L’ATMOSPHERE

Description de l’atmosphère 

L’atmosphère est la couche d’air qui enveloppe le globe terrestre d’une épaisseur d’environ 100 km d’altitude. Il fournit l’air que nous respirons et protège tous les organismes vivants des effets néfastes des rayonnements solaires, des pluies de météores ou des chutes d’autres corps provenant de l’espace.
La structure chimique de la masse d’air atmosphérique est très complexe. Il s’agit d’un mélange d’une dizaine de gaz, principalement de l’azote et de l’oxygène respectivement à hauteur de 78% et de 21%. Le 1% restant est surtout constitué d’argon (gaz rare), mêlé de traces de gaz carbonique (ou dioxyde de carbone), d’hélium et de néon. Ces deux dernières substances sont des gaz inertes, c’est-à-dire chimiquement inactifs. On trouve également, en quantités variables, du dioxyde de soufre, de l’ammoniac, du monoxyde de carbone, de l’ozone – composé de l’oxygène – et de la vapeur d’eau. La teneur en vapeur d’eau varie selon l’humidité relative et la température et détermine principalement les phénomènes atmosphériques. On peut également signaler la présence de nombreuses impuretés en suspension : les gaz polluants, les particules de fumées, le sel, les poussières ou encore les cendres volcaniques.

Explication de la figure 1

La thermosphère

La thermosphère est la couche atmosphérique commençant vers 80–85 km et allant jusqu’à 640 km d’altitude. La température y croît fortement avec l’altitude jusqu’à 500 °C à la limite de l’atmosphère.

La mésosphère

La mésosphère est la troisième couche de l’atmosphère où se forment les nuages les plus hauts. Lumineux ces nuages sont visibles en été dans certaines régions. La température y décroît fortement jusqu’à la limite de cette couche (environ 80 km).

La stratosphère 

Cette couche est déjà une couche de faible densité. La température y reste constante jusqu’à environ 25 km puis croît jusqu’aux environs de 0 °C autour de 40 km d’altitude.

Couche d’ozone

La couche d’ozone désigne la partie de la stratosphère contenant une quantité relativement importante d’ozone (concentration de l’ordre de un pour cent mille). Cet ozone est produit par l’action des ultra-violets, du rayonn ement solaire, sur les molécules de dioxygène à haute altitude. Elle renvoie les rayons solaires et n’en laisse pénétrer que 50% dans la troposphère.

La troposphère

C’est la plus basse couche. Son épaisseur varie de 7 à 15 km des pôles à l’équateur. C’est dans cette couche que se produisent les phénomènes météorologiques. La température y diminue avec l’altitude pour descendre jusqu’à -50 / -60 °C.
Les séparations entre les 4 couches s’appellent la tropopause, la stratopause et la mésopause.

GENERALITES SUR LA PREVISION METEOROLOGIQUE

Définition

Météorologie 

La météorologie est une science qui étudie l’atmosphère terrestre. Elle a pour objet de connaître les états de l’atmosphère et de comprendre les phénomènes qui s’y déroulent. La météorologie observe et étudie des centaines et même des milliers, de kilomètres de l’atmosphère. De plus, elle est une science qui étudie « le temps », tributaire de l’état de l’atmosphère déterminé par des mesures in situ. L’étude est basée sur la compréhension des phénomènes atmosphériques à partir des lois physiques, chimiques, ou autres. La météorologie est fondée aussi en partie, à partir des analyses de corrélations entre plusieurs paramètres météorologiques observés tels que : la température, la pression, l’humidité de l’air, le vent,…

Prévision météorologique

La prévision météorologique est une application des connaissances de la météorologie et des techniques de prises de données pour prévoir l’état de l’atmosphère à un temps ultérieur. Les lois régissant le comportement de l’atmosphère sont expliquées grâce à la mécanique des fluides. On peut les résoudre grâce à des modèles mathématiques et des superordinateurs.
Malgré tout, même si la résolution de nos données a augmenté exponentiellement, la prévision reste autant un art qu’une science. En effet, l’état de l’atmosphère peut être compris dans la théorie du chaos et ne peut jamais être complètement défini ce qui laisse place au facteurhumain dans la prévision.
L’organisation de la météorologie internationale impose sur le relevé et la collecte des mesures au même moment partout dans le monde et dans les mêmes conditions. Dans les stations de base, les mesures courantes (température, pression, humidité, nébulosité, etc.) sont effectuées toutes les six heures (0 h, 6 h, 12 h, 18 h) en temps universel (TU).
Ces observations locales, rédigées en langage chiffré, selon un code international unique, sont transmises immédiatement au Service de la Météorologie et Hydrologie National. Ce dernier procède aux premiers traitements, en s’appuyant aussi sur les données provenant des radars et des satellites météorologiques et des pays voisins.
La prévision météorologique est basée sur les observations des paramètres météorologiques (température, vent, humidité, pression). Dans les services météorologiques, on traite les données de deux façons : numériquement et manuellement sur carte). L’informatique permet l’utilisation de différents modèles, construits à partir d’équations mathématiques de relations qui régissent les conditions physiques ou chimiques de l’atmosphère.

