Hydrological Sciences Journal ISSN: 0262-6667 (Print) 2150-3435 (Online) Journal homepage: http://www.tandfonline.com/loi/thsj20 Analyse de séries pluviométriques de longue durée en Afrique de l'ouest et Centrale non sahélienne dans un contexte de variabilité climatique J. E. PATUREL, E. SERVAT, M. O. DELATTRE & H. LUBES-NIEL To cite this article: J. E. PATUREL, E. SERVAT, M. O. DELATTRE & H. LUBES-NIEL (1998) Analyse de séries pluviométriques de longue durée en Afrique de l'ouest et Centrale non sahélienne dans un contexte de variabilité climatique, Hydrological Sciences Journal, 43:6, 937-946, DOI: 10.1080/02626669809492188 To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/02626669809492188 Published online: 25 Dec 2009. Submit your article to this journal Article views: 788 View related articles Citing articles: 23 View citing articles Full Terms & Conditions of access and use can be found at http://www.tandfonline.com/action/journalinformation?journalcode=thsj20 Download by: [178.63.86.160] Date: 02 July 2016, At: 10:56
Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques, 43(6) December 1998 937 Analyse de séries pluviométriques de longue durée en Afrique de l'ouest et Centrale non sahélienne dans un contexte de variabilité climatique J. E. PATUREL, E. SERVAT, M. O. DELATTRE ORSTOM, Programme FRIEND AOC, 06 BP 1203 Cidex 1, Abidjan 06, Côte d'ivoire e-mail : eric.servat@mpl.orstom.fr H. LUBES-NIEL ORSTOM, Programme FRIEND AOC, BP 5035, F-34032 Montpellier Cedex 1, France Résumé Dans les zones arides et semi-arides d'afrique de l'ouest et Centrale, la notion de précarité de la ressource en eau n'est pas récente. Cependant, la sécheresse qui affecte les régions tropicales africaines depuis les deux dernières décennies présente tout à la fois une sévérité, une persistance et une extension remarquables. Les séries pluviométriques annuelles enregistrées sur de longues durées sur un ensemble de stations couvrant l'afrique de l'ouest et Centrale non sahélienne (du Sénégal à la Centrafrique) ont permis d'étudier l'évolution spatiotemporelle de la pluviométrie dans cette région. Les résultats montrent l'alternance de périodes sèches et humides depuis le début du vingtième siècle. La sécheresse actuelle n'a pas connu d'équivalent, ni en durée, ni en intensité, sur l'ensemble de la période étudiée. Une étude statistique, confirmée par des représentations cartographiques de ces différentes périodes met cependant en évidence le caractère fortement hétérogène du phénomène dans l'espace. Analysis of rainfall long series in non-sahelian West and Central Africa within a context of climate variability Abstract In the arid and semiarid areas of West and Central Africa, the scarcity of the water resources is an old and well-known notion. However, the drought, which has been observed in the tropical regions of Africa for the last two decades, shows notable harshness, persistence and extension. Annual rainfall time series registered over long duration for a set of stations all over non-sahelian West and Central Africa have allowed the study of spatial and temporal rainfall evolution in this region. Results confirm the existence of an alternation of dry and wet periods since the beginning of the twentieth century. However, the current drought has no equivalent, neither regarding duration nor intensity, throughout the studied period. Nevertheless the strong spatial heterogeneity of the phenomenon is underlined by both a statistical study and some mapping. INTRODUCTION Le