La mobilisation et la gestion de l’eau de surface constitue la clé de voûte du bien-être social et économique des populations des zones arides d’Afrique de l’Ouest. Cependant l’utilisation des outils de gestion et de prédétermination hydrologique est entravée par les changements climatiques et environnementaux que connait l’Afrique de l’Ouest depuis les années 1970. Les impacts de ces changements sont assez bien documentés sur les caractéristiques moyennes des régimes hydrologiques mais le sont moins lorsqu’on s’intéresse aux caractéristiques des extrêmes. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une contribution à un projet d’actualisation des normes hydrologiques en Afrique de l’Ouest, et constitue le premier pas essentiel pour ce projet. Son objectif général est de caractériser les régimes de crues dans la région en répondant aux questions suivantes : Quelles sont les évolutions observées sur les régimes des crues en Afrique de l’Ouest ? Ces évolutions sont-elles en rapport avec les changements climatiques et/ou les modifications environnementales ? Quels sont les scénarii possibles de l’évolution des crues au regard des simulations climatiques futures ? La difficulté majeure de ce travail est liée à la disponibilité des données hydro climatiques et environnementales dans la région, aussi, l’analyse s’est basée sur des outils reconnus robustes dans la littérature. Dans un premier temps, l’utilisation des données de 14 stations hydrométriques de la région... / Water resources plays a key role in the social progress and economic development of west african countries. But the mobilization of water is hampered by climate and environmental changes that undergoes the region since 1970. Extremes parts of hydrological regimes are also impacted, but less studies have focus on their evolution, in relation with climate and environmental changes. The main objective of this thesis is to characterize hydrological extreme events in West Africa, we tried to answer the following questions:- What are the trends of maximum discharge in west Africa?- Are these trends due to climate changes or enviromental changes?- Which speculations can be made from these evolutions, according to future climate simulations?In the first part of the work, we analyzed the trends of floods over 14 watersheds of the region. This analysis allowed us to highlight a clustering behavior of flood according to the climatic region the catchments belong to. Increasing trends have been found on flood magnitude and flood frequency of the 3 sahelian catchments used, and decreasing trends of flood magnitude were found on three sudanian catchments. Finally, the remaining catchments did not showed significant trend in their flood regime...

En Afrique de l'Ouest, la diminution brutale de la pluviométrie depuis les années 1970 s'est produite en concomitance avec une augmentation des dommages liés aux inondations. Si une accentuation de la vulnérabilité des populations est indéniable, la question d'une évolution de l'aléa pluviométrique en particulier des pluies les plus intenses reste posée - notamment dans un contexte où le réchauffement climatique devrait s'accompagner d'une intensification du cycle hydrologique globale. Cette thèse s'attache améliorer nos connaissances sur le régime de pluies extrêmes en Afrique de l'Ouest sous-documenté à l'heure actuelle dans les sciences du climat et de l'hydrologie opérationnelle. Le travail s'articule autour des trois objectifs: (i) fournir une vision régionale intégrée de l'organisation spatiale des extrêmes, (ii) étudier l'évolution du régime de précipitations extrêmes en lien avec la variabilité décennale des cumuls pluviométriques annuels, (iii) caractériser les extrêmes pluviométriques en produisant des cartes d'aléa pluviométrique et en étudiant les liens d'échelles entre les extrêmes de pluie à différents résolutions spatio-temporelles. On se base ici sur les données journalières des réseaux nationaux disponibles depuis les années 1950 sur l'Afrique de l'Ouest et actualisées sur le Sahel Central jusqu'en 2010; les données de précipitation à haute résolution disponibles depuis 1990 sur l'observatoire AMMA-CATCH Niger. Les modèles statistiques classiques issus de la théorie des valeurs extrêmes, ont été adaptés pour incorporer des covariables représentant des non-stationnarités spatiales et temporelles dans les pluies extrêmes. On montre la grande robustesse de ces modèles pour estimer les quantiles rares et détecter les tendances régionales dans les séries d'extrêmes. Le cadre théorique des fractales a été utilisé pour modéliser les relations d'échelles spatio-temporelles. On montre ainsi qu'une représentation de type "simple scaling" permet de décrire de manière très satisfaisante ces relations sur la gamme des pas de temps allant de 1 à 24 heures. Les résultats climatologiques confirment que la sécheresse de la fin du XXeme siècle a été avant tout associée à une baisse de l'occurrence des précipitations, leur intensité demeurant relativement inchangée. On note en revanche un comportement singulier sur la dernière décennie durant laquelle un déficit persistant d'occurrence est compensé par une intensification des précipitations qui explique un retour vers une meilleure pluviométrie annuelle, associée cependant à des extrêmes plus marqués et donc porteurs de risque hydrologique.

