Sahelian rainfall (April to October) depends on the position of the Intertropical Front (ITF) [10]. About 80 % of annual rainfall is due to convective systems (isolated cumulonimbus or squall lines moving westwards, several hundreds kilometres wide). In Niamey, mean annual rainfall for 1968–2000 was 508 mm [8]. With the exception of 1996, over 90 % of the annual rainfall (i.e., an average of 508 mm) was analysed for δ¹⁸O and δ²H [2,6]. Isotopic contents are expressed vs SMOW; the analytic error is 0.2 ‰ for δ¹⁸O and 1 ‰ for δ²H.

3.1 Annual scale

3.2 Monthly scale

At the monthly or weekly scale, marked variation recurs each year during the rainy season (figure 1a, table I). At the beginning and at the end of the rainy season, isotopic contents are enriched by high temperatures and by the non-saturation of the atmosphere due to the instability of the monsoon. In the middle of the rainy season, when the monsoon is well established, isotopic contents become depleted because the atmosphere is saturated with water, temperatures are lower and numerous convective systems develop to a great height. The ¹⁸O vs ²H diagram (figure 1b) shows this seasonal variability. The dots under the WML (World Meteoric Line) give a line with a slope 5.9 expressing evaporation. The mass effect is not well correlated with isotopic content (r²=0.42); however, temperature and relative humidity are much better descriptive [14]. For the period 1992–1999, the correlation is (table II):

$$\delta {}^{18}\mathrm{O}=1.03\mathrm{T}-34.50({\mathrm{r}}^2=0.63)\mathrm{and}\delta {}^{18}\mathrm{O}=-0.16H_{\mathrm{r}}+7.24({\mathrm{r}}^2=0.68)\mathrm{regression}$$

$$\delta {}^{18}\mathrm{O}=0.26\mathrm{T}-0.13H_{\mathrm{r}}-2.85({\mathrm{r}}^2=0.69)\mathrm{multiple}\mathrm{regression}$$

Tableau II

Valeurs mensuelles (1992–1999) à Niamey de la température (°C) et de l'humidité relative (%).

Monthly values (1992–1999) of temperature (°C) and relative humidity (%) in Niamey.

	A	M	J	J	A	S	O
1992			31,6–57,5	29,0–67,5	27,7–74,5	29,7–63,5
1993	33,9–19,5		32,0–54,0	29,1–65,5	28,4–72,0	29,6–66,5	31,9–45,5
1994	34,2–26,5	34,5–39,5	31,6–54,0	29,2–66,0	27,1–77,5	29,1–65,5	30,4–59,0
1995			32,0–52,1	29,1–62,1	28,4–73,7	29,6–66,3
1997	33,8–28,0	33,5–48,0	31,7–56,0	30,1–63,0	30,1–65,0	30,7–65,0	32,8–49,0
1998	35,5–27,0	35,1–47,0	32,1–56,0	29,5–66,0	27,6–76,0	28,5–74,0
1999	34,6–29,0	34,9–41,0	33,9–45,0	29,4–67,0	27,5–77,0	28,5–73,0

In May 1993 and 1994, the isoline 39 °C was approximately at the same latitude (figure 2a), but moved in August 1994 much farther north. The number of cold clouds (<−40 °C) in August confirms this northwards movement in 1994 in Niger (figure 2b). According to the distribution of rainfall (figure 2c), the monsoon was not in place until mid-July in both 1993 and 1994 and isotopic contents were relatively enriched. In 1994, the last third of July marked the real beginning of the rainy season (marked depletion in isotopic values), while in 1993 the monsoon remained in southern Niger. The rest of the season showed an exceptional intensification of the 1994 monsoon, with the ITF moving very far to the north. In 1993, the rainy systems over Niamey were linked with the structure of the ITF (local storms and squall lines) because of its failure to move far to the north. ITF structure is characterized by a vertical discontinuity in winds and humidity, which favours evaporation and mixing between rain and recycled vapour, and this limits isotopic depletion. In 1994, the high atmospheric humidity and frequent rainy events favoured the mass effect. Clouds with a great vertical ascent, i.e. with a low condensation temperature, also favoured isotopic depletion.

