi située dans la zone étudiée, à proximité des Comores.

Le jeu de données mesurées au sol se réparti donc en 5 jeux de données correspondant aux iles précédemment citées.

Afin de pouvoir comparer les données de précipitations TRMM à celles de ces différentes stations, seules les valeurs correspondant aux coordonnées points de grilles les plus proches des stations ont été extraites.

Dans un premier temps les deux jeux de données ont été comparés graphiquement. Le but de cette analyse est d’observer les éventuelles correspondances dans les occurrences de précipitations entre les deux types de données. Un seul graphique sera présenté du fait de la similarité des cinq graphiques obtenus pour les cinq stations.

Les données satellites retranscrivent assez bien les événements pluvieux mesurés au sol. Les seules différences visibles pourraient être au niveau des amplitudes qui sont assez souvent sur ou sous estimées.

Afin de compléter cette analyse il est nécessaire d’y apporter un traitement statistique qui sera effectuée sous forme de tableaux de contingence (tableaux 1 à 5)

(a)    Iles Glorieuses

TRMM/Obs 0 0,1à5 5 à 20 >20
0 2071 489 87 13
0,1à5 378 230 77 23
5à20 95 82 58 17
>20 17 14 19 31
Obs
GLORIEUSES P=1,5016e-190 Chi²=912,1356 corrcoef= 0,37

(b)   Ile de Juan de Nova

TRMM/Mesuré 0 0,1à5 5à20 >20
0 3250 293 58 17
0,1à5 209 117 52 23
5à20 39 74 45 25
>20 5 14 27 54
JUAN P=0 Chi²=2,0464e3 corrcoef=0,6093

 

(c)    Ile de Tromelin

TRMM/Mesuré 0 0,1à5 5à20 >20
0 1518 1129 126 12
0,1à5 427 786 226 24
5à20 58 137 120 58
>20 5 19 37 46
TROMELIN P=2,08e-319 Chi²=1,509e3 corrcoef=0,6093

(d)   Ile de Mayotte

TRMM/Mesuré 0 0,1à5 5à20 >20
0 2529 769 187 42
0,1à5 311 231 115 51
5à20 88 117 88 71
>20 9 26 38 57
MAYOTTE P=1,404e-257 Chi²=1,2229e3 corrcoef=0,6575

(e)    Ile Europa

TRMM/Mesuré 0 0,1à5 5à20 >20
0 2517 716 49 8
0,1à5 189 133 45 12
5à20 20 38 24 21
>20 5 11 16 29
EUROPA P=4,091e-297 Chi²=1,405e3 corrcoef=0,6575

Figure 1(a) à 1(e ) : Tableau de contingence montrant la distribution croisée des données de précipitation TRMM et Météo France. Les colonnes et les lignes décrivent les classes de précipitation (en mm), le corrcoef donne le coefficient de corrélation entre les deux types de données

Les tableaux de contingence comparent les valeurs obtenues par satellite et par mesures au sol en les classant par intensité de précipitation. Si les deux méthodes étaient parfaitement identiques quant aux résultats obtenus, une diagonale de valeurs serait observée au niveau du tableau du fait de la correspondance parfaite des valeurs des deux colonnes.

Afin de compléter ce tableau, un coefficient de corrélation a été calculé et un test du chi² a été effectué. L’hypothèse nulle du test du chi² était : « il n’existe pas de différence entre les deux échantillons ».

Une probabilité « P » à également été calculée. L’hypothèse nulle correspondante était identique à celle du chi²

Compte tenu des résultats obtenus pour les deux test et compte tenu du coefficient de corrélation, il est clairement visible que H0 n’est pas rejetée, il n’existe donc pas de différence entre les deux échantillons. Il est possible que ces excellentes relations soient dues au fait que les données TRMM ont été corrigées par les valeurs des mesures au sol, mais il confirme également la grande fiabilité des données satellites.

3.1   Définition des précipitations intenses

L’étude des précipitations « intenses » nécessite d’établir une valeur seuil. Cette valeur à été fixée à 70,38 mm ce qui correspond au 99ième percentile de la série de données TRMM, laquelle avait auparavant traitée afin de retirer les valeurs nulles ou manquantes afin d’isoler les jours de pluie.

Ces valeurs ont été par la suite scindées en deux groupes afin d’isoler la saison dite des cyclones (novembre-avril) de la saison « sèche » (mai-octobre) suivant la méthode employée par Bessafi et Wheeler (2005).