En Afrique de l'Ouest, la diminution brutale de la pluviométrie depuis les années 1970 s'est produite en concomitance avec une augmentation des dommages liés aux inondations. Si une accentuation de la vulnérabilité des populations est indéniable, la question d'une évolution de l'aléa pluviométrique en particulier des pluies les plus intenses reste posée - notamment dans un contexte où le réchauffement climatique devrait s'accompagner d'une intensification du cycle hydrologique globale. Cette thèse s'attache améliorer nos connaissances sur le régime de pluies extrêmes en Afrique de l'Ouest sous-documenté à l'heure actuelle dans les sciences du climat et de l'hydrologie opérationnelle. Le travail s'articule autour des trois objectifs: (i) fournir une vision régionale intégrée de l'organisation spatiale des extrêmes, (ii) étudier l'évolution du régime de précipitations extrêmes en lien avec la variabilité décennale des cumuls pluviométriques annuels, (iii) caractériser les extrêmes pluviométriques en produisant des cartes d'aléa pluviométrique et en étudiant les liens d'échelles entre les extrêmes de pluie à différents résolutions spatio-temporelles. On se base ici sur les données journalières des réseaux nationaux disponibles depuis les années 1950 sur l'Afrique de l'Ouest et actualisées sur le Sahel Central jusqu'en 2010; les données de précipitation à haute résolution disponibles depuis 1990 sur l'observatoire AMMA-CATCH Niger. Les modèles statistiques classiques issus de la théorie des valeurs extrêmes, ont été adaptés pour incorporer des covariables représentant des non-stationnarités spatiales et temporelles dans les pluies extrêmes. On montre la grande robustesse de ces modèles pour estimer les quantiles rares et détecter les tendances régionales dans les séries d'extrêmes. Le cadre théorique des fractales a été utilisé pour modéliser les relations d'échelles spatio-temporelles. On montre ainsi qu'une représentation de type "simple scaling" permet de décrire de manière très satisfaisante ces relations sur la gamme des pas de temps allant de 1 à 24 heures. Les résultats climatologiques confirment que la sécheresse de la fin du XXeme siècle a été avant tout associée à une baisse de l'occurrence des précipitations, leur intensité demeurant relativement inchangée. On note en revanche un comportement singulier sur la dernière décennie durant laquelle un déficit persistant d'occurrence est compensé par une intensification des précipitations qui explique un retour vers une meilleure pluviométrie annuelle, associée cependant à des extrêmes plus marqués et donc porteurs de risque hydrologique. / In West Africa, the sharp decrease of rainfall since the 70s has occurred concurrently with an increase of flood damage. If it is certain that the vulnerability of the population has increased, the question of the evolution of extreme rainfall remains unanswered - especially in a context where global warming should be accompanied by an intensification of the global water cycle. This thesis aims to improve our understanding of the extreme rainfall regime in West Africa. The work is based on three objectives: (i) provide an integrated regional vision of the spatial organization of extremes, (ii) study the evolution of extreme precipitation regime in connection with the decadal variability of annual rainfall (iii) characterize the extreme rainfall by producing rainfall hazard maps and IDAF (Intensity-Duration-Area-Frequency) curves. In this work, two datasets are used: (i) daily data from national networks, available since 1950 on West Africa, have been updated on the Central Sahel until 2010; (ii) precipitation data with high resolution available since 1990 from the AMMA-CATCH Niger observatory. Conventional statistical models from the extreme value theory has been adapted to incorporate covariates in order to represent spatial and temporal non-stationarity in extreme rainfall. These models show a high robustness to estimate the high quantiles and detect regional trends in the extreme series. The theoretical framework of fractals has been used to model the relationships of spatial and temporal scales. Climatological results confirm that the drought of the late 20th century was primarily associated with a decrease in the occurrence of rainfall, intensity remained relatively unchanged. We note, however, a singular behavior in the last decade: a persistent deficit of occurrence of rainfall is compensated by higher intensities which explains a return to better annual rainfall associated with more extreme rainfall.

