Analyse des évolutions climatiques

Les phénomènes climatiques ont une influence sur le climat du bassin du Congo. Les perturbations des précipitations vont modifier à leur tour le régime hydrologique du fleuve. Au cours de ce volet, nous allons donc nous intéresser à la variabilité hydrologique du fleuve Congo en analysant les chroniques de débit sur 105 années, de 1902 à 2006.

Détection des discontinuités de la chronique de débit

Au lieu d'établir une comparaison basée sur des décennie fixes, nous avons choisit d'utiliser une approche comparative basée sur des périodes homogènes mises en évidence par des tests de discontinuités [phase mise en évidence dans l'article "Spatiotemporal variations in hydological regimes within Central Africa durion the XXth century"].

Figure – Tracé du débit annuel (m3/s) et mise en correspondances avec les différentes phases

L’étude de la chronique séculaire du fleuve Congo montre que l'on peut distinguer dans un premier temps deux périodes majeurs du fleuve, avec une période "stable" et une période "instable". Le débit interannuel du fleuve était de 41 677 m3/s pendant la première partie du siècle que l'on peut définir comme stable. Au contraire, pendant la deuxième moitié du siècle, des segmentations stationnaires du débits apparaissent approximativement à des intervalles réguliers de dix ans. Dans cette seconde moitié de siècle, on peut distinguer une première phase relativement stable du début du siècle à 1960, puis une phase d’écoulements relativement excédentaires durant la décennie 60 avec apparition de la crue maximale en 1962. Ensuite, il se produit un retour à la "normale" pour la période suivante, entre 1971 et 1981. Puis, à partir de 1982, on voit apparaître une période véritablement déficitaire, témoin de son étiage le plus faible en 1990, jusqu'en 1994. Et enfin, le débit semble se stabiliser une nouvelle fois en-dessous de la moyenne séculaire.

 

 

Tableau – Débits moyens observés pour les différentes phases; ratios entre les différentes phases et le débit moyen sur toutes la période étudiée Qmoy = 41654 m3/s.

Périodes

Débit moyen (m3/s)

Variation avec Qmoy (%)


1902-1959

41 677

+0,05


1960-1970

47 978

+15,2

"wet phase"

1971-1981

41 446

-0.5


1982-1994

37 824

-9.2

"dry phase"

1995-2006

40 725

-2.2


 

Ce fleuve présente ainsi, une augmentation de plus de 15% entre la période excédentaire, période humide (1960–1970) et le débit séculaire moyen interannuel de 41 654 m3/s. Cette augmentation est sans aucun doute l’accident hydrologique majeur de ce fleuve. La période sèche, quant à elle, présente un déficit d'un peu plus de 9%. Enfin, depuis les années 70, les débits moyens des différentes phases mise en évidences sont tous déficitaires par rapport au débit moyen séculaire.

En conclusion, pendant, la seconde moitié du 20ième siècle, les variations du débit du fleuve les plus marquantes se produisent pendant la période dite "sèche" (1960-1970) et la période dite "humide" (1982-1994). Cependant, l'évènement le plus marquant de ce siècle est la persistance d'une phase de débit faible à partir des années 1970.
De plus, des études ont mis en évidence un lien entre les périodes d'apparition des discontinuités hydrologiques et les discontinuités des évènements pluvieux sur le bassin du fleuve Congo. Même s'il n'existe pas de relation directe entre les amplitudes des variations des débits et des précipitations, à cause de leur non linéarité.


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Analyse préliminaire des évolutions à long terme

Pour établir la tendance d'évolution du débit du fleuve Congo sur le dernier siècle et le début du 21ième siècle, nous avons simplement réalisé dans un premier temps une régression linéaire sue les débits annuels des années 1902 à 2006.

Figure – Tracé du débit annuel (m3/s) et régression linéaire

A l'échelle du siècle, les variation de débit du fleuve Congo présente en moyenne une tendance à la baisse de la forme :

 

 

En comparant ce résultat avec celui obtenu par R.R. Nkounkou en 1989 (cf. figure ci-dessous), on s'aperçoit que la tendance c'est complètement inversée en 25 ans puisque Nkounkou avait observé une tendance à l'augmentation des fluctuations du débit.

 

Figure – Fluctuation des débits du fleuve Congo depuis le début du siècle (d'après R.R. Nkounkou, 1989)
Source TARDY Y., PROBST J.L., 1993. Sécheresses et Crises Climatiques - Fond documentaire Orstom


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Analyse de la variabilité de la chronique de débit

Moyenne mobile

Nous allons utilisé la moyenne mobile, qui est un type de moyenne statistique, pour analyser la chronique de débit temporelle Q(t), en supprimant les fluctuations transitoires de façon à en souligner les tendances à plus long terme.
Note : Cette moyenne est dite mobile parce qu'elle est recalculée de façon continue, en utilisant à chaque calcul un sous-ensemble d'éléments dans lequel un nouvel élément remplace le plus ancien ou s'ajoute au sous-ensemble.

Figure – Fluctuation des débits du fleuve Congo depuis le début du siècle (Moyenne mobile à 3 ans), 1902-2006

Figure – Moyenne mobile à 3 ans des fluctuation de débit Q(t), 1902-2006

En observant l'évolution global du débit du fleuve Congo, les variations de débit semble passer d'un maximum à un minimum de façon périodique, le débit oscille à intervalle plus ou moins régulier autour du débit moyen du fleuve. Les variations semblent donc suivre un signal pseudo-sinusoïdal avec une alternance entre des phases "humides" et des phases "sèches" pour le fleuve. Cependant, on peut remarquer que les amplitudes des variations de le moyenne mobile du débit ont augmenter pendant la seconde moitié du XXième siècle, ce qui confirme la présence de discontinuités importantes pendant cette période (une augmentation de 15,2% pendant la phase sèche 60-70 et un déficit de 9,2% pour la phase sèche 82-94).

