cycles saisonnier et diurne au Sahel

motivations
bilan radiatif de surface et thermodynamique:
cycles saisonnier et diurne
au Sahel [1°W, 15°N]
les flux énergétiques à la surface et les basses couches atmosphériques jouent un rôle
important dans la mousson
≠ échelles spatiales et temporelles
des mécanismes d'interaction surface-atmos. variés, mal quantifiés voire mal connus
des schémas d'explication parfois basés sur des modélisations académiques
hypothèses vraiment radicales (e.g. albedo, Charney 1975, sans offense!)
besoin de jalons pour tester la vraisemblance des mécanismes ainsi identifiés et de les
quantifier précisément dans le temps et l'espace
les modélisations à grande échelle + complexes montrent un grand désaccord sur les signes même
des rétro-actions simulées (Dirmeyer 2007)
des observations pour guider la modélisation et son interprétation
facteurs contrôlant les flux de surface et leurs variations
relations entre température potentielle équivalente (θe), flux et précipitations
1ère étape : analyse des cycles saisonnier et diurne de θe et du rayonnement net (Rnet) fournies par
des données de station météo – (1) information utile mais inexistante, (2) intérêt d'ordre climatique
(forte variabilité saisonnière & interannuelle).
aux

site du
Gourma
(Mougin et al.)

LA PLUIE
station météo automatique
⊂ capteurs de rayonnement
(SW, LW, PAR, PAR diffus)
2002 -> présent
photomètre (aeronet):
eau précipitable
epaisseurs optiques aérosols
adapté de
Frappart
et al. (2008)

composite précipitations Agoufou 2002,2003,2005,2006
juin juillet août septembre , autres couleurs=autres mois
gamme de
valeurs
durée

cycle saisonnier
utilisation de 2003 : année pluvieuse (peu de données manquantes)
maximum de température en mai, suivant l'arrivée du flux de mousson
associé à une forte réduction du Tmax-Tmin (effet de serre)
réchauffement modeste alors que l'ensoleillement est maximum (advection)
T2m etonnamment peu fluctuant et similaire d'une année a l'autre à des échelles de 10 jours
minimum de température au moment du 2 nd minimum de l'angle zénithal solaire
humification progressive, fortes fluctuations diurne de qv à l'arrivée et au retrait de la mousson

cycle saisonnier
flux de mousson moins fort et qui s'amincit au fur et à mesure de la saison
(cohérent avec les sondages de Niamey notamment)
rôle du cycle saisonnier du heat low & de la position re lative du site / celle du heat low

cycle saisonnier
cohérent avec les données de la station, maximum de vent en juin avant les pluies
(coups de vent reliés aux évènements convectifs)

cycle saisonnier
maximum d'épaisseur optique des aérosols (AOT) en juin
mais AOT encore forte en juillet

cycle saisonnier
La combinaison des cycles saisonniers de de T et q :
conduit à un “saut” de thetae en début de mousson
modère les variations de thetae pendant la mousson [qv faible, T fort] versus [q fort,T faible]
forte réponse de RH aux évènements précipitants jusqu'à fin juillet (pics)
augmentation de thetaemax-thetaemin de juin a fin aout

variations saisonnières des cycles diurnes
chute de T et de l'amplitude de son cycle diurne de mai à septembre
découplage radiatif de la surface avec l'atmosphère (LWnet) réduit, augmentation du vent la nuit
passage d'un cycle diurne de qv plat en mars a plat en aout passe par une transition longue (max le
matin en mai, max le matin et min l'après-midi en juin à min l'apres-midi en juillet (et septembre)

variations saisonnières des cycles diurnes
Cette transition longue du cycle diurne de qv a un fort impact sur le cycle diurne de thetae
passage d'un max de thetae sec à un max de thetae humide en aout seulement...

cycle saisonnier des flux radiatifs
Rnet = LWin - LWup + SWin – SWup
Rnet ~ H+LE
“flux de thetae”
(en moyenne/temps > 24h)
forte variation saisonnière
pourquoi/comment

cycle saisonnier des flux radiatifs
forte variations de SWin mais distinctes de celle de Rnet, min en juin avant la pluie
chute de l'albedo pendant la mousson (rôle de la végétation)