Le 99ième percentile a été utilisé afin d’éliminer les valeurs faibles de précipitations pour identifier la valeur correspondant aux plus fortes précipitations enregistrées. Ce seuil a été appliqué pour tous les points de grilles, cependant la valeur du  99ième percentile peut différer fortement de cette valeur.

Ainsi tous les jours où les valeurs étaient supérieures au seuil ont pu être prises en compte pour l’étude de la répartition spatiale des pluies  ainsi que pour celle du nombre de jours de précipitations intenses.

 3.2 Répartition spatiale des précipitations

Le nord et l’est de Madagascar sont les zones les plus arrosées en terme de cumul de pluie avec des valeurs supérieures ou égales à 2000 mm de pluie durant l’été austral. La ZCIT et la région des grands lacs sont également les témoins d’un fort cumul de pluies avec des valeurs supérieures à 1000mm.

Le fort cumul de précipitations observé au niveau de Madagascar s’explique par le fait que les reliefs de cette île créent une barrière naturelle. Ceci oblige ainsi les systèmes à prendre de l’altitude, donc à perdre de la chaleur, facilitant donc la condensation et par là même les précipitations. Il est également important de souligner que l’île de Madagascar est située au cœur des trajectoires préférentielles des cyclones.

Le fort cumul de précipitations au niveau de l’axe de la Zone de Convergence Intertropicale (Jury et Pathack 1991) a été décrit comme étant issu de la convergence entre des vents de nord nord-ouest avec des alizés venant du sud provoquant ainsi des fortes pluies.

Les précipitations lors de la période de Mai à Octobre sont globalement beaucoup plus faibles. Les seuls cumuls importants se déroulent principalement au niveau de la ZCIT avec des cumuls de pluies supérieurs ou égaux à 1000mm.

Afin de compléter cette analyse il a paru important d’observer si la géographie des pluies intenses présentent des similarités avec les cumuls de pluies.

Lors de la période Novembre-Avril, la répartition géographique des forts cumuls observés au niveau de Madagascar est semblable à celle du nombre de jours de pluies intenses . Cela peut s’expliquer par le fait que Madagascar subit chaque année le passage de cyclones qui apportent de fortes précipitations.

Le faible nombre de jours de pluies intenses observé au niveau de la ZCIT aurait tendance à nous indiquer que les pluies dans cette zone ne dépassent que rarement le seuil de 70,38 mm durant une année. Les pluies se déroulant dans ce secteur ne sont donc que rarement intenses mais se doivent d’être fréquentes pour atteindre un tel cumul.

3.4  Synthèse

Grâce à l’étude des précipitations intenses, nous avons pu mettre en évidence des zones que l’on pourrait qualifier comme étant « à risques ». En effet les cartes obtenues ont permis d’identifier Madagascar comme étant une zone fortement arrosée. Ceci est probablement du au fait que cette ile, durant l’été, se situe au moins pour sa partie Nord dans la zone de basse pressions intertropicales. Il règne dans cette zone des conditions dépressionnaires qui comme nous avons pu l’observer apportent beaucoup de précipitations. De plus, Madagascar étant une île sur laquelle le relief est marqué, les ascendances orographiques provoquent un refroidissement de l’air, une condensation de l’eau et donc des précipitations parfois violentes. On observe clairement le thalweg décrit dans le chapitre 1 au niveau du canal du Mozambique.

La seconde zone observée comme étant particulièrement sujette aux précipitations intenses est la zone de convergence intertropicale (ZCIT). La ZCIT est le lieu de confluence du flux de mousson  apportant de l’air chaud et humide venant du Nord et les alizés venant de l’est créant ainsi une forte ascendance occasionnant de forte pluies.

L’étude à venir sur la variabilité des précipitations intenses essaiera de démontrer l’influence des différents grands phénomènes climatiques sur ces précipitations dans le but de comprendre par quels phénomènes sont-elles dirigées.

4.1  Etude de la Variabilité interannuelle du nombre d’évènements intenses.

Dans un premier temps afin d’avoir une vision de la variabilité interannuelle des précipitations intenses il a semblé logique de recenser année par année, sur la période étudiée (1998-2010), les évènements quelle que soit leurs localisations dans la région d’étude.

Le découpage en deux saisons a été appliqué sur ces données afin d’obtenir un nombre d’événements correspondant à l’été austral (période novembre-avril) ainsi qu’a l’hiver austral (période mai-octobre).

