IMPACT DES SYSTEMES NUAGEUX DANS L HUMIDIFICATION DE LA TROPOSHERE LIBRE TROPICALE

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1 Lemaître Cyndie Master 2 ème année ICE Année UVSQ IMPACT DES SYSTEMES NUAGEUX DANS L HUMIDIFICATION DE LA TROPOSHERE LIBRE TROPICALE

2 Remerciements Je remercie tout d abord Hervé de Feraudy et Danièle Hauser de m avoir reçue au sein de leur établissement, ainsi que tout le personnel du département (ABM) qui m a accueillie très chaleureusement et qui, chacun à leur manière, m a permis de mener à bien ce stage. J aimerais ensuite remercier tout particulièrement Hélène Brogniez pour m avoir encadrée et guidée efficacement à travers les diverses embûches rencontrées au cours de ce travail. Je souhaite enfin remercier les personnels du LMD (Laboratoire de Météorologie Dynamique) en particulier Rémy Roca et Karim Ramage qui ont suivi le déroulement de mes travaux et ont mis à ma disposition les données exploitées lors de ce stage. 2

3 Résumé Ce stage avait pour objectif la caractérisation du rôle des nuages et de la convection dans l hygrométrie de la troposphère libre des régions tropicales. Il a pour contexte le projet AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) consacré à l étude de la Mousson Africaine. Il s insère dans les nombreux travaux dédiés à la compréhension des processus qui régissent la distribution de la vapeur d eau de ces régions. Les retombées attendues de ce projet sont une estimation de l implication des nuages dans les variations d humidité de la troposphère tropicale. Cette caractérisation a pu être réalisée en documentant les propriétés hygrométriques de la haute et moyenne troposphère en relation avec les propriétés des systèmes nuageux (pression au sommet des nuages, classification des nuages). Les différentes analyses effectuées au cours de ce travail montrent une humidification de la troposphère libre africaine par la convection nuageuse. Il semble cependant que la convection nuageuse ne soit pas la seule raison de cette humidification. Ces analyses devront être complétées dans l avenir par l exploitation des mesures acquises lors du projet AMMA afin de comprendre la raison des variations d humidité de la troposphère. Elles devront également être étendues à d autres années afin de vérifier le caractère systématique de cet impact. Durant ce stage, j ai pu me familiariser à la programmation informatique exploitant différents type de langage tel que le FORTRAN, l IDL ou encore le langage PYTHON pour les calculs statistiques réalisés dans ce travail. Abstract This internship aimed at characterizing the role of clouds and of convection in the hygrometry of the free troposphere in tropical areas. Its context was the AMMA project (Multidisciplinary Analyses of African Monsoon) devoted to the study of the African Monsoon. It dedicated to the comprehension of processes which govern the distribution of water vapour. The awaited repercussions of this project are an estimation of these clouds in humidification. This characterization was carried out by documenting the hygrometric properties of the upper and middle troposphere in relation to those of cloud systems (pressure, classification of the clouds).the various analyses carried out during this work show a humidification of African free troposphere by convection. It seems however that convection is not the only reason of this humidification. These analyses will have to be supplemented in the future by the exploitation of the measurements acquired during the AMMA project in order to understand the reason of variations of humidity. They will have also to be extended to other years in order to check the systematic character of this impact. During this training course, I familiarized with data processing exploiting different languages such as FORTRAN, the IDL or the language PYTHON for the statistical calculations carried out in this work. 3

4 Sommaire Sommaire... 4 I. INTRODUCTION... 5 II. VAPEUR D EAU ET CONVECTION Rôle de la vapeur d eau dans l équilibre radiatif Lien avec la convection... 7 III. CONTEXTE DE L ETUDE La mousson AMMA Données MSG Modèle de transport utilisé Démarche suivie Les outils V. EXPLOITATION ET RESULTATS Etude spatiale de UTH et FTH : échelle hebdomadaire Relation humidité/convection à un instant donné Evolution temporelle de la relation humidité/convection Rôle du transport VI. CONCLUSION Bibliographie Tables des illustrations Annexes