programme ICC ARE (Identification et Conséquences d'une variabilité du Climat en AfRique de l'ouest et centrale non sahelienne) mené par l'orstom au sein du projet FRIEND-AOC du PHI de l'unesco (Servat, 1994) a permis d'identifier une fluctuation climatique en Afrique non sahélienne vers la fin des années 1960 et le début des années 1970 (Aka et al, 1996; Servat et al, 1996; Paturel et al., 1997; Servat et al., 1997; Gautier et al., 1998). Cette évolution du climat se traduit La discussion concernant cel article est ouverte jusqu 'au l juin 1999
938 J. E. Paturel et al. par des changements notables, à la baisse, au sein des séries chronologiques pluviométriques. Cette fluctuation est parfaitement en phase avec ce qui s'observe plus au nord dans les régions sahéliennes, et qui a fait l'objet de nombreuses études compte tenu du caractère dramatique que prend la sécheresse dans ces régions d'afrique (Hubert & Carbonnel, 1987; Sircoulon, 1987; Hubert et al, 1989; Démarrée, 1990). D'autres périodes de sécheresse ont cependant été observées auparavant. C'est pour cette raison qu'il est intéressant, afin de mieux la caractériser, de chercher à situer la diminution de la pluviométrie constatée depuis 25 ans dans la chronologie pluviométrique de ce siècle, époque pour laquelle on dispose d'enregistrements. La zone étudiée couvre 16 pays qui sont, de l'afrique de l'ouest vers l'afrique Centrale, le Sénégal, la Gambie, la Guinée Bissau, la Guinée Conakry, la Sierra Leone, le Libéria, le Mali, le Burkina Faso, la Côte d'ivoire, le Ghana, le Togo, le Bénin, le Nigeria, le Cameroun, le Tchad et la Centrafrique. Nous n'avons, cependant, considéré que la partie dite "humide" au sens large de cette zone, et notre étude s'est donc limitée au sud du 14ème parallèle. L'analyse de longues séries chronologiques de pluviométries annuelles disponibles dans cette région, même si la plupart d'entre elles ne remontent qu'au début du siècle, voire dans certains cas aux années 1920, a permis de resituer la sécheresse actuelle dans une perspective historique. L'antériorité de cette information et son analyse permettent ainsi d'apprécier l'alternance des périodes sèches et humides et donc de mieux caractériser le déficit pluviométrique annuel actuel, qui peut atteindre 20-25%, y compris dans un contexte régional. DONNEES ET METHODES Données Un grand nombre de postes pluviométriques a été retenu afin de constituer la base de données annuelles pluviométriques la plus complète et la plus représentative possible de la zone étudiée. Les postes sélectionnés, relevant de la gestion des différents services nationaux des pays concernés, obéissent à des critères de continuité et de durée de l'information disponible et de qualité des données. Le choix des postes s'est également effectué de manière à permettre une couverture la plus homogène possible de la zone d'étude. Il existe, cependant, deux zones où l'information pluviométrique est pauvre, voire inexistante en certains endroits: le sud-ouest du Tchad d'une part, et le secteur compris entre le sud-est du Cameroun, le sud-ouest de la Centrafrique et l'océan Atlantique d'autre part. Les interprétations relatives à ces deux régions devront donc être menées avec circonspection. Une centaine de postes a ainsi été retenue, qui présentent tous des séries chronologiques de plus de 60 ans de mesures. Les séries les plus longues proviennent des pays anglophones de la région (Ghana, Nigeria, Sierra Leone) et remontent parfois, mais rarement, à la fin du siècle dernier.
