Les observations météorologiques montrent clairement que le changement climatique mondial s’est amorcé au début de la révolution industrielle. Cette évolution, qui est particulièrement prononcée depuis 1950 environ, se manifeste par des changements de temps et des phénomènes climatiques extrêmes. Cette évolution peut fortement exacerber l’incidence des phénomènes météorologiques et climatiques sur la société et augmenter le nombre de catastrophes sur la planète. La région Asie-Pacifique est l’une des plus exposées aux catastrophes naturelles. Depuis 1970, celles-ci y ont tué deux millions de personnes, soit 59 % du total des victimes à l’échelle mondiale. Les risques naturels les plus fréquents dans la région sont les phénomènes hydrométéorologiques [1]. Il est urgent d’élaborer et de mettre en oeuvre de nouveaux outils pour surveiller, à l’échelle mondiale, ces phénomènes dangereux, de plus en plus graves et fréquents, notamment à l’aide de techniques modernes de télédétection par satellite.
Sensibilisée à l’urgence de la question, l’OMM a lancé un projet de démonstration de deux ans (2018-2019) consacré à la surveillance spatiale des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes. Ce projet se concentre sur la sécheresse et les fortes précipitations dans la région de l’Asie du Sud-Est et de l’océan Pacifique. En juin 2019, le dix-huitième Congrès météorologique mondial (Cg-18), après avoir examiné les résultats du projet, en a recommandé l’extension à d’autres régions de l’OMM et a adopté un plan de mise en oeuvre pour qu’il puisse passer en phase opérationnelle. Le présent article met en lumière les résultats du projet de démonstration dans deux études de cas australiennes: la sécheresse du millénaire et les précipitations extrêmes lors de l’épisode La Niña de 2010-2011.
L’importance du transfert de connaissances
Le projet de démonstration a été mis en place pour donner suite aux recommandations d’un atelier de l’OMM, tenu en février 2017, sur la surveillance spatiale opérationnelle des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes. Cet atelier avait réuni des représentants d’opérateurs de satellites, d’agences de recherche et de développement, de centres climatologiques régionaux (CCR) de l’OMM et de services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN) afin d’encourager le dialogue sur l’amélioration de l’utilisation des données et des produits d’observation spatiale pour la surveillance des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes.
Il est ressorti de l’atelier que bon nombre de pays en développement ou de pays les moins avancés ne tiraient pas profit des progrès considérables de l’observation par satellite enregistrés ces dernières années dans la plupart des domaines relevant de la géophysique: plusieurs produits de haute résolution sont en effet disponibles en temps quasi-réel, ce qui accroît leur utilité pour la surveillance des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes depuis l’espace. Les participants ont recommandé de renforcer les capacités humaines et technologiques par le transfert de connaissances afin que tous les pays puissent profiter pleinement des avantages apportés par les données spatiales modernes et les produits dérivés. Les CCR pourraient permettre un tel transfert de connaissances. Conformément aux recommandations de l’atelier, l’OMM a mis en place le projet de démonstration afin de plaider en faveur de l’utilisation des observations et des produits spatiaux pour la surveillance des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes.
Situation dans la région Asie-Pacifique
La plupart des SMHN des pays d’Asie du Sud- Est et du Pacifique se fondent sur les observations classiques obtenues au sol à l’aide de pluviomètres pour la surveillance des précipitations extrêmes. Les pluviomètres fournissent des mesures ponctuelles précises des précipitations; cependant, les données sont limitées à l’emplacement des stations météorologiques. En Australie, par exemple, la répartition spatiale des pluviomètres n’est pas uniforme: alors qu’on en trouve suffisamment dans les régions les plus densément peuplées, il s’en trouve peu dans d’autres régions, telles que l’ouest de la Tasmanie ou l’intérieur du pays. Ce manque d’uniformité dans la répartition des pluviomètres est propre à l’Asie-Pacifique, où leur densité est insuffisante dans de nombreuses régions. Par conséquent, des estimations complémentaires provenant d’observations effectuées à partir de l’espace répondraient mieux aux besoins des différents utilisateurs.
