Dans ce qui suit, les analyses seront effectuées uniquement à partir d'objets nuageux que nous utiliserons ensuite pour différencier des familles de nuages de mi-niveau ; cela permettra également de ne pas biaiser nos analyses pour des nuages ayant une plus grande extension spatiale. La figure 5.14 présente les distributions de la fraction liquide, de glace et de phase mixte (a), de la réflectivité (b), de l'écart-type de la réflectivité (c), de la durée (d) et du cycle diurne (e) des 482 objets nuageux observés à Niamey en 2006. La distribution de la réflectivité obtenue à partir des données satellites de CloudSat de juin 2006 à mai 2010 a également été ajoutée.
A Niamey, la composition des nuages de mi-niveau en termes d'hydrométéores peut être documentée grâce à l'algorithme de catégorisation développé par (Hogan and O’Connor
2004). Les fractions décrites ci-dessous font références aux volumes nuageux. Les nuages de mi-niveau sont principalement composés d'eau liquide et de glace avec une prédominance d'eau liquide (cf. Fig. 5.14 (a)) : 73% des nuages sont composés d'au moins 50% d'eau liquide et 80% des nuages sont composés d'au plus 20% de glace. Pendant la période de mousson, 30% des nuages contiennent également des gouttelettes d'eau liquide surfondues mais en petite quantité dont 16% à leurs sommets. D'après la figure 6 de Stein et al. (2011), dans cette région environ 20% des nuages de mi-niveau possèdent de l'eau liquide surfondue à leur sommet ce qui est en accord avec les résultats obtenus à la station ARM de Niamey en 2006.
Ansmann et al. (2009) ont observé une fréquence d'occurrence importante de nuages composés de phase mixte ayant des températures à leurs sommets autour de -30°C. Sur le site de Niamey, un maximum de nuages composés à leur sommet de plus de 75% de phase mixte
ont leurs sommets autour de 6-7 km, ce qui équivaut à environ 255-270 K (cf. Fig. 5.15). De plus, certains nuages contiennent également de la bruine ou de la pluie associée aux gouttelettes d'eau liquide, particulièrement pendant la période de mousson. Entre mai et septembre uniquement, certains nuages sont composés exclusivement de glace : un nuage en mai et en août, 3 nuages en juin et en juillet et 4 nuages en septembre.
Figure 5.14: Distributions (a) de la fraction liquide, de glace et de phase mixte, (b) de la réflectivité, (c) de l'écart-type de la réflectivité, (d) de la durée et (e) du cycle diurne pour les 482 objets nuageux observés à Niamey en 2006 (bleu) et pour les 43115 objets nuageux observés en Afrique de l'Ouest de juin 2006 à mai 2010 (rouge).
En ce qui concerne les réflectivités, elles se situent entre -40 et -5 dBZ avec un pic à -32 dBZ et leurs écarts-types s'étendent de 0 à 27 dBZ avec un pic à 3 dBZ (cf. Fig. 5.14 (b- c)). Les nuages ayant des réflectivités plus élevées, c'est-à-dire supérieures à -15 dBZ, ont également une grande variance. Il y a peu de nuages avec une forte teneur en eau (c'est-à-dire au delà de -25 dBZ), même si un deuxième pic très faible de réflectivité est observé à -22 dBZ. Dans les observations de CloudSat, la réflectivité montre un pic à -22.5 dBZ avec des
fluctuations entre 11.2 et -28.25 dBZ. Notez que la distribution de la réflectivité concerne seulement un sous-échantillon (62% des nuages) des 482 nuages de mi-niveau observés à Niamey. En effet en JFM, le radar n'est pas opérationnel (cf. Tab. 4.1), par conséquent 72 nuages de mi-niveau ne sont détectés que par le lidar. Plus les nuages sont fins (moins de 1000 m d'épaisseur), plus ils sont difficiles à détecter par le radar, conduisant à 212 nuages de mi-niveau qui ne sont pas bien échantillonnés (avec moins de 25% du nombre total de pixels nuageux échantillonnés par le radar) dont 109 n'ont pas été détectés par le radar. Cela signifie que ces nuages géométriquement fins sont principalement composés de petits hydrométéores. À l'inverse, les nuages plus épais sont mieux échantillonnés par le radar (198 sont bien détectés (avec 25% ou plus du nombre total de pixels nuageux échantillonnés par le radar)) ; leur épaisseur peut atteindre 4 km. Cette analyse est valable pour tous les mois de l'année 2006 (cf. Tab. 5.2). Ces informations ont été obtenues grâce aux instruments de mesure ainsi qu'à l'algorithme de catégorisation Cloudnet.
Avril Mai Juin Juillet Août Sept. Oct. Nov
Pas échantillonnés par le radar (374 m)6 (346 m)6 (323 m)13 (338 m)27 (433 m)18 (303 m)15 (379 m)16 (240 m)8 moins de 50% du nombre total de pixels nuageux échantillonnés par le radar 15 (289 m) 22 (400 m) 17 (328 m) 24 (497 m) 26 (338 m) 23 (394 m) 23 (327 m) 10 (317 m) 50% ou plus du nombre total de pixels nuageux échantillonnés par le radar 7 (635 m) 14 (452 m) 24 (465 m) 28 (411 m) 27 (492 m) 27 (445 m) 13 (470 m) 1 (292 m)
Tableau 5.2: Répartition mensuelle des nuages de mi-niveau observés sur le site ARM de Niamey en 2006 à partir de leur temps de passage "moyen" en fonction de la détection du nombre total de pixels nuageux échantillonnés par le radar. Notons que la somme de chaque colonne est égale aux nombres de nuages de mi-niveau répertoriés dans le tableau 5.1. Pour chaque case, l’épaisseur moyenne du lot de nuages est mentionnée afin d'avoir une indication sur le fait que les nuages mieux vus par le radar sont plus épais.
D'autre part, ces nuages observés sur le site de Niamey ne sont pour la plupart pas précipitants puisque seulement 23% des 410 nuages observés d'avril à novembre précipitent. Ils sont de « courte durée » (cf. Fig. 5.14 (d)) ; les nuages dont le temps de passage, c’est-à- dire le temps pendant lequel les nuages sont observés au-dessus des instruments, est inférieur ou égal à 30 minutes représentent 41% et 47% en JAS. En JFM, des durées supérieures à cinq heures ont été observées et ces situations pourraient correspondre au passage de Plumes Tropicales (Fröhlich et al. 2013; Knippertz and Fink 2009).
Figure 5.15: Distributions de la composition des sommets des nuages de mi-niveau en fonction de l'altitude de leurs sommets pour la glace, l'eau liquide et la phase mixte. Nous distinguons les nuages contenant plus de 75%, entre 25% et 75% et moins de 25% de chacune de ces phases. L'eau liquide fait référence aux (i) gouttelettes liquides nuageuses seulement et (ii) pluie ou bruine et gouttelettes liquides nuageuses. La phase mixte fait référence à (i) la glace et les gouttelettes d'eau liquide surfondues et (ii) la fonte de la glace et (iii) la fonte de la glace et les gouttelettes liquides nuageuses.