In 1997, the convection was jammed in south Niger, rainfall was much lower than usual and isotopic contents were partially enriched (figure 3). In 1999, the convection moved far to the north and reached its maximum in the last third of August with highly depleted isotopic content. In May 1997, even if rainfall was low, a large monsoon flux to Niger (figure 3a) was linked with highly depleted isotopic values.

3.3 Event scale

At the scale of the event (figure 4a), isotopic contents ranged between +7.0 and −11.4 for δ¹⁸O and between +41 and −89 ‰ for δ²H. During the eight years studied, the non-evaporated rainfalls (P>5 mm, $\delta {}^{18}\mathrm{O}<0$) had slopes between 7.5 and 8.1, i.e., close to the WML slope (World Meteoric Line), and an origin ordinate between 4.8 and 6.6 [5]. Some points above the WML had a deuterium excess much higher than 10, which indicates vapour originating from soil evaporation and transpiration [14]. Some August events, with rainfall of less than 10 mm, were very depleted (figure 4b). This may be due either to the end of the emptying of the cloud mass originating in the Lake Chad region, or to the development of convective system at high altitude leading to very negative condensation temperatures [12].

Because of strongly contrasting climatic situations, isotopes in Sahelian rainfalls provide interesting subjects of study. As they are enriched at the beginning and at the end of the rainy season and depleted in the middle, they allow monitoring of monsoon movement. At the monthly or weekly scale, they match with satellite data. At the event scale, they can document the local state of the air mass (cloud emptying, recycled vapour, high altitude convection). The knowledge of actual climatology with the isotope of water allows the reconstruction of former climatology also.

En climat sahélien, la saison des pluies se situe entre avril et octobre. Plus de 90 % des événements ont lieu entre juin et septembre, dont 65 à 70 % pour les seuls mois de juillet et août. À Niamey, la composition isotopique annuelle des pluies, pondérée des hauteurs, varie, sur les huit années d'étude, de −2,4 à −5,8 ‰ (tableau I). À cette échelle de temps, aucun caractère climatique régional ne semble corrélé à la teneur isotopique. Des années sèches, localement ou sur l'ensemble de la région montrent des teneurs isotopiques très variables ; pour les années à teneur isotopique appauvrie, aucun effet de masse n'apparaı̂t vraiment. La moyenne interannuelle des pluies, −4,2 ‰, se retrouve bien, en revanche, dans les aquifères superficiels de la zone [7,9].