Techniques de la prévision météorologique

En 1904, Vilhelm Bjerknes fut le premier à proposer que la prévision du comportement de l’atmosphère pourrait être traitée comme un problème de physique mathématique posé en fonction des conditions initiales. La discipline de la prévision numérique du temps fut fondée en 1922 par la publication du livre Weather Prediction by Numerical Process, du mathématicien britannique Lewis Fry Richardson. Deux décennies avant l’invention de l’ordinateur, Richardson envisagera de faire résoudre numériquement, par une armée de calculateurs humains, les équations développées par Bjerknes. La vision pionnière de Richardson commença à porter ses fruits en 1950, alors que Charney, Fjortoft et Von Neumann réussirent la première prévision numérique du temps par ordinateur. Les premiers programmes de prévisions numériques opérationnelles furent instaurés au début des années 1960.
En présence d’une forte demande pour des prévisions météorologiques dans de nombreux domaines d’activité, la discipline n’a cessé depuis lors de se développer, soutenue par l’augmentation de la puissance de calcul et nourrie de progrès théoriques énormes en méthodes numériques et en météorologie.

Acquisition des données

L’acquisition des données constituent le rassemblement des données observées au niveau des stations météorologiques en altitude et en surface: la pression, la température, l’humidité, la direction et vitesse du vent, les précipitations, les conditions nuageuses, etc…, à la surface et en altitude. Ces systèmes ont chacun leur fréquence de prise de donnée.

Modèle numérique

Depuis le milieu du XXe siècle, le développement des ordinateurs a permis d’utiliser les équations qui régissent l’atmosphère afin de simuler l’évolution des systèmes météorologiques. Au début, il fallait les simplifier car les ordinateurs étaient peu performants. Avec le développement de la technologie, il a été possible de graduellement augmenter la complexité du calcul pour donner des solutions de plus en plus près de la réalité, sans encore être parfaites. La prévision numérique comprend :

Analyse

L’assimilation des données que le programme compare à sa plus récente prévision pour le même temps. Les différences entre la prévision et l’analyse sont calculées et un lissage entre les deux est fait. Si une donnée d’observation est trop éloignée de la prévision, elle est rejetée.
En effet, elle est probablement mauvaise et causerait une instabilité dans le nouveau calcul de prévision. Cette méthode est appelée l’analyse variationelle à trois dimensions ou 3D-VAR.
Une nouvelle méthode pour faire cette analyse est de lancer le programme pour prévoir une certaine période (3 heures), ajuster les observations qui sont entrées avant et après l’heure d’analyse à cette simulation et revenir au temps initial pour refaire l’analyse. C’est ce qu’onappelle l’analyse variationnelle à 4 dimensions ou 4D-VAR.

Simulation

Une fois l’analyse complétée, le programme de simulation numérique démarre et calcule l’évolution de l’atmosphère pour des périodes allant jusqu’à 10 jours par pas de quelques secondes, minutes ou heures selon la configuration. Il existe différents logiciels pour ce faire à travers le monde. Ils utilisent différentes résolutions en accord avec la durée de temps désirée et la résolution spatiale.

Post-traitement

Une fois la simulation terminée, un programme de post-traitement extrait les variables et les présente aux prévisionnistes sous forme de carte, tables de données, coupes verticales, etc.
Ces données sont préalablement traitées pour retirer certains biais connus du modèle. C’est ce qu’on appelle le traitement par statistique des sorties du modèle. Par exemple, l’humidité de surface est encore un problème difficile à intégrer et simuler, le programme de statistique des sorties du modèle d’humidité corrigera donc le biais de cette variable selon les écarts habituellement trouvés dans un modèle particulier.