5 I. INTRODUCTION L objectif de ce stage est d évaluer l influence des systèmes convectifs sur les propriétés hygrométriques de la troposphère libre tropicale en relation avec leurs caractéristiques spatiales telles que la pression au sommet des nuages ou la classification des nuages, dans le cas particulier de la mousson africaine. La troposphère libre tropicale (15 à 20 Km au-dessus des régions tropicales), considérée dans ce travail, est la couche atmosphérique comprise entre la couche limite planétaire et la tropopause couvrant l ensemble des zones tropicales. Pour réaliser cette étude une analyse statistique des observations réalisées lors de la campagne AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) est faite. Cette analyse s appuie sur les données disponibles du satellite Meteosat Seconde Génération (à partir de 2000), qui permettent d accéder aux propriétés hygrométriques (humidité relative) de la moyenne et de la haute troposphère. Ce travail s insère dans un ensemble de travaux réalisés au CETP qui vont de la documentation fine des propriétés microphysiques et radiatives des systèmes nuageux, à la modélisation numérique et conceptuelle de ces systèmes en passant par l étude des processus d interactions d échelles mis en oeuvre dans la mise en place de la mousson et dans le cycle de vie des systèmes nuageux et précipitants constituant cette mousson. Dans la suite de ce rapport, les données utilisées pour la réalisation de cette étude ainsi que les méthodes d analyses développées dans ce travail pour les exploiter et les analyser sont présentées. Ensuite des exemples d applications sur des cas considérés comme représentatifs de la mousson 2006 sont exposés et une analyse des résultats statistiques obtenus est réalisée. Pour finir les perspectives de cette étude sont abordées. Auparavant, quelques éléments concernant le rôle de la vapeur d eau dans l équilibre radiatif et les liens existant avec la convection ainsi que des généralités sur la mousson africaine et la campagne AMMA sont fournis. Mon laboratoire d accueil est le CETP, Centre d étude des Environnements terrestre et planétaires sous la direction de Hervé de Feraudy, directeur, et Danièle Hauser, directrice adjointe. Ce laboratoire, situé à Vélizy est sous la tutelle du CNRS et de l université de Versailles Saint Quentin (UVSQ). Ses travaux de recherche concernent l environnement proche de la terre (surface terrestre, atmosphère) et les corps célestes du système solaire (planètes, comètes). 5

6 Le CETP développe trois thèmes de recherche principaux : Le cycle de l eau, les interactions et échanges entre les surfaces continentales océaniques et l atmosphère, la formation et la structure des systèmes précipitants. L interaction entre le vent solaire et les objets du système solaire : planètes, comètes Le développement de techniques de mesure et d analyse («Recherches et Développement») en hyperfréquences et de champs électromagnétiques. Mon département d accueil, appelé ABM (Atmosphère Basse et Moyenne), s'intéresse aux phénomènes météorologiques à mésoéchelle des latitudes moyennes et tropicales et à leur effet sur les circulations de plus grande échelle. Ses travaux de recherche ont pour objectif l'étude des processus physiques et leur prise en compte dans les modèles météorologiques ou climatiques. Ils portent sur deux grands types de phénomènes : ceux qui posent des problèmes de prévision, qualifiés d'extrêmes du fait de leur conséquences économiques et humaines, et ceux qui jouent un rôle essentiel dans le contrôle du climat. Ces travaux s'appuient sur des campagnes d'observations nationales ou internationales. L'observation des phénomènes météorologiques par radar et radiomètre au sol, aéroportés ou spatiaux est la spécialité du département. L'exploitation scientifique de ces campagnes s'effectue grâce à des techniques d'inversion d'observations et d'assimilation dans des modèles numériques à mésoéchelle. 6