Analyse de sériespluviométriques de longue durée 939 Méthodes Dans un premier temps, un ensemble de représentations graphiques et cartographiques a été utilisé pour visualiser l'alternance des périodes sèches et humides dans un contexte régional. Ensuite, le test de Pettitt (Pettitt, 1979) a été utilisé sur tous les postes pluviométriques retenus en vue d'identifier une "rupture" en moyenne dans les séries chronologiques de pluviométrie annuelle étudiées, après que l'absence d'autocorrélation au sein de ces séries ait été vérifiée. "Rupture" doit être compris, ici, comme un changement dans la loi de probabilité de la série chronologique à un instant donné (Lubès et al., 1994). Test de Pettitt Le test de Pettitt est non-paramétrique et dérive du test de Mann- Whitney. L'absence d'une rupture dans la série (*,-) de taille iv constitue l'hypothèse nulle. Pettitt définit la variable U,y. /=1 7=(+l où Dy = sgn(x, - x 7 ) avec sgn(2) = 1 si Z > 0, 0 si Z = 0 et -1 si Z < 0. Il propose de tester l'hypothèse nulle en utilisant la statistique K N définie par le maximum en valeur absolue de U ln pour t variant de 1 à iv - 1. A partir de la théorie des rangs, Pettitt montre que si k désigne la valeur de K N prise sur la série étudiée, sous l'hypothèse nulle, la probabilité de dépassement de la valeur k est donnée approximativement par: ProbC^ > k) «2 exp[- 6k 2 /(N 3 + N 2 )] (2) Pour un risque a de première espèce donné, si la probabilité de dépassement estimée est inférieure à a, l'hypothèse nulle est rejetée. La série comporte alors une rupture localisée au moment x où est observée K N. RESULTATS La période entre 1925 (±5 ans) et 1990 constitue la période de référence car elle est commune à tous les postes étudiés ici et présente une forte densité d'information. Une première analyse des simples séries chronologiques disponibles durant cette période montre que, d'une manière générale, l'ensemble de la zone étudiée a connu trois périodes distinctes: (a) 1936-1950, une période déficitaire; (b) 1951-1968, une période excédentaire; et (c) de 1969 à aujourd'hui, une nouvelle période déficitaire. L'utilisation d'un indice pluviométrique tel que celui défini par Lamb (1982) comme une variable centrée réduite: (x^x)ls _ (3) avec X-, : pluviométrie de l'année i, X : pluviométrie moyenne interannuelle sur la
940 J. E. Palurel et al. période de référence, et S : écart-type de la pluviométrie interannuelle sur la période de référence, permet d'approfondir ces premières constatations en ce sens que cet indice traduit un excédent ou un déficit pluviométrique pour l'année considérée par rapport à la période de référence choisie. Il en ressort que, au regard de l'information disponible, la sécheresse actuelle apparaît comme la plus importante tant sur le plan de la durée que du déficit pluviométrique qu'elle présente. Représentations graphiques et analyse cartographique Sur la période entre 1925(+5 ans) et 1990, retenue comme période de référence, nous avons, en outre, procédé à une étude cartographique basée sur l'indice pluviométrique décrit ci-dessus. Les résultats en ont été reportés sur la Fig. 1, en rangeant les stations par longitude croissante (et donc d'ouest en est). L'échelle de représentation étant non linéaire, elle pourrait, dans certains cas, masquer une légère discontinuité spatiale sans altérer toutefois le caractère significatif du graphique. On observe une succession de périodes déficitaires et excédentaires en accord avec ce qui ressort des études ponctuelles menées précédemment. Les dates indiquées ci-dessous ne sont cependant données qu'à titre de repères chronologiques. En effet, ces fluctuations climatiques ne se sont pas fait ressentir systématiquement à une même date sur l'ensemble de la zone étudiée: g Périodes déficitaires Longitude -16.0 Année 1920 1950 1970 1990 m rj Périodes excédentaires Longitude -16.0-9.3-5.2-3.0 0.0 +2.6 +5.0 + 10.0 -.-,rr^, +Ct.î# r b* T r yr -9.3-5.2-3.0 0.0 +2.6 +5.0 + 10.0 +22.5 +22.5 Fig. 1 Visualisation des périodes déficitaires et excédentaires en fonction de la longitude du poste de mesure.
