Second lnternutionnl Conference"Tropical Climatologv. Meteorologv and Hydrologv"

Proceedings edited byG. Demarée, M. De Dapper, J. Alexandre

pp. 199-217 (2004)

Analyse et variabilité temporelle d'une longue sériede pluies des Andes en relation avec l'Oscillation

Australe (La Paz, 3 658 ID, 1891·2000)

par

Alain G!DDA*, Josyane RONCHAIL**, Yann L'HOTE* &Bernard POUYAUD ***

Mors-etes. - Précipitations; Variabilité climatique; Oscillation Australe;Andes.

REsUME. - La station de San Calixto (La Paz, Bolivie), suivie par les jésuites,depuis 1891, est d'un intérêt particulier pour les pluies. Son altitude (près de3700 m) est exceptionnelle pour une aussi longue durée d'observation et la qua­lité de ses données. La série des précipitations annuelles est stationnaire, preuvede la stabilité de cette composante climatique pendant plus d'un siècle. Les rela­tions entre les sécheresses et les phases de l'Oscillation Australe (épisodes ElNiüo et La Nina) sont complexes à San Calixto. L'apport principal du travail estde montrer que la phase La Nina en Bolivie andine serait aussi associée à dessécheresses. caractéristique qui n'apparaissait pas jusqu'ici dans la littératurescientifique dont les analyses ne se basaient que sur l'interprétation de sériesmétéorologiques courtes, ne remontant pas au-delà de 1950.

1. Introduction

San Calixto de La Paz est la station de météorologie la plus anciennede Bolivie avec plus d'un siècle d'observations [1]****. La longue série

* U.R. Greatice, [RD. B.P. 5045, 34032 Montpellier cedex 1 (France).** LMD-CNRS et GHSS de l'Université de Paris-VII (en accueil à l'lRD, Brasilia,

Brésil).*** U.R. Greatice, lRD, CasiHa 18-1209, Lima 18 (Pérou).**** Le chiffre entre crochets [ ] renvoie à la note, p. 216.

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Fig. 1. - La station météorologique de La Paz - San Calixto et son observatrice depuis1984, Mme Juana Patzzi (photo: A. Gioda).

pluviométrique (1891-2000) peut donc permettre de faire le lien tempo­rel entre une approche du type «histoire du climat» et les observationsmétéorologiques qui ne débutent de façon systématique en Bolivie qu'en1942. Seules, des données ou des analyses de courtes séries de SanCalixto ont été publiées à ce jour (ESCOBAR 1948, DESCOTIES 1949.

OSCILLATION AUSTRALE 201

SEGALlNE NIETO & CABRE 1988, RAMIREZ el al. 1995, RONCHAIL & GIODA1998).

2. Historique de la station de San Calixto de La Paz

La station de San Calixto se trouve dans le centre historique de La Paz(fig. 1). Ses coordonnées géographiques sont les suivantes: longitude68° 01' 57" W ; latitude 16° 29'43" S. L'altitude exacte de San Calixtoest de 3 658 m, ce qui la place à environ 350 m en contrebas du trèsproche plateau d'El Alto de La Paz, partie centrale du grand Altiplanoboliviano-péruvien. San Calixto n'est donc pas une station représentativede l' Altiplano mais elle appartient au domaine des hautes vallées andinesqui alimentent le bassin amazonien.

La création du collège de San Calixto date des années 1880. Pour laCompagnie de Jésus, il s'agissait alors de son grand retour à La Paz et enBolivie, après sa disparition décidée par le roi Charles III, en 1767, danstoutes les colonies espagnoles. Le Père espagnol Ricardo Manzanedo ins­talla la station météorologique sur les toits du collège en 1890 et lesobservations démarrèrent le 1er janvier 1891 (DRAKE 2000). D'autresjésuites lui succédèrent dont Antonio Zalasar (1898-1903 ?), AgustïnMoral (1903-1909 ?), Francisco Cerro (1909-11), Rafael Luque (1911­19), Pierre Descotes ou Pedro Descottes (1919-64), Ramon Cabré (1964­94) puis Lawrence Drake (1994-2001). Depuis 1912, l'observationmétéorologique est complétée par celle des séismes avec une station ins­tallée par le Frère Herman Tortosa. Les observations de San Calixto appa­raissent comme une contribution des jésuites au développement scienti­fique de la Bolivie (SEGALINE NIETO & CABRE 1988).