Les produits climatologiques opérationnels actuels pour la surveillance de la sécheresse (provenant d’observations au sol) sont généralement axés sur la détermination des déficits pluviométriques sur des périodes prolongées (des mois, voire des années) grâce à des analyses par percentile et/ou par décile. Quant aux fortes précipitations, elles sont généralement définies sur une échelle de temps mensuelle (bien que des pluviomètres fournissent des informations de plus haute résolution temporelle). Les observations à partir de l’espace permettent de surveiller les épisodes de précipitations extrêmes sur des périodes plus courtes (5 jours ou une semaine) ou plus longues (jusqu’à un mois) afin de répondre aux besoins actuels et futurs des utilisateurs. Elles peuvent donc répondre aux besoins des utilisateurs en matière d’informations sur les précipitations extrêmes sur de courtes périodes. Les CCR et les SMHN considèrent la surveillance des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes sur des échelles de temps plus courtes comme une extension précieuse de leurs produits opérationnels pour améliorer leurs services climatologiques aux utilisateurs en Asie-Pacifique.
L’indice de précipitations normalisé (SPI) est également largement utilisé pour la détection et la surveillance météorologique des sécheresses. Les valeurs positives du SPI correspondent à des précipitations supérieures à la médiane et les valeurs négatives à des précipitations inférieures à celle-ci. Les conditions de sécheresse sont classées lorsque les valeurs du SPI sont égales ou inférieures à -1,0. Par exemple, un SPI égal ou inférieur à 1,0 est classé comme «modérément sec», un SPI égal ou inférieur à -1,5 comme «sévèrement sec», et un SPI égal ou inférieur -2,0 comme «extrêmement sec».
Produits sur les précipitations
Le projet de démonstration visait à démontrer les avantages de l’utilisation des observations à partir de l’espace des précipitations extrêmes pour les services opérationnels des CCR et les SMHN. Il a été mis en oeuvre dans les régions II (Asie) et V (Pacifique Sud- Ouest) de l’OMM, couvrant la zone géographique de l’Asie du Sud-Est et de l’océan Pacifique, de 40° N à 45° S et de 50° E à 160° W. Deux agences, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) et le Climate Prediction Center de l’Administration nationale des océans et de l’atmosphère (CPC/NOAA), fournissent des données et des produits satellitaires pour la région.
Le projet de démonstration fondait sa définition des épisodes de sécheresse et de fortes précipitations sur la définition des phénomènes extrêmes donnée par le Groupe de travail I du rapport d’évaluation 5 du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC): «Un phénomène météorologique extrême est un phénomène rare en un endroit et à un moment de l’année particuliers. Même si les définitions du mot rare varient, un phénomène météorologique extrême devrait normalement se produire aussi rarement, sinon plus, que le dixième ou le quatre-vingt-dixième centile de la fonction de densité de probabilité établie à partir des observations. Par définition, les caractéristiques de conditions météorologiques extrêmes peuvent, dans l’absolu, varier d’un lieu à un autre. Lorsque des conditions météorologiques extrêmes se prolongent pendant un certain temps, l’espace d’une saison par exemple, elles peuvent être considérées comme un phénomène climatique extrême, en particulier si elles correspondent à une moyenne ou à un total en lui-même extrême (ex.: une sécheresse ou de fortes pluies pendant toute une saison).»
Selon les recommandations de l’OMM et les consultations approfondies avec les fournisseurs et les utilisateurs de données satellitaires (CCR et SMHN d’Asie du Sud-Est et du Pacifique), le projet de démonstration devrait viser à répondre aux besoins des utilisateurs en matière de surveillance des épisodes de précipitations extrêmes sur de courtes périodes.
En utilisant les produits satellitaires en temps quasi-réel JAXA et CPC/NOAA pour la surveillance opérationnelle des épisodes de «fortes précipitations» et de «sécheresse» pour l’analyse du climat, le projet de démonstration a permis d’élaborer des services d’informations climatologiques couvrant des périodes allant de cinq jours à une semaine et jusqu’à un mois pour les utilisateurs.
Les produits sur les précipitations de la JAXA se fondent sur une cartographie mondiale des précipitations par satellite (GSMaP) [3]. Pour les utilisateurs du projet de démonstration en Asie-Pacifique, la JAXA a fourni des estimations des précipitations moyennes dérivées de la version 6 du GSMaP pour les précipitations horaires, quotidiennes (00-23UTC), pentadiques (5 jours), hebdomadaires (lundi à dimanche), décadiques (10 jours) et mensuelles avec une résolution spatiale de la maille de 0,1° de latitude/longitude. En outre, des statistiques ont été fournies sur les épisodes de précipitations extrêmes quotidiens, pentadiques et hebdomadaires (90e à 99e percentiles), ainsi que sur le pourcentage de jours de pluie (>=1mm/jour) en un mois. Pour la surveillance de la sécheresse, le SPI (1 mois, 2 mois et 3 mois) pour un maillage sur les terres a été fourni avec une résolution spatiale de la maille de 0,25° de latitude/longitude. Ces données sont disponibles dans les heures qui suivent l’observation.
