La pluie en Afrique : une bénédiction et un risque

Innondation

Très sensible au changement climatique, la ceinture intertropicale connaît une météo et une hydrologie chahutées à l’extrême. Sous l’assaut de violentes inondations depuis environ 15 ans, Niamey, capitale du Niger, subit le double effet de l’augmentation des précipitations depuis les années 90 et du « paradoxe sahélien » : conséquence de la grande période de sécheresse des années 70-80, le sol encroûté laisse ruisseler l’eau et l’absorbe moins. Habitats, cultures et cheptels détruits mettent en péril la sécurité alimentaire des habitants. Ajoutant à la détresse d’une population majoritairement pauvre et en forte croissance, crises humanitaires et sociales couvent.

© TV Burkina Faso / IRD

Tous les chemins de l’eau mènent à Niamey

Sec au nord et très arrosé au sud, le bassin versant du Niger est la source nourricière de 9 pays, une population de 130 millions d’âmes, appelée à doubler dans les 50 prochaines années. Niamey, qui n’est pas un cas isolé, subit les conséquences des changements climatiques : les grandes sécheresses des années 1970-80 et une pluviométrie erratique depuis 1990 ont modifié le comportement hydrologique de la région. Avec le changement climatique les pluies pourraient s’intensifier et aggraver encore ces phénomènes alors que la population urbaine croit.

En juillet, les pluies de mousson en Guinée (A) créent une onde de crue qui arrive sur Niamey vers février. Depuis une quinzaine d’années, un pic de crue beaucoup plus fort fait son apparition en août, du aux pluies environnantes à Niamey (B).

© Hubert Bataille/IRD

Surveiller la pluie & le fleuve

Constellation GPM © NASA

Le produit TAPEER (développé par l’équipe scientifique Megha-Tropiques) combine les données pluies de GPM avec celles des satellites géostationnaires en Afrique (Meteosat) pour produire une estimation de la pluviométrie à l’échelle globale.

Un fleuve et son bassin versant fonctionnent essentiellement grâce aux précipitations, rendues particulièrement variables par le changement climatique. Pour comprendre et prédire, il faut pouvoir observer la pluie, la quantifier, et voir comment elle peut générer des inondations.

Sous la surveillance des 10 satellites de la constellation internationale GPM (Global Precipitation Measurement), le bassin du Niger devient un site pilote d’utilisation des données spatiales pour les thématiques liées à l’eau.

Dédiés à l’atmosphère, ces satellites s’intéressent tout particulièrement à la pluie en analysant les systèmes nuageux. Parmi eux, le satellite franco-indien Megha-Tropiques observe uniquement les tropiques, 5 à 6 fois par jour. Cette fréquence est nécessaire pour analyser des systèmes pluvieux particulièrement variables dans les tropiques. Des « lignes de grain » localisées provoquent des pluies intenses et soudaines. Ces pluies d’origine convective expliquent jusqu’à 80% du cumul de précipitations et créent le risque d’inondation.

© CNRS/AERIS/ICARE, IPH, Montage M Gosset

Évolution hydrologique du bassin du Niger sur l’année 2016. Le modèle hydrologique MGB convertit les données satellites de pluie (issues du produit TAPEER) en débit du fleuve. Conçu pour reproduire le fonctionnement du bassin, MGB se perfectionne et peut désormais simuler l’impact des précipitations régionales sur le débit du Niger à Niamey. La zone grisée autour de la courbe rouge est la marge d’incertitude sur la pluviométrie, traduite ici sur le débit simulé.

Une plus-value spatiale indispensable et transposable

Témoignage de l’Autorité du bassin du Niger. © Nick Hall

Répandues sur toute la ceinture tropicale, les inondations en recrudescence mettent en péril des populations déjà vulnérables. Face à un phénomène aussi variable que la pluie, les données satellites de pluie et d’altimétrie, permettent de développer des outils pour suivre le rythme d’un fleuve et s’y adapter.

À l’image du SCO, ce démonstrateur spatial est une histoire de coopération. Elle commence avec celle de l’Autorité du Bassin du Niger, 9 états regroupés pour avoir une vision intégrée de leur bassin commun. Un premier partenariat avec l’IRD et l’IPH signe le développement du modèle hydrologique du bassin, MGB. Aujourd’hui, leurs compétences s’unissent à celles du CNES pour optimiser le modèle grâce à un très bon produit pluviométrique, TAPEER. Complet, le projet intègre un volet capacity building afin que les utilisateurs s’approprient les outils.

À terme, la méthode sera transposable à d’autres lieux sous les tropiques. Elle intègrera d’autres données spatiales comme le suivi de l’humidité avec SMOS, et celui des hauteurs des cours d’eau par altimétrie haute-résolution avec le futur SWOT.

Selon l’ONU, le coût global des catastrophes naturelles en Afrique de l’ouest depuis le début du siècle se monte à 2,5 billions de $, dont 30% dus aux inondations.

