Analyse de la variabilité multi-échelles du rayonnement solaire incident sur la façade atlantique de l'Afrique Centrale : observations in-situ, estimations satellitaires, et simulations climatiques CMIP6

Analysis of multi-scale variability of incoming solar radiation on the Atlantic coast of Central Africa : in-situ measurements, satellite estimates and CMIP6 climate simulations.

• Auteur / Autrice : Amine Ouhechou
• Direction : Nathalie Philippon, Béatrice Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 26/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Hingray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fatima Driouech, Sylvain Bigot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Blanc, Nadège Martiny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Afrique centrale

Satellites scientifiques

Rayonnement solaire -- Mesure

Rayonnement solaire

Mots clés libres

Cycles diurnes

Estimations satellitaires

Afrique Centrale

Simulations CMIP6

Rayonnement solaire incident

Diurnal cycles

Satellite estimates

CMIP6 simulations

Incoming solar radiation

Central Africa

Résumé

L'Afrique centrale occidentale abrite les forêts les plus denses du bassin du Congo, deuxième plus grand massif forestier tropical après l’Amazonie. Elle se caractérise par un climat équatorial avec des températures élevées, un régime pluviométrique bimodal et surtout une longue saison sèche nuageuse, de juin à septembre. Malgré son importance écologique, la variabilité climatique de cette région a été peu étudiée par rapport à d'autres régions du continent africain, principalement en raison de la rareté des observations in-situ.Reconnaissant ces défis posés par le manque de données in situ, cette étude explore la variabilité climatique en Afrique centrale occidentale sous l’angle du rayonnement solaire en surface, paramètre clef pour le fonctionnement des forêts tropicales. Dans ce contexte, cette thèse s’attache à établir une première climatologie du rayonnement solaire en surface pour la région, à en documenter la variabilité, en particulier durant la saison sèche nuageuse de juin à septembre, et à évaluer la performance des produits satellitaires, des réanalyses et des simulations des modèles climatiques CMIP6.Dans une première partie, une évaluation de huit produits satellitaires d’estimation du rayonnement solaire (CERES-EBAF, CERES-SYN1deg, TPDC, CMSAF SARAH-2, CMSAF CLARA-A2, CAMS-JADE, WorldClim 2 et les réanalyses ERA5), révèle des différences dans les champs spatiotemporels. Tout en capturant avec succès les cycles annuels moyens de rayonnement solaire, les produits présentent des variations régionales, soulignant l'impact des paramètres atmosphériques sur l'estimation précise du rayonnement solaire. En outre, tous les produits à l’exception de WorldClim 2 s’accordent sur le fait que la façade atlantique reçoit moins de rayonnement solaire que les autres régions d’Afrique Centrale. La performance de ces produits est également évaluée par rapport aux observations in-situ sur la base de quatre types de cycle diurne de rayonnement solaire - les jours Obscurs, Obscurs AM (matin), Obscurs PM (après-midi) et Lumineux. Les produits représentent correctement la forme de ces quatre types, mais avec une amplitude plus grande.La deuxième partie se concentre sur l’étude de la variabilité interannuelle et les tendances du rayonnement solaire pendant la saison sèche nuageuse juin-septembre, mettant en évidence des différences marquées entre le produit satellitaire CMSAF SARAH-2 et la réanalyse climatique ERA5. Dans cette partie, l’étude a également permis d’identifier les dates de début et de fin de la saison sèche à partir du rayonnement solaire, et en établissant une relation significative entre les températures de surface de l'océan Atlantique équatorial et le début de la saison sèche.Dans la dernière partie, la capacité des modèles climatiques globaux CMIP6 à reproduire les niveaux moyens de rayonnement solaire dans la région a été évaluée. Les résultats soulignent des disparités sous-régionales dans la performance des modèles. Les modèles utilisés dans cette étude sous-estiment le rayonnement solaire au sud-ouest du Gabon-Congo tandis qu’ils le surestiment au nord-est, principalement d’avril à décembre. Les différences les plus importantes étant observées pendant la saison des pluies octobre-novembre. Ces disparités semblent provenir de la nébulosité, en particulier des nuages de basse et moyenne altitude, qui influencent de manière significative le rayonnement solaire mais avec des relations variables selon les modèles. Cette partie met également en évidence la téléconnexion entre la température de surface de l’océan Atlantique équatorial et le rayonnement solaire dans les modèles, mais qui varie entre le littoral et l’intérieur du Gabon, soulignant la nécessité de travailler avec des modèles climatiques régionaux mieux résolus.

Western Central Africa, home to the densest forests of the Congo Basin - the second largest tropical forest massif after Amazonia - is characterized by an equatorial climate with high temperatures, a bimodal rainfall pattern and, a long and cloudy dry season from June to September. Despite its ecological importance, the climate variability of this region has been less studied compared with other parts of the African continent, mainly because of the scarcity of in-situ observations.Recognizing these challenges posed by the lack of in-situ data, this study explores the climate variability in Western Central Africa through the lens of surface solar radiation, a key parameter for the functioning of tropical forests. In this context, this thesis aims to establish an initial climatology of surface solar radiation for the region, to document its variability, particularly during the cloudy dry season from June to September, and to assess the performance of satellite products, reanalyses and CMIP6 climate model simulations.In the first part, an evaluation of eight satellite products for estimating solar radiation (CERES-EBAF, CERES-SYN1deg, TPDC, CMSAF SARAH-2, CMSAF CLARA-A2, CAMS-JADE, WorldClim 2 and ERA5 reanalysis) reveals differences in the spatiotemporal fields. While successfully capturing mean annual solar radiation cycles, the products show regional variations, highlighting the impact of atmospheric parameters on the accurate estimation of solar radiation. In addition, all the products except WorldClim 2 agree that the Atlantic coast receives less solar radiation than the other regions of Central Africa. The performance of these products is also assessed against in-situ measurements based on four types of solar radiation diurnal cycle - Obscure, Obscure AM (morning), Obscure PM (afternoon) and Bright days. The products correctly represent the shape of these four types, but with a larger amplitude.The second part focuses on studying the interannual variability and trends in solar radiation during the June-September cloudy dry season, highlighting notable differences between CMSAF SARAH-2 satellite product and ERA5 reanalysis. The study also made it possible to identify the onset and cessation dates of the dry season based on solar radiation, and establishing a significant relationship between surface temperatures of the equatorial Atlantic ocean and the onset of the dry season.In the final part, the capacity of CMIP6 global climate models to reproduce average levels of solar radiation in the region was assessed. The results highlight sub-regional disparities in model performance. The models used in this study underestimate solar radiation in the south-west of Gabon-Congo, while they overestimate it in the north-east, mainly from april to december. The largest differences were observed during the october-november rainy season. These disparities seem to be caused by cloud cover, in particular low- and medium-level clouds, which have a significant influence on solar radiation, although the relationship varies according to the models. This section also highlights the teleconnection between the surface temperature of the equatorial Atlantic ocean and solar radiation in the models, which varies between the coastal and inland areas of Gabon, underlining the need to use regional climate models.