Le CPC/NOAA a fourni aux utilisateurs du projet de démonstration un ensemble de produits similaires fondés sur les estimations des précipitations par satellite de la technique de morphing du Centre de prévision du climat (CMORPH) (voir [4] pour plus de détails). La climatologie des produits CMORPH est définie pour une période de 20 ans, allant de 1998 à 2017. En plus du SPI, l’indice différentiel normalisé de végétation (NDVI) hebdomadaire et l’indice de santé de la végétation (VHI) ont également été mis à disposition.
Étude de cas: surveillance de la sécheresse en Australie
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Figure 1. Le SPI de trois mois pour juin-juillet-août 2007 est dérivé du GSMaP de la JAXA (à gauche) et des données relatives aux précipitations corrigées des erreurs systématiques du CPC/NOAA CMORPH (à droite).
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Figure 2. Déciles de précipitations pour l’Australie en juin-juillet-août 2007, dérivés des observations des pluviomètres du Bureau australien de météorologie.
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Le projet de démonstration a permis d’examiner l’utilité des observations à partir de l’espace pour la surveillance de la sécheresse en Australie en 2007, une année critique de la sécheresse du millénaire, à l’aide des valeurs du SPI sur trois mois dérivées des données JAXA GSMaP.
L’Australie est le continent habité le plus sec de la Terre. Environ 70 % de ses terres reçoivent moins de 500 millimètres de pluie par an, ce qui en fait des zones arides ou semi-arides. Dans le pays, la surveillance de la sécheresse est donc essentielle pour prendre des décisions éclairées, notamment dans les domaines de l’agriculture, de la gestion des ressources en eau et de la gestion des risques de catastrophes. Le Bureau australien de météorologie (BOM) signale une sécheresse lorsque les précipitations sur une période de trois mois restent dans le décile le plus bas enregistré pour cette région dans le passé [5]. Les enregistrements opérationnels du BOM, qui remontent à plus d’un siècle, montrent qu’une sécheresse se produit en moyenne tous les 18 ans en Australie. La gravité et la durée des épisodes varient toutefois.
L’une des plus graves sécheresses ayant frappé le pays, la sécheresse du millénaire, s’est produite dans les années 2000 et a sévi dans de vastes régions. Le bassin Murray-Darling, la plus grande zone agricole d’Australie, en a beaucoup souffert, tout comme l’approvisionnement en eau de nombreuses villes et agglomérations, notamment Melbourne, Sydney, Brisbane et Adélaïde. La sécheresse a commencé par un déficit pluviométrique en 1996-1997 et s’est poursuivie par des années très sèches jusqu’en 2001-2002. En 2006, les régions du sud-est du pays ont subi leur deuxième année la plus sèche jamais enregistrée. En 2007, le bassin Murray-Darling a connu pour la septième année consécutive des précipitations inférieures à la moyenne. La sécheresse et la chaleur ont perduré jusqu’au début de 2010. L’épisode La Niña de 2010-2011, l’un des plus forts jamais enregistrés, a mis fin à la sécheresse du millénaire. Elle a entraîné des précipitations record dans le bassin Murray-Darling et des pluies supérieures à la moyenne dans le sud-est du pays. Ces précipitations constamment supérieures à la moyenne ont considérablement accru les réserves en eaux de surface et l’humidité du sol, mettant ainsi fin à la sécheresse.
L’examen de l’IPS sur les trois mois de juin-juillet-août 2007 (figure 1) dans le bassin Murray-Darling, dérivé à la fois du GSMaP de la JAXA et du CMORPH du CPC/ NOAA, a indiqué des valeurs d’IPS inférieures à -1,5 («sévèrement sec») dans des zones définies comme «très en dessous de la moyenne» sur la carte des déciles de précipitations dérivée des observations des pluviomètres de la BOM (figure 2). Les observations à partir de l’espace et in situ concordaient donc pour le bassin Murray- Darling dans le sud-est de l’Australie, où la densité des observations au sol est élevée. Toutefois, des écarts notables ont été constatés entre les valeurs de l’IPS et les cartes des déciles de précipitations dans les parties centrales du pays où les observations au sol sont très rares. Cela démontre l’utilité de recourir à des estimations des précipitations à partir de l’espace pour la détection et la surveillance des sécheresses, en particulier dans les régions disposant de peu d’informations fournies par des pluviomètres.
