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En Afrique de l'Ouest, la pluie est un élément essentiel de croissance économique des pays et de leurs populations. Pilotées par un régime de mousson, les précipitations se concentrent de mai à octobre. Suivant leur intensité et leur répartition spatiale et temporelle, elles peuvent engendrer l'essor d'une agriculture pluviale, ou conduire à des pertes alimentaires, économiques et humaines dès lors qu'elles sont à l'origine d'inondations sévères. Dans le contexte du changement climatique actuel et à venir, la région devrait être plus fréquemment touché par des événements extrêmes. Cette thèse contribue à fournir des éléments pour permettre d'accroître la qualité des estimations de précipitation dans une région du monde faiblement instrumentée. Les mesures du radar météorologique du MIT, déployé durant la campagne AMMA 2006-2007 à Niamey, sont traitées suivant deux approches méthodologiques afin d'étendre les estimations quantitatives des précipitations (QPE) au-delà du réseau de pluviographes AMMA-CATCH. La mesure de la pluie est également abordée à l'aide des liens de télécommunication des opérateurs de téléphonie mobile. Pour la première fois, en Afrique de l'Ouest, la méthode est validée sur un lien au nord-est de Ouagadougou par comparaison avec un pluviographe et le radar Xport. Sur l'ensemble des deux mois considérés, 95% du cumul de précipitation ont pu être estimés grâce à cette méthode, avec un nombre faible de fausses alertes, ou de non-détections. A l'échelle de l'événement, les résultats sont sensiblement plus mitigés suivant les événements.Par ailleurs, afin de documenter la microphysique glacée des systèmes convectifs de mésoéchelle (MCS) au Sahel, les mesures polarimétriques du radar Xport ont également servi à la validation de l'algorithme d'identification de particule (HID). Les distributions estimées de particules solides, en termes de graupels et d'agrégats, ont été confrontées aux mesures in situ acquises lors des vols instrumentés réalisés durant la pré-campagne de validation Mégha Tropiques à Niamey en août 2010. Des variables synthétiques obtenues par une modélisation T-matrix à partir des caractéristiques de forme et de densité mesurées par les sondes aéroportées au cours des vols ont conforté ces résultats

International audience; This communication deals with a GIS-based urban flooding model operating at high spatial resolution (~10m) over a large urban conglomerate, for real-time forecasting purpose. Although floods involve multi-directional flows, 2D-models cannot be applied over a whole urban area, because these models require long computation times and detailed topographic information which may not be available. That is the reason why we put forward an alternative, simplified and easy-to–use model offering reasonable performance, and fast computation times in agreement with real-time forecasting requirements. The model operates on the basis of a 10m spatial resolution DEM, which is first modified to account for artificial drainage directions induced by the built-up areas and the channel network. Runoff conditions (e.g. land use) and routing conditions (e.g. friction, slopes and cross-sections) can be distributed in space. The flows are first computed at the outlet of elementary urban catchments of 1km2 area by the SCS-LR hydrological model, then the output of the catchments are injected as inputs into the drainage network and routed using the kinematic wave model. The outputs of the model are the flood hydrographs at the outlet of each urban elementary catchment, and the discharges at any time and any location of the drainage network, which allow estimating the overloading of the network and its impact in terms of flooded areas. The model was tested in African cities like Ouagadougou (Burkina-Faso) and Bamako (Mali). In addition to real-time forecasting, it allows impact assessments for future urban development or climate change scenarios, and also supplies the boundary conditions for 2D models to be used in restricted urban areas. The model is available within the open source ATHYS platform.; Cette communication présente les principales caractéristiques d’un modèle d’inondations urbaines opérant à l’échelle de l’agglomération complète à une très fine résolution spatiale (~10m), dans une optique de prévision en temps réel. Alors que les inondations sont caractérisées par des écoulements multi-directionnels, il n’est pas possible d’utiliser des modèles d’écoulement 2D à l’échelle de l’agglomération entière, en raison de temps de calcul très longs et de difficultés d’accès à une information topographique détaillée. Nous proposons donc une alternative de modélisation simplifiée, offrant des performances raisonnables, une mise en place rapide et des temps de calcul de quelques minutes, compatibles avec la prévision en temps réel. Le modèle opère sur la base d’un Modèle Numérique de Terrain au pas de 10m, modifié pour prendre en compte les conditions urbaines : drainage artificiel, obstacles liés au bâti. Les conditions de production (ex : occupation des sols) ou de transfert (ex : rugosités, sections des ouvrages) peuvent être spatialisées. Les écoulements sont d’abord calculés à l’exutoire de petits bassins urbains de surface approximativement égale à 1 km2 (modèle SCS-LR), puis sont injectés comme entrée dans le réseau de drainage (modèle de l’onde cinématique). Les sorties du modèle sont les hydrogrammes à la sortie de chaque bassin élémentaire, et les débits en tout point du réseau de drainage, permettant de déterminer les points de saturation des ouvrages et l’extension spatiale des débordements. Ce modèle a été testé dans plusieurs villes africaines, telles que Ouagadougou (Burkina Faso) et Bamako (Mali). Outre la prévision en temps réel, il permet de tester l’impact de différents scénarios d’aménagement urbain ou de variabilité du climat sur les inondations, et fournit également les conditions aux limites pour des modélisations 2D localisées sur des secteurs urbains restreints. Le modèle est disponible dans la plate-forme de modélisation ATHYS.