Pour ce faire, nous avons réutilisé la valeur seuil de 70,38 mm afin de ne garder que les valeurs de précipitations intenses. Les données une fois filtrées ont été séparées entre été austral et hiver austral afin de présenter la variabilité interannuelle de chaque saison.

Il est important de souligner que le jeu de données TRMM débute en 1998 mais l’été austral débutant étant à cheval entre deux années (novembre-avril), nous n’avons pu présenter les résultats qu’à partir de l’année 1999 (premier été austral disponible). Par soucis de comparaison, les résultats pour l’hiver austral ont également été traités à partir de l’année 1999.

Le nombre d’évènements ayant lieu durant l’été austral est largement supérieur à celui de l’hiver austral.

Cependant le nombre d’évènements intenses varie annuellement pour les deux saisons, durant l’été austral les valeurs oscillent entre 125 000 et 250 000 évènements, pour l’hiver austral ces valeurs oscillent entre 3100 et 7900 évènements. Cette variabilité est globalement synchrone pour les deux saisons, cela implique un mode de contrôle à l’échelle annuelle.

Cela justifie l’étude des influences des grands phénomènes dominants la variabilité climatique mondiale sur la variabilité climatique régionale.


4.2  Etude de la Variabilité interannuelle: influences du phénomène El Niño et du Dipôle de l’Océan Indien.

4.2.1  Impact de l’ENSO sur les précipitations saisonnières.

Les années El Niño ont été recensées à partir des données du National Oceanic and Atmospheric Administration Prediction Center. La base de données utilisée est l’indice « NINO3 » présentant les températures de surface de l’Océan Pacifique tropical Est (5°N-5°S, 150°W-90°W) de 1948 à nos jours.

Afin de travailler sur la même période que celle fournie par le jeu de données TRMM, il a été nécessaire de faire une extraction de données allant du 1er janvier 1998 au 31 décembre 2010 sur le fichier NINO3.

La variabilité du phénomène El Niño (ENSO) étant à l’échelle interannuelle, il a été nécessaire de moyenner les données mensuelles du fichier NINO3 afin d’obtenir une moyenne saisonnière.

Ces moyennes ont été par la suite classées par ordre croissant de valeur afin d’extraire les trois moyennes les plus élevées (années El Niño 2003, 2007 et 2010) ainsi que les trois moyennes les plus faibles (années La Niña 1999, 2000 et 2010).

Les moyennes ont été ainsi classées dans le but de faire une analyse composite en séparant les années El Niño des années La Niña. Le principe d’une analyse composite est de filtrer les données d’un fichier grâce à des informations extérieurs (ici l’indice NINO3) afin de pouvoir observer l’influence de ces informations. L’objectif de cette analyse étant in fine d’observer d’éventuelles différences au niveau du cumul de précipitations entre ces deux types d’années.

Les résultats obtenus seront présentés sous forme de cartes puis soumis à analyse statistique par le biais d’un test de Student comparant les cumuls saisonniers de pluie.

Les cartes montrent les différences de cumul de pluie durant l’été austral entre les années El Niño et La Niña. On remarque clairement, que durant les années El Niño les précipitations sont de loin plus importantes sur Madagascar et l’ITCZ. Ces observations sont confirmées par les résultats du test T qui montre bien que les précipitations sur le nord et l’est de Madagascar ainsi que sur la majeur partie de l’ITCZ sont significativement supérieures.

Nous retrouvons ici la zone de trajectoires des cyclone qui aurait tendance à être plus marquée durant la phase El Niño. Ceci pourrait être  du à la forte température de surface de l’Océan durant une année El Niño, condition indispensable à la formation de cyclones.

 Outre l’occurrence de cyclones, la forte température de surface de l’Océan engendre plus de mouvements convectifs (sources de précipitations) et d’évaporation qui, logiquement, se transforme en précipitations en prenant de l’altitude (uplift naturel ou orographique).

Le test T  montre bien que la région du canal du Mozambique est significativement plus arrosée durant les phases La Niña tout comme pour le sud de ce pays.

L’étude des précipitations revêt ici également un aspect social dans le sens où en fonction des phases El Niño les populations, majoritairement issues d’un milieu agricole vont avoir tendance à souffrir ou non d’épisodes de sécheresse.

