Comme indiqué dans la partie 2, on observe essentiellement les nuages de mi-niveau au niveau de la ceinture tropicale. Cependant qu'en est-il en Afrique de l'Ouest ? Grâce aux données satellites de CloudSat-CALIPSO de juin 2006 à mai 2010 dans un premier temps, ainsi qu'aux données sol collectées sur les sites de Niamey et de Bordj Badji Mokhtar dans un second temps, une climatologie régionale de ces nuages a été établie documentant à la fois la fréquence d'occurrence moyenne ainsi que ses cycles saisonnier et diurne. Les différentes caractéristiques macro- et microphysiques, thermodynamiques et radiatives des nuages de mi- niveau sont également présentées.
Une grande partie des travaux présentés dans cette section du manuscrit ainsi que dans la section suivante ont fait l'objet d'un article scientifique intitulé "Characteristics of mid- level clouds over West Africa" dont les co-auteurs sont Elsa Bourgeois, Dominique Bouniol, Fleur Couvreux, Françoise Guichard, John Marsham, Luis Garcia-Carreras, Cathryn Birch et Doug Parker. Cet article scientifique, en cours de publication, a été ajouté en annexe (B).
5.1 Climatologie régionale des nuages de mi-niveau en Afrique
de l'Ouest
À partir des observations du radar et du lidar de CloudSat et CALIPSO de juin 2006 à mai 2010 sur la zone [3.575-31.575°N; 10°W-10°E], nous avons calculé la fréquence d'occurrence des quatre types de nuages en Afrique de l'Ouest : les cirrus (en rouge), la convection profonde (en cyan), les nuages de mi-niveau (en bleu) et la convection peu profonde (en vert) définis à la section 3.4. Cette zone d'étude se concentre sur la bande latitudinale où les grandes structures d'Afrique de l'Ouest se rencontrent ainsi que le système de mousson et les précipitations qu'elles entraînent (Hourdin et al. 2010). C'est également dans cette zone que se déplace la dépression thermique saharienne et que l'on observe les plus forts impacts radiatifs. Il y a donc certaines zones près des côtes (non colorées) qui n'ont pas été sélectionnées puisque notre étude porte sur la région continentale et non océanique de l'Afrique de l'Ouest. Cette climatologie est illustrée sur la figure 5.1 pour chaque mois de l'année en fonction de la latitude et de l'altitude. Pour construire cette figure, nous avons sélectionné les pixels nuageux de chaque transect sur la zone d'étude colorée sur la figure 5.2.
Sur cette figure, on remarque globalement la présence des quatre types de nuages tout au long de l'année avec cependant une occurrence plus forte de quelques familles de nuages dans certaines régions durant la période de mousson. Les cirrus, situés entre 9 et 18 km d'altitude, sont présents chaque mois de l'année et constituent une couche plus épaisse près du Golfe de Guinée. Durant la période de mousson et notamment en juin, juillet et août, ceux-ci ne dépassent quasiment pas le désert du Sahara. La rétraction des cirrus vers le Sud pendant la mousson s’explique peut-être par le passage des dépressions des moyennes latitudes plus au Nord durant l’été alors que pendant l’hiver ces dépressions et/ou les Tropicale Plumes arrosent le Nord du domaine. C'est également le cas de la convection profonde en juillet et août. La convection profonde dont les nuages s'étendent verticalement jusqu'à 18 km d'altitude est présente également tout au long de l'année avec des extensions verticales beaucoup plus importantes durant les mois de mousson entre le Golfe de Guinée et 17°N. La convection peu profonde est minoritaire par rapport aux trois autres types nuageux et s'observe principalement dans le Sud de l'Afrique de l'Ouest. Cependant, elle monte vers le Nord dès le mois d'avril atteignant le sud du désert du Sahara durant le mois d'août pour
ensuite redescendre à partir du mois d'octobre, de manière concomitante avec le flux de mousson. Les nuages de mi-niveau suivent également les fluctuations du flux de mousson. En janvier, février, novembre et décembre, on les aperçoit peu même si on note toutefois quelques amas nuageux au-dessus du Golfe de Guinée et du Sahara. Dès le mois de mars et ce jusqu'au mois d'octobre, ces nuages s'étendent continuellement du Sud jusqu'au Nord de l'Afrique de l'Ouest. On note également leur présence beaucoup plus importante en août et septembre entre 20° et 30°N dans la région de Bordj Badji Mokhtar.
Figure 5.1: Climatologie mensuelle de la fraction nuageuse des cirrus (en rouge), de la convection profonde (Cv - en cyan), des nuages de mi-niveau (6km - en bleu) et de la convection peu profonde (Cvpp - en vert) de juin 2006 à mai 2010 en Afrique de l'Ouest [3.575-31.575°N, 10°W-10°E] obtenue avec les produits CloudSat-CALIPSO.
Une climatologie régionale de l'occurrence des nuages de mi-niveau, en fonction de la latitude et de la longitude, a également été construite en Afrique de l'Ouest (cf. Fig. 3.1; 3.575-31.575°N, 14.78°W-28.47°E) à partir de ces quatre années de données. Pour chaque trace de l'A-Train, les nuages de mi-niveau ont été identifiés en tant qu'objet et étiquetés. L'Afrique de l'Ouest a été divisée en grille latitudinale & longitudinale de 3.5° x 3.09° de façon à obtenir environ deux transects durant la nuit et deux autres durant le jour en un mois. Cette discrétisation permet de déterminer où et à quelle fréquence les nuages de mi-niveau sont observés indépendamment de leur taille. Pour chaque maille de la grille (représentée par des traits verts sur la figure 5.2), le nombre de nuages normalisé par la longueur de traces en kilomètre est calculé; ce nombre sera nommé par la suite "densité". Les régions océaniques et côtières n'ont pas été prises en compte dans cette étude à l'exception de la côte guinéenne (cf. Fig. 5.2).