Prévision finale

Il arrive souvent que différents modèles suggèrent différentes solutions. Cela est dû à la façon dont les équations de l’atmosphère sont intégrées dans un modèle, à sa résolution et à l’état de l’atmosphère qui est parfois très instable et susceptible de grands changements à partir de petites variations de l’analyse initiale (voir théorie du chaos). Le prévisionniste compare son scénario avec les résultats obtenus par le ou les modèles numériques. Il peut ainsi se faire une idée des forces et des faiblesses des solutions qu’ils proposent et choisir la meilleure.
L’expérience des effets locaux et du comportement récent de l’atmosphère permet aux prévisionnistes d’affiner la prévision à court et moyen terme. Il peut également changer le début de la prévision en modifiant les conditions de départ, ou espérées à court terme, pour des endroits particuliers que le modèle n’a pas pu prévoir (prévision immédiate). Il utilise pour cela les images satellitaires, celles des radars météorologiques, ainsi que toutes autres données récentes.

Analyse de prévision saisonnière

Prévision saisonnière

La prévision saisonnière a pour objectif de déterminer le climat moyen sur les trois mois à venir, à l’échelle d’une région. Contrairement aux prévisions à échéance de quelques jours, les informations ne sont pas détaillées ni chiffrées, mais sont présentées sous forme de prévisions qualitatives qui renseignent sur les grandes tendances (plus chaud ou plus froid, plus sec ou plus humide que la normale).
Les performances des prévisions saisonnières sont très variables comme : le lieu, la saison, paramètre météorologie, saison. Elles sont meilleures pour la température que pour les précipitations, et, pour la température, meilleure en hiver qu’en été.
La prévision climatique saisonnière constitue une des meilleures stratégies d’adaptation à ces changements observés et anticipés. En effet, en élaborant et en diffusant des informations caractérisant la saison des pluies avant même que celle-ci ne démarre, on permet aux agriculteurs, aux gestionnaires des ressources en eau, aux décideurs et divers acteurs de faire des choix optimaux pour aborder la saison. Il est nécessaire, pour ce faire, de renforcer les capacités des cadres des services nationaux et régionaux à mieux caractériser les risquesagrohydro-climatiques et sanitaires et les prévoir.

Les applications de la prévision saisonnière en agriculture

On détermine la date optimale de semis à partir de la prévision saisonnière. On assiste généralement la culture pendant toutes les différentes phases de son développement par son besoin en eau décadaire. Ainsi, on peut avoir la prévision de rendements pour assurer la sécurité alimentaire.

Caractéristiques physiques du terrain 

Les caractéristiques physiques concernent le milieu naturel de la zone d’étude. Le climat, le relief, la nature du sol, la végétation, l’hydrologie et l’hydrographie sont les éléments nécessaires pour les conditions du milieu physique d’une zone d’étude.

Relief et sols

Les sols de la Région de Bongolava se dégradent rapidement, surtout ceux aux alentours de Tsiroanomandidy à cause de leur exploitation continue au fil des années et nécessitent en conséquence des apports d’amendements tant minéraux qu’organiques. Les sols de « tanety » en table, sont reconnus pour leur bonne capacité d’échange et donnent en général de bons rendements aux cultures pluviales. Mais, la faible profondeur de l’horizon organique nécessite un apport d’engrais. Ils sont de deux types :
 soit du type ferralitique brun jaune développés sur les surfaces d’aplanissement,
 soit du type ferralitique brun rouge formés à partir des glacis.
Ce terroir de plateaux à forte dominance en graminée (Heteropogoncontortus) subit de façon chronique des feux de brousse. Les sols de bas-fonds sont du type hydromorphes minéraux à moyennement organiques aptes avant tout à la riziculture irriguée, puis aux cultures de contre saison (légumineuses, cultures maraîchères et fourragères), sous réserve d’une possibilité d’irrigation.

Végétation

La Région Bongolava est marquée par la dominance des sols ferralitiques couverts par de faible couverture végétale. En matière de couverture végétale, la région est caractérisée par des formations graminéennes ou savanes. Presque tout le Moyen Ouest est constitué de savanes herbeuses à Hyparheniaruffa (Vero) et à Heteropogoncontortus (Danga). Ce sont des zones souvent victimes de passage de feux de brousse et utilisées comme zone d’élevage extensif.
Dans les bas-fonds, on rencontre des marais à joncs et parfois à Viha. Quelques vestiges de forêts rupicoles ou forêts galeries sont observées dans les thalwegs aux alentours de Tsiroanomandidy. Mais, il faut noter qu’elles commencent à présenter de gros signes de souffrance à cause de passages répétés de feux de brousse.