Des variations importantes existent au cours de la saison et se retrouvent d'une année à l'autre (figure 1a, tableau I). Le début de la saison des pluies est marqué par une montée du FIT très irrégulière, faite d'incursion et de retrait ; l'instabilité des masses d'air reste faible et localisée, donnant naissance à de rares orages isolés et de faibles hauteurs de pluie. L'atmosphère, encore en partie sous l'influence de l'harmattan, montre une température élevée et reste très désaturée, et cela même au cours des orages. Cette désaturation de la colonne d'air entraı̂ne l'évaporation des gouttes d'eau, provoquant un enrichissement des teneurs isotopiques. Le milieu de saison est caractérisé par la prédominance du flux de mousson ; les pluies sont alors abondantes en nombre et en cumul, des systèmes convectifs à forte amplitude altitudinale peuvent se développer et les gouttes d'eau formées auront une teneur isotopique très appauvrie, conformément aux lois régissant le fractionnement isotopique ; l'atmosphère reste à un seuil de saturation élevé et la température est plus fraı̂che. Température de condensation basse, température au sol basse, effet de masse tendent ainsi à ce que les teneurs isotopiques des pluies au sol conservent une signature appauvrie. En fin de saison, le retrait de la mousson ramène au schéma du début de saison, avec des teneurs marquées par l'évaporation. Sur le diagramme ¹⁸O vs ²H (figure 1b), les teneurs du mois d'avril et du mois d'octobre sont fortement enrichies et nettement sous la droite météorique mondiale (DMM), marquant une forte évaporation. Les teneurs des autres mois sont en général proches de la DMM, mais on peut supposer une légère évaporation pour les mois de mai et juin, qui ont des teneurs fortement enrichies. La teneur isotopique du mois de juillet 1993 est anormalement enrichie et s'écarte fortement de la DMM ; les conditions climatiques particulièrement défavorables et sèches ont entraı̂né de nombreuses pluies, mais de faible hauteur, favorisant une reprise évaporatoire (cumul de pluie de 98 mm en six événements analysés), contrairement aux saisons 1995 et 1997, qui sont aussi déficitaires, avec un mois de juillet peu pluvieux, mais avec des hauteurs moyennes de pluies supérieures (127 mm en sept pluies et 97 mm en trois pluies respectivement), l'évaporation paraissant ainsi moins affecter ces deux années. L'ensemble des points sous la DMM (n=16), forme une droite de pente 5,9, marquant l'évaporation : $\delta {}^2\mathrm{H}=5,92\delta {}^{18}\mathrm{O}+0,68({\mathrm{r}}^2=0,77)$.

L'effet de masse (¹⁸O vs hauteur) n'apparaı̂t pas comme le seul paramètre déterminant dans l'acquisition de la teneur isotopique à l'échelle mensuelle (r²=0,42). Les autres paramètres climatiques qui semblent gouverner la teneur isotopique à cette échelle de temps sont la température (T) et l'humidité relative (H_r) [14]. Pour l'ensemble des sept années (tableau II) où les données isotopiques sont complètes (90 % de la pluie analysée), les relations avec T et H_r sont significatives :

Les valeurs diffèrent de la relation annuelle de Dansgaard [5], $\delta {}^{18}\mathrm{O}=1,03\mathrm{T}-13,6$, qui n'est valide que pour les stations côtières de l'Atlantique nord.

À l'échelle décadaire, on a comparé la climatologie régionale et les teneurs isotopiques d'années sèches (1993 et 1997) et humides (1994 et 1999) pour apprécier leur sensibilité en fonction de situations climatiques contrastées. Deux indicateurs spatiaux ont été utilisés pour caractériser le déplacement des masses d'air sur l'Afrique occidentale :

• • les champs thermiques de surface, issus des données satellitales InfraRouge Thermique Météosat ; la température au sol de 39 °C marque la limite (FIT) entre les deux masses d'air Harmattan et Mousson ; on peut ainsi suivre l'évolution au cours du temps de la montée ou la descente de la mousson ;
• • les taux d'occurrence des nuages froids, qui s'expriment par la fréquence d'apparition sur les images infrarouge Météosat des nuages dont la température sommitale est inférieure ou égale à −40 °C, température considérée comme fortement corrélée aux précipitations en zone sahélienne [4].