Figure 5.2: Climatologie (a) annuelle, (b) de janvier-février-mars (JFM), (c) d'avril-mai-juin (AMJ), (d) de juillet-août-septembre (JAS) et (e) d'octobre-novembre-décembre (OND) de la densité des nuages de mi-niveau (nombre de nuages normalisé par la longueur de traces en kilomètre) en km-1 de juin 2006 à mai 2010 en Afrique de l'Ouest [3.575-31.575°N, 14.78°W-
28.47°E] obtenue avec les produits CloudSat-CALIPSO. Ici, les figures sont calculées à partir d'objets nuageux. (Bourgeois et al., accepté)
43115 nuages de mi-niveau ont été observés dans cet échantillon de quatre ans. La carte de la densité moyenne annuelle des nuages de mi-niveau sur ces quatre années est présentée sur la Fig. 5.2 (a). Cette figure indique que ces nuages sont présents environ deux fois plus souvent dans la partie sud de l'Afrique de l'Ouest que dans le nord. De plus, davantage de nuages sont observés dans la partie ouest que dans l'est, et ce gradient zonal est même amplifié au Sahara et au Sahel. La structure spatiale de ce schéma zonal suggère qu'il pourrait être influencé par la dynamique de la dépression thermique saharienne située dans le sud-est de l'Afrique de l'Ouest en hiver et dans le nord-ouest en été (voir la figure 3.6;
Lavaysse et al. 2009).
Après avoir analysé les quatre années complètes, les mois ont été regroupés trois par trois afin d'analyser le cycle saisonnier : janvier, février, mars (JFM) ; avril, mai, juin (AMJ) ; juillet, août, septembre (JAS) ; et octobre, novembre, décembre (OND). Pour JAS, la figure 5.2 (d) indique la présence de nuages de mi-niveau sur toute l'Afrique de l'Ouest avec des maxima forts dans le sud-est et dans les régions du Golfe de Guinée. Un autre maximum local est observé sur le flanc sud-est de la dépression thermique saharienne (15-22°N; 6°W-4°E)
(voir la figure 3.6; Lavaysse et al. (2009)) et une augmentation de l'apparition des nuages de mi-niveau s'observe au nord du désert du Sahara. Cette étendue est en adéquation avec l'advection d'humidité observée vers le nord au niveau du Hoggar (Cuesta et al. 2010) mais également avec les hypothèses de Pantillon et al. (2016) qui observent de fortes tempêtes de sables dans cette région pouvant favoriser d'importants systèmes convectifs orographiques (voir la figure 11 (a) de Pantillon et al. (2016)). À l'échelle saisonnière, les nuages de mi- niveau semblent être associés à la progression vers le nord de la mousson du printemps à l'été et à son retrait à l'automne. Les fluctuations saisonnières de l'occurrence des nuages de mi- niveau sont similaires à celles de la position climatologique de la dépression thermique saharienne puisque ce gradient zonal est maximal pendant la saison de mousson d'Afrique de l'Ouest et disparaît d'octobre à mars lorsque l'occurrence des nuages est beaucoup plus faible.
Le cycle annuel de ces nuages est représenté sur la figure 5.3 par bandes latitudinales. Pour toutes les latitudes, il existe un cycle annuel marqué avec une augmentation de l'occurrence des nuages de mi-niveau pendant la mousson d'Afrique de l'Ouest (JJAS) et une diminution entre novembre et février. Cependant, dans le nord du Sahara, l'amplitude du cycle annuel est beaucoup plus faible et nous observons également un comportement légèrement différent avec un maximum plus étroit qui est déplacé plus tard dans la saison (en août- septembre par rapport à juin-juillet-août). Les Plumes Tropicales, situées au nord de l'Afrique de l'Ouest et observées principalement durant l'automne, l'hiver et le printemps, pourraient expliquer la présence de nuages de mi-niveau dans ces régions, car elles génèrent des couches de nuages de mi-niveau de longues durées, de grandes échelles et partiellement précipitants (définies à la section 3.2; Fröhlich et al. 2013; Knippertz and Fink 2009). Les bandes latitudinales du nord (en rose et violet) sur la figure 5.3 montrent une indication des Plumes Tropicales avec une augmentation de ces nuages au printemps et en automne.
Figure 5.3: Cycle annuel de la densité des nuages de mi-niveau de juin 2006 à mai 2010 pour les bandes latitudinales. Le nombre de transects pour chaque mois est mentionné au-dessus. (Bourgeois et al., accepté)
En couvrant quatre années, les données spatiales de CloudSat-CALIPSO sont bien adaptées pour analyser le cycle annuel tout en conservant un échantillonnage homogène entre le jour (13:30 LT) et la nuit (01:30 LT). Elles nous ont permis de montrer l’existence d’un cycle saisonnier bien marqué de ces nuages de mi-niveau expliquée en partie par la propagation du flux de mousson et par l’existence au nord du Sahara des Plumes Tropicales au printemps et à l’automne. Cependant, ce faible échantillonnage durant 24 heures (un passage le jour et un passage la nuit toujours à la même heure) ne permet pas d'explorer les fluctuations qui se produisent à des échelles de temps plus petites comme par exemple le cycle diurne. Les observations des deux sites sols Niamey et BBM nous fournissent une description à haute résolution temporelle de la fraction nuageuse sur la verticale mais uniquement sur une période relativement courte (respectivement un an et un mois).