Étude de cas: fortes précipitations en Australie
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Figure 3. Déciles de précipitations pour l’Australie en juin-juillet-août 2007, dérivés des observations des pluviomètres du Bureau australien de météorologie. Les précipitations extrêmes observées dans certaines parties de l’ouest et de l’est de l’Australie en décembre 2010 ont été associées à l’épisode La Niña de 2010-2011.
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Figure 4. Percentiles mensuels de précipitations JAXA GSMaP (à gauche) et CPC/NOAA CMORPH (à droite) pour décembre 2010.
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Cette deuxième étude de cas porte sur deux épisodes de fortes précipitations survenus en Australie en décembre 2010 et janvier 2011, qui ont entraîné d’importantes inondations.
Un épisode de «précipitations extrêmes» se produit lorsque la moyenne des précipitations pour une période donnée est supérieure à un certain seuil de percentile, par exemple entre le 90e et le 99e percentile. L’Australie en a connu lors de l’épisode La Niña de 2010-2011. L’année 2011 a d’ailleurs été la troisième année la plus humide depuis le début des relevés nationaux des précipitations en Australie en 1900.
En Australie, ces deux années ont connu des précipitations bien supérieures à la moyenne: 690 mm en 2010 (225 mm au-dessus de la moyenne à long terme de 465 mm) et 699 mm en 2011 (234 mm au-dessus de la moyenne à long terme de 465 mm).
L’épisode La Niña de 2010/2011 a eu un impact considérable sur les précipitations australiennes. La Niña est généralement associée à une augmentation des précipitations dans le nord et l’est de l’Australie. Au cours de la saison 2010/2011 de La Niña, la majeure partie de l’Australie continentale a connu des précipitations nettement supérieures à la moyenne sur les neuf mois allant de juillet 2010 à mars 2011. Un certain nombre de nouveaux records de précipitations ont été établis: mois de septembre, décembre et mars les plus humides jamais enregistrés, et mois d’octobre et février arrivant en deuxième position parmi les mois les plus humides. Les chutes de pluie record de l’épisode La Niña 2010/2011 ont entraîné de vastes inondations dans de nombreuses régions entre septembre 2010 et mars 2011, notamment dans le sud-est du Queensland, dans de vastes zones du nord et de l’ouest du Victoria, en Nouvelle-Galles du Sud, dans le nord-ouest de l’Australie occidentale et dans l’est de la Tasmanie.
Les percentiles mensuels des précipitations de la JAXA GSMaP et du CPC/NOAA CMORPH pour décembre 2010 (voir figure 4 page 62) ont été utilisés pour examiner les inondations généralisées qui ont eu lieu dans l’État australien du Queensland en décembre 2010. Le 23 décembre, un creux de mousson a traversé la côte depuis la mer de Corail, apportant des pluies torrentielles sur une grande partie du Queensland, du golfe de Carpentarie à la Gold Coast. Le 25 décembre, le cyclone tropical Tasha a provoqué des pluies intenses. Le 28 décembre, près de la moitié du Queensland a été inondée; les pertes économiques ont atteint 6 milliards de dollars australiens. Les zones de précipitations supérieures au 95e percentile indiquées sur les cartes d’analyse du GSMaP et du CMORPH correspondent aux déciles de précipitations «très supérieures à la moyenne» dérivées des observations des pluviomètres de la BOM (figure 3). En outre, les percentiles de précipitations hebdomadaires pour les 20-26 décembre (indiqués à la figure 5) démontrent que l’épisode de précipitations extrêmes dans le Queensland a été bien détecté à l’aide des deux produits satellitaires sur les précipitations.
Le second phénomène examiné est un épisode de fortes précipitations survenu en janvier 2011 sur l’État australien de Victoria. Des pluies de forte intensité entre le 12 et le 14 janvier y ont provoqué des inondations majeures dans la plupart des régions de l’ouest et du centre. L’inondation de 2011 a été décrite comme l’une des plus grandes de l’histoire de cet État: elle a touché plus de 50 communautés. Plus de 1 730 propriétés ont été inondées et plus de 17 000 foyers ont été privés d’électricité, soit des dégâts s’élevant au total à deux milliards de dollars australiens.