Au début des années 1970, les stations de météorologie et de sismo­graphie constituant l'observatoire furent déplacées de 200 m dans de nou­veaux locaux mais les appareils de météorologie sont toujours restés,depuis 1891, sur les toits, à environ 12 m de hauteur. La série des pluiesest complète de janvier 1891 jusqu'à nos jours, excepté pour la périodede mars 1894 à décembre 1897, durant laquelle les observations ne furentpas effectuées, selon la lecture du premier cahier de relevés dont l' origi­nal est toujours conservé dans les archives de l'observatoire.

3. Le contrôle de la qualité et l'étude de la stationnarité

Avant toute étude d'une longue série de données pluviométriques, il estnécessaire de vérifier si celle-ci correspond à un ensemble homogène; en

202 A. GlüDA, J. RüNCHA1L, Y. L'HOfE & B. POUYAUD•

effet, tout déplacement, même de courte distance (en particulier en ville)ou toute modification du site (comme le changement de la hauteur et dela forme des bâtiments à proximité), peuvent correspondre à des sériesdifférentes. De plus, il est important de vérifier s'il n'existe pas une oudes hétérogénéités dues par exemple à l'utilisation, pendant une ou despériodes plus ou moins longues, d'appareils défectueux: pluviomètreavec surface de bague et éprouvette non conformes, pluviographe àaugets basculant avant ou après le volume convenable, etc. Enfin, il fautcompter avec d'éventuelles erreurs humaines: oublis d'observations,fautes de manipulation, mauvaise saisie des données, etc. Les fauteshumaines sont aléatoires et elles ont été vérifiées et corrigées, lorsquenécessaire, d'après les originaux et des comparaisons avec des stationsvoisines. Les autres erreurs (déplacement de poste, matériel non confor­me) ont un caractère systématique; elles peuvent être détectées par dif­férentes méthodes dont celle des «doubles cumuls». Cette méthode peutêtre appliquée à partir de 1942 qui correspond au début de la période àpartir de laquelle les postes pluviométriques se multiplient en Bolivie etdonc à la création des stations proches de San Calixto comme El Alto etLa paz Central. Pour les années précédentes (1891 à 1941), les examensdes bordereaux au plus proche de l'observateur comme différentes autresméthodes manuelles et la vérification de la stationnarité qui sera décriteci-après, permettent d'avancer que la série de plus de 100 années de SanCalixto n'est pas perturbée dans son ensemble.

Après ce travail de vérification, il a été effectué différentes recherchesd'autocorrélation, de tendance et de stationnarité de la série. Le logicielKhronoStat (Kronostat 1998, LUBEs-NIEL et al. 1998) a été mis en œuvrepour effectuer ces recherches sur les 105 totaux annuels successifs de1891-92 à 1999-2000, une fois exclue la lacune de 1893-94 à 1897-98.

L'autocorrélation ou persistance d'une série chronologique des pluiestraduit le fait que la valeur d'une année dépend de la (des) valeuns) decelle(s) qui la (les) précède(nt). L'application du logiciel KhronoStatmontre que les données ne sont pas autocorrélées pour des retards testésde 1 à 25 années, quel que soit le risque de première espèce.

Une tendance est une évolution lente (accroissement ou décroissance)de la pluviométrie au cours du temps sur la période la plus longue pos­sible. S'il y a tendance, on peut établir une relation entre l'année et lerang (croissant ou décroissant) des pluies de la série. Le test de corréla­tion de rang, mis en œuvre avec le logiciel, accepte la série de 105 annéescomme aléatoire et donc il n'y a pas de tendance significative pendantcette période.

