Evolution of the rainfall regime in the West African Sahel : detection, elements of attribution and projections

Le réchauffement global d'origine anthropique a des conséquences sur le cycle hydrologique et en particulier sur les précipitations aux échelles régionales. La pluviométrie du Sahel, pilotée par la mousson d'Afrique de l'Ouest, se caractérise par une variabilité importante sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles ainsi que par une forte sensibilité aux fluctuations du climat global. Les enjeux socio-économiques de la région sont particulièrement prégnants avec d'une part, une agriculture essentiellement pluviale donc vulnérable aux sécheresses et d'autre part, une augmentation des débits de crue associée à une forte croissance démographique et une urbanisation peu ou pas planifiée, exacerbant le risque d'inondation. Dans ce contexte, cette thèse s'attache à documenter et comprendre les évolutions passées du régime pluviométrique sahélien, afin d'anticiper son évolution future.Des outils existants permettant une description fine des propriétés statistiques des pluies --notamment les extrêmes -- sur la région sont adaptés à un contexte de non-stationnarité temporelle. Ce cadre de travail a permis de mettre en évidence de façon robuste l’augmentation de l’intensité des événements extrêmes de pluie sur la région, à des pas de temps allant de l'infra-horaire au journalier. Il a également été montré que les événements les plus forts sont ceux dont la fréquence augmente le plus. Ces tendances ont été exprimées en des termes largement utilisés dans le domaine de l'ingénierie hydrologique afin de favoriser l'appropriation d'outils d'aide à la décision et la mise en place de pratiques d’adaptation.Les dernières simulations numériques du climat sont par la suite exploitées afin de mieux comprendre les facteurs responsables de ces évolutions. Ces simulations, qui représentent remarquablement bien les évolutions du régime pluviométrique observées depuis 1950 sur la région, ont mis en évidence le rôle prépondérant des facteurs de forçage anthropiques du climat dans l'intensification des pluies : les aérosols semblent être les premiers responsables de cette tendance, avec un rôle additionnel des gaz à effets de serre. Ces signaux forcés ont été modulés dans le temps et dans l'espace par la variabilité interne de l'océan.Les simulations climatiques en scénarios socio-économiques futurs suggèrent l'émergence de nouvelles conditions hydro-climatiques sur la région dans la prochaine décennie, notamment en ce qui concerne les événements extrêmes de pluie. Ainsi, sans la mise en place de mesures d'adaptation pertinentes et pensées pour le temps long, les conséquences d'événements extrêmes de plus en plus fréquents et intenses iront grandissantes. D'autre part, la saison des pluies subit un retard de son démarrage, rattrapé par des événements plus intenses plus tard dans la saison. De tels changements font planer une menace sérieuse pour -- entre autres -- les rendements agricoles, les inondations (surtout urbaines) et pour la disponibilité de la ressource en eau.Anthropogenic global warming has consequences on the hydrological cycle and in particular on rainfall at regional scales. Rainfall in the Sahel, driven by the West African monsoon, is characterized by significant variability over a wide range of spatial and temporal scales as well as by high sensitivity to global climate fluctuations. The socio-economic stakes of the region are particularly high, with, on the one hand, an essentially rain-fed agriculture that is vulnerable to droughts and, on the other hand, an increase in flood flows associated with strong demographic growth and little or unplanned urbanization, exacerbating the risk of flooding. In this context, this thesis aims to document and understand past changes in the sahelian rainfall regime in order to anticipate its future evolution.Existing tools allowing a fine description of the statistical properties of rainfall -- especially extremes -- over the region are adapted to a context of temporal non-stationarity. This framework has allowed to robustly demonstrate the increase in intensity of extreme rainfall events over the region, at time steps ranging from sub-hourly to daily. It was also shown that the strongest events are those whose frequency increases the most. These trends have been expressed in terms widely used in the field of hydrological engineering in order to promote the appropriation of decision support tools and the implementation of adaptation practices.The latest numerical climate simulations are then used to better understand the factors responsible for these changes. These simulations, which represent remarkably well the rainfall regime evolution observed since 1950 in the region, have highlighted the major role of anthropogenic climate forcing factors in the rainfall intensification: aerosols seem to be the main contributors to this trend, with an additional role of greenhouse gases. These forced signals were modulated in time and space by the internal variability of the ocean.Climate simulations in future socio-economic scenarios suggest the emergence of new hydro-climatic conditions over the region in the next decade, particularly with regard to extreme rainfall events. Thus, without the implementation of relevant and long-term adaptation measures, the consequences of increasingly frequent and intense extreme events will grow. On the other hand, the rainy season is experiencing a delay in its onset, which is made up for by more intense events later in the season. Such changes pose a serious threat to -- among other things -- agricultural yields, flooding (especially in urban areas) and the availability of water resources