4.2.2 Etude de l’impact du phénomène El Niño sur les précipitations intenses.

Les fréquences d’évènements pluvieux intenses (déterminés comme précédemment à partir du 99ième percentile) ont été soumise à une analyse composite identique à celle précédente afin d’isoler les valeurs correspondant aux deux phases de l’ENSO.

Le nombre moyen de jours de pluies intenses (JPI) pour chaque points de la zone d’étude est ensuite cartographié.

Un test T sera également effectué afin de déterminer les zones où les phases de l’ENSO ont une influence significative.

Les pluies intenses présentent des différences en fonction de l’ENSO. Durant la phase El Niño, les précipitations intenses ont tendance à apparaitre principalement au niveau des côtes est et Nord de Madagascar, ainsi que sur une bande de 1500km de large à l’Ouest de Madagascar.

Durant les phases La Niña, les précipitations intenses se concentrent plus sur le Golfe de Beira dans le canal du Mozambique.

On peut observer par comparaison entre les deux cartes un décalage vers le sud de l’ITCZ durant les phases El Niño.

Les différences observées peuvent être interprétée grâce au fait reconnu que durant une année El Niño, l’Océan Indien a tendance à se réchauffer. La température de surface de l’océan étant une des conditions nécessaire à la formation des cyclones, il peut sembler logique que ces derniers, ainsi que les perturbations les plus actives se développent plus facilement durant les années El Niño et donc apportent plus de précipitations. Les précipitations observées sur cette dernière correspondent globalement aux trajectoires préférentielles des cyclones.

Ces différences peuvent également être issues d’un décalage spatial de la Zone de Convergence du Sud de l’Océan Indien (SIOCZ) qui aurait tendance à se décaler vers l’est durant les phases El Niño provoquant des précipitations au niveau de Madagascar, puis à stationner plus à l’ouest au niveau de l’Afrique du Sud durant les phases La Niña provoquant les précipitations observées sur le Golfe de Beira.

Malgré les différences visibles sur ces deux cartes, les résultats apportés par le test T  ne montrent que peu de différences significatives entre ces deux phases de l’ENSO.

Ceci peut être du au fait que seules trois années El Niño et La Niña ont été choisies pour effectuer l’analyse composite.

Les précipitations intenses sur la région étudiée se déroulent principalement sur la période allant de novembre à avril.

Les rares événements se déroulant durant l’hiver austral se situent tous au niveau de l’ITCZ.

Une fois encore les résultats du test de Student cherchant à révéler une différence quant à l’occurrence d’évènements intenses entre phase El Niño et La Niña ne sont que rarement significatifs. Ceci est probablement du aux même problème que ceux évoqués précédemment.

Cette étude à donc mis en évidence la différence quant au nombre de jours de précipitations intenses entre été et hiver austral mais n’a pas permis de voir une réelle influence de l’ENSO. La faible significativité des test sur la région d’étude implique qu’un ou plusieurs autres phénomènes sont en jeu dans la régulation de ces évènements. L’étude d’un phénomène plus régional comme le Dipôle de l’Océan Indien permettra peut être d’observer une influence plus nette.

4.2.3  Etude de l’impact du DOI sur les précipitations saisonnières.

Le Dipôle de l’Océan Indien (DOI) se caractérise par des phases positives et négatives.

Les phases du DOI sont établies par différence entre les températures de surface à l’ouest et à l’est de l’Océan Indien. La phase positive du DOI avec à l’ouest de l’Océan Indien la zone de forte température de surface (SST) et en bleu la zone de faible SST. Dans ce cas, des précipitations plus intenses ont lieu à l’ouest de l’ Océan Indien et les alizés se renforcent.

La phase négative avec une zone chaude sur l’est Indien et l’ouest Pacifique et une zone froide sur l’ouest Indien.  Dans ce cas, c’est dans l’est de l’Océan Indien et dans l’ouest de l’Océan Pacifique que les précipitations augmentent (source Jamstec).

Les données décrivant le DOI ont été obtenues par le Jamstec ( Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology).

Elles ont été traitées afin de couvrir la période du 1er janvier 1998 au 31 décembre 2010 afin de pouvoir travailler sur la même période que les données TRMM. Ces données ont par la suite été mise sous forme de cumul de pluie afin d’observer les totaux saisonniers. Seul l’été austral (novembre à avril) est considéré.

