Caractérisation de la structure spatio - temporelle des pluies extrêmes : estimation de courbes IDSF pour la région de Niamey

Space-time structure characterization of extreme rainfall: IDAF curves estimation in the Sahel

¹ LTHE (UMR 5564), Grenoble 1, IRD, Grenoble, France
² Centre Régional AGRHYMET, Niamey, Niger

Résumé

Bien que souvent associée aux problématiques de sécheresse, l'Afrique de l'Ouest a été touchée par de nombreuses inondations marquantes pendant la dernière décennie faisant de la gestion des crues une préoccupation majeure dans la région. Les inondations peuvent se produire à des échelles de temps et d'espace très variables qui dépendent de la variabilité spatio-temporelle du forçage pluviométrique : (i) des pluies intenses associées aux systèmes convectifs de meso-échelle pouvant générer sur quelques dizaines de km² et en quelques heures des cumuls pluvio­métriques exceptionnels (ii) des accumulations pluviométriques sur des durées de 5 à 20 jours sur une grande partie de la région provocant des crues inhabituelles sur les bassins d'échelle régionale.

L'intérêt des courbes IDSF (Intensité-Durée-Surface-Fréquence) est double : elles permettent d'aider au dimensionnement d'ouvrages hydrauliques en estimant le niveau de retour des fortes pluies pour différentes agrégations temporelles et spatiales mais aussi de caractériser la sévérité d'une averse spatio-temporellement. L'obtention de telles courbes à partir de réseaux pluviométriques nécessite des séries longues, un réseau dense et une haute fréquence d'enregistrement. En Afrique de l'Ouest, le réseau AMMA-CATCH Niger situé dans la région de Niamey permet de disposer de ces caractéristiques puisque 30 séries au pas de temps 5 minutes sur un degré-carré (~10,000 km2) pour la période 1990-2012 sont disponibles.

Dans cette étude, les courbes IDSF sont obtenues en décomposant l'abattement temporel (IDF) de l'abattement spatial (ARF - Areal Reduction Factor). Différents modèles de courbes IDF ont été testés sur des pluies maximales annuelles pour différentes durées d'agrégation. Le modèle IDF retenu est basé sur le concept d'invariance d'échelle (simple scaling) pour décrire l'abattement temporel et modélise la distribution des intensités par une loi GEV. Ce cadre est parcimonieux et permet d'adopter le concept de mise à l'échelle dynamique (dynamic scaling) pour obtenir des coefficients d'abattement spatiaux (ARF). Les courbes IDSF obtenues décrivent ainsi la distribution des pluies extrêmes pour des pas de temps allant de 1 h à 24 h et des pas d'espace de 1 km² à 2500 km².

Abstract

West Africa is known for having experienced major drought events, but during the last decades numerous floods and exceptional inundations have also struck the region. The flood management is now a major concern for West African countries.

Floods can occur at different temporal and spatial scales associated either with meso-scale convective systems that can generate exceptional rainfall totals over a small surface area (a few tens of km²) during a short period of time (a few hours), or with 5 to 20 days rainfall accumulations over a large part of the region that cause unusual flooding over large scale watersheds.

Intensity-Duration-Area-Frequency (IDAF) curves are interesting tools for two reasons: they are useful for hydraulic structures design as they provide estimates of the return level of heavy rains for several temporal and spatial aggregations and they are helpful to characterize the severity of storms. Obtaining such curves from rainfall networks requires long series, high spatial density and high time-frequency of records. In West Africa, such characteristics are provided by the AMMA-CATCH Niger network. This network is located in the Niamey region where 30 recording rain-gauges (5 minutes series) have operated since 1990 over a 16000 km² area.

In this study, the IDAF curves are obtained by separately considering the time (IDF) and the spatial (ARF) scales. Annual maxima intensities are extracted for different spatial and temporal resolutions. The IDF model used is based on the concept of scale invariance (simple scaling) to normalize the different temporal resolution of maxima series to which a global GEV is fitted. This parsimonious framework allows using the concept of dynamic scaling to describe the ARF. The IDAF curves obtained describe the distribution of extreme rainfall for time resolutions ranging from 1 hour to 24 hours and space scales between 1 km² and 2500 km².