OSCILLATION AUSTRALE 203

La stationnarité d'une série est caractérisée par la stabilité dans letemps de la loi de distribution la représentant et particulièrement de lamoyenne et de l'écart-type. En hydrométéorologie, «un modèle d' évolu­tion continue n'est pas recevable compte tenu de la brutalité de certainscomportements observés. On est donc amené à s'intéresser àdes modèlesfondés sur une évolution discontinue» selon HUBERT et aL. 1989, 1998.Aussi, il est cherché une ou des ruptures qui sont définies par un change­ment d'un ou plusieurs paramètres (moyenne, écart-type, etc.) de la sériechronologique à un instant donné, le plus souvent inconnu. Le logicielKhronoStat permet cette recherche par la mise en œuvre de cinq tests spé­cifiques:

- Le test de Pettitt, la statistique U de Buishand et les ellipses de contrô­le font apparaître pour chaque test que l'hypothèse nulle (absence derupture) est acceptée aux trois seuils de confiance retenus de 90, 95 et99 %;

-La procédure bayesienne de Lee et Heghinian, dont l'objectif est derepérer la position la plus probable d'une seule rupture en recherchantsa densité de probabilité a posteriori, ne met en évidence aucunerupture;

-Enfin, la procédure de segmentation de Hubert, avec un niveau designification du test de Scheffé à 1 %, permet de conclure que la sérieest stationnaire sans segmentation.

4. Les pluies annuelles et l'Indice d'Oscillation Australe(SOI en anglais)

L'analyse de la variabilité de la pluviométrie se basera uniquement surles éventuelles relations entre la pluviométrie et le SOI (SouthemOscillation Index ou IOA pour Indice d'Oscillation Australe). Le SOI estpublié sur l'Internet par la NOAA nord-américaine. Il est calculé commela valeur centrée réduite, après homogénéisation, de la différence despressions atmosphériques au sol entre Tahiti (Polynésie française) etDarwin (nord de l'Australie). Il est connu de façon mensuelle et suscep­tible d'être ensuite moyenné ou lissé sur des périodes plus longues, si cesdernières se révélaient plus adéquates.

Nous considérons donc les valeurs des pluies mensuelles de SanCalixto en années calendaires de janvier 1891 à septembre 2000, incluantles 48 mois de lacunes entre 1894 et 1897. Il existe 105 années calen­daires pour lesquelles les pluies mensuelles et leurs totaux annuels sont

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Fig. 2. - Répartition mensuelle des pluies à La Paz - San Calixto.

connus. Nous obtenons ainsi la répartition moyenne mensuelle des préci­pitations, avec indication des minima et maxima mensuels, qui montreque la saison des pluies commence véritablement en septembre. Cela per­met de définir une année hydrologique qui va de septembre à août (fig. 2).

Afin de comparer ces valeurs de la pluviométrie aux SOI qui sont desdonnées centrées réduites, il convient de traiter d'abord la pluviométriede la même façon, c'est-à-dire en calculant ses valeurs centrées réduitesqui s'obtiennent ainsi:

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où ECRi est l'écart-type centré réduit de la pluie de l'année i ; Pi, la pluiede l'année i ; Pm, la pluie moyenne sur N années; E, l'écart-type despluies sur N années.

Ce calcul a été effectué en années calendaires et hydrologiques, puis surles trois périodes qui définissent les quadrimestres (septembre à décembre,le début de la saison des pluies; janvier à avril, la fin de la saison despluies; et mai à août, la saison sèche) et enfin à l'échelle mensuelle.

La répartition des précipitations annuelles en années calendaires etsur les trois quadrimestres montre une assez bonne stabilité pendantplus d'un siècle avec des valeurs oscillant entre moins de 400 mm (mini­ma: 344,9 en 1940) et un peu plus de 800 mm (maxima: 809,4 en1932) (fig. 3). Aucune tendance significative ne semble pouvoir être

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206 A. GIODA, J. RONCHAIL, Y. L'HarE & B. POUYAUD

observée, qu'il s'agisse de l'année complète ou des trois principalessaisons.