7 II. VAPEUR D EAU ET CONVECTION 2.1 Rôle de la vapeur d eau dans l équilibre radiatif La vapeur d eau est connue pour être un constituant central du climat de la planète Terre du fait de son impact radiatif important et de son rôle majeur dans les rétroactions climatiques (Held, Soden (2000)). La vapeur d'eau est le principal absorbant du rayonnement électromagnétique dans de larges domaines de l'infrarouge thermique (situés principalement entre 5,5 µm et 7,5 µm et audelà de 25 µm) : elle constitue ainsi, et de loin, l'acteur principal de l effet de serre (les autres gaz à effet de serre étant le dioxyde de carbone, le méthane, les oxydes d azote, l ozone, les aérosols, et les halocarbones). Ce rôle central est amplifié dans le contexte du réchauffement climatique. Il est actuellement estimé que la rétroaction de la vapeur d eau double la sensibilité du climat au réchauffement (IPCC 2001) : on sait aujourd hui que la température moyenne de l atmosphère terrestre augmente et que cette élévation induite par la production anthropique de gaz à effet de serre doit se poursuivre dans les années qui viennent (IPCC (2007) chapitres 2 et 3). Cette augmentation a pour conséquence de permettre à l atmosphère de contenir plus de vapeur d eau (démontré par la relation de Clausius Clapeyron) ce qui accroît encore l effet de serre et constitue ainsi une boucle de rétroaction positive. Enfin, la vapeur est une des sources principales d énergie de la convection : la condensation de la vapeur d eau permet la réalisation de la convection profonde et la formation des nuages aux latitudes tropicales. A priori plus de vapeur d eau induit une augmentation de la couverture nuageuse dont la rétroaction reste encore mal connue (IPCC 2007). 2.2 Lien avec la convection L impact de la convection sur le contenu en vapeur d eau troposphérique est encore très controversé malgré les nombreuses études réalisées jusqu à maintenant. La distribution de l humidité de la haute troposphère tropicale serait influencée plus ou moins directement par l activité convective : par exemple, Lindzen (1990) suggère que l augmentation de la convection nuageuse, dont la rétroaction est aujourd hui identifiée comme la plus grande source d incertitude sur les scénarios climatiques, pourrait assécher la haute troposphère dans les régions environnantes par augmentation des subsidences induites par les tours convectives. D autres études quant à elles mettent en évidence une corrélation positive entre la convection profonde et l humidité de la haute troposphère (UTH=Upper Tropospheric Humidity). 7

8 Ainsi Chung et al. (2003) et Sassi et al. (2001) ont montré que les régions de nuages froids (convectifs ou non) coïncident avec des régions de forte humidité relative de la haute troposphère avec des variations verticales et temporelles identiques. D autre part, Soden et Fu (1995) ont constaté qu une augmentation de la convection tropicale est associée à un accroissement de l humidité relative de la haute troposphère, confirmé par Udelhofen et Hartmann (1995) qui montrent à l aide du satellite GOES, que l humidité relative de la haute troposphère (UTH) décroît de 44% à 75% d humidité au bord du nuage pour atteindre une valeur constante, de seulement 11% à 15%, caractérisant l environnement du nuage. Des études plus statistiques ont également été réalisées telle que celle de Sun et Oort (1995). Cette étude révèle une structure bimodale de la distribution de l humidité relative dans la haute troposphère interprétée en terme d humidification par les processus de dissipation et mélange du nuage avec l environnement, et un assèchement des zones environnantes par les subsidences provoquées par refroidissement radiatif. Des travaux plus récents ont tenté de préciser ces processus de dissipation et de mélange. Ainsi Soden (2004) montre que les cirrus au sommet des tours convectives humidifient ou assèchent la haute troposphère selon qu ils sont en phase de croissance ou de dissipation. La phase de croissance correspond à un transport important d humidité dont une partie est utilisée pour générer le cirrus et l autre partie pour augmenter l humidité de la haute troposphère. Cette étude écarte comme explication des variations d humidité, le processus d évaporation du cirrus (dissipation et mélange) largement proposé par d autres auteurs (Sun et Lindzen (1993)) car leur contenu en glace ne peut permettre d expliquer l humidification observée. On voit donc que le lien entre vapeur d eau troposphérique et systèmes nuageux est complexe Pour obtenir une représentation de qualité du cycle de la vapeur d eau dans les modèles de climat (Held et Soden (2000)), essentielle à la réalisation de bons scénarios climatiques, il est donc encore nécessaire de réaliser des travaux de documentation de ce lien afin de mieux le comprendre et pour mieux représenter les mécanismes régissant la distribution de l humidité dans la moyenne et haute troposphère. 8

