Statistical study of the variability of atmospheric desert aerosols concentrations over West Africa

Le but de cette thèse est de documenter la variabilité des teneurs en aérosols minéraux en Afrique de l’Ouest et de comprendre les mécanismes qui la contrôlent. L’analyse des concentrations mesurées au sol au Sahel montre que ce sont les transports d’aérosols sahariens qui sont responsables des maxima de concentration observés en saison sèche Marticorena et al. (2010). Ces évènements présentent une très forte variabilité à l’échelle intra-saisonnière et interannuelle mais une certaine persistance à l’échelle régionale. Quelles sont les conditions météorologiques qui expliquent cette variabilité ? La réponse à cette question ne peut être obtenue qu’au travers d’une analyse systématique et conjointe des conditions météorologiques régionales et des mesures d’aérosol désertiques sur le continent (concentration de surface, épaisseurs optiques en aérosols) et au large de l’Afrique de l’Ouest. Les mesures d’épaisseur optique en aérosols (AOT) permettent la surveillance globale du contenu atmosphérique en particules. Cependant la relation permettant de retrouver les concentrations massiques en (PM10) à partir des mesures d’épaisseur optique n’est pas toujours simple. Ainsi dans un premier temps l’analyse de la variabilité de la concentration en PM10 et des conditions météorologiques locales mesurées au sol, a permis de confirmer un cycle saisonnier régional présenté par Marticorena et al. (2010), caractérisé par un maximum de concentration en saison sèche et un minimum pendant la saison des pluies sur l’ensemble de trois stations. L’analyse du cycle diurne des concentrations a permis de voir qu’il est diffèrent selon les saisons. En saison sèche, le jet de basses couches (NLLJ en anglais) saharien semble moduler le cycle diurne des concentrations en particules mesurées au Sahel, tandis que l’évolution diurne des concentrations de poussière en saison des pluies apparaît être modulé par l’évolution des systèmes convectifs a l’échelle régionale.Dans un deuxième temps, une méthodologie basée sur une classification en types de temps a été proposée. Elle permet de mettre en évidence des situations météorologiques typiques pour lesquelles la relation AOT-PM10 est simplifiée, puis une modélisation de PM10 à partir de l’épaisseur optique. Pour cela deux approches ont été adoptées. D’abord une famille composée de six régimes de temps bruts a été définie décrivant la saisonnalité climatique. La mise en relation AOT-PM10 permet de voir que les régimes de temps caractéristiques du flux d’harmattan présentent une relation meilleure en terme de corrélation par rapport à la relation avant la séparation en type de temps. Ensuite six régimes de temps ayant un impact sur la variabilité interannuelle des aérosols ont été définis. Les régimes de temps obtenus sont caractérisés par une forte variabilité interannuelle et moins persistante que pour les régimes de temps bruts. Les régimes de temps sont caractérisés par des anomalies de circulation atmosphérique, soit cyclonique, soit anticyclonique, d’échelle synoptique et centrée sur le nord du domaine. L’intégration de l’ensemble de cette approche en régimes de temps permet d’obtenir des résultats satisfaisants dans la prévision des valeurs de PM10, ouvrant des perspectives en terme de système d’alerte précoce.The aim of this thesis is to document the variability of the atmospheric dust content in West Africa and to understand the mechanisms that control it. The analysis of the concentrations measured ground in the Sahel shows that it is the transport of Saharan aerosols that are responsible for the maximum concentration observed in the dry season. These events have a very high variability at intra-seasonal and interannual scale with some persistence on a regional scale. What are the weather conditions that explain this variability? The answer to this question can be obtained only through a systematic analysis of regional weather and desert aerosol measurements on the continent (surface concentration, aerosol optical thickness) and of the West Africa. The aerosol optical thickness measurements (AOT) allow global monitoring of atmospheric particulate content. However the relationship allowing to find the concentrations (PM10) from the optical thickness measurement is not always simple. So at first the analysis of the variability of the PM10 concentration and local meteorological conditions measured on the ground, confirmed a regional seasonal cycle presented by Marticorena et al. (2010), characterized by a maximum concentration during the dry season and a minimum during the rainy season on all three stations. The analysis of the diurnal cycle concentrations allowed seeing that it differ depending on the season. In the dry season, the Saharian low level jet (NLLJ) appears to modulate the diurnal cycle of particulate concentrations in the Sahel, while the diurnal evolution of concentrations of the rainy season appears to be modulated by changes in convective systems has regionally. Secondly, a methodology based on a classification into weather types was proposed. It allows to highlight typical meteorological situations in which the AOT- PM10 relationship is simplified and modeling PM10 from the Aerosol Optical Thickness. For this, two approaches have been adopted. At first a family of six weather types has been defined describing the climate seasonality. The link between AOT and PM10 can allowed to see that the weather types characterise to harmattan flow have a better relationship in terms of correlation to the relationship before separating in weather type. Then six weather types affecting the interannual variability of aerosols were defined. The resulting weather patterns are characterized by high interannual variability and less persistent than for rough weather regimes. The weather patterns are characterized by atmospheric circulation anomalies, either cyclonic or anticyclonic at synoptic scale and centered on the northern area. The integration of all of this approach in weather types provides satisfactory results in forecasting PM10 values, opening perspectives in terms of early warning system