Analyse de séries pluviométriques de longue durée 941 (a) la période 1936-1950 est déficitaire ce caractère est plus marqué entre 0-4 E de longitude (Togo et Bénin) et il s'estompe de part et d'autre, en particulier à l'ouest; (b) la période 1951-1968 est excédentaire ce caractère est plus marqué à l'ouest de la zone d'étude (ouest de la Côte d'ivoire); et (c) la période 1969 à aujourd'hui est déficitaire ce caractère s'observe sur l'ensemble de la zone, mais plus nettement à l'ouest (ouest de la Côte d'ivoire), Les résultats ont ensuite été reportés en Fig. 2 en rangeant les stations par latitude croissante. On y observe la même succession de périodes déficitaires et excédentaires que précédemment: (a) la période 1936-1950 est déficitaire mais son caractère est peu marqué; (b) la période 1951-1968 est excédentaire et son caractère est bien marqué; et (c) la période 1969 à aujourd'hui est déficitaire et son caractère est très marqué audessus des 8-10èmes parallèles alors qu'il est moins net aux plus faibles latitudes qui correspondent, pour l'essentiel, à des postes pluviométriques situés en Afrique Centrale. La densité de l'information étant suffisamment importante, il a été possible de cartographier la moyenne par décennie des indices pluviométriques (Fig. 3). On observe alors que: (a) Dans les années 1930, seul le sud du Cameroun est largement déficitaire avec un indice descendant jusqu'à -1. Durant cette décennie, les autres régions du Cameroun, la Centrafrique, le sud du Ghana, du Togo et le nord du Bénin apparaissent également comme déficitaires, mais de façon moins marquée. Les autres parties de la zone étudiée présentent, quant à elles, un caractère excédentaire, ce qui se vérifie particulièrement dans tout le secteur ouest (de la Côte d'ivoire au Sénégal). H Périodes déficitaires Latitude 14.0 13.0 12.0 1920 Année 1950 1970 ' >:pfi>- -;v i-hr-iîi-*.^ Périodes excédentaires 1990 Latitude 14.0 13.0 12.0 10.5 9.5 7.5 6.7 6.2 4.0 10.5 9.5 7.5 6.7 6.2 4.0 Fig. 2 Visualisation des périodes déficitaires et excédentaires en fonction de la latitude du poste de mesure.
942./ E. Paturel et al. 1980-1989 1970-1979 v///, \ S -0 lo OO S.OD 1960-1969 O OO,5.00 1950-1959 I.OO " _ w, //."" GO««' 1930-1939 \ & -t>o - ^ ^ " C2.oN«=> > 1940-1949 ^///////y0> '///" '- -<4>. f//<- ' ^y- o -oo A & 0o Indice pluviométrique r* ç> Ç, ç> c> _x"""""" o co Kj fo b> o Fig. 3 Evolution des indices p] uviométriques de la décennie 1930 à la décennie
Analyse de séries pluviométriques de longue durée 943 (b) Dans les années 1940, le déficit pluviométrique s'étend à l'ensemble de la zone étudiée sans, toutefois, s'intensifier (valeur minimale de l'indice pluviométrique = -0.7). Seuls le centre-est du Ghana, l'est du Nigeria et de la Centrafrique sont épargnés par ce déficit pluviométrique généralisé. (c) Durant la décennie 1950, on observe une fluctuation de la pluviométrie qui se traduit par une nette régression du phénomène déficitaire. Celui-ci ne concerne plus que le sud-est de la Côte d'ivoire, l'est du Ghana, le nord du Togo, le centre du Bénin, le sud du Nigeria et le Cameroun avec des valeurs d'indices qui ne descendent pas en dessous de -0.5. Mis à part ces quelques régions l'ensemble de la zone étudiée fait état d'une pluviométrie excédentaire. (d) Dans les années 1960, le caractère excédentaire de la pluviométrie se généralise à l'ensemble de la zone étudiée. On note, alors, seulement quelques régions légèrement déficitaires localisées à la limite du Sahel. (e) La décennie 1970 voit se produire une nouvelle fluctuation climatique qui se traduit par un déficit quasi généralisé en Afrique de l'ouest et Centrale, caractérisé par des indices pluviométriques