International audience; This communication deals with a GIS-based urban flooding model operating at high spatial resolution (~10m) over a large urban conglomerate, for real-time forecasting purpose. Although floods involve multi-directional flows, 2D-models cannot be applied over a whole urban area, because these models require long computation times and detailed topographic information which may not be available. That is the reason why we put forward an alternative, simplified and easy-to–use model offering reasonable performance, and fast computation times in agreement with real-time forecasting requirements. The model operates on the basis of a 10m spatial resolution DEM, which is first modified to account for artificial drainage directions induced by the built-up areas and the channel network. Runoff conditions (e.g. land use) and routing conditions (e.g. friction, slopes and cross-sections) can be distributed in space. The flows are first computed at the outlet of elementary urban catchments of 1km2 area by the SCS-LR hydrological model, then the output of the catchments are injected as inputs into the drainage network and routed using the kinematic wave model. The outputs of the model are the flood hydrographs at the outlet of each urban elementary catchment, and the discharges at any time and any location of the drainage network, which allow estimating the overloading of the network and its impact in terms of flooded areas. The model was tested in African cities like Ouagadougou (Burkina-Faso) and Bamako (Mali). In addition to real-time forecasting, it allows impact assessments for future urban development or climate change scenarios, and also supplies the boundary conditions for 2D models to be used in restricted urban areas. The model is available within the open source ATHYS platform.; Cette communication présente les principales caractéristiques d’un modèle d’inondations urbaines opérant à l’échelle de l’agglomération complète à une très fine résolution spatiale (~10m), dans une optique de prévision en temps réel. Alors que les inondations sont caractérisées par des écoulements multi-directionnels, il n’est pas possible d’utiliser des modèles d’écoulement 2D à l’échelle de l’agglomération entière, en raison de temps de calcul très longs et de difficultés d’accès à une information topographique détaillée. Nous proposons donc une alternative de modélisation simplifiée, offrant des performances raisonnables, une mise en place rapide et des temps de calcul de quelques minutes, compatibles avec la prévision en temps réel. Le modèle opère sur la base d’un Modèle Numérique de Terrain au pas de 10m, modifié pour prendre en compte les conditions urbaines : drainage artificiel, obstacles liés au bâti. Les conditions de production (ex : occupation des sols) ou de transfert (ex : rugosités, sections des ouvrages) peuvent être spatialisées. Les écoulements sont d’abord calculés à l’exutoire de petits bassins urbains de surface approximativement égale à 1 km2 (modèle SCS-LR), puis sont injectés comme entrée dans le réseau de drainage (modèle de l’onde cinématique). Les sorties du modèle sont les hydrogrammes à la sortie de chaque bassin élémentaire, et les débits en tout point du réseau de drainage, permettant de déterminer les points de saturation des ouvrages et l’extension spatiale des débordements. Ce modèle a été testé dans plusieurs villes africaines, telles que Ouagadougou (Burkina Faso) et Bamako (Mali). Outre la prévision en temps réel, il permet de tester l’impact de différents scénarios d’aménagement urbain ou de variabilité du climat sur les inondations, et fournit également les conditions aux limites pour des modélisations 2D localisées sur des secteurs urbains restreints. Le modèle est disponible dans la plate-forme de modélisation ATHYS.