Les percentiles hebdomadaires des précipitations de la JAXA GSMaP et du CPC/NOAA CMORPH pour la période du 10 au 16 janvier 2011 (figure 6) montrent des zones de précipitations supérieures au 99e percentile, ce qui indique clairement que certaines parties du Victoria ont été touchées par des précipitations extrêmes. Dans tous ces cas, le GSMaP et le CMORPH ont produit des résultats très similaires dans leurs indications sur la configuration spatiale et l’amplitude globale des phénomènes extrêmes, malgré de petites écarts dus à des différences entre les produits et entre les périodes définissant les phénomènes climatiques extrêmes.
Ces exemples démontrent que les observations à partir de l’espace fournissent des informations précieuses pour la surveillance des fortes précipitations.
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Figure 5. Percentiles mensuels de précipitations JAXA GSMaP (à gauche) et CPC/NOAA CMORPH (à droite) pour la période du 20 au 26 décembre 2010.
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Figure 6. Percentiles mensuels de précipitations JAXA GSMaP (à gauche) et CPC/NOAA CMORPH (à droite) pour la période du 10 au 16 janvier 2011.
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Conclusions
Il est vital de maintenir les réseaux de pluviomètres in situ. Toutefois, les premiers résultats du projet de démonstration en Asie-Pacifique démontrent que les estimations des épisodes de précipitations extrêmes effectuées à partir de l’espace offrent une solution efficace pour renforcer la capacité des CCR et des SMHN en matière de surveillance des sécheresses et des précipitations abondantes. Cette capacité permettrait aux prestataires de services d’aider les gouvernements et les communautés locales à prendre des décisions éclairées en vue de l’adaptation à la variabilité et au changement climatiques. Convaincu que le projet de démonstration avait apporté une aide aux CCR et aux SMHN d’Asie de l’Est et du Pacifique, le dix-huitième Congrès météorologique mondial (Cg-18) a adopté le Plan de mise en oeuvre de la surveillance des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes depuis l’espace (SWCEM) (voir [6] pour plus de détails). Il a en outre approuvé sa mise en oeuvre à partir du 1er janvier 2020, marquant que le projet pouvait passer à sa phase opérationnelle. Le Cg-18 a également demandé aux commissions techniques de l’OMM et aux associations régionales concernées d’envisager la possibilité de mettre en oeuvre des projets de démonstration similaires en Afrique et en Amérique du Sud.
Auteurs
Yuriy Kuleshov, The Australian Bureau of Meteorology, Australie
Takuji Kubota, The Earth Observation Research Center, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Japon
Tomoko Tashima, The Earth Observation Research Center, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Japon
Pingping Xie, The Climate Prediction Center, Administration américaine pour les océans et l’atmosphère (NOAA), États-Unis
Toshiyuki Kurino, Secrétariat de l’OMM
Peer Hechler, Secrétariat de l’OMM
Lisa V. Alexander, UNSW Sydney, Australie
Références
Asia-Pacific Disaster Report 2019: The Disaster Riskscape across Asia-Pacific – Passways for Resilience, Inclusion and Empowerment. UNESCAP [Internet]. 2019.
IPCC AR5 WG I, Annex III Glossary [Internet]. 2013.
Kubota T, Shige S, Hashizume H, Aonashi K, Takahashi N, Seto S, Hirose M, Takayabu YN, Ushio T, Nakagawa K, Iwanami K, Kachi M & Okamoto K. Global Precipitation Map Using Satellite-borne Microwave Radiometers by the GSMaP Project: Production and Validation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2007:45(7, part 2):2259-2275. DOI: 10.1109/TGRS.2007.895337
Xie P, Joyce R, Wu S, Yoo S-H, Yarosh Y, Sun F & Lin R. Reprocessed, Bias-Corrected CMORPH Global High-Resolution Precipitation Estimates from 1998. Journal of Hydrometeorology. 2017:18(6):1617-1641. DOI: 10.1175/JHM-D-16-0168.1
Drought definition in Australia [Internet]. 2019.
The Space-based Weather and Climate Extremes Monitoring (SWCEM) - East Asia and Western Pacific Regional Sub-project in Operation - Implementation Plan [Internet]. 2019.