Raincell, quand la téléphonie mesure la pluie

Pour suivre les systèmes orageux jusqu’aux plus fines échelles, l’IRD et le CNES s’associent aux opérateurs de téléphonie mobile pour produire des cartes de pluies à très haute résolution. Particulièrement innovante, leur méthode mesure les fluctuations de signal, dues aux gouttes de pluies, entre les antennes relais des réseaux de téléphonie mobile.

© Marielle Gosset

© Marielle Gosset

© Matial Alcoba GET

Suivi très haute résolution (sur 1 km2) d’un système pluvieux intense traversant Niamey le 21 Aout 2017, à l’origine d’inondations dans la ville. Reconstituée toutes les 15 minutes, la carte de pluie utilise les informations de fluctuation du signal entre les paires d’antennes relais du réseau Orange Niger (traits rouges). Les parties bleues et mauves montrent bien la brièveté et la densité des pluies convectives tropicales.

Les pluies vont-elles augmenter ?

C’est bien l’une des grandes questions des scientifiques. Toute la ceinture tropicale subit des inondations brutales dues à des précipitations perturbées.

Remerciements

En partenariat avec le CNES qui fournit les données satellite, ce projet est porté par l’IRD et l’INSU/CNRS, via le laboratoire GET et le LEGOS, en coopération avec l’Autorité du Bassin du Niger. Utilisateur final, l’ABN apporte les données de terrain et son expertise pour la validation. L’IRD a organisé les campagnes de validation in situ  des données satellitaires de pluie à Niamey  et Ouagadougou, financées par le CNES dans le cadre de Megha-Tropiques. L’IRD a développé le modèle hydrologique MGB adapté au Niger avec l’institut de recherche hydrologique brésilien IPH. Les produits TAPEER sont diffusés sur le pôle de données Aeris. L’intégration des données spatiales et de la modélisation pour favoriser les applications est soutenue par le programme SWOT Aval du CNES.

  • Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (France)
  • Centre national d’études spatiales (France)
  • Institut de recherche pour le développement (France)
  • Géosciences environnement Toulouse (France)
  • Autorité du bassin du Niger (Afrique)
  • Instituto des pesquisas Hydraulicas (Brésil)
  • Surface water and ocean topography Aval (France-USA)
  • AERIS (France)
  • Théia, Pôle de données et services pour les surfaces continentales (France)

Publications scientifiques

  • Fleischman et al., 2018 : Modelling two-way coupling of hydrologic and hydrodynamic processes in large semi-arid wetlands. Journ. of Hydrol., hydrol25865.
  • Gosset  et al., 2018 : Evaluation of TAPEER daily estimates and other GPM era products against dense gauge networks in West Africa, analyzing ground reference uncertainty. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, QJ-17-0210.- in press.
  • Guilloteau et al., 2016 : A multiscale evaluation of the detection capabilities of high-resolution satellite precipitation products in West Africa. Journ. of HydroMeteor. JHM-D-15-0148. https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JHM-D-15-0148.1
  • Guilloteau C., R. Roca, M. Gosset and V. Venugopal, Generation of High Resolution Precipitating Fraction Ensembles Fields With a Multiscale Observational Constraint From Satellite-borne Sensors, submitted for the Special Collection “Advances in Remote Sensing of Rainfall and Snowfall”, Q. J. R. Meteorol. Soc., 2018.
  • Roca et al., 2015 : The Megha-Tropiques mission : a review after three years in orbit. Front. Earth Sci. 3:17. doi: 10.3389/feart.2015.00017
  • Roca R., N. Taburet, E. Lorant, P. Chambon, M. Alcoba, H. Brogniez, S. Cloché, C. Dufour, M. Gosset, C. Guilloteau (2018) Quantifying the contribution of the Megha-Tropiques mission to the estimation of daily accumulated rainfall in the tropics. I Quat J. Roy. Meteorol. Soc. In press.
  • Casse C., Gosset G., Peugeot C., Pedinotti V., Boone A., Tanimoun B., A. and Decharme B., 2015 : Potential of Satellite Rainfall Products to Predict Niger River Flood Events in Niamey, Atmos. Res., 163, 162-176. doi:10.1016/j.atmosres.2015.01.010
  • Casse C., Gosset M., 2015 : Analysis of hydrological changes and flood increase in Niamey based on the PERSIANN-CDR satellite rainfall estimtate and hydrological simulations over 1983-2013 period, Proc. IAHS, 92, 1-7. doi:10.5194/piahs-370-117-2015
  • Casse C., Gosset M., Vischel T., Quantin G., and Tanimoun B. A., 2016 : Model-based study of the role of rainfall and Land Use Land Cover in the changes in Niger Red floods occurrence and intensity in Niamey between 1953 and 2012. hess-2015-427 doi:10.5194/hessd-12-12039-2015
  • Doumouni, Gosset  et al, 2014 , GRL; Rainfall Monitoring based on Microwave links from cellular telecommunication Networks : First Results from a West African Test Bed. Geophysical Research Letters, 10.1002/2014GL060724
  • Gosset, M., et al , 2016 BAMS : Improving Rainfall Measurement in gauge poor regions thanks to mobile telecommunication networks, Bull. Amer. Meteor. Soc doi:10.1175/BAMS-D-15-00164.1