Compréhension de la variabilité climatique régionale pour le développement de l'énergie solaire en Afrique de l'Ouest.

par Derrick kwadwo Danso

Projet de thèse en Océan, Atmosphère, Hydrologie

Sous la direction de Sandrine Anquetin et de Arona Diedhiou.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Universite Felix Houphouet Boigny , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Depuis l'Accord de Paris, les projets de développement de l'énergie solaire en Afrique rencontrent un intérêt croissant des états et des industriels pour ce nouveau marché. Pourtant, dans les régions sub-sahéliennes situées le long de la côte du Golfe de Guinée, le couvert nuageux et les poussières désertiques peuvent constituer de véritables freins au développement de l'énergie solaire et très peu d'études ce sont intéressées à la variabilité de la couverture nuageuse de cette région tropicale dans cette perspective. En effet, contrairement au Sahel où près de 20 ans d'observation couronnés par le programme AMMA ont permis d'avoir une bonne connaissance de la convection dans ces régions, au Sud du Sahel, depuis l'expérience COPT en 1981 (en zone soudanienne à Korhogo, Nord Côte d'Ivoire), il n'y a pas eu de campagnes d'observations et très peu d'études se sont intéressées à la variabilité de la convection et des systèmes nuageux qui permettrait de caractériser la nébulosité dans ces régions et l'impact sur le rayonnement solaire en surface. Les systèmes nuageux en dehors de la saison des pluies restent très peu étudiés en Afrique de l'Ouest. Pendant la saison des pluies, contrairement aux régions sahéliennes où il y a eu beaucoup d'études et où 80% de la pluie est expliquée par des systèmes convectifs de mésoéchelle qui se propagent d'Est en Ouest principalement de Mai à Octobre, dans les régions subsahélienne, la météorologie est plus complexe avec une alternance (i) de nuages de basses couches qui semblent être liés aux flux d'humidité provenant de l'Atlantique au-dessus du Golfe de Guinée, (ii) de systèmes nuageux profonds qui se propagent d'Est en Ouest et (iii) de convection locale connectée aux états de surfaces continentales. La part de ces trois types de systèmes nuageux dans la variabilité de la nébulosité en région sub-sahélienne n'est toujours pas connue ainsi que leur évolution passée et future. Des classifications de nuages par satellite à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest existent, mais elles doivent être confrontées aux radiosondages et peu d'études ont abordé la climatologie de ces différents systèmes nuageux dans cette perspective. De même, les facteurs de l'atmosphère associés à leur occurrence et à leur cycle de vie sont encore mal connus ainsi que le rayonnement solaire en surface associé à chaque type de système nuageux. Les modèles globaux ont encore des difficultés à bien représenter les systèmes nuageux dans ces régions et leur évolution et en particulier, ceux de basses couches. Une hypothèse avancée est le rôle de la couche limite continentale et océanique mal représentées dans les GCMs mais aussi, l'influence des gradients de surface océan-continent sur le déclenchement et la variabilité de ces différents types de systèmes nuageux. D'où l'intérêt d'utiliser des modèles climatiques régionaux avec une meilleure caractérisation des états de surface comme envisagé dans le présent projet de thèse. La prévisibilité de la variabilité de la nébulosité et de celle du rayonnement solaire en surface restent un défi pour le développement de l'énergie solaire, en saison sèche comme en saison des pluies. Dans cette perspective, il s'agit de partir des classifications de nuages par satellites développées l'IPSL pour (i) documenter à partir des ré-analyses atmosphériques, l'environnement synoptique associé aux différents systèmes nuageux rencontrés en zone Sub-Sahélienne; (ii) ensuite, il s'agit d'exploiter les simulations haute résolution du modèle régional couplé WRF-NEMO pour évaluer la capacité du modèle à reproduire l'environnement de ces différents types de systèmes nuageux et émettre des hypothèses sur les facteurs de l'atmosphère et des conditions de surface associés à leur occurrence en zone Sub-Sahélienne et enfin, (iii) utiliser le modèle MAR de l'IGE pour tester ces hypothèses par des études de sensibilité aux conditions de surface et aux gradients océan-continent. A chaque étape, on s'intéressera aux variations du bilan radiatif et particulièrement, au rayonnement solaire en surface dans le modèle.

  • Titre traduit

    Understanding of the regional climate variability in connection with solar energy resources in Subsahelian zone of West Africa.


  • Résumé

    Since Paris agreement in 2015, projects dealing with solar energy and its implementation in Africa have shown great interest by the States and many industrials. Nevertheless, sub-Sahelian regions along the Guinea Gulf present some drawbacks associated with cloud cover and crustal dust, which strongly decrease the production of solar energy when present. Very few studies addressed this important issue, essential for any feasibility study of solar energy production system in this region In contrast to the Sahel region, for which long term observations, crowned by the International program AMMA, helped to better understand the convection in this region, in the sub-Sahel, no more observations since COPT in 1981 (Northern part of Ivory Coast in Korhogo) have been dedicated to the variability of the convection and the cloud system understanding. Therefore, today, open key questions arise when dealing with the variability of nebulosity associated with cloud cover. In general, cloud systems remain poorly studied in West Africa, instead during rainy seasons. During the wet season, in the sub-Sahel, the meteorology is more complex that in the Sahel, where 80% of the rain is explained by mesoscale convective systems advected from East to West. The sub-Sahel experiences alternatively i) low layers clouds associated with moisture flux coming from the Guinea Gulf, ii) deep convective systems advected from East to West and iii) local convection associated with the state of the continental surface. Part of these three different cloud systems mainly drives the nebulosity variability and remains unknown in the sub-Sahel. Classifications of the cloud cover retrieved by satellite exist [5] but need now to be crosschecked with soundings in order to provide a full documented climatology. Moreover, atmospheric drivers associated with their life cycle and their occurrence need also to be better understand, as well as their associated surface solar radiation. Global Circulation Model (GCM) poorly reproduce cloud systems in this region, in particular, the low layer convective systems. This miss-catch is usually explained by the difficulty to properly reproduce the processes of the atmospheric boundary layer above the ocean and the continental surface as well as the land-ocean flux gradients that drive the triggering and the variability of the cloud systems. Regional climate model may therefore be the solution since the surface-atmosphere interactions are better characterized. Predictability of the cloud cover variability as well as the surface solar radiation remain a main issue for any feasibility study concerning solar energy during either dry and wet seasons. Within this context, and starting from the cloud classifications provided by IPSL, the proposed PhD work will aim at i) characterizing the synoptic environment associated with each of the cloud systems present in the sub-Sahel; the re-analyses will be used for this purpose; ii) analyzing the WRF-NEMO regional climate model outputs, provided by IPSL, to evaluate the capacity of the model to reproduce such cloud systems; if yes, the main atmospheric drivers and state of the surfaces associated with these cloud systems will be hypothesized; iii) using the MAR regional climate model of IGE to test these hypothesis and providing sensitive studies on the surface state conditions and the ocean-continent gradient. At each step, specific attention will be dedicated to the radiation budget and the surface solar radiation estimated by the model.