A simple scheme that is based on the shape and intensity of the radar bright band is used to infer the density of hydrometeors just above the freezing level in Sahelian mesoscale convective systems (MCS). Four MCS jointly observed by a ground-based X-band radar and by an instrumented aircraft as part of the Megha-Tropiques algorithm-validation campaign during August 2010 in Niamey, Niger, are analyzed. The instrumented aircraft (with a 94-GHz radar and various optical probes on board) provided mass-diameter laws for the particles sampled during the flights. The mass-diameter laws derived from the ground-radar vertical profile of reflectivity (VPR) for each flight are compared with those derived from the airborne measurements. The density laws derived by both methods are consistent and encourage further use of the simple VPR scheme to quantify hydrometeor density laws and their variability for various analyses (microphysical processes and icy-hydrometeor scattering and radiative properties).

Rainfall monitoring based on commercial terrestrial microwave links is tested for the first time in Burkina Faso, in Sahelian West Africa. In collaboration with one national cellular phone operator, Telecel Faso, the attenuation on a 29km long microwave link operating at 7GHz was monitored at 1s time rate for the monsoon season 2012. The time series of attenuation is transformed into rain rates and compared with rain gauge data. The method is successful in quantifying rainfall: 95% of the rainy days are detected. The correlation with the daily rain gauge series is 0.8, and the season bias is 6%. The correlation at the 5min time step within each event is also high. These results demonstrate the potential interest of exploiting national and regional wireless telecommunication networks for monitoring rainfall in Africa, where operational rain gauge networks are degrading and the hydrometeorological risk increasing.

As part of the African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) field campaign an X-band dual-polarization Doppler radar was deployed in Benin, West-Africa, in 2006 and 2007, together with a reinforced rain gauge network and several optical disdrometers. Based on this data set, a comparative study of several rainfall estimators that use X-band polarimetric radar data is presented. In tropical convective systems as encountered in Benin, microwave attenuation by rain is significant and quantitative precipitation estimation (QPE) at X-band is a challenge. Here, several algorithms based on the combined use of reflectivity, differential reflectivity and differential phase shift are evaluated against rain gauges and disdrometers. Four rainfall estimators were tested on twelve rainy events: the use of attenuation corrected reflectivity only (estimator R(Z(H))), the use of the specific phase shift only R(K-DP), the combination of specific phase shift and differential reflectivity R(K-DP,Z(DR)) and an estimator that uses three radar parameters R(Z(H), Z(DR),K-DP). The coefficients of the power law relationships between rain rate and radar variables were adjusted either based on disdrometer data and simulation, or on radar-gauges observations. The three polarimetric based algorithms with coefficients predetermined on observations outperform the R(Z(H)) estimator for rain rates above 10 mm/h which explain most of the rainfall in the studied region. For the highest rain rates (above 30 mm/h) R(K-DP) shows even better scores, and given its performances and its simplicity of implementation, is recommended. The radar based retrieval of two parameters of the rain drop size distribution, the normalized intercept parameter N-w and the volumetric median diameter D-m was evaluated on four rainy days thanks to disdrometers. The frequency distributions of the two parameters retrieved by the radar are very close to those observed with the disdrometer. N-w retrieval based on a combination of Z(H)-K-DP-Z(DR) works well whatever the a priori assumption made on the drop shapes. D-m retrieval based on Z(DR) alone performs well, but if satisfactory Z(DR) measurements are not available, the combination Z(H)-K-DP provides satisfactory results for both D-m and N-w if an appropriate a priori assumption on drop shape is made.