20°N
18°N
albedo satellite MODIS moyenne [10°W,0°]
(shortwave, white sky, ∆t=16 jours, , ∆x,∆y~1km)
adapté de
Samain et al. (2008)
16°N
0.30
14°N
0.20
12°N
10°N
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
dry very wet very dry wet
late
∆t = 16jours : ne permet pas une restitution précise des extréma, variations interannuelles rabotées
• gradient méridien : 0.02-0.03 / ° latitude (zone sahélienne)
• ≠ des cycles saisonniers: minimum + tardif + au sud, structures - abruptes à 12-13°N
(10-12°N : feux nov-déc , 12-16°N : ≠ paturages / cultures )
• albedo décroît moins vite apres une mousson pluvieuse (effet mémoire via pailles & litières)

cycle saisonnier des flux radiatifs
LWup et T2m fortement corrélés
en juin max de LWin correspond au min de SWin (chauffage radiatif de l'atmos. + opaque)
LWin décroît de juin à sept. alors que qv,RH augmentent et que les nuages sont + nombreux
pas intuitif, implique un refroidissement de cette atmosphère continentale

Les variations de LWnet
sont reliées à celles de
l'eau atmosphérique

cycle saisonnier des flux radiatifs
Balance partielle entre les fluctuations de Swnet et de LWnet
SWnet fort en saison sèche malgré un albedo ~.35 mais surface chaude et faible opacité de
l'atmosphère
situation inverse en saison humide
augmentation de SWnet de juin à mi-sept. rôles de l'albedo et du forçage radiatif eau/aerosols
mais toujours pas de schéma simple rendant compte de la variation saisonnière de Rnet...

cycle saisonnier des flux radiatifs
... décomposition en flux incident / flux réfléchi et émis
l'augmentation de Rnet s'explique essentiellement
par la diminution de SWup+LWup de juin a mi-sept
ne signifie pas que les nuages & aérosols ne réduisent
pas le flux solaire incident!
“albedo nuages-aérosols” à la surface :
[ SWin / SWin_ciel_clair] ~ 20-25%

synthèse fonctionnement de mousson valeurs journalières JJAS 2002 à 2007
radiatif
thermodynamique

thermodynamique :
importance du cycle diurne et de ses transformations

couplage radiatif thermodynamique
cohérent avec d'autres sites, études
(Betts 2004, Schär et al. 1999)
mais élargi à de nouvelles gammes
de valeurs
SWnet ne diminue pas
qd Plcl plus bas (RH augm.) thetae et Rnet >0 corrélés
spécifique des zones semi-arides
(rôle moindre des nuages/d'autres facteurs)
sans entrer dans le détail: cohérent avec une rétroaction > 0 humidité du sol-convection mais pas
avec certains arguments mis en avant dans des études précédentes
(e.g. Eltahir 1998, Schär et al 1999, relations nuages/LWin, humidité du sol/albedo)
couplage eau-énergétique:
rôle majeur du cycle de l'eau via ses effets sur le LWup, la végétation

travail en cours, perspectives
variabilité interannuelle
analyse le long du transect de mesure
évaluation/diagnostics modèles

cohérent avec ce qui précède mais semble différent de la variabilité récente à des échelles de temps
plus longues observée sur le Sahel

cross sites et années sur le Gourma
moyenne JJAS
(W.m-2)
Precipitation (mm.decade-1)

perspectives, travail en cours
variabilité interannuelle
analyse le long du transect de mesure
évaluation/diagnostics modèles

OBSERVATIONS
Bamba
Agoufou
Wankama
Oueme
day of year 2006
day of year 2006
Obs from Timouk et al, Cappelaere et al, Galle et al.

ECMWF IFS
from ECMWF MARS archive

signature évènement convectif
Samain et al. (2008) pour l'albedo
bilan énergétique et thermo plus complète