5. Comparaison entre les précipitations etles valeurs correspondantes du SOI

5.1. COMPARAISON A L'ECHELLE ANNUELLE

Les totaux annuels selon les années hydrologiques et les valeurs cor­respondantes du SOI sont illustrés sur un graphique à double échelled'ordonnées (fig. 4). On note une correspondance visuelle entre certainsdes forts déficits de précipitations et les SOI les plus faibles (1939-40 et1982-83, FRANCOU & PIZARRO 1985). Toutefois, cela n'est pas systéma­tique.

Le régime pluviométrique bolivien montrant une saison des pluiesunique, il est logique d'étudier les précipitations annuelles selon undécoupage préservant cette caractéristique. Par conséquent, nous consi­dérerons une année hydrologique comportant une saison des pluies suiviepar une saison sèche. Cette année commencera en septembre pour s' ache­ver en août de l'année suivante.

Les grandes oscillations du SOI - tout au moins les épisodes El Nifio- sont généralement centrées, elles aussi, sur la fin d'année. Cetteapproche en années hydrologiques «septembre-août» ne tronçonne pas lapériode de référence des épisodes El Nifio. Elle est donc pertinente pourrelier ces derniers avec les précipitations. Pour les épisodes La Nina, quisuivent ou précèdent les épisodes El Nifio, ce découpage peut parfois nepas être aussi satisfaisant car il peut segmenter les effets d'un épisode LaNina parfois centré sur les mois de juin et juillet.

Une corrélation directe entre les indices de précipitations centréesréduites et le SOI se révèle généralement décevante à toutes les échellesde temps. Nous pouvons cependant dégager une tendance en classant lesprécipitations annuelles centrées réduites selon les valeurs croissantes desSOI correspondants (RONCHAIL 1995, 1998).

Cela a d'abord été fait à l'échelle annuelle où les meilleurs résultatssont obtenus avec les valeurs des années hydrologiques (fig. 5). Cettefigure montre qu'aux forts El Niüo (à gauche) correspondent le plus sou­vent des précipitations annuelles déficitaires. Cette tendance dépasse enmoyenne un demi écart-type. Elle est donc significative. L'examen dessituations La Nina (à droite) fournit un résultat original puisqu'elles sontégalement associées à des précipitations souvent aussi déficitaires que

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208 A. GIODA, J. RONCHAIL, Y. L'HOTE & B. POUYAUD

dans le cas des épisodes El Nifio. Ce sont les situations moyennes ou nor­males - c'est-à-dire «ni El Nifio ni La Nina» - qui sont associées à desexcès de précipitations, en moyenne tout au moins. En effet, pour cesannées-là, on note des excès ou des déficits de précipitations qui peuventatteindre un ou deux écarts-types. Ce dernier résultat de notre analysen'est pas propre à la station de La Paz et peut être obtenu pour l'ensemblede l'Altipiano andin (VUILLE 1999), y compris le péruvien, dans la zoneau nord-ouest de la Bolivie.

Sur cette figure 5, sont aussi reportées en vert clair les valeurs du SOIde l'année précédente. La courbe de tendance est globalement croissante,ce qui montre que les années à SOI négatif sont généralement précédéespar des années de même caractéristique. L'inverse est aussi vrai; lesannées à SOI positif sont elles-mêmes précédées par des années à SOIpositif. Cette constatation montre à l'évidence que la durée des événe­ments El Nifio et La Nina est généralement supérieure à une année.

Un graphique comparable (non figuré ici) a été réalisé cette fois enclassant, en ordre croissant, les années hydrologiques selon leur hauteurde précipitations centrées réduites. La courbe de tendance du SOI del'année examinée et celle de l'année précédente ne montrent rien designificatif.