pouvant atteindre -0.9. Seuls le sud du Cameroun et le centre du Nigeria sont épargnés par cette baisse de la pluviométrie. (f) Dans les années 1980, enfin, on observe une généralisation et une intensification du phénomène déficitaire qui touche désormais l'ensemble de la zone étudiée et qui présente des valeurs d'indices pluviométriques pouvant atteindre -1.4. Seules quelques régions bordant le Golfe de Guinée, et notamment le sud du Cameroun et du Nigeria, apparaissent comme moins touchées. L'analyse de cette évolution par décennie montre donc: Une première période déficitaire qui débute dans les années 1930 et qui se trouve tout d'abord localisée sur le Cameroun et sur certaines régions du Golfe de Guinée avant de s'étendre à l'ensemble de l'afrique de l'ouest et Centrale dans les années 1940 pour régresser et disparaître totalement durant la décennie 1950. Une deuxième période déficitaire qui se manifeste dès le début des années 1970 et qui s'amplifie considérablement durant la décennie 1980. A l'inverse de la précédente, cette période déficitaire s'est d'abord mise en place sur l'ouest et le nord de la région étudiée avant de gagner toute la zone par la suite, suggérant ainsi des origines probablement différentes pour ces fluctuations de la pluviométrie. L'examen des données antérieures à la période de référence choisie, et disponibles pour quelques pays seulement, révèle également une période déficitaire entre 1910 et 1922 ainsi qu'une période excédentaire entre 1922 et 1936. Cette alternance de périodes sèches et humides, qui semble donc courante en Afrique de l'ouest et Centrale, ne constitue pas pour autant un cycle du fait de sa forte irrégularité. Analyse statistique En complément à ce qui précède, le test de Pettitt a été appliqué à chacune des séries chronologiques étudiées. Les résultats du test montrent qu'une rupture (équivalente, dans le cas présent, à une diminution de la pluviométrie annuelle) au sein de la série
944./. E. Paturel et al. chronologique s'observe majoritairement entre 1960 et 1979 avec un niveau de signification qui varie d'un poste à un autre. Ce niveau de signification traduit ici l'importance réelle ou non d'un changement de la moyenne au sein de la série pluviométrique. On constate que, dans cinq cas uniquement, la rupture n'a pas été signalée durant cette période mais autour des années 1940. Il convient de noter également que, pour six postes pluviométriques, le test révèle une augmentation de la pluviométrie annuelle. Ces six postes sont, cependant, isolés les uns des autres et leurs résultats ne traduisent donc en rien un comportement régional. Ils ne sont probablement que l'expression de sites dont les mesures sont peu fiables et qui ont été sélectionnés malgré les tests de qualité des données effectués. Le Tableau 1 présente la probabilité associée à la statistique du test calculée pour chacun des postes. Un classement qualitatif a été effectué en tenant compte des valeurs de cette probabilité. Celles-ci ont été reportées sur une carte de la région étudiée (Fig. 4): le phénomène de déficit pluviométrique y apparaît plus marqué vers Tableau 1 Probabilité associée au test de Pettitt-rupture entre 1960 et 1979. Probabilité associée <1% 1-5% 5-20% >20% <5% <1% Classe rupture très significative 32 rupture significative 10 rupture peu significative 11 série homogène 32 excédent pluviométrique 6 rupture très significative en dehors de la période 1960-1979 5 Dénombrement r'.» v, / H.. SV m rupture très significative rupture significative o rupture peu significative série homogène V rupture en dehors de la période 1960-1979 rupture avec excédent Fig. 4 Niveaux de signification des résultats du test de Pettitt.
