Analysis of decadal variability and climate change in West Africa using CMIP5 products - Application to estimate agricultural yields at the end of the century
Analyse de la variabilité décennale et du changement climatique en Afrique de l'ouest à l'aide des produits CMIP5-Application à l'estimation des rendements agricoles à la fin du siècle.
Résumé
The West African monsoon is characterized by high decadal and multi-decadal variability whose impacts can be catastrophic on local populations. The factors advanced to explain this variability put in competition the role of sea surface temperatures and atmospheric dynamics related in particular to Saharan Heat Low. In addition, the emergence of the climate change footprint on the West African Monsoon, linked to the increase in greenhouse gas emissions,involves regional effects (radiative forcing on the Saharan atmospheric circulation) and global effects (radiative forcing on sea temperatures). This thesis addresses these questions by comparing the sets of control and historical simulations of climate models carried out in the CMIP5 project with observational data from the 20th century.Through multivariate statistical analyses, it has been established that decadal modes of ocean variability (AMO, IPO and IDV) and decadal variability of Saharan atmospheric dynamics significantly influence the decadal variability of monsoon rainfall. These results also suggest the existence of an external anthropogenic forcing that is superimposed on the natural decadal variability inducing signal intensification in historical simulations compared to control simulations. In addition, we have shown that the decadal variability of rainfall in the Sahel, once the influence of oceanic modes has been eliminated, appears to be driven mainly by the activity of the Arabian Heat Low in the central Sahel and by the meridional temperature gradient structure in the western Sahel over the intertropical Atlantic.Moreover, the long-term evolution of the West African Monsoon over the period 1901-2099 is reflected in climate simulations by precipitation patterns over West Africa that are quite different from one model to another, which have been grouped into five categories, which may be very different from the multi-model average. We have also shown in these climate projections an increasing contribution of extreme daily rainfall to total rainfall accumulation, linked to anupward trend over the 21st century in the intensity of forcing factors such as vertical wind shear or the amount of precipitable water. Finally, bias corrections were applied to the daily climate model data and sensitivity to different reference data sets was demonstrated. Then the projections of the evolution of agricultural yields over the 21st century were made, showing a decline in yields in West Africa at the end of the century.
La mousson ouest-africaine est caractérisée par une forte variabilité décennale et multidécennale dont les impacts peuvent être catastrophiques sur les populations locales. Les facteurs avancés pour expliquer cette variabilité mettent à contribution le rôle des températures de surface de mer et la dynamique atmosphérique liée en particulier à la dépression thermique saharienne. Par ailleurs, l’émergence de l’empreinte du changement climatique sur la mousson ouest-africaine, liée à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, met en jeu des effets régionaux (forçage radiatif sur la circulation atmosphérique saharienne) et des effets globaux (forçage radiatif sur les températures de surface de mer). Cette thèse aborde ces questions en confrontant les ensembles de simulations de contrôle et historiques de modèles de climat réalisées dans le cadre du projet CMIP5 et les données d’observations sur le 20ème siècle.A travers des analyses statistiques multivariées, il a été établi que les modes décennaux de variabilité océaniques (AMO, IPO et IDV) et la variabilité décennale de la dynamique atmosphérique saharienne influencent de façon significative la variabilité décennale des précipitations de mousson. Ces résultats suggèrent aussi l’existence d’un forçage externe d’origine anthropique qui vient se superposer à la variabilité décennale naturelle induisant une intensification du signal dans les simulations historiques par rapport aux simulations de contrôle. De plus, nous avons montré que la variabilité décennale des pluies au Sahel, une fois l’influence des modes océaniques éliminés, apparaît pilotée principalement, sur le Sahel central par l’activité de la dépression thermique d’Arabie, et pour le Sahel ouest par la structure de gradient méridien de température sur l’Atlantique intertropical.Par ailleurs, l’évolution long-terme de la mousson ouest-africaine sur la période 1901-2099 se traduit dans les simulations climatiques par des structures de précipitations sur l’Afrique de l’ouest assez différentes d’un modèle à un autre, que l’on a regroupées en cinq catégories, pouvant être très différentes de la moyenne multi-modèle. Nous avons aussi montré dans ces projections climatiques une contribution de plus en plus accrue des pluies journalières extrêmes dans le cumul total des pluies, liée à une tendance à la hausse sur le 21ème siècle de l’intensité des facteurs de forçage comme le cisaillement vertical du vent ou la quantité d’eau précipitable. Enfin, des corrections de biais ont été appliquées aux données journalières des modèles de climat et la sensibilité à différents jeux de données de référence a été démontrée. Puis les projections sur le 21ème siècle de l’évolution des rendements agricoles ont été réalisées, montrant une baisse des rendements en Afrique de l’ouest à la fin du siècle.
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