La variabilité du DOI étant interannuelle, les indices ont été traités afin d’obtenir un indice moyen annuel. Ces indices ont, comme pour les indices ENSO, été classés afin de retenir les trois années ayant les indices positifs les plus forts (2003, 2007 et 2010) et les trois indices négatifs les plus faibles ( 1999, 2005 et 2006).

Ce classement à permis d’effectuer une analyse composite entre année DOI positif et DOI négatif. Le but de cette analyse est comme pour celle de l’ENSO d’observer s’il existe une influence de ces types d’années sur les cumuls de pluie saisonniers. Ces résultats seront comme précédemment soumis à un test de Student afin d’observer l’influence du DOI sur le cumul de pluie.

Les années EL Niño sont identiques aux années où le DOI est positif. L’analyse composite donne donc une carte identique. Cependant la comparaison avec les années où la phase est négative est possible dans le sens où elles ne correspondent pas avec les années La Niña.

Les précipitations observées durant les phases négatives se situent au niveau des mêmes secteurs que pour les phases positives. Cependant, durant ces dernières, les cumuls se révèlent être supérieurs. Cela peut s’expliquer par le fait que durant les phases positives du DOI, la température de surface de l’Océan Indien est plus élevée au niveau de notre zone d’étude. Ces températures de surface élevées peuvent être à l’origine de mouvements convectifs apportant in fine de précipitations.

 Les zones de la ZCIT, du nord et de l’est de Madagascar sont ici encore identifiées comme étant des secteurs où les précipitations sont plus fortes durant les phases positives, tout comme le Kenya et le Nord du Mozambique.

Les rares zones où les précipitations sont significativement supérieures durant les phases négatives se situent dans le canal du Mozambique.

La phase positive du DOI est donc un facteur influant sur les précipitations saisonnières durant l’été austral. L’analyse suivante tâchera d’observer si cette phase possède la même influence sur les précipitations intenses.

4.2.4  Etude de l’impact du Dipôle de l’Océan Indien sur les précipitations intenses.

Les cartes qui vont être présentées représentent la répartition du nombre moyen de jours de pluies intenses en fonction des phases de DOI.

 Lors du tri effectué pour isoler les trois années où le DOI était le plus fort durant l’été austral, il s’est révélé que les années correspondantes étaient identiques à celles où le phénomène El Niño l’était également. La carte obtenue pour les années DOI positif est donc identique à celle obtenue pour les phases El Niño. Les années correspondant aux phases La Niña et DOI négatif n’étant pas identiques, une comparaison est donc possible.

Lorsque le Dipôle de l’Océan Indien est en phase positive, les jours de précipitations intenses sont plus nombreux que lors des phases négatives.

Les zones préférentielles de précipitations qui ont été précédemment observées comme le golfe de Beira par exemple.

Ces observations sont confirmées par le test T  Les jours de pluies sont donc significativement plus nombreux lors des phases positives du DOI. Cette observation est particulièrement vraie pour la zone de trajectoires préférentielles des cyclones (cf figure 1).

Ce résultat peut être néanmoins nuancé par le fait que l’échantillon sur lequel nous avons basé la sélection des années où le DOI était positif est relativement restreint.

Ces observations peuvent être expliquées par le fait que durant une phase positive du DOI la température de surface de l’Océan Indien est supérieure à l’Ouest et inférieure à l’Est. La zone étudiée étant située à l’Ouest et une forte température étant propice à la formation de précipitations voire de cyclones, il parait logique que durant les phases positives de DOI les précipitations intenses soient plus nombreuses.

Elle nettement plus de différences significatives que lors de l’étude de l’influence de l’ENSO sur le nombre moyens de JPI.

Cela tend à indiquer que les précipitations intenses observées sur la région d’étude sont davantage liées à l’effet direct des températures de l’océan Indien qu’à d’éventuelles téléconnexions atmosphériques avec l’Océan Pacifique.

L’hiver étant une saison généralement sèche il parait logique de ne voir apparaitre que peu de JPI. De plus le mode dipolaire de l’Océan Indien est encore mal défini durant l’hiver austral, les résultats obtenus ne peuvent donc pas être représentatifs.

Les résultats du test T observés  montrent une tendance inverse à ceux observés. Cependant, la non significativité du fait du très faible nombre de jours de pluies peut biaiser le test. Les résultats affichés ne peuvent donc pas être pris en considération.