5.2. COMPARAISON A L'ECHELLE DU QUADRIMESTRE

Cette échelle temporelle est utilisée pour évaluer la contributionrespective de chaque quadrimestre (début et fin de la saison des pluies,saison sèche) dans le comportement annuel. Le même type de présenta­tion que celui de la figure 5 a donc été repris. Les deux graphiques cor­respondant au début et à la fin de la saison des pluies montrent une ten­dance comparable: les précipitations sont déficitaires en cas d'événe­ments El Nifio mais aussi pendant ceux de La Nina (figs 5.1. et 5.2.).Cette tendance est encore plus forte lors de la seconde période de la sai­son des pluies (janvier à avril) qu'à son début (septembre à décembre).Les valeurs moyennes du SOI (entre - 0,5 et + 0,5), correspondant aux«années normales», sont assez systématiquement associées à des pré­cipitations excédentaires en seconde partie de la saison des pluies, àl'exception très notable de l'an 1936.

Les précipitations centrées réduites du quadrimestre de la saison sèche(mai à août) ont été classées de la même façon selon les valeurs croissantesdu SOI (fig. 8). Ce graphique montre que les précipitations durant la saison­sèche - il est vrai de peu d'importance à La Paz - sont nettement moins

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Fig. 6. - Pluies (valeurs centrées réduites) à La Paz - San Calixto. Quadrimestre de septembre à décembre, années classées par SOI SD crois­sant.

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OSCILLATION AUSTRALE 213•

dépendantes des valeurs du SOI, dans ses phases positives aussi bien quenégatives, que les pluies observées durant le reste de l'année.

Ces tendances ont été chiffrées en calculant, pour chaque quadri­mestre, les hauteurs de la pluie centrée réduite qui correspondent,d'abord, aux 6 classes suivantes des valeurs de l'indice SOI: <-1 ; -1 à- 0.5; - 0.5 à 0; 0 à + 0.5 ; + 0.5 à + 1 ; > +1. Ensuite, le découpageadopté correspond aux quatre classes plus amples suivantes: <-1 ; -1 à 0 ;oà +1 ; > +1 (tab. 1).

Tableau 1

Moyennes des précipitations (en valeurs centrées réduites) par quadrirnestre et pendantl'année hydrologique (septembre-août) pour différentes classes de l'indice SOI

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Un examen minutieux de ce tableau montre que le déficit des précipi­tations est aussi prononcé en seconde partie de la saison des pluies(janvier à avril), si ce n'est davantage, en année La Nina (SOI fort) qu'enannée El Nina. Cette tendance systématique des précipitations à La Paz,donc aussi significativement déficitaires lors des années La Nifia, est bienmise en évidence sur l'ensemble des 105 années de l'échantillon de SanCalixto.

5.3. COMPARAISON A L'ECHELLE MENSUELLE

Cette dépendance significative des précipitations vis-à-vis du SOIs'exprime également à l'échelle mensuelle. La méthode précédente de

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214 A. GIODA, 1. RONCHAIL, Y. L'HOTE & B. POUYAUD

classement des pluies en fonction des valeurs mensuelles du SOI a étéemployée mais il est difficile d'en faire une synthèse comparative sur unmême graphique. A cette échelle du mois, les variations «désordonnées»des valeurs de l'indice SOI non «lissé» et le fait que les événements ElNifio et La Nina peuvent être - plus ou moins - soit précoces, soit tar­difs, conduisent à des interprétations délicates et il faudrait commenterséparément chaque mois.