9 III. CONTEXTE DE L ETUDE 3.1 La mousson Le système de mousson, essentiellement continental, est généralement décrit comme un changement de direction des vents de surface au passage de l équateur. La signature principale de cette mousson (Redelsperger et al (2002)) est la zone de convergence intertropicale (ITCZ), trace au sol du point de rencontre entre l harmattan (vents de nord-est provenant du Sahara et transportant de l air chaud et sec) et les alizés (vents de sud ouest provenant de l océan Atlantique et transportant de l air plus froid et humide) comme représenté sur la figure 1. Cette zone suit le maximum d ensoleillement. Figure 1: Schéma représentatif de la mousson tiré du site AMMA International La mousson est caractérisée par des systèmes pluviogènes divers, isolés, organisés en amas ou structurés en lignes (appelés «lignes de grains») qui se propagent rapidement d est en ouest et donnent lieu à de violentes pluies. Ces derniers systèmes peuvent s étendrent sur plus de 1000 Km selon un axe nord-sud et plusieurs centaines de kilomètres selon un axe est-ouest avec une zone active (en terme de vent ascendant et de pluie) ne dépassant pas une trentaine de kilomètres. Les masses d air chaudes et souvent très humides, que les alizés transportent, se trouvent soulevées par ces systèmes convectifs qui forment la façade ascendante des cellules de Hadley. 9

10 3.2 AMMA La mousson africaine joue un rôle important dans le système climatique de notre planète, l Afrique tropicale étant l une des principales sources de chaleur d origine continentale des circulations atmosphériques planétaires. Elle peut donc avoir des conséquences indirectes sur le climat de régions plus éloignées. L objectif principal de la campagne AMMA est d améliorer les connaissances nécessaires à l amélioration de la prévision de la mousson, de sa variabilité et de ses impacts sur la vie des populations telles que les ressources végétales, les ressources en eau et la santé. Pour ce faire, AMMA a mis en place un réseau dense d observations pour mieux appréhender les interactions entre l atmosphère, la biosphère et l hydrosphère qui gouvernent la mousson africaine. La carte de la figure 2 suivante donne les différentes zones de mesures réalisées lors d AMMA sur l Afrique de l Ouest. Les deux sites principaux de mesures de cette campagne sont localisés autour de Niamey (8 N- 12 N et 5 W-10 E) et de Dakar (14 N-18 N et 20 W-5 W) (zone encadrée en rouge). Figure 2: Carte représentant les différents sites d'observations de la campagne AMMA tiré du site de l IRD de Bretagne. 10

11 IV. LES DONNEES / LES OUTILS Lors de ce stage deux types de produits satellites ont été exploités : ceux concernant les propriétés hygrométriques de la troposphère et ceux caractérisant les systèmes nuageux. Un modèle de transport a également été utilisé. 4.1 Données MSG La distribution d humidité dans l atmosphère est traditionnellement observée à l aide de radiosondages lâchés depuis les stations météorologiques formant le réseau global d observations. Cependant leur distribution spatiale est fortement concentrée dans les régions habitées et particulièrement dans l hémisphère nord ne couvrant que très peu les zones tropicales. L observation satellitaire permet de pallier cette faiblesse par exemple au-dessus de l Afrique de l ouest et notamment les satellites géostationnaires européens Meteosat observant cette région depuis 1983 avec une haute résolution spatiale et temporelle. Les satellites de Seconde Génération (MSG 1 et 2 depuis 2002) ont à leur bord le radiomètre imageur appelé SEVIRI fonctionnant dans le visible et l infrarouge. Ce radiomètre produit plus de données que ses prédécesseurs (Météosat première génération), avec des résolutions spatiales, temporelles et spectrales plus poussées (1km au sol contre 2,5km; images toutes les 15 minutes au lieu d une demi heure; 12 bandes de fréquences différentes soit 4 fois plus que Meteosat I; voir Annexe 1). Toutes les images produites par SEVIRI sont sous forme numérique et permettent d obtenir les températures de brillance. Afin d interpréter ces images, en variable géophysique, il est nécessaire de prendre en compte les différents processus qui peuvent contribuer à ou affecter ces températures comme par exemple les profils thermodynamiques de l atmosphère, angle de visée, présence de nuages (fins ou épais), etc Il est ainsi possible d obtenir différents paramètres ou produits, concernant l humidité de la moyenne et de la haute troposphère, appelée par la suite respectivement FTH (Free Tropospheric Humidity) et UTH (Upper Tropospheric Humidity). Pour les nuages, on peut aussi en déduire des grandeurs telles que pression et température au sommet du nuage, hauteur moyenne, et type de nuages (cirrus, nuage haut, bas...) Les données vapeur d eau Les canaux C5 et C6 de SEVERI fournissent des estimations de l humidité et du contenu en eau de la troposphère. Ces canaux observent le rayonnement émis par la vapeur d eau de deux couches de la troposphère dans deux bandes spectrales centrées autour de 6,2 µm (UTH) et 7,3 µm (FTH). 11

