J.E. PATUREL
IRD Hydrosciences Montpellier
Cette présentation s’appelle « Identification et Caractérisation des Changements climatiques en Afrique de l’Ouest », nom d’un programme mené entre 1993 et 1998 à l’IRD, à Abidjan et à Montpellier. A Montpellier, Hélène pilotait une équipe constituée principalement de Bertrand Marieu, IRD, et de Jean-Marie Masson, UMII.
le programme ICCARE :
L’objectif est la caractérisation d’une « fluctuation » climatique et l’étude de ses conséquences sur les ressources en eau de surface. Au départ, en Afrique de l’Ouest non sahélienne puis finalement étendu au Sahel et à une partie de l’Afrique Centrale.
Cette fluctuation climatique se manifeste par des modifications dans les séries chronologiques pluviométriques et débimétriques.
Hélène Lubès a pris une part prépondérante dans la mise en place de méthodes et d’outils d’analyse et non moins importante dans le traitement des données.
Premières méthodes mises en place, la simple cartographie sur l’espace étudié.
Cartographie de:
• l’évolution temporelle de la variable étudiée.
• l’évolution temporelle d’un indice annuel de la variable défini comme une variable centrée réduite. La carte ainsi obtenue traduit des zones à déficit ou excédent de la variable plus ou moins marqués.
Cela a été effectué pour toutes les variables analysées, lorsque cela avait un sens.
Autres outils et méthodes développés ou utilisés : Khronostat, initialement appelé Statisti.
La caractérisation d'éventuelles fluctuations d'ordre climatique repose entre autres analyses sur l'étude de séries chronologiques de données de pluie et de débit à différents sites de mesures, les plus nombreux possibles, sur des périodes les plus longues possibles.
Une étude bibliographique a permis de dresser une liste non exhaustive des procédures qui ont pour objectif d'analyser "les traits" d'une série chronologique. Ont été recensés les tests les plus utilisés et les plus argumentés dans la littérature.
La première catégorie de tests concerne le caractère aléatoire des séries.
Dans l'hypothèse où la série est déclarée non aléatoire une seconde catégorie de tests sont requis pour tenter de caractériser la nature "non aléatoire" présente dans la série. Ces tests sont relatifs à la détection d’un point de rupture. Une rupture est entendue comme étant un changement dans la loi de probabilité de la série chronologique à un instant donné, le plus souvent inconnu.
Au sein de cette liste et après une analyse des hypothèses de ces tests, de leur performance et de leur robustesse, travail mené dans une étude de simulation de séries aléatoires artificiellement perturbées, les tests et analyses suivants ont été retenus:
• Test de Corrélation sur le rang
• Analyse de l’Autocorrélogramme
• Test de Pettitt (Version modifiée de Mann-Whitney)
• Statistique U de Buishand
• Analyse de l’Ellipse de contrôle (complément graphique original au test de Buishand)
• Procédure bayésienne de Lee et Heghinian
• Procédure de segmentation des séries
L’ensemble de ces tests et méthodes d’analyse a été regroupé au sein de Khronostat, une plateforme informatique.
Ce logiciel écrit en langage Delphi et fonctionnant sous environnement Windows est téléchargeable gratuitement sur le site d’HydroSciences Montpellier (www.hydrosciences.org).
Toutes les approches univariées menées avec Khronostat aboutissent à des résultats ponctuels : 1 résultat pour 1 seul poste et qui ne concerne qu’une seule variable.
On peut imaginer que lors d’une analyse qui concerne une grande région et de nombreuses variables, la synthèse n’est pas toujours facile à obtenir et à interpréter dans son ensemble.
L’objectif a alors été de réaliser une analyse spatio-temporelle généralisée au cas multivarié.
Seule une approche tridimensionnelle peut permettre ainsi d’une part de répartir spatialement les postes ayant subi des changements similaires sur une période commune et d’autre part de détecter des ruptures caractérisées par plusieurs variables.