Dans les pays du Sud ruraux et à faibles revenus, la vulnérabilité des zones agricoles pluviales, face à la variabilité pluviométrique, nécessite de trouver des solutions efficaces pour limiter les effets des aléas climatiques sur les récoltes. La prévision des caractéristiques des saisons des pluies quelque temps avant leur démarrage devrait aider à l’établissement de stratégies agricoles d’adaptation aux aléas pluviométriques. C’est à cet objectif que s’attache ce travail, appliqué à l’Afrique de l’Est (Kenya et nord de la Tanzanie), et articulé en 3 parties :- Définir et comprendre le comportement des descripteurs intra saisonniers (DIS) qui feront l’objet de l’étude de prévisibilité. Un travail spécifique a permis le développement d’une nouvelle approche méthodologique dans la manière de définir les démarrages (DSP) et fins (FSP) de saisons des pluies à l’échelle régionale. Cette approche basée sur une analyse multivariée, permet de s’affranchir des choix subjectifs de seuils pluviométriques imposés par les définitions communément utilisée en agro-climatologie. Une analyse de cohérence spatiale à l’échelle inter annuelle montre que, pour les deux saisons des pluies (long rains et short rains), le cumul saisonnier et le nombre de jours de pluie présentent une forte cohérence spatiale, tandis qu’elle est plus modérée pour le démarrage et fin des saisons et faible pour l’intensité quotidienne moyenne.- Analyser la prévisibilité des DIS aux 2 échelles spatiales régionale et locale en s’appuyant sur les simulations numériques du modèle climatique global ECHAM 4.5. Les précipitations quotidiennes simulées par le modèle, même après correction des biais, ne permettent pas d’appréhender correctement la variabilité interannuelle des DIS. Une spécification de la variabilité des DSP et FSP menée par le biais de modèles statistiques construits à partir d’indices climatiques observés, présuppose une prévisibilité modérée des deux descripteurs à l’échelle locale (régionale), et cela quelle que soit la saison. Le développement de modèles statistico-dynamiques à partir des champs de vents simulés par ECHAM 4.5, en mode forcé par les températures marines observées d’une part et prévues d’autre part, montre également des performances faibles localement et régionalement. - Explorer la manière dont la variabilité spatio-temporelle des paramètres climatiques et environnementaux module la variabilité des rendements de sorgho. Ces rendements sont simulés par le modèle agronomique SARRA-H à partir de données climatiques observées (1973-2001) dans 3 stations localisées à différentes altitudes le long des pentes orientales du Mt Kenya. Le cumul précipité et la durée de la saison expliquent une part importante de la variabilité des rendements. D’autres variables apparaissent comme jouant un rôle non négligeable ; le nombre de jours de pluies, l’intensité quotidienne moyenne ou encore certains DIS relatifs à l’organisation temporelle des pluies au sein d’une saison en font partie. L’influence des autres variables météorologiques est seulement visible pour les ‘long rains’ avec une covariation négative entre les rendements et les températures maximales ou, le rayonnement global. La date de semis semble jouer un rôle dans la modulation des rendements pour les stations de haute et moyenne altitudes, mais avec des différences notables entre les deux saisons des pluies. / In Southern countries with rural low income populations, the vulnerability of rainfed agriculture to rainfall variability requires effective solutions to mitigate the effects of climatic hazards on crops. Predicting the characteristics of rainy seasons some time before they start should help the establishment of agricultural adaptation strategies to rainfall hazards. This is the objective of the present study, focused on East Africa (Kenya and northern Tanzania), and divided in three parts:- Define and document intra-seasonal descriptors (ISD) that will be considered in the predictability study. A new methodological approach has been developed in order to define the onset date (ORS) and the cessation date (CRS) of the rainy seasons at the regional level. Based on a multivariate analysis, it eliminates the subjective choice of rainfall thresholds imposed by the definitions commonly used in agroclimatology. An analysis of spatial coherence at interannual time-scale shows that for the two rainy seasons ("long rains" and "short rains"), the seasonal amount and the number of rainy days have a high spatial coherence, while it is medium for the onset and cessation dates and low for the average daily rainfall intensity.