12 Figure 3: Images prise dans le canal vapeur d'eau 6,2 µm provenant de MSG 1 (7 mars 2007) Dans les cas de ciel clair, c'est-à-dire en absence de nuages moyen ou haut, la luminance METEOSAT des canaux 5 et 6 donne une mesure de l humidité de la haute et moyenne troposphère. La figure 3 donne un exemple d observation du canal 5 : les zones foncées sont des masses d air sèches tandis que les zones claires sont des masses d air très froides associées à des régions de nuages de hautes altitudes. Dans ce cas la température de brillance (température apparente d'un corps noir déterminée à l'aide d'un radiomètre) mesurée peut être convertie en humidité relative moyenne d une couche particulière de la troposphère, en utilisant une modélisation du transfert radiatif (Annexe 2) qui permet d interpréter aisément le rayonnement total mesuré dans les bandes de forte absorption de la vapeur d eau (6,2 µm et 7,3 µm) (Brogniez (2004) et Soden, Bretherton (1993)). La figure 4 permet de situer les couches observées par ces deux canaux pour un profil d atmosphère standard : à 6,2 µm (courbe rouge), la couche observée est située approximativement entre 200hPa et 500hPa (UTH) tandis que à 7,3 µm (courbe bleue) la couche est comprise 300hPa et 600hPa (FTH). Figure 4: Représentation de la fonction de poids dans canaux 6,2 µm (UTH, en rouge) et 7,3 µm (FTH, en bleu) pour un profil tropical standard d humidité relative (pointillé) observé au nadir. 12

13 L altitude du maximum de ces fonctions poids dépend essentiellement du profil vertical d humidité. Plus le profil est sec, plus le canal (C5 ou C6) sonde bas dans l atmosphère et plus le profil est humide plus il sonde haut Les données nuages L analyse des autres canaux de SEVIRI (8,7 µm, 10,8 µm, 12 µm) permet de déterminer les propriétés intrinsèques des nuages ainsi que leurs propriétés morphologiques comme leur taille et leur altitude. Dans ce travail seront utilisés la pression au sommet du nuage et le type des nuages pour caractériser la nébulosité. Le type de nuage dépend de leur épaisseur optique (exemple semi transparent ). Trois catégories de nuages seront considérées : les nuages hauts pour une pression inférieure à 440hPa, les nuages bas pour une pression supérieure à 680hPa et les nuages moyens pour une pression comprise entre 440hPa et 680hPa. Ces trois classes de nuages reprennent la classification produite par l ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project La détection des zones nuageuses repose sur une série de tests seuillés qui supposent une couverture totale des pixels nuageux. 4.2 Modèle de transport utilisé En complément des analyses concernant le lien direct entre la convection et l humidité, au cœur de ce travail, un modèle de rétro-transport a été utilisé afin de proposer un mécanisme expliquant les variations d humidité qui ne semblent pas reliées aux variations de la convection. Ce modèle de rétro-trajectoire est un modèle Lagrangien d advection condensation développé par Pierrehumbert (1998). La variation d humidité spécifique q au cours du temps est reliée aux sources et puits d humidité s (q) selon la relation suivante : dq = s(q). dt Les calculs des trajectoires reposent sur l hypothèse qu il n y a pas d échange de matière entre les masses d air. Le trajet de la vapeur d eau de la troposphère libre repose sur ce schéma : - L humidité spécifique q d une masse d air est conservée tout au long de son transport par les vents (issus des ré-analyses du NCEP (National Centers for Environmental prediction)), sauf lors de sa rencontre avec la source ou le puits d humidité. - La source d humidité est la couche limite planétaire. Dans cette couche, la masse d air voit son humidité relative fixé à 100%. 13