The present study investigates the multi-scale processes associated with a sequence of convective events that occurred over Niamey during the period 25-26 July 2006 This period corresponds to the active stage of the lust intense monsoon surge over Sahel for 2006 During this two-day period, two successive sequences of mesoscale convective systems (MCSs) were located ahead of and in phase with the trough of an African Easterly Wave (AEW) They were followed by suppressed or isolated convection behind the trough and in the vicinity of the ridge The huge AMMA-SOP dataset. in particular the UHF radar and the MIT Doppler radar in Niamey. are used in combination with a low-resolution (5 km) cloud-resolving model to understand the convection organization and its interaction with the environment Several initial and boundary conditions have been tested, but only the simulation starting with the ECMWF AMMA reanalysis succeeds in reproducing the observed features. this emphasizes the importance of the initial state From the simulated MCSs. the along-line component of the apparent source of momentum due to the convection is found to be up to I m s(-1)h(-1) It seems that MCSs globally reduce the monsoon flow and generate southerlies at nod levels which can reinforce the rotation of the wind at the passage of the Dough During the afternoon of 26 July, the local convection over Niamey resulted from some favourable factors (humidity, CAPE. CIN) that triggered convection, while inhibiting factors (mid-level dry layer, weaker low-level wind shear pointing to the north. anticyclonic curvature of the streamlines at 700 hPa) prevented it organizing itself and propagating in particular. the low-level wind shear seems of critical importance Copyright (C) 2010 Royal Meteorological Society

L'expérience EPSAT-Niger est la première de ce type menée en Afrique. Elle a été conçue pour étudier la structure des champs de pluie sahéliens depuis la méso-échelle, telle que définie par les atmosphériciens, jusqu'aux échelles fines adaptées aux études hydrologiques de petits bassins versants, grâce à l'association d'un radar météorologique numérisé et d'un réseau dense de pluviographes à mémoire statique. L'expérience a duré 4 ans dans sa période intensive (1990-1993) et elle se poursuit actuellement en mode d'observatoire : le nombre de postes a été réduit à une trentaine et les acquisitions radar ont cessé. On dresse ici un bilan des avancées produites par une première série de travaux menés sur les données de la période intensive. L'intérêt et les limites de l'information radar sont discutés. On montre ensuite que l'événement pluvieux possède des caractéristiques stables d'une année sur l'autre. Ces caractéristiques devraient pouvoir être utilisées comme outils de diagnostic climatique destinés à remplacer les indicateurs liés à l'analyse des seules moyennes annuelles. En se basant sur une approche géostatistique, des abaques d'erreurs d'estimation ont été calculées pour des surfaces de référence en faisant varier la densité du réseau de mesure. Ces abaques font apparaître des seuils critiques de densité en dessous desquels les erreurs d'estimation augmentent très rapidement lorsque la densité décroît. Ces seuils critiques peuvent être utilisés à des fins de dimensionnement de réseau. (Résumé d'auteur)

ATHYS est un logiciel à vocation hydrologique, regroupant dans un environnement homogène les diverses opérations nécessaires à la mise en oeuvre des modèles hydrologiques spatialisés : traitement et visualisation des données hydro-pluviométriques et des données géographiques, catalogue de modèles spatialisés. (Résumé d'auteur)

Au cours de la campagne Epsat-Niger, un radar bande C installé à Niamey a été utilisé pour l'étude des systèmes précipitants. Les données collectées de 1991 à 1993 nécessitent d'être calibrées à l'aide d'une vérité terrain. Celle-ci est apportée par un réseau dense de pluviographes installé sur le degré carré de Niamey. Au préalable, il faut résoudre les problèmes de stabilité et de sensibilité de la chaîne de réception du radar. Une première étude à l'aide des échos de sol permet d'estimer le niveau moyen de la chaîne d'acquisition et d'effectuer une remise à niveau. Pour avoir une référence sol, on compare ensuite les lames d'eau mesurées au sol avec les lames d'eau calculées à l'aide des réflectivités radar. Cette comparaison est effectuée pour des évènements pluvieux de grande extension spatiale, sur tout de degré carré et sur des surfaces définies par les zones de forte concentration en pluviographes. Une première analyse est menée en fonction de la relation Z-R choisie, du pas de temps et de la méthode d'interpolation des données sol. Elle met en lumière le problème du choix de la vérité sol. Une seconde analyse s'attache à limiter les perturbations apportées par le phénomène d'atténuation ou à en tenir compte lors de la comparaison des lames d'eau sol et radar. Cette dernière analyse se fait en fonction de la relation Z-R et conduit à calculer un facteur de correction moyen c pour chaque évènement. La comparaison des résultats obtenus avec les différentes relations Z-R fait apparaître une dispersion beaucoup plus grande avec la relation de Marshall-Palmer (-3,25