Les précipitation intenses se déroulent généralement durant l’été austral et bien que leur intensité varient, les zones touchées restent globalement identiques d’une année sur l’autre.

L’étude de la variabilité interannuelle a permis de mettre en évidence l’importance du Dipôle de l’Océan Indien dans la régulation des évènements pluvieux intenses. Les JPI étant généralement plus nombreux durant les phases positives du DOI que durant les phases négatives.

4.2.5  Synthèse.

L’étude de la variabilité interannuelle a permis de constater que les grands modes de variabilité climatique des océans Pacifique et Indien ont des influences à diverses échelles.

En effet l’étude préalable des précipitations  à permis de voir que l’ENSO et le DOI avaient une influence marquée notamment sur la ZCIT et sur l’île de  Madagascar

L’étude portant sur les précipitations intenses a révélé une moindre influence du phénomène ENSO alors qu’elle a révélé une influence notable du DOI.

Ces phénomènes globaux sont important pour la compréhension de la genèse et de l’occurrence des évènements intenses. Ceux-ci ont un impact marqué sur les populations qui sont à la fois dépendantes de la pluie mais aussi très vulnérables aux évènements violents.

L’étude d’un phénomène plus régional comme l’oscillation de Madden-Julian permettra de décrire le comportement des évènements pluvieux à l’intérieur des différentes saisons de pluies, qui n’ont pas nécessairement un comportement homogène sur toute leur durée.

 4.3  Etude de la variabilité intra saisonnière des précipitations intenses: influence de l’Oscillation de Madden-Julian.

4.3.1  L’Oscillation de Madden-Julian

L’oscillation de Madden-Julian (OMJ) est un phénomène tropical qui prend la forme d’une onde qui se propage d’ouest en est, le long de l’Equateur, depuis l’Afrique jusqu’au Pacifique. Cette onde possède une période qui oscille entre 30 et 60 jours (Pohl, 2007).

L’oscillation se caractérise par 8 phases correspondant chacune à une position du maximum de convection le long de l’équateur.

Ces oscillations sont observables via plusieurs paramètres atmosphériques tels que le vent, l’altitude géopotentielle, la pression et les précipitations.

Elles se caractérisent également par leurs amplitudes. Des indices décrivant l’amplitude et la phase de l’OMJ sont publiées par le Bureau of Meteorology du gouvernement Australien. C’est à partir de ces données quotidiennes que l’étude de l’oscillation va être effectuée.

Dans un premier temps les valeurs d’amplitude de l’oscillation ont été triées afin de retirer les valeurs considérées par le Bureau of Meteorology comme trop faibles. La valeur seuil de 1 a donc été retenue ( B Pohl,2007).

Les données TRMM ont été également filtrées afin de ne prendre en compte que l’été austral (novembre-avril) période durant laquelle la majeur parties des précipitations intenses ont lieu.

Les valeurs d’amplitude ainsi filtrées, nous avons présenté sous forme de cartes les nombres de jours de précipitations intenses enregistrés par TRMM en fonction des 8 phases de l’OMJ.

Les résultats présentés seront sous forme d’écarts à la moyenne en fonction des phases de l’OMJ.

Une analyse de variance sera par la suite effectuée afin d’observer si des différences significatives sont observées entre les différences phases de l’OMJ.

4.3.2  Etude de l’influence de l’Oscillation de Madden-Julian sur les précipitations intenses.

L’écart à la moyenne du nombre de jours de précipitations intenses en fonction des phases de l’OMJ. On peut observer une variation dans le nombre de JPI entre les différentes phases. Les pluies intenses ont tendance à être plus fréquentes entre les phases 1 et 2 puis à décroitre progressivement jusqu’à la phase 6 puis à raugmenter. Ceci tend à être en accord avec le cycle de l’OMJ décrit par Wheeler et Hendon.

De plus on remarque que lors des phases dont la position est à proximité de la zone d’étude (principalement 1 et 2), le nombre de jours de pluies intenses est largement au dessus de la moyenne.

Une différence d’occurrence des précipitations intenses entre l’océan et le continent est également visible. On remarque en effet que dans toutes le phases les JPI sont globalement plus présent au niveau de l’Océan Indien que sur le continent Africain.

L’étude statistique effectuée par ANOVA révèle de nombreuses différences quant au nombre moyen de jours de pluies intenses sur la zone étudiée. Ces différences sont située principalement au niveau du canal du Mozambique ainsi qu’à la périphérie de l’île de Madagascar.