14 - Le puits d humidité est la condensation provoquée lorsque la masse d air pénètre dans une région où l humidité spécifique à saturation (q sat ) est plus faible que son humidité spécifique propre (q). Ainsi toute la matière condensée sort instantanément du bilan en eau de la parcelle sous forme de pluie et son humidité est ramené a q sat. Ce modèle de transport permet de reconstruire les champs d humidité relative au niveau 500hPa à partir de la connaissance de q sat et des conditions de température. Ce genre de modèle a permis de mettre en évidence le rôle du transport horizontal de grande échelle dans la distribution et la variation de la vapeur d eau dans les régions subtropicales (Pierrehumbert (1998)). 4.3 Démarche suivie Dans cette section sont décrites les différentes étapes suivies lors de ce stage afin de déterminer le lien entre l humidité de la troposphère tropicale et la convection. Dans un premier temps, quatre semaines représentatives de l évolution saisonnière de la mousson sont sélectionnées. Dans un deuxième temps, une comparaison de l humidité de la haute (UTH) et de la moyenne (FTH) troposphère est faite. Ensuite, les données d humidité sont confrontées à celles de nébulosité. Pour finir, un modèle de transport est utilisé afin de déterminer d où viennent les masses d air présentes dans les deux régions d étude Sélection des périodes d observations : Les quatre phases de la mousson La sélection des périodes d intérêt pour ce travail a été faite en exploitant les données situées sur le site de l AOC (AMMA Centre Opérationnel) Paris et les bulletins météorologiques pour les différentes journées d observations de la campagne AMMA. Dans un premier temps, l OLR (Outgoing Longwave Radiation) a été exploité afin de déterminer le début de la mousson d été située vers le 14 juillet, et les périodes de forte activité nuageuse telles que celles observées dans la nuit du 19 au 20 juillet. Cet OLR, exprimé en W.m -2, quantifie le rayonnement émit vers l espace par le système Terre-Océan-Atmosphère (TOA) dans les grandes longueurs d onde (10-13µm). La présence de nuage induit la diminution du rayonnement sortant à ces longueurs d ondes, ce qui permet d utiliser l OLR comme indicateur de l activité convective. L activité de la mousson ainsi obtenue peut être représentée dans un diagramme Latitude- Temps qui fournit l évolution temporelle sur la latitude du champ moyen dans une bande de longitude. Un exemple de ce type de diagramme obtenu pour la région 10 W-10 E (proche de celle choisie dans notre étude au dessus de Niamey située entre 5 W-10 E) est donné Figure 5 (a). 14

15 On peut constater un saut brusque en latitude du minimum d OLR entre 5 Nord et 10 N, qui signe le saut de la zone de convergence intertropicale (ITCZ) caractérisant le début de la mousson d été (autour du 14 juillet comme indiqué ci-dessus). La figure 5(b) donne le même type d information mais cette fois ci pour une région située entre 20 W et 10 W (proche de celle utilisée dans la suite au dessus de Dakar entre 20 W et 5 W). (a) (b) Figure 5: Moyenne glissante (11 jours) de l OLR en W.m -2 sur la période janvier- septembre en moyenne zonale entre (a) 10 W-10 E et (b) 20 W -10 W tiré des bulletins météorologiques hebdomadaire de AOC Paris. A l aide de ces deux graphiques, la communauté scientifique travaillant sur AMMA a identifié quatre périodes principales : la période Pre-Onset entre le 1 er et le 24 juin. Elle correspond à l arrivée des vents dans le front intertropical à 5 N, phase qui se situe avant le saut de la mousson. la période Sèche entre le 25 juin et le 18 juillet. la période dite Active entre le 18 juillet et le 14 septembre. Elle est caractérisée par le pic de la saison des pluies au Sahel et une petite saison des pluies sur la côte. et la période de Retrait de la mousson entre le 15 septembre et 30 septembre. Lors de cette phase la mousson se retire vers le sud. 15