Que retenir? En début de saison des pluies (septembre et octobre), iln'apparaît pas encore de tendance véritablement significative. Toutefois,nous pouvons noter une légère baisse des précipitations en septembre lorsdes épisodes La Nina. En novembre apparaît une nette tendance à la bais­se des précipitations pour les épisodes La Nina. Cette tendance à la dimi­nution des pluies se confirme en décembre, à la fois pour les événementsEl Nifio et La Nina. Cette tendance disparaît en janvier en ce qui concer­ne les événements La Nina mais persiste pour les événements El Niûo, Ilsemblerait donc que ce mois du cœur de la saison des pluies, le plus arro­sé de toute l'année, ne verrait guère sa hauteur d'eau influencée par lesévénements La Nina mais que cette lame montrerait toujours une légèreinfluence des événements El Niûo dont la signature est une légère baissedu total pluviométriquè. Par contre, en février et mars, s'observe une trèsnette tendance à la diminution des précipitations, lors des événements ElNifio et La Nina. En avril, cette tendance à la baisse des pluies se conser­ve très fortement en année La Nina mais disparaît en année El Nifio. Avecl'installation de la saison sèche, en mai, juin et juillet, il n'apparaît plusaucune tendance véritable, sauf pour les forts El Nifio aux précipitationsencore déficitaires. En août, par contre, s'observe une tendance asseznette à l'excès de précipitations, en année El Nifio, et à la sécheresse, enannée La Nina. Toutefois, ces dernières constatations doivent êtrerelativisées, vu les très faibles pluies de la saison sèche qui est encore plusmarquée au mois d'août.

Ces résultats sont synthétisés, cette fois-ci au niveau mensuel, avecle même type de présentation que celui adopté précédemment (tab. 2).Ce tableau montre le déficit pluviométrique, presque systématique, aucours de toute l'année lors des forts et - parfois même - desmoyens événements El Nifio. Ce déficit reste néanmoins assez modeste.Il montre surtout que les événements La Nina sont presque systé­matiquement associés aussi à des déficits de précipitations et que cesdéficits peuvent être importants particulièrement en février, mars etavril.

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Tableau 2

Moyennes des précipitations mensuelles (en valeurs centrées réduites)pour différentes classes de l'indice SOI.

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IV-VI

216 A. GIOOA, J. RONCHAIL, Y. L'HOTE & B. POUYAUO

6. Conclusion

Cette communication vise à mettre en évidence les liaisons entre lesépisodes El Niüo et La Nina et la pluviométrie observée à la station deSan Calixto de La Paz aux échelles de temps de l'année (année hydrolo­gique, septembre à août), du quadrimestre et même du mois. Les résultatsne sont pas ceux qui pouvaient être attendus, selon les travaux publiésjusqu'à ce jour. Certes, les précipitations associées aux épisodes El Nifiosont plutôt déficitaires durant toute l'année, surtout à la fin de la saisonpluvieuse. Toutefois, il apparaît aussi un déficit presque systématique, etsouvent plus important, lors des événements La Nina. Ce déficit est plusparticulièrement notable durant les mois de mars et d'avril, c'est-à-direen fin de saison des pluies, et soit aussi à la même période que pour lesépisodes El Niûo.

REMERCIEMENTS

L'ensemble du personnel de l'Observatoire de San Calixto est remercié trèschaleureusement, en particulier le Père Drake, son Directeur, et Mme JuanaPatzzi. Le projet ARCHISS (Archivai Climate History Survey) a parrainépartiellement ce travail dans le cadre du PP Unesco #OOBOL603 et du PHI-LAC.

NOTE

[1] Certes, la station de Sucre (2 850 m) avait été ouverte antérieurement (dès1882) mais la qualité des données est moindre; les lacunes et imprécisionsde lecture y sont grandes. Enfin, elle fut fermée dans les années 1950. Seule,la station de l'aéroport de Sucre subsiste aujourd'hui.

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TROPICAL CLIMATOLOGY,METEOROLOGY AND HYDROLOGY

Climate-related Risk Analysis and Sustainable Developmentin Tropical Areas

Brussels, 13-14 December, 2001

1RMI

Royal Meteorological Instituteof Belgium

KAOW-ARSOM

Royal Academyof Overseas Sciences

Guest Editors : G. Demarée, M. De Dapper, J. Alexandre

2004