La méthode STATIS (Lavit, 1988) permet l’exploration de plusieurs tableaux de données en simultané. Le but de la méthode est la recherche d’une structure commune aux tableaux, appelée interstructure. La méthode se décompose en plusieurs étapes. Hélène en a retenu deux :
Comparaison globale entre les tableaux (l’interstructure) : c’est l’étude des relations entre les différents tableaux. Il faut définir une distance entre 2 tableaux et trouver une représentation euclidienne des tableaux dans laquelle la proximité de 2 points correspondra à une ressemblance des tableaux, au sens de la distance considérée.
Le nuage moyen ou compromis (l’intrastructure) : le compromis est représentatif de l’ensemble des tableaux selon certains critères ; une analyse en composantes principales du tableau compromis est ensuite réalisée.
En complément de la mise en évidence des manifestations d'une variabilité climatique, se pose la question de la répercussion des effets d'un changement des quantités précipitées ou écoulées, sur les caractéristiques de la modélisation hydrologique des bassins versants.
A cette fin, une méthodologie à caractère statistique appliquée à une modélisation conceptuelle de la relation pluie-débit a été mise en œuvre.
La méthodologie mise en œuvre comprend deux étapes essentielles. Pour un modèle hydrologique et un bassin donné, la première a trait à la phase de calage-validation (c'est-à-dire l’optimisation des paramètres), la seconde est relative à l'étude de stabilité des paramètres optimisés.
L'analyse de stabilité proposée repose sur l'analyse de sensibilité des paramètres optimisés. Celle-ci consiste à estimer la "région d'indifférence"
des paramètres optimisés, c'est-à-dire la région dans laquelle la valeur de la fonction critère à l'optimum ne varie que d'une petite valeur dite "indifférente".
La procédure retenue, identifie la région d'indifférence recherchée à la région de confiance des paramètres de modèles non linéaires. Le contour de la région est calculé pour un niveau de probabilité donné égal à 1 - ά, de telle sorte que ladite région de confiance, ainsi délimitée, contienne le jeu optimum et inconnu de paramètres du modèle avec une probabilité approximativement (non exactement comme dans le cas linéaire) égale à 1- ά.
Pour chaque calage, la forme de ces contours donne des informations sur le degré d'indépendance des paramètres pris deux à deux. L'analyse de stabilité portera ensuite, pour chaque bassin correctement modélisé, sur la comparaison des contours de confiance établis sur différentes périodes.
On en vient à l’application des méthodes mises en place et aux résultats obtenus.
ICCARE a compris 3 volets :
• Volet pluviométrie
• Volet écoulement
• Volet modélisation
On voit, ici au niveau de la pluviométrie annuelle des décennies 30 à 80 incluses:
• la sécheresse de la décennie 40, son extension, sa variabilité dans l’espace
• et celle de 1970 qui devient encore plus marquée au cours de la décennie 1980 et qui englobe l’ensemble de l’Afrique de l’Ouest Les déficits enregistrés varient de 15 à 25% entre la période 50-60 et la période 70-80 selon les régions; ils sont plus marqués en Afrique de l’Ouest qu’en Afrique Centrale où ils pourraient faire partie de la variabilité naturelle des phénomènes
Les manifestations les plus sensibles de cette fluctuation climatique ont été analysées comme la diminution des cumuls annuels de pluie, la diminution des nombres de jours de pluie, comme le décalage et le rééquilibrage des saisons de pluies, ...
• Les précipitations annuelles ont diminué de façon très importante sur l’Ouest et le Nord de la zone d’étude, ainsi que sur la façade océanique de la Côte d’Ivoire. Ailleurs, cette diminution est vérifiée également mais plus faiblement. Cette variation semble être apparue à la fin de la décennie 1960 et au tout début de la décennie 1970
• Le nombre annuel de jours de pluie a varié au cours des dernières décennies en Afrique de l’Ouest et Centrale. Le plus souvent, on enregistre une diminution importante en Afrique de l’Ouest et moindre en Afrique Centrale. Si l’apparition du phénomène de diminution du nombre annuel de jours de pluie se manifeste sur une période assez longue (de 1955 à 1980 environ), c’est malgré tout autour de l’année 1970 qu’elle est la plus fréquente
• Dans les zones à une comme à deux saison des pluies, l’une de ces saisons, voire les deux, a une durée plus courte qu’auparavant. C’est parfois lié au fait que la saison des pluies débute plus tardivement, parfois au fait qu’elle s’arrête plus précocement, mais il est
pratiquement impossible de généraliser. De même, le moment auquel cette modification s’est opérée ne peut être déterminé avec précision.