16 Dans chacune de ces périodes, j ai sélectionné une semaine considérée comme représentative de la phase de mousson correspondante. Il a donc été ainsi choisi de travailler sur : la semaine du 13 au 19 juin pour la période Pre-Onset, la semaine juillet pour la période Sèche, entre le 27 et le 30 juillet pour la période dite Active (période caractéristique de la mousson), et pour finir la semaine du septembre pour la période de Retrait Méthode d analyse Il est effectué une comparaison entre l humidité de la haute (UTH) et de la moyenne (FTH) troposphère afin de diagnostiquer la structure verticale de l humidité dans la troposphère tropicale pour chacune des semaines sélectionnées et d établir ainsi l évolution temporelle de ce profil au cours de la mousson. La suite consiste à confronter les cartes de pression au sommet des nuages à celle d humidité. Cette approche, va permettre de déterminer les relations qui peuvent exister entre humidité et type de nuages (haut, bas, moyen). Une étude statistique est également faite afin d apporter des informations complémentaires, telles que l évolution temporelle du pourcentages de nuages hauts, bas et moyens, ou celle de l UTH et du FTH, et les corrélations existantes entre ces différents paramètres. La dernière partie de la démarche consiste à déterminer si le transport ne peut pas être aussi une cause de l humidification de la troposphère libre, un modèle de rétro-transport à donc été utilisé afin d évaluer les latitudes de dernières de saturation ce qui permet d estimer d où viennent les masses d air (de régions éloignées ou environnantes). Ces différentes étapes sont réalisées, aux échelles hebdomadaires (comparaison UTH et FTH) et aux échelles journalières (Relation humidité/convection et étude statistique). 4.3 Les outils Les données exploitées dans ce travail étaient disponibles sur le serveur «CLIMSERV» de l IPSL (Institut Pierre- Simon Laplace), sous forme de fichiers brut (qui possèdent les données issues directement du capteur). Ces données sont extraites grâce à des programmes en FORTRAN 90 réalisés lors de ce stage. Elles sont ensuite stockées dans des fichiers NETCDF, et affichée sous forme de cartes générées à l aide du logiciel FERRET. Les analyses statistiques sont quant à elles réalisées à l aide de programmes en PYTHON élaborés au cours du stage. 16

17 V. EXPLOITATION ET RESULTATS 5.1 Etude spatiale de UTH et FTH : échelle hebdomadaire Dans cette section, des exemples de résultats concernant la distribution spatiale (horizontale et verticale) de UTH et de FTH sont présentés Analyse qualitative Ci-dessous (Figure 6), sont données des cartes de l humidité de la haute et moyenne troposphère sur la région ouest Africaine située entre 20 W et 35 E et entre 4 S et 20 N. (a) Semaine SECHE (i) (ii) (b) Semaine ACTIVE (i) (ii) Figure 6: (i) Carte représentant UTH en % moyenné sur la semaine considérée, (ii) FTH en % moyenné sur la semaine considérée. Sur les cartes situées à gauche est donnée l humidité relative de la haute troposphère (UTH) moyennée sur la semaine Sèche du 11 au 19 juillet (en haut) et sur la semaine Active du 24 au 30 juillet (en bas). De même les cartes de droite représentent l humidité relative de la moyenne troposphère (FTH) pour les mêmes périodes. Les cartes obtenues pour les deux autres semaines se trouvent en Annexe 3. 17