Néanmoins, la carte reste assez « bruitée », cela est probablement lié au faible nombre d’évènements considérés. L’utilisation du 90ième ou 95ième percentile aurait-elle donnée des structures spatiales plus lissées ?

4.3.3 Synthèse

L’étude de l’oscillation de Madden-Julian a permis d’observer le cycle intra saisonnier des précipitations intenses sur la zone d’étude. Les précipitations intenses sont également plus intenses sur la zone étudiée quand l’OMJ est dans une phase active.

De plus grâce à l’étude statistique nous avons pu voir que le nombre moyens de jours de pluies intenses variait effectivement.

La connaissance de la variabilité intra saisonnière des précipitations intenses complète donc les observations faites sur la variabilité interannuelle en ajoutant des données ayant un pas de temps plus fin. Ces observations ouvrent une perspective dans la prévision des précipitions intenses, l’OMJ étant observée en temps réel par le bureau of meteorology.

Sur la période 1998-2010, les données de précipitations TRMM ont enregistré de nombreux évènements de précipitations intenses. L’étude a permis de confirmer le fait que ces évènements se déroulent principalement durant l’été austral appelé également saison des pluies.

Le travail présenté a également mis en avant la répartition des précipitations qu’elles soient saisonnières ou intenses et ce dans le but d’observer les zones les plus touchées. Cette répartition spatiale a permis de mettre en avant le lien qui existe entre précipitations intenses et phénomènes climatiques régionaux. Deux secteurs se sont détachés de part les forts évènements pluvieux qu’ils connaissent : Madagascar et la Zone de Convergence Intertropicale.

L’étude de la Variabilité des précipitations intenses à permis d’observer l’influence des différents grands phénomènes climatiques. Le travail portant sur la variabilité interannuelle a montré que le   phénomène El Niño a une influence significative sur les précipitations saisonnières sans toutefois présenter une influence notable sur les précipitations intenses. Ce résultat peut être le fruit d’un problème d’échantillonnage lors du classement des années ENSO ou le témoin de l’influence plus marquée d’autre phénomènes globaux.

Cette étude a permis néanmoins de mettre en évidence l’influence du Dipôle de l’Océan Indien sur la variabilité interannuelle des précipitations intenses. En effet on a pu remarquer que durant l’été austral une phase positive du DOI était favorable au développement de précipitations intenses sur les secteurs identifiés comme étant fréquemment sujet à ces évènements. Cette analyse a également permis de mettre en évidence le lien entre températures de surface de l’Océan Indien et précipitations intenses alors qu’elle aurait tendance à discréditer une éventuelle interconnexion atmosphérique des ces précipitations avec l’Océan Pacifique. Elle a également mis en avant la possibilité d’une influence cyclonique sur les précipitations intenses.

Enfin le travail portant sur la variabilité intra saisonnière à permis d’identifier un cycle dans l’occurrence des évènements intenses. Ce cycle correspond aux différentes phase de l’Oscillation de Madden-Julian. La connaissance de cette variabilité complète les observations faites à des échelles de temps plus importantes et ouvrent une perspective quant à la prévisibilité de ces évènements à échelle fine.

Le but du projet VOASSI dans lequel ce travail est intégré est de connaitre l’origine des  précipitations et de les classer en fonction des différents évènements intenses déjà connus  tels que les cyclones ou les tempêtes tropicales par exemple. Cette étude à permis d’observer les facteurs de régulation de ces évènements, il serait donc bon de compléter ce travail par des études visant à différentier les précipitations intenses entre ces types d’évènements.

La région étudiée est de part la population qu’elle abrite, très vulnérable aux précipitations intenses. L’étude des facteurs régulateurs de ces évènements est indispensable à leur prévision. Cette étude a révélé l’influence de certains grands phénomènes climatiques ainsi que l’origine possible de ces précipitations. Toujours dans l’objectif de prévoir ces évènements, il serait indispensable de quantifier et de modéliser l’influence de ces phénomènes afin de pouvoir prémunir les populations contre ces phénomènes violents.

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  • Auteurs inconnus, 1973, Les Conditions générales du climat de Madagascar, revue de géographie de Madagascar, volume 22, p 1-9
  • Pohl B, 2007, L’Oscillation de Madden-Julian et la variabilité pluviométrique régionale en Afrique Subsaharienne, thèse.

Copyright: Basile Pauthier

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