Analyse de séries pluviométriques de longue durée 945 l'ouest, au-delà de 5 W de longitude, et au nord, au-delà de 8-10 N de latitude. Ailleurs, ce phénomène est moins accentué. Par définition, le test de Pettitt ne peut détecter qu'une seule rupture. Pour la région étudiée, il semble privilégier très nettement celle survenue autour de l'année 1970, soulignant ainsi l'importance de cette dernière variabilité au regard des séries chronologiques historiques disponibles et de l'alternance de périodes sèches et humides que l'on y observe. CONCLUSION Cette étude montre qu'au cours de ce siècle, l'afrique de l'ouest et Centrale a connu une succession de périodes de déficits et d'excédents pluviométriques sans que l'on puisse, toutefois, parler de cycle. La fluctuation la plus brutale et la plus significative (au sens statistique du terme) est observée autour des années 1970, au cours desquelles on note une diminution généralement assez importante de la pluviométrie annuelle. Cette période déficitaire se caractérise, depuis lors, par son intensité et sa durée. Cependant, si, dans les parties les plus orientales de la région étudiée, cette fluctuation semble s'inscrire dans la "norme" des fluctuations des séries chronologiques, l'étude des séries longues montre qu'à l'ouest et au nord elle revêt un caractère d'exception tant par son intensité que par sa durée. Dans le cadre de l'épisode récent, les activités humaines ont pu, localement, contribuer à accroître ce phénomène de sécheresse. On peut ainsi citer l'exemple de la deforestation dans de nombreuses régions du Golfe de Guinée durant ces dernières décennies. Elle y a pris une ampleur considérable qui, même si elle ne peut être considérée comme la principale cause de cette sécheresse, ne peut pas être étrangère à la diminution de la pluviométrie annuelle. REFERENCES Aka, A., Lubès, H., Masson, J. M., Servat, E., Paturel, J. E. & Kouamé, B. (1996) Analysis of the temporal variability of runoff in Ivory Coast: statistical approach and phenomena characterization. Hydrol. Sci. J. 41(6), 959-970. Démarrée, G. (1990) An indication of climatic change as seen from the rainfall data of a Mauritanian station. Theoret. Appl. Climatol. 42, 139-147. Gautier, F., Lubès-Niel, H., Sabatier, R., Masson, J. M., Paturel, J. E. & Servat, E. (1998) Variabilité du régime pluviométrique de l'afrique de l'ouest non sahélienne entre 1950 et 19S9. Hydrol. Sci. J. 43(6), 921-936. Hubert, P. & Carbonnel, J. P. (1987) Approche statistique de l'aridification de l'afrique de l'ouest. J. Hydrol. 95, 165-183. Hubert, P., Carbonnel, J. P. & Chaouche, A. (1989) Segmentation des séries hydrométriques. Application à des séries de précipitations et de débits de l'afrique de l'ouest, i. Hydrol. 110, 349-367. Lamb, P. J. (1982) Persistence of Subsaharan drought. Nature 299 (September), 46-47. Lubès H., Masson, J. M., Servat E., Paturel, J. E., Kouamé, B. & Boyer, J. F. (1994) Caractérisation de fluctuations dans une série chronologique par application de tests statistiques. Etude bibliographique. Programme ICCARE, Rapport no. 3, ORSTOM, Montpellier, France. Paturel, J. E., Servat, E., Kouamé, B., Lubès, H., Ouedraogo, M. & Masson, J. M. (1997) Climatic variability in humid Africa along the Gulf of Guinea. Part two: An integrated regional approach. /. Hydrol. 191, 16-36. Pettitt, A. N. (1979) A non-parametric approach to the change-point problem. Appl. Statist. 28(2), 126-135. Servat, E. (1994) ICCARE. Identification et Conséquences d'une variabilité du Climat en AfRique de l'ouest non
946 J. E. Paturel et al. sahelienne- presentation du programme. Programme 1CCARE, Rapport no. 1, ORSTOM, Abidjan, Côte d'ivoire. Servat, E., Paturel, J. E. & Lubes, H. (1996) La sécheresse gagne l'afrique tropicale. La Recherche 290 (Septembre). Servat, E., Paturel, J. E., Lubès, H., Kouamé, B., Ouedraogo, M. & Masson, J. M. (1997) Climatic variability in humid Africa along the Gulf of Guinea. Part one: Detailed analysis of the phenomenon in Côte d'ivoire. J. Hydrol. 191, 1-15. Sircoulon, J. (1987) Variation des débits des cours d'eau et des niveaux des lacs en Afrique de l'ouest depuis le début du XXème siècle. In: The Influence of Climate Change and Climate Variability on the Hydrologie Regime and Water Resources (ed. by S. I. Solomon, M. Beran & W. Hogg)(Proc. Vancouver Symp., August 1987), 13-25. IAHSPubl. no. 168. Reçu 12 Janvier 1998; accepté 29 mai 1998