Au cours de quatre campagnes successives (1990-1993), l'expérience EPSAT-Niger a permis d'acquérir un ensemble de données pluviographiques et radar sans équivalent à ce jour sur l'Afrique de l'Ouest. Un panorama rapide des données acquises et des conditions climatiques qui ont prévalu durant ces 4 années d'expérience est donné ici, permettant de dégager quelques éléments dominants de la climatologie des précipitations au Sahel. Il est suivi d'une description des travaux menés en vue d'obtenir des estimations de lames d'eau au sol plus fiables sur des surfaces dont la taille peut varier selon les besoins des hydrologues et des modélisateurs du climat. Une analyse des champs pluviométriques associés aux systèmes convectifs de méso-échelle est ensuite présentée, montrant qu'ils sont constitués de structures emboîtées dont la trace se retrouve jusque dans les cartes de cumuls saisonniers. Néanmoins la possibilité de calculer des statistiques pertinentes pour ces structures est limitée par la nature intégrée des données fournies aussi bien par le radar que par les pluviographes. Un effort majeur reste donc à accomplir pour prendre en compte la distorsion introduite par ces effets d'intégration et développer des procédures d'estimation des paramètres de modèles de champs pluviométriques sahéliens. (Résumé d'auteur)

Grâce à l'utilisation conjointe d'un réseau dense de pluviographes à mémoire statique et d'un radar météorologique bande C, EPSAT-Niger permet d'étudier les précipitations au Sahel aux petites échelles de temps et d'espace. Les buts d'EPSAT-Niger sont d'améliorer les connaissances sur les systèmes précipitants, de mettre au point des algorythmes d'estimation optimale des pluies et de développer des méthodes d'extension spatiale utilisant les données de télédétection. (Résumé d'auteur)

La saison des pluies 1990 a été déficitaire presque partout au Sahel et la zone étudiée (environ 10 000 km2), autour de Niamey, n'est pas une exception. Sur le plan expérimental, le réseau de pluviographes a été fiable, tandis que la chaîne radar a été fragile. A l'aval des acquisitions ont été développées des banques de données sol (BADINAGE) et radar (BADORA). (Résumé d'auteur)

La saison des pluies 1990 a été déficitaire presque partout au Sahel et la zone étudiée (environ 10 000 km2), autour de Niamey, n'est pas une exception. Sur le plan expérimental, le réseau de pluviographes a été fiable, tandis que la chaîne radar a été fragile. A l'aval des acquisitions ont été développées des banques de données sol (BADINAGE) et radar (BADORA). (Résumé d'auteur)

In Sahel, droughts and floods are a threat to the economy and the population. Rain Cell Africa is a development project with the purpose of measuring rainfall and anticipating risks related to excess (floods) or deficit (drought) of precipitation, based on mobile networks. Drops of water affect the radio signal exchange between two antennas. The power transmitted is attenuated and the drop of signal could be related to the integrated rain intensity. However, to estimate all these rain attenuations accurately, a depth analysis of signal?s behaviour is required. In this work, an exhaustive statistical analysis of signals from a few links has been done in order to have a reference of their behaviour. It has been characterized all signal variations during dry days and it has been compared with rain attenuations. Through these comparisons, it has been able to reduce some of these variations without reducing rain attenuation. En el Sahel, las sequías y las inundaciones son una amenaza para la economía y la población. Rain Cell África es un proyecto de desarrollo con el propósito de medir la precipitación y anticiparse a los riesgos relacionados con el exceso (inundaciones) o déficit (sequía) de precipitación, sobre la base de las redes móviles. Las gotas de agua afectan el intercambio de señales de radio entre dos antenas. La potencia transmitida se atenúa y la caída de la señal podría estar relacionado con la intensidad de lluvia integrada sobre este periodo de tiempo. Sin embargo, para estimar con precisión todas estas atenuaciones de lluvia, se requiere un análisis en profundidad del comportamiento del señal. En este trabajo, se ha hecho un análisis estadístico exhaustivo de las señales de algunos enlaces con el fin de tener una referencia de su comportamiento. Se ha caracterizado todas las variaciones de las señales durante los días secos y se ha comparado con las atenuaciones de lluvia. A través de estas comparaciones, se ha podido reducir algunas de estas variaciones sin reducir la atenuación por lluvia. Al Sahel, les sequeres i les inundacions són una amenaça per a l'economia i la població. Rain Cell Àfrica és un projecte de desenvolupament amb el propòsit de mesurar la precipitació i anticipar-se als riscos relacionats amb l'excés (inundacions) o dèficit (sequera) de precipitació, sobre la base de les xarxes mòbils. Les gotes d'aigua afecten l'intercanvi de senyals de ràdio entre dues antenes. La potència transmesa s'atenua i la caiguda del senyal podria estar relacionat amb la intensitat de pluja integrada sobre aquest període de temps. No obstant això, per estimar amb precisió totes aquestes atenuacions de pluja, es requereix una anàlisi en profunditat del comportament del senyal. En aquest treball, s'ha fet una anàlisi estadística exhaustiva de les senyals d'alguns enllaços amb la finalitat de tenir una referència del seu comportament. S'ha caracteritzat totes les variacions dels senyals durant els dies secs i s'ha comparat amb les atenuacions de pluja. A través d'aquestes comparacions, s'ha pogut reduir algunes d'aquestes variacions sense reduir l'atenuació per pluja.