18 On constate qu autour des zones les plus humides proches de 50-55% d humidité pour les deux couches de la troposphère, le gradient de FTH est plus marqué que celui d UTH. En effet, FTH devient plus rapidement sec que UTH, ce qui indique une moyenne troposphère beaucoup plus sèche que la haute troposphère autour de ces zones humides. Ainsi on observe, au nord-est et sudouest de ces zones humides, un UTH de l ordre de 10 à 15% alors que le FTH ne dépasse pas 5 et 10%. Cette différence entre UTH et FTH est retrouvée de façon systématique pour les différentes semaines analysées et se montre en accord avec les résultats antérieurs obtenus par Sun et Oort (1995) (voir section 2.2). On constate également que les zones d humidité maximum (en marron, figure 6) sont plus étendues pour FTH que pour UTH, par exemple autour de 10 E-20 E et autour de 8 N-12 N Distributions Les distributions d UTH (histogramme blanc) et de FTH (histogramme bleu) pour les semaines Active et Sèche sont données dans les figures 7 et 8 pour la région de Niamey et de Dakar (en Annexe 5 sont données celles représentant les deux autres semaines). Semaine SECHE (a) Niamey (b) Dakar UTH= 44,7% UTH= 28,5% FTH= 45,28% FTH= 23,67% (a) (c) (d) Figure 7: Histogrammes de UTH et FTH pour la région de Niamey (a) et de Dakar (b) et histogrammes de classification des nuages pour la région de Niamey (c) et de Dakar (d) pour la semaine Sèche. 18

19 Semaine ACTIVE Niamey Dakar (a) UTH= 48,02% (b) UTH= 43,6% FTH= 47,8% FTH= 41,35% (c) (d) Figure 8: Histogrammes de UTH et FTH pour la région de Niamey (a) et de Dakar (b) et histogrammes de classification des nuages pour la région de Niamey (c) et de Dakar (d) pour la semaine Active. Tout d abord, on constate que les distributions d humidité de la troposphère libre sont différentes selon la semaine. En effet, si l on se place au dessus de Niamey pour la semaine Sèche, la distribution est bimodale alors qu elle est gaussienne pour la semaine Active. Pour avoir une valeur représentative de UTH et FTH, il a donc été choisi de travailler avec la médiane plutôt qu avec la moyenne, notion peu adaptée dans ce cas. On note que FTH couvre une plus grande gamme de valeurs que UTH, ce qui signifie que la couche de moyenne troposphère présente des cas plus humides et des cas plus secs que la haute troposphère. Ceci est très visible (pour la semaine Sèche) dans la région de Dakar, où l on observe un déplacement de l histogramme en FTH vers des valeurs plus sèches, tout en gardant des valeurs humides. Ceci se montre en accord avec ce qui a été observé précédemment sur les cartes d humidité moyennée. Malgré ceci, UTH et FTH possèdent à peu près les mêmes valeurs de médiane à quelques unités près. 19

20 On constate également sur les histogrammes de classification des nuages que pour les deux semaines considérées, le type de nuage rencontré diffère : plus de nuages moyens ou bas pour la semaine Sèche et plus de nuages semi transparents et fins pour la semaine Active sur Niamey. Ces histogrammes suggèrent l existence d un lien entre vapeur d eau et nébulosité. Celui ci va être étudié dans la suite en exploitant la haute résolution temporelle et spatiale des données MSG. 5.2 Relation humidité/convection à un instant donné Les résultats précédents peuvent être tout d abord complétés par une étude comparative plus précise à échelle journalière et tous les quarts d heures entre données nuageuses (pression au sommet des nuages) et données d humidité (UTH et FTH). Le fait de travailler sur des pas de temps d un quart d heure, permet d accéder aux caractéristiques fines du comportement de l humidité visà-vis de la nébulosité Analyse qualitative Les cartes suivantes (Figure 9) donnent à gauche la pression au sommet des nuages (hauts, moyens, bas) et à droite UTH pour la journée du 14 Juillet (à 4 TU) de la semaine Sèche (en haut) et la journée du 28 Juillet (à 4 TU) de la semaine Active (en bas). Le choix de 4 TU s explique par le passage d un important système convectif au dessus de Niamey, le 28 juillet (a) (b) UTH (c) (d) UTH Figure 9: Carte de pression au sommet du nuages en hpa pour le 14 juillet 2006 (semaine Sèche) à 4h (a) et le 28 juillet 2006 (semaine Active) à 4h (c), carte de UTH du 14 juillet à 4h (c) et du 28 juillet 2006 à 4h (d). 20

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