- Analyze the predictability of the ISD at both regional and local scales based on numerical simulations from the global climate model ECHAM 4.5. Daily precipitation simulated by the model, even after bias correction, do not correctly capture the IDS interannual variability. A specification of the ORS and CRS variability using statistical models applied to observed climate indices, suggests quite a low predictability of the descriptors at the local (regional) scale, regardless of the season. The development of statistical-dynamical models from wind fields simulated by ECHAM 4.5, in experiments forced by either observed or predicted sea temperatures, also shows quite poor skills locally and regionally.- Explore how the space-time variability of climatic and environmental factors modulate the variations of sorghum yields. Crop yields are simulated by the agronomic model SARRA-H using observed climate data (1973-2001) at three stations located at different elevations along the eastern slopes of Mt Kenya. The seasonal rainfall accumulation and the duration of the season account for a large part of the yields variability. Other rainfall variables also play a significant role, among which the number of rainy days, the average daily intensity and some ISD related to the temporal organization of rainfall within the season. The influence of other meteorological variables is only found during the long rains, in the form of a negative correlation between yields and both maximum temperature and global radiation. Sowing dates seem to play a role in modulating yields for high and medium altitude stations, but with notable differences between the two rainy seasons.

En Afrique de l'Ouest, la diminution brutale de la pluviométrie depuis les années 1970 s'est produite en concomitance avec une augmentation des dommages liés aux inondations. Si une accentuation de la vulnérabilité des populations est indéniable, la question d'une évolution de l'aléa pluviométrique en particulier des pluies les plus intenses reste posée - notamment dans un contexte où le réchauffement climatique devrait s'accompagner d'une intensification du cycle hydrologique globale. Cette thèse s'attache à améliorer nos connaissances sur le régime des pluies extrêmes en Afrique de l'Ouest sous-documenté à l'heure actuelle dans les sciences du climat et de l'hydrologie opérationnelle. Le travail s'articule autour de trois objectifs: (i) fournir une vision régionale intégrée de l'organisation spatiale des extrêmes, (ii) étudier l'évolution du régime des précipitations extrêmes en lien avec la variabilité décennale des cumuls pluviométriques annuels, (iii) caractériser les extrêmes pluviométriques en produisant des cartes d'aléa pluviométrique et en étudiant les liens d'échelles entre les extrêmes de pluie à différentes résolutions spatio-temporelles. On se base ici sur les données journalières des réseaux nationaux disponibles depuis les années 1950 sur l'Afrique de l'Ouest et actualisées sur le Sahel Central jusqu'en 2010; les données de précipitation à haute résolution disponibles depuis 1990 sur l'observatoire AMMA-CATCH Niger. Les modèles statistiques classiques issus de la théorie des valeurs extrêmes, ont été adaptés pour incorporer des covariables représentant des non-stationnarités spatiales et temporelles dans les pluies extrêmes. On montre la grande robustesse de ces modèles pour estimer les quantiles rares et détecter les tendances régionales dans les séries d'extrêmes. Le cadre théorique des fractales a été utilisé pour modéliser les relations d'échelles spatio-temporelles. On montre ainsi qu'une représentation de type "simple scaling" (invariance d'échelle simple) permet de décrire de manière très satisfaisante ces relations pour des pas de temps allant de 1 à 24 heures. Les résultats climatologiques confirment que la sécheresse de la fin du XXeme siecle a été avant tout associée à une baisse de l'occurrence des précipitations, leur intensité demeurant relativement inchangée. On note en revanche un comportement singulier sur la dernière décennie durant laquelle un déficit persistant d'occurrence est compensé par une intensification des précipitations qui explique un retour vers une meilleure pluviométrie annuelle, associée cependant à des extrêmes plus marqués et donc porteurs de risque hydrologique.