La même méthode de clustering avec les variables « base » et « épaisseur » a été appliquée aux données CloudSat-CALIPSO mais en ne sélectionnant que les nuages appartenant à la maille où se situe le site de Niamey.
L'application du clustering sur l'échantillon de cette maille comportant 566 nuages de mi-niveau conduit au dendrogramme de la figure 6.18 (a). Il montre très distinctement trois familles de nuages de mi-niveau. La figure 6.18 (b) représentant la distribution de l'épaisseur de ces 566 nuages en fonction de l'altitude de la base indique que le cluster 1 se caractérise par de fortes épaisseurs, le cluster 2 par des bases hautes et le cluster 3 par des bases basses. Les 566 nuages observés se répartissent de la manière suivante : 37 nuages dans le cluster 1, 287 dans le cluster 2 et 242 dans le cluster 3. Moins de nuages appartenant au cluster 1 sont
observés que dans les deux autres clusters. Cette répartition est très similaire aux résultats obtenus à Niamey en 2006 (cf. Fig. 6.3) ainsi qu'à celle en Afrique de l'Ouest (cf. Fig. 6.14).
Figure 6.18: Comme en figure 6.3 mais pour les 566 nuages observés dans la région de Niamey à partir des données satellites de CloudSat-CALIPSO.
Sur la figure 6.19 sont représentées les distributions des bases, des sommets, des épaisseurs et des réflectivités des nuages appartenant à ces trois clusters. Les nuages du cluster 1 ont de fortes épaisseurs, c'est-à-dire supérieures à 1500 m et pouvant atteindre 6000 m, et des réflectivités plus élevées, c'est-à-dire entre -21,85 à -1,66 dBZ. Les nuages du cluster 2 ont des bases plus hautes (entre 4400 et 7400 m) et les nuages du cluster 3 des bases plus basses (entre 2500 et 5300 m). Les nuages des deux clusters se caractérisent par des épaisseurs inférieures à 1900 m ainsi que par de plus faibles réflectivités. Ces distributions sont donc très cohérentes avec celles des observations sol à Niamey.
Figure 6.19: Comme en figure 6.15 mais pour les 566 nuages observés dans la région de Niamey à partir des données satellites de CloudSat-CALIPSO.
Comme nous avons pu l'observer sur le site de Niamey en 2006 ainsi qu'avec les données satellites de CloudSat-CALIPSO de juin 2006 à mai 2010, le nombre de nuages de mi-niveau détecté en hiver est très faible voire nul dans la région de Niamey (cf. Fig. 6.20). C’est lorsque le flux de mousson commence à arriver vers mars voire avril que les nuages de
mi-niveau se forment davantage. Le nombre de nuages est maximal en juin, juillet et août. Les nuages appartenant au cluster 2, ayant des bases hautes, sont prédominants durant cette période excepté en 2008 ; cela diffère de ce que l'on avait pu remarquer sur le site de Niamey en 2006 et à partir des données satellites en Afrique de l'Ouest. Toutefois, pour le cluster 3, on note également une amplitude d'occurrence des nuages de mi-niveau pendant la période de mousson, mais cette fois-ci plus légère que pour le cluster 2 ; pour le cluster 1 cela est beaucoup moins marqué (cf. Fig. 6.20).
Figure 6.20: Fréquence d'occurrence mensuelle en nombre de nuages de mi-niveau pour chacun des trois clusters.
Finalement, au travers de ces travaux nous avons pu remarquer que le clustering obtenu dans la région de Niamey est proche de celui obtenu en Afrique de l’Ouest, notamment à travers le nombre de clusters qui est de trois dans les deux cas mais également à travers la répartition des caractéristiques macrophysiques de ces trois clusters. La climatologie annuelle de la densité des nuages de mi-niveau en Afrique de l’Ouest (cf. Fig. 5.2) indiquait davantage de nuages dans le Sud et l’Ouest, c'est-à-dire là où se situe la ville de Niamey. On peut donc supposer que les nuages observés dans ces régions vont dominer dans le clustering appliqué à l’ensemble des nuages détectés en Afrique de l’Ouest du fait de leur fort nombre.
6.4 Conclusion
Dans cette partie, nous avons pu voir que l'Afrique de l'Ouest recèle de différents types de nuages de mi-niveau.
