Study of the Occurrence of Extreme Precipitation and Droughts in Northern Africa: Estimation of Return Periods and Return Levels
Etude de l’Occurrence des Précipitations et des Sécheresses Extrêmes en Afrique au Nord de l’Équateur : Estimation des Périodes de Retour et des Niveaux de Retour
Résumé
The occurrence of extreme hydro-climatic events such as floods and severe droughts has adverse impacts on society and economy of African countries, especially those of south of the Sahara, because of their low levels of development, which is associated with the high vulnerability of their populations. A study that analyzes their occurrence and their evolution, for the forecasting purposes, is a necessity for the region.
This thesis focuses on the occurrence of the July–September (JAS) extreme rainfall and droughts in the northern Africa. Specifically, it addresses the issue of modeling their occurrences, estimating their return periods (RP) and their return levels (RL) in the context of stationary and non-stationary climate, and to evaluate the influence of the large-scale modes of climate variability (L-SMCV) on both their occurrence and the intensity of their RL.
To conduct this investigation, we used monthly rainfall data from the Climatic Research Unit of the University of East Anglia in England, over the period 1901–2014; and those of four climate indices—the El Niño southern oscillation, the North Atlantic oscillation, the Pacific decadal oscillation, and the Atlantic multi-decadal oscillation—from the Global Climate Observing System Working Group on Surface Pressure. Two classical statistical approaches derived from the extreme value theory were used to identify and model the JAS extreme hydro-climatic events in the northern Africa: the peaks-over-threshold approach, which models the excesses above the threshold according to a generalized Pareto distribution, and the block maxima approach, which supposes that the maxima follow a distribution of generalized extreme value.
The results reveal a good fit between these statistical approaches and the JAS extremes—wet and dry extremes—across the northern Africa. It appears that the areas with high occurrences of JAS extreme rainfall for a fixed RP are those of Guinean coastal regions and those of highlands on the mainland. In general, over most northern Africa, the RL of JAS extreme rainfall have decreased after 1970, while there was an increase in RLs of JAS extreme droughts in the West African Sahel with respect to 1901–70 period. In Sahel as a whole, the JAS extreme rainfall will intensify in the future, whilst in its western part, the JAS dry extremes are expected to amplify after 2009. The assessment of the influence of L-SMCVs JAS extreme rainfall indicates that the Atlantic multi-decadal oscillation significantly impacts RLs in semi-arid area, and therefore, can be considered as a predictor of JAS extreme rainfall in this part of the northern Africa. The most extreme years have been detected and sometimes associated with an El Niño oscillation phase. The length of RP associated with these years depends on their intensities and it varies from one area to another. As a result, an investigation that deals with the modeling of hydro-climatic events in northern Africa requires first an analysis that takes into account the spatial heterogeneity of the rainfall distribution, and then, should be performed on distinct climatic zones.
L’occurrence des événements hydroclimatiques extrêmes tels que les inondations et les sécheresses sévères a des impacts négatifs sur la société et l’économie des pays africains, en particulier ceux au sud du Sahara, en raison de leurs faibles niveaux de développement auquel est associée la très forte vulnérabilité de leurs populations. Une étude qui analyse leurs occurrences et leurs évolutions, ceci à des fins prévisionnelles, est une nécessité pour la région.
Cette thèse étudie l’occurrence des précipitations et les sécheresses extrêmes de la saison de Juillet–Septembre (JAS) en Afrique au Nord de l’Équateur. Plus spécifiquement, il est question de modéliser leurs occurrences, d’estimer leurs périodes de retour (PR) et leurs niveaux de retour (NR) dans un contexte de climat stationnaire et non-stationnaire, et d’évaluer l’influence des modes de la variabilité climatique à grande échelle (MVCGE) aussi bien sur leurs survenues que sur l’intensité de leurs NR.
Pour mener cette investigation, nous nous sommes basés sur les données mensuelles des précipitations de l’unité de recherche sur le climat de l’université d’East Anglia, en Angleterre sur la période 1901–2014; et celles de quatre indices du climat — l’El Niño-oscillation, l’oscillation nord-atlantique, l’oscillation décennale du Pacifique et l’oscillation atlantique multi-décennale — de la Global Climate Observing System Working Group on Surface Pressure. Les deux approches statistiques classiques issues de la théorie des valeurs extrêmes ont été mises à contribution afin d’identifier et de modéliser les événements climatiques extrêmes de JAS en Afrique au Nord de l’Équateur : l’approche des dépassements de seuil qui modélise les excès au-dessus du seuil suivant une distribution de Pareto généralisée et l’approche des maxima par blocs, qui suppose que les maximas suivent une distribution de valeurs extrêmes généralisées.
Les résultats montrent une bonne adéquation entre ces modèles statistiques et les extrêmes de JAS — humides et secs — à travers l’Afrique au Nord de l’Équateur. Les zones à fortes occurrences de précipitations extrêmes de JAS pour une PR donnée sont celles des régions côtières dites guinéennes et celles des hauts reliefs sur le continent. De manière générale, sur presque toute l’Afrique au Nord de l’Équateur, les NR des précipitations extrêmes de JAS ont diminué après les années 1970, alors que sur la même période, on note une augmentation des NR des sécheresses extrêmes dans le Sahel Ouest africain par rapport à la période pré-1970. Il a été observé qu’au Sahel, les précipitations extrêmes de JAS s’intensifieront à l’avenir. En même temps, dans sa partie ouest, on assistera également à une amplification des extrêmes secs de JAS après 2009. L’évaluation de l’influence des MVCGE sur les précipitations extrêmes de JAS indique que l’oscillation atlantique multi-décennale impacte significativement les NR en zone semi-aride, et de ce fait, peut être considérée comme un prédicteur des précipitations extrêmes de JAS dans cette partie de l’Afrique au Nord de l’Équateur. Les années extrêmes les plus sévères ont été détectées et parfois associées à une phase de l’El Niño-oscillation. La longueur des PR associées aux quantités de précipitations de ces années dépend de leurs intensités et varie d’une zone à une autre. Par conséquent, une investigation qui porte sur la modélisation des événements hydroclimatiques en Afrique au Nord de l’Équateur nécessite au préalable la prise en compte de l’hétérogénéité spatiale de la distribution des précipitations, alors, devrait reposer sur les zones climatiques distinctes.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)