Simulations multi-échelles de la saisonnalité des vagues de chaleur et des pluies de mousson en Afrique de l'Ouest

Multi-scales simulations of Monsoon rains and heat waves seasonality in West Africa

• Auteur / Autrice : Fatoumata Binta Diallo
• Direction : Frédéric Hourdin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 26/03/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Janicot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Rio, Françoise Guichard, Thierry Lebel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arona Diedhiou, Marc Mallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues de chaleur

Moussons

Aérosols atmosphériques

Afrique occidentale

Climatologie

Mots clés libres

Afrique de l'Ouest

AMMA-CATCH

Aérosols

Vagues de chaleur

Pluies de mousson

Modèle global

Bilan d'énergie

West Africa

AMMA-CATCH

Aerosols

Heat waves

Monsoon rains

Climate modelling

Energy balance

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude du climat de l'Afrique de l'Ouest à l'aide du modèle global développé à l'Institut Pierre Simon Laplace et des observations principalement acquises pendant la campagne d'Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine AMMA. Les travaux de la thèse visent plus spécifiquement à améliorer la représentation du climat ouest africain par la réduction des biais relevés dans l'exercice d'inter-comparaison des modèles couplés CMIP5 provenant en particulier des interactions atmosphère-surface, dans l'objectif de mieux prédire la distribution des pluies sur la région mais également des événements extrêmes tels que les vagues de chaleur. Les résultats ont montré que la représentation de la saisonnalité des températures et des précipitations en Afrique de l'ouest était altérée par de forts biais sur le bilan d'énergie à la surface et la circulation de grande-échelle ( positionnement latitudinale des éléments clés de la mousson). La première partie du travail consiste à mettre en place une technique d'évaluation basée sur deux protocoles expérimentaux et visant à : i) distinguer les biais dus à la circulation de ceux dus au bilan d'énergie à la surface , ii) faciliter l'exploitation des données sur sites, iii) isoler l'effet des paramétrisations. Dans cette partie, les biais sur la circulation et le le bilan d'eau sont illustrés. L'importance de l 'utilisation des techniques de guidage des vents horizontaux pour l'exploitation des mesures sur sites et pour l'analyse de l'effet des paramétrisations du modèle en Afrique de l'ouest est mise en lumière. Les données in-situ sont ensuite utilisées afin: 1) d'identifier les biais sur le bilan d'énergie, 2) relier ces biais aux défauts des paramétrisations utilisées dans le but de trouver des pistes d'amélioration. Grâce à cette étude, un certain nombre de problèmes, comme une mauvaise spécification de l'albédo de sol nu et des différents types de plante ou des "bug" sur le fonctionnement dans le couplage entre inertie thermique et humidité des sols, ont été identifiés. Certains sont dorénavant corrigés dans les versions récentes du modèle développées pour l'exercice CMIP6. Aussi dans ce manuscrit, nous montrons les progrès réalisés grâce à cette méthodologie sur la représentation du bilan d'eau et d'énergie, ainsi que les problèmes qui subsistent. Enfin, La dernière étude rassemble les travaux sur le rôle des aérosols dans la représentation du climat ouest africain et dans la mise en place des vagues de chaleur. Dans cette partie, nous avons introduit des poussières interactives avec la météorologie et calculé leur impact sur la représentation du bilan d'énergie à la surface. Puis, dans le cadre de l'ANR ACASIS, nous avons étudié la vague de chaleur de 2010. Ce travail nous a permit de mettre en exergue le lien entre les aérosols et l'augmentation de l'eau précipitable au printemps et de démontrer par ce fait l'importance des aérosols dans la représentation des vagues chaleur. Pour finir, nous avons abordé la question du couplage dynamique-physique à l'aide d'un nouveau protocole expérimental et à travers l'analyse de l'impact des aérosols sur les pluies de mousson.

This thesis deals with the study of the climate of West Africa using the global model developed at the Pierre Simon Laplace Institute and observations mainly acquired during the Multidisciplinary Analysis campaign of the African Monsoon AMMA. The work of the thesis aims more specifically at improving the representation of the West African climate by reducing the biases observed in the intercomparison exercise of coupled models CMIP5, in particular from atmosphere-surface interactions, with the aim of better predict the distribution of rainfall over the region but also extreme events such as heat waves. The results showed that the representation of seasonality of temperatures and rainfall in West Africa was altered by strong biases on the surface energy budget and large-scale circulation (latitudinal positioning of the key elements of the monsoon). The first part of the work consists of implementing an evaluation technique based on two experimental protocols and aimed at: i) distinguishing the biases due to the circulation of those due to the energy budget at the surface, ii) facilitating the exploitation of data on sites, iii) isolating the effect of parameterizations. In this section, the biases on circulation and water budget are illustrated. This study first demonstrates the great interest of the nudging method for the confrontation of a GCM with station data and for analyzing the effect of model parameterizations in West Africa. Then, The in-situ data are used to: 1) identify the biases on the energy budget, 2) link these biases to the defects of the parameterizations used in order to find ways to improve. With this study, a number of problems, such as a poor specification of bare soil albedo and different plant functional type or "bug" in the coupling between thermal inertia and soil moisture have been identified . Some are now corrected in recent versions of the model developed for the CMIP6 exercise. Also in this manuscript, we show the progress achieved through this methodology on the representation of the water and energy budget, as well as the remaining problems. Finally, one of the major aims of this study is the work on the role of aerosols in the representation of the West African climate and in the setting up of heat waves. In this part, we introduced a representation of dust interactive with meteorology and calculated its impact on the representation of the energy budget at the surface. Then, in the framework of the ANR ACASIS, we studied the heat wave of 2010. This work allowed us to highlight the link between aerosols and the increase of precipitable spring water and to demonstrate by this is the importance of aerosols in the representation of heat waves. Finally, we discussed the issue of dynamic-physical coupling using a new experimental protocol and through the analysis of the aerosols impact on monsoon rains.