Hydrologie

Une importante partie des principaux fleuves de Madagascar traverse la Région de Bongolava, dont entre autres :
 la Mahajilo et ses affluents (la Mania, la Kitsamby, la Sakay qui traverse la commune d’Ankadinondry Sakay, limite orientale de la sous-préfecture de Tsiroanomandidy)
 la Manambolo et ses affluents dans la Région de Bongolava.
Le fleuve Manambolo passe à Tsiroanomandidy. Le Kiranomena qui prend sa source à Firavahana et traverse Fenoarivobe. Le Sandrozo traverse Kiranomena et Tsinjoarivo pour se jeter ensuite dans le Manambolo.

Climat

La Région de Bongolava fait partie du régime climatique tropical d’altitude, supérieur à 900m. Elle est caractérisée par une température  moyenne annuelle inférieure ou égale à 20° C. L’année comporte deux saisons bien individualisées, l’une pluvieuse (saison humide et chaude), de Novembre à Mars avec une température qui varie de 20°C à 30°C, et l’autrefraîche et sèche, de mi-avril à mi-octobre de température 13°C à 26°C et même plus.

Les exigences culturales

Exigences climatiques

La température favorable de l’air varie suivant les stades de développement du riz. L’optimale se situe entre 28 et 30°C. Une température supérieure à 40°C est nuisible pour la plante. La température optimale de l’eau se trouve entre 30 et 40°C, le minimum se situe entre 13 et 14°C, le maximum est entre 38 et 40°c et à partir de 50°C, la plante meurt. Le riz est une plante de lumière. Son absence ou son manque peut entraîner un développement végétatif excessif et une diminution de rendement en grains. On rencontre des variétés sensibles et des variétés indifférentes au photopériodisme. Les plantes à jours longs nécessitent une longueur de jour supérieure à 12 heures d’exposition à la lumière tandis que celles à jours courts ont besoin d’une durée plus inférieure.
Quant à l’exigence en eau de la plante, le riz n’a pas besoin d’un sol saturé en eau. Celle-ci est uniquement utilisée pour lutter contre les mauvaises herbes, pour régulariser la température du sol et de l’air. Elle est le véhicule des éléments fertilisants. Un excès d’eau ou une inondation prolongée de plus d’une semaine devient un grand fléau de la riziculture, notamment pendant la floraison. Les besoins en eau du riz varient suivant l’époque de son développement. Ils sont élevés de la germination à l’épiaison, pour diminuer de la fin de l’épiaison jusqu’à la maturation.

Exigences édaphiques.

Pour la riziculture en submersion, le sol idéal est celui ayant une texture argilo limoneuse (par exemple : 50% d’argile, 30% de limon, 10% de sable fin, 5% de sable grossier et 5% d’humus). Les pH optimum pour toutes les plantes se situent entre 5,5 à 6,5 mais avec des limites de 4,5 à 8,7.
Enfin, pour la salinité, le taux de toxicité varie suivant les variétés et les techniques culturales.
Le riz est considéré comme une plante résistante à la salinité mais rarement au-delà d’une concentration de 10%.

Technique culturale dans la Région Bongolava

Le climat de la zone étudiée ne favorise pas à la double culture de riz. La riziculture pratiquée dépend encore de la saison de pluie, c’est-à-dire de type pluviale. Actuellement, la technique culturale reste encore traditionnelle avec une productivité de 1à 1,5t/ha.
Les riziculteurs n’utilisent que la méthode traditionnelle pour produire. Pour envisager une amélioration de technique culturale, on peut distribuer la mise en place de technique culturale modernisé comme l’utilisation de la semence amélioré, la bonne maîtrise de l’eau etc….

Besoin en eau

Le besoin en eau à considérer concerne les demandes de la plante et celles relatives à la pratique culturale. Le calcul de ces besoins dépend de plusieurs paramètres tels que l’évapotranspiration, la pluviométrie et le coefficient cultural. La base de calcul est traitée par le logiciel CropWat. Les besoins en eau de la plante sont déterminés par la formule :