In Sahel, droughts and floods are a threat to the economy and the population. Rain Cell Africa is a development project with the purpose of measuring rainfall and anticipating risks related to excess (floods) or deficit (drought) of precipitation, based on mobile networks. Drops of water affect the radio signal exchange between two antennas. The power transmitted is attenuated and the drop of signal could be related to the integrated rain intensity. However, to estimate all these rain attenuations accurately, a depth analysis of signal?s behaviour is required. In this work, an exhaustive statistical analysis of signals from a few links has been done in order to have a reference of their behaviour. It has been characterized all signal variations during dry days and it has been compared with rain attenuations. Through these comparisons, it has been able to reduce some of these variations without reducing rain attenuation. En el Sahel, las sequías y las inundaciones son una amenaza para la economía y la población. Rain Cell África es un proyecto de desarrollo con el propósito de medir la precipitación y anticiparse a los riesgos relacionados con el exceso (inundaciones) o déficit (sequía) de precipitación, sobre la base de las redes móviles. Las gotas de agua afectan el intercambio de señales de radio entre dos antenas. La potencia transmitida se atenúa y la caída de la señal podría estar relacionado con la intensidad de lluvia integrada sobre este periodo de tiempo. Sin embargo, para estimar con precisión todas estas atenuaciones de lluvia, se requiere un análisis en profundidad del comportamiento del señal. En este trabajo, se ha hecho un análisis estadístico exhaustivo de las señales de algunos enlaces con el fin de tener una referencia de su comportamiento. Se ha caracterizado todas las variaciones de las señales durante los días secos y se ha comparado con las atenuaciones de lluvia. A través de estas comparaciones, se ha podido reducir algunas de estas variaciones sin reducir la atenuación por lluvia. Al Sahel, les sequeres i les inundacions són una amenaça per a l'economia i la població. Rain Cell Àfrica és un projecte de desenvolupament amb el propòsit de mesurar la precipitació i anticipar-se als riscos relacionats amb l'excés (inundacions) o dèficit (sequera) de precipitació, sobre la base de les xarxes mòbils. Les gotes d'aigua afecten l'intercanvi de senyals de ràdio entre dues antenes. La potència transmesa s'atenua i la caiguda del senyal podria estar relacionat amb la intensitat de pluja integrada sobre aquest període de temps. No obstant això, per estimar amb precisió totes aquestes atenuacions de pluja, es requereix una anàlisi en profunditat del comportament del senyal. En aquest treball, s'ha fet una anàlisi estadística exhaustiva de les senyals d'alguns enllaços amb la finalitat de tenir una referència del seu comportament. S'ha caracteritzat totes les variacions dels senyals durant els dies secs i s'ha comparat amb les atenuacions de pluja. A través d'aquestes comparacions, s'ha pogut reduir algunes d'aquestes variacions sense reduir l'atenuació per pluja.