Tout d'abord, dans la région de Niamey à partir des données du site ARM en 2006, trois types de nuages ont été identifiés grâce à l'utilisation de méthodes de clustering : un cluster avec des bases de nuages basses (cluster 3), un autre avec des bases de nuages hautes (cluster 2) et un dernier avec de fortes épaisseurs de nuages (cluster 1). Cette étude a cherché à mettre en évidence les différences dans les propriétés macro- et microphysiques, thermodynamiques et radiatives associées à ces trois familles. Nous avons trouvé des différences dans (i) la réflectivité puisque les nuages du cluster 1 ont des réflectivités plus élevées que les nuages des clusters 2 et 3, ce qui suggère un contenu en eau et/ou glace plus élevé dans ce groupe, (ii) la variabilité des réflectivités car les nuages du cluster 1 ont une plus grande variabilité de réflectivités que les nuages des clusters 2 et 3 laissant supposer qu'ils possèdent des circulations plus intenses, (iii) la composition puisque les nuages du cluster 1 contiennent plus de glace en termes de fraction volumique que les nuages des clusters 2 et 3 qui contiennent eux plus d'eau liquide en termes de fraction volumique et (iv) les précipitations car les nuages du cluster 1 sont généralement précipitants avec 64% de
nuages précipitants tandis que les nuages des clusters 2 et 3 ne sont que légèrement ou pas précipitants avec respectivement 6% et 14% de nuages précipitants. Le temps de passage des nuages des clusters 2 et 3 au-dessus des instruments de mesures est aussi très court, environ 1h30 en moyenne, comparé à celui des nuages du cluster 1 d'environ 7h30 en moyenne. Peu de différences apparaissent dans les caractéristiques macro- et microphysiques des nuages des clusters 2 et 3. Néanmoins, les cycles annuels de ces deux clusters sont distincts. Les nuages des clusters 2 et 3 se produisent principalement "avant" et "pendant" la mousson et "pendant" et "après" la mousson respectivement, alors que les nuages du cluster 1 se produisent principalement pendant la mousson. Thermodynamiquement, il semble que les nuages du cluster 1 transportent verticalement une quantité plus importante de vapeur d'eau par rapport aux nuages des deux autres clusters. L'environnement thermodynamique des nuages de ces deux derniers clusters est seulement modifié à leur passage ; ils ne laissent pas de trace après leur occurrence. Les nuages des clusters 2 et 3 sont également associés à de fortes inversions de température potentielle, ce qui suggère un rôle de ces inversions dans la limitation du développement vertical de ces nuages. En revanche, aucune inversion de ce type n'est trouvée pour les nuages du cluster 1. Enfin, les nuages du cluster 1 se différencient des nuages des clusters 2 et 3 par leur impact radiatif plus élevé dans les domaines du visible et de l'infrarouge.
Grâce à ces analyses, il semble plausible que les nuages du cluster 1 soient associés aux processus convectifs (congestus de Johnson et al. 1999; Zuidema 1998). De plus, l'origine de l'humidité des nuages du cluster 1 viendrait des basses couches. Les nuages des clusters 2 et 3 montrent quant à eux des caractéristiques plus proches des nuages stratiformes (Ansmann et al. 2009; Heymsfield et al. 1991; Schmidt et al. 2014) ; en revanche, l'origine de l'humidité dans la moyenne troposphère conduisant à de tels nuages est plus énigmatique.
Les données satellites de CloudSat-CALIPSO nous ont permis de diagnostiquer ces mêmes clusters en Afrique de l'Ouest et dans la région de Niamey. Cependant, en ce qui concerne l'occurrence mensuelle des clusters, des divergences existent entre ces résultats dans la région de Niamey et ceux obtenus sur le site sol.
Pour les trois jeux de données que nous avons utilisé dans cette étude, l'ensemble des résultats obtenu dans chaque population de clusters de nuages de mi-niveau a été synthétisé dans le tableau 6.6. On note qu'il y a des disparités suivants les sites et les jeux de données utilisés pour un même cluster. Pour le site de Niamey, les nuages du cluster 1 (16% et 6%) sont moins abondants comparés aux nuages des clusters 2 (31% et 51%) et 3 (53% et 43%). Les nuages des clusters 2 et 3 ne représentent pas les mêmes proportions dans ces deux jeux de données; dans les données satellites, il y a davantage de nuages appartenant au cluster 2 qu'au cluster 3. Les nuages de ces deux derniers clusters ont des caractéristiques beaucoup plus proches comparées à celles des nuages du cluster 1. En conclusion, sur ce site, la concordance des proportions du cluster 1 par rapport aux clusters 2 et 3 que ce soit pour les observations satellites ou sol suggère que l'échantillon de 2006 est représentatif de la climatologie de Niamey. Pour le mois de juin 2011, à Bordj Badji Mokhtar, les nuages du cluster 3 (47%) sont plus abondants que ceux du cluster 1 (35%) qui sont eux-même plus abondants que les nuages du cluster 2 (18%). Toutefois, sur ce site nous ne disposons que d'un seul mois de données rendant difficile sa comparaison avec la climatologie des observations satellites. En Afrique de l'Ouest, les nuages du cluster 3 dominent (42%) avec cependant des variabilités spatiales comme le montrent les résultats obtenus à Niamey.
Cluster 1 Cluster 2 Cluster 3 Bordj Badji Mokhtar
Juin 2011 33 (35%) 17 (18%) 44 (47%) Niamey 2006 77 (16%) 149 (31%) 256 (53%) CloudSat- CALIPSO/Afrique de l'Ouest 2006-2010 12000 (28%) 12765 (30%) 18350 (42%) CloudSat- CALIPSO/Niamey 2006-2010 37 (6%) 287 (51%) 242 (43%)
Tableau 6.6: Nombre et pourcentage de nuages de mi-niveau appartenant à chaque cluster obtenu à partir des trois jeux de données.
Ce chapitre nous a permis d'amener des informations objectives sur ces nuages de mi- niveau pouvant servir d'exemples observationnels pour l'évaluation de leur représentation dans des modèles à différentes échelles. C'est ce que nous allons à présent analyser dans le dernier chapitre de cette thèse au travers de modèles régionaux et de climat.