Table des matières
REMERCIEMENTS 
LISTE DES ABREVIATIONS ET SYMBOLES 
LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ANNEXES 
INTRODUCTION GENERALE 
PREMIERE PARTIE : ATMOSPHERE, PREVISION EN METEOROLOGIE ET PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE 
CHAPITRE I : L’ATMOSPHERE
I.1 Description de l’atmosphère
CHAPITRE II : GENERALITES SUR LA PREVISION METEOROLOGIQUE
II.1 Définition
II.2 Techniques de la prévision météorologique
II.2.1 Acquisition des données
II.2.2 Modèle numérique
II.2.2.1 Analyse
II.2.2.2 Simulation
II.2.2.3 Post-traitement
II.2.2.4 Prévision finale
II.2.3 Présentation aux utilisateurs
II.2.4 Analyse de prévision saisonnière
II.2.4.1 Prévision saisonnière
II.2.4.2 Les applications de la prévision saisonnière en agriculture
CHAPITRE III : LA ZONE D’ETUDE
III.1 PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE
III.2 Localisation de la zone d’étude
III.3 Situation géographique
III.4 Caractéristiques physiques du terrain
III.4.1 Relief et sols
III.4.2 Géologie
III.4.3 Occupation des sols
III.4.4 Végétation
III.4.5 Hydrologie
III.4.6 Climat
III.4.7 Étude des plantes
III.5 Les exigences culturales
III.5.1 Exigences climatiques
III.5.2 Exigences édaphiques
III.5.3 Technique culturale dans la Région Bongolava
III.6 Besoin en eau
III.6.1 Besoin en eau à la pratique culturale
III.6.2 Paramètres climatiques: calcul de l’évapotranspiration potentielle
III.6.3 Paramètres physiologiques: l’évapotranspiration maximale
III.6.4 Détermination des coefficients culturaux
III.6.5 Estimation de la réserve en eau disponible
III.7 Le bilan hydrique des cultures
III.7.2.1 Evapotranspiration
III.7.2.2 Ruissellement
III.7.2.3 Drainage
III.7.2.4 Précipitations
III.7.2.5 Irrigation
III.7.2.6 Remontées capillaires
DEUXIEME PARTIE : PRESENTATION DU MODELE 
CHAPITRE 1 : PRESENTATION DU LOGICIEL CROPWAT
I.1 Choix du logiciel
I.2 Principe générale
I.3 Les données d’entrées
I.3.1 Les données climatiques
I.3.2 Les données pluviométriques
I.3.3 Les données sur les types de culture
I.3.4 Le module des propriétés du sol
I.4 Les sorties du modèle
I.4.1 Table climatique
I.4.2 Table des besoins en eaux des cultures
I.4.3 Table du programme d’irrigation
I.5 Processus de déroulement des tâches (entrée jusqu’à résultat)
I.6 Source de données
I.7 Analyse du logiciel CropWat
II.7.1 Les points forts du logiciel
II.7.2 La gestion et le traitement des données
II.7.3 La limite de l’outil
CHAPITRE 2 : PRESENTATION DU LOGICIEL CPT
II.1 Présentation du modèle
II.2 Principe général
II.3 But
II.4 Les données d’entrées
II.4.1 Prédicteur
II.4.2 Prédictand
II.5 Analyse du logiciel CPT
III.5.1 Les points forts du logiciel
III.5.2 La gestion et le traitement des données
II.6 Analyse statistique
III.6.1 Analyse de corrélation canonique
III.6.2 Exemples d’application
III.6.3 Description de la démarche
III.6.4 Coefficient de corrélation de Pearson
III.6.5 Coefficient de corrélation de Spearman
TROISIEME PARTIE : PRESENTATION DES RESULTATS ET DISCUSSION
CHAPITRE I : PRESENTATION DES RESULTATS
I.1 Interprétation des résultats à partir l’utilisation du logiciel CROPWAT
I.1.1 Calcul de l’Évapotranspiration
I.1.2 Calcul des pluies efficaces
I.1.3 Calcul de besoin en eau des cultures
I.1.4 Calendrier d’irrigation du riz
I.2 Interprétation de la sortie du modèle CPT
CHAPITRE II : DISCUSSION
II.1 Etude de bilan hydrique
II.1.1 besoin en eau par rapport à la précipitation
II.1.2 Analyse agroclimatique
II.1.2.1. La période pré-humide A2B1
II.1.2.2. La période humide
II.1.2.3. La période post-humide
II.1.3 Besoin en eau par rapport à la précipitation prévue et précipitation Normal
II.1.4 Analyse du bilan hydrique et impact sur le rendement
II.1.5 Prévision saisonnière
II.1.5.1 Prévision saisonnière Octobre-Novembre-Décembre
II.1.5.2 Prévision saisonnière du Janvier-Février-Mars
CONCLUSION GENERALE 
BIBLIOGRAPHIE 
ANNEXES