• La distribution de la pluviométrie journalière n’a apparemment pas varié au cours des dernières décennies. Néanmoins, quelques ruptures et tendances peuvent être observées en certains endroits à la fin de la décennie 1960 ou au début de la décennie 1970, traduisant peut-être un changement plus net à l’échelle de l’événement pluvieux. Ce type de données relevant de la pluviographie n’était malheureusement pas accessible d’un point de vue régional. Il serait intéressant de poursuivre l’analyse des jours pluvieux à un pas de temps plus fin, celui de l’événement pluvieux. La constitution de courbes I.D.F. de part et d’autre de l’année 1970 apporterait probablement des éléments intéressants quant à l’éventuelle modification de la distribution des événements pluvieux.
Toutes les approches univariées montrent donc que l’Afrique de l’Ouest, voire centrale, a subi dans les années 60-70 des modifications pluviométriques importantes.
L’approche tridimensionnelle est représentée par un « cube » où, avec la notation classique du STATIS,
• les individus sont les années ;
• les Variables sont le cumul annuel de pluie, le nombre annuel de jours de pluie, la durée de la saison des pluies et le cumul des pluies tombées pendant la saison sèche ;
• les tableaux sont les stations.
L’application du STATIS résume les comportements pluviométriques de l'ensemble des stations de la zone étudiée entre 1950 et 1980, tels qu'ils ont été décrits à l'aide de quatre variables hydrologiques et fait apparaître une organisation spatiale des postes qui est la suivante:
• groupe I: Togo, Bénin et sud de la Côte d’Ivoire,
• groupe II: Cameroun, Centrafrique et Burkina Faso,
• groupe III: Guinée Conakry, Guinée Bissau, Mali et Sénégal.
Le test de rupture en moyenne et l'estimation du point de rupture s’effectuent sur les séries des moyennes intergroupes pour chaque variable.
Concernant les écoulements annuels.
Alors que les déficits pluviométriques atteignaient 15 à 25%, les déficits sur les écoulements annuels dépassent allègrement les 50%, surtout sur les cours d’eau d’Afrique de l’Ouest.
La sécheresse hydrologique est donc d’une ampleur bien plus grande
Concernant enfin la modélisation.
On a utilisé 2 modèles : GR2M et VUB. Pour ces 2 modèles, les résultats sont semblables.
pas de relation d'équivalence entre le comportement stationnaire (ou non) des séries hydrologiques annuelles (pluie, débit, coefficient d'écoulement) et la caractéristique de stabilité (ou non) des paramètres, puisque des configurations de paramètres stables s'observent aussi bien pour des
"bassins à séries stationnaires" que pour des "bassins à séries avec rupture".
Par contre dans le cadre de ce travail, tous les "bassins à séries stationnaires" se caractérisent par des paramètres stables
Résultats sur la modélisation.
Les résultats montrent que des changements ont affecté la relation Pluie- Débit. Les bassins sont trop peu nombreux pour tenter une
« régionalisation » des résultats.
Il est important de noter que ces changements sont dus:
• de façon certaine, à des entrées et/ou sorties significativement différentes en terme de moyenne et/ou de répartition temporelle mais aussi
• probablement, à des mécanismes de production de l'écoulement différents (confirmé ultérieurement pas d’autres travaux).
Il est cependant impossible de quantifier la part des effets de l’un et de l’autre.
Le programme ICCARE a permis de mettre en place un certain nombre de méthodes et d’outils qui ont permis d’avoir aujourd’hui un aperçu bien plus net de la manifestation de la variabilité climatique observée aux alentours de l’année 1970 en Afrique de l’Ouest et Centrale.
Ces méthodes et outils ont été utilisés par des étudiants et des services nationaux, non seulement en Afrique de l’Ouest et Centrale, mais également dans d’autres régions.
Merci à Hélène.