Mais ce schéma de variation, pseudo-sinusoïdales, se répétera sans doute dans le futur et pourrait être une tendance d'évolution pour le fleuve Congo à long terme.

Enveloppe du signal Q(t)

 

L'enveloppe du signal du débit Q(t) a été obtenu grâce à la méthode de Hilbert programmée sous Matlab (cette méthode ne sera pas détaillée ici). Grâce à cette nous espérons mettre en évidence un structure récurrente du signal Q(t).

Figure – Signal Q(t) et son enveloppe par la méthode de Hilbert, 1902-2006

L'enveloppe permet de souligner la variabilité plus ou moins grande et la tendance de ce signal mais n'apporte pas d'information supplémentaire par rapport à la moyenne mobile.

Moyenne mobile et enveloppe de son résidu

Pour aller plus loin, le problème sera abordé différemment, on gardera la représentation graphique de la moyenne mobile, qui semble pertinente et le calcul de l'enveloppe de son résidu (Q(t) - Q_moyenne-mobile(t)).

Figure – Moyenne mobile à 3 ans de Q(t) et enveloppe de son résidu par la méthode de Hilbert, 1902-2006

h

Variabilité inta-annuelle du débit Q(t)

L'étude des conséquences hydrométriques du global change peut se découper en deux parties : l'étude de la variabilité inter-annuelle, faite ci-dessus, et l'étude de la variabilité intra-annuelle. Cette étude est basée sur les débits mensuels comme chronique de départ. Pour chaque années, on calcul l'écart-type des 12 débits mensuels.

Figure – Ecart-type inta-annuel et sa moyenne mobile à 5 ans (m3/s), 1902-2006

Figure – Moyenne mobile à 5 ans de l'écart-type intra-annuel (m3/s), 1902-2006

Avec cet écart-type intra-annuel, on retrouve une forme de signal pseudo-périodique sur le siècle. Mais cette variabilité n'a aucun rapport avec les différentes périodes excédentaires ou déficitaires mises en évidence précédemment.

 


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Pistes sur les origines des variabilités climatiques

Origine des années sèches et des années humides en Afrique (Y.Tardy et J-L Probst)

Une des pistes réalistes pour expliquer les origines des années sèches et humides en Afrique et plus particulièrement au Congo est la présence de la zone de convergence intertropicale (ZCIT), aussi connue sous le nom de front intertropical formée la convergence des masses d'air chaud et humide provenant des tropiques qui entraine des précipitations. Les variations du ZCIT ont un effet important sur les précipitations. Des anomalies prolongées du ZCIT peuvent produire de graves inondations ou sécheresses dans les zones intertropicales.

Le climat en Afrique est donc régi par la position de ce front intertropical. Quatre scénarios ont été proposés par M. Leroux (1970, 1983, 1988) :


  • Lorsque le front intertropical est maintenu en position méridionale, soit parce que les anticyclones polaires mobiles, originaires du pôle Sud, sont moins actifs que de coutume, soit parce que leurs homologues septentrionaux venus du pôle Nord sont au contraire plus longtemps et plus fortement actifs, le déficit est généralisé sur le Sahel d’Afrique de l’Ouest. Seul le sud de l’Afrique occidentale, où la saison estivale (petite saison sèche) peu pluvieuse est écourtée, peut recevoir ainsi plus d’eau que de coutume. Cette situation se lit très bien sur les fluctuation de débit du fleuve Congo, situé au sud, la période 1940-1950 est plutôt déficitaire, alors que la période 1970-1980 est moyenne.
  • Lorsque le front intertropical remonte haut vers le nord sous la forte poussée des anticyclones mobiles, originaires du pôle Sud, on enregistre un excédent pluviométrique sur l’Afrique sahélienne de l’Ouest. Pour le Congo, cette période est alors au contraire plutôt sèche (J.-L. Probst & Y. Tardy, 1987).
  • Les années 1947, 1949, 1966, 1968, 1977 et 1979 présentent un déficit au nord de 10 °N et un excédent au sud de cette latitude. Ces années sont moyennes pour le Congo, même si cependant, il montre un fort débit en 1966, 1967 et 1968.
  • Les années 1943,1945, 1950, 1954 et 1958 illustrent, en revanche, le scénario opposé, avec excédent de pluviosité au nord et déficit au sud. Les années 1943 à 1958 sont relativement sèches pour le Congo.

Relation entre les fluctuations de débit du Congo et de l’Amazone ?

Examinées à l’échelle de la décennie, les fluctuations de débit du fleuve Congo et Amazone sont déphasées et paraissent en opposition. En fait, le déphasage est de 60° pour la période de onze ans (N. Kayser et al., 1990). Tout se passe donc comme si pendant un certain temps, de cinq à six ans par exemple, l’eau évaporée au-dessus de l’océan Atlantique retombait sous forme de pluie, en plus grande abondance, tantôt sur l’Afrique équatoriale, tantôt sur l’Amazonie. Lorsque l’excès est distribué sur l’Afrique, l’Amérique du Sud est déficitaire. Lorsqu’au contraire le surplus se déverse sur l’Amazonie la cuvette congolaise se retrouve privée d’eau. Il s’agit ici d’un effet de compensation pluviométrique.

Figure – Fluctuation des débits du fleuve Congo depuis le début du siècle (Moyenne mobile à 3 ans)

Figure – Fluctuation des débits du fleuve Amazone depuis le début du siècle (d'après R.R. Nkounkou, 1989)
Source TARDY Y., PROBST J.L., 1993. Sécheresses et Crises Climatiques - Fond documentaire Orstom


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