En mai, l'isohyète 39 °C est à peu près au même niveau latitudinal pour les deux années 1993 et 1994 (figure 2a). En revanche, en août 1994, l'isohyète remonte beaucoup plus au nord. Les occurrences de nuages froids (<−40 °C) du mois d'août confirme bien cette poussée vers le nord en 1994 sur le Niger (figure 2b). Par comparaison avec la répartition des pluies pour ces deux années (figure 2c) jusqu'à mi-juillet, la saison des pluies en 1993 et 1994 n'est pas parfaitement installée, les précipitations sont de type orageux, localisées le plus souvent, ce qui se traduit par un comportement identique du point de vue isotopique pour les deux années. Ces pluies tombant à travers une atmosphère peu ou non saturée, les teneurs isotopiques seront relativement enrichies par effet d'évaporation. À partir de la troisième décade de juillet, on rentre complètement dans la saison des pluies en 1994, alors qu'en 1993 le flux de mousson reste bloqué sur le Sud du Niger. La mousson, une fois installée, génère des conditions optimum pour une convection maximale et des températures fraı̂ches : ceci se traduit, comme on l'a vu précédemment, par un net appauvrissement des teneurs des pluies en 1994, à partir de la fin juillet. La suite de la saison montre un renforcement exceptionnel de la mousson en 1994, confirmé par une remontée du FIT très au nord du 22^e parallèle, latitude atteinte en année normale. En 1993, les systèmes touchant Niamey sont liés à la structure du FIT (orages locaux et lignes de grains), en raison de sa faible montée vers le nord. Sa discontinuité verticale des champs de vent et d'humidité favorise l'évaporation et l'échange des pluies avec la vapeur recyclée, conduisant ainsi à limiter l'appauvrissement isotopique. En revanche, en 1994, les précipitations vont relever plus de la ZITC (zone intertropicale de convergence), siège de la convection intense ; le taux d'humidité dans l'atmosphère reste élevé, les pluies sont continues et souvent importantes et favorisent ainsi l'effet de masse. Cette zone permet aussi le développement de nuages à forte ascendance verticale, donc à température de condensation basse, favorisant là aussi un appauvrissement des teneurs isotopiques.

Pour les années 1997 et 1999, en milieu de saison, on retrouve le même schéma climatologique que pour les saisons 1993 et 1994 avec, en 1997, un blocage de la convection sur le Sud du Niger, entraı̂nant une baisse importante des précipitations et des teneurs partiellement enrichies (figure 3). Pour 1999, en revanche, la convection monte très au nord et, durant la troisième décade d'août, on atteint un maximum de développement, conduisant à des teneurs particulièrement appauvries. On peut noter, au début du mois de mai 1997, une incursion importante du flux de mousson dans la partie nigérienne (figure 3a), qui semble se traduire, là aussi, par un fort appauvrissement des teneurs isotopiques, malgré de faibles cumuls de précipitations.

La saison 1998 est aussi une année humide, avec un cumul exceptionnel sur Niamey (978 mm), apporté en grande partie par trois pluies extrêmes en août et septembre, mais à l'échelle du Niger, le taux d'occurrence des nuages froids (<−40 °C) reste moins élevé qu'en 1999 et les teneurs isotopiques sont donc moins appauvries.

On retrouve les mêmes caractéristiques déjà observées pour les courbes mensuelles, avec des valeurs isotopiques enrichies en début et en fin de saison, ainsi qu'un pic de teneurs appauvries au mois d'août (figure 4a). La variabilité isotopique est importante, de −11,4 à +7,0 ‰ en δ¹⁸O et de −89 à +41 ‰ en δ²H, caractéristique des régions tropicales. Pour les huit années, les pentes des droites des pluies non évaporées (P>5 mm et $\delta {}^{18}\mathrm{O}<0$) restent proches de la DMM et sont respectivement comprises entre 7,5 et 8,1, avec une ordonnée à l'origine d entre 4,8 et 6,6 [5]. Un certain nombre de points sont au-dessus de la DMM et montrent donc un excès en deutérium d bien supérieur à 10 (20 % des analyses avec d entre 11 et 30,4), signe d'une contribution de vapeur issue de l'évaporation des sols et de la végétation [14].

En climat tropical, il est généralement admis que l'effet de masse est prédominant dans l'appauvrissement des teneurs isotopiques des précipitations, mais il n'est pas le seul processus : des teneurs très appauvries, situées toutes en août, peuvent aussi être liées à de faibles hauteurs de pluie, entre 5 et 10 mm (figure 4b). Plusieurs hypothèses peuvent être émises : ces pluies, qui se situent au cœur de la saison, pourraient résulter d'une fin de vidange de la masse nuageuse ; en effet, en cette période, les précipitations sont issues de systèmes de mésoéchelle qui, pour la plupart, prennent naissance bien à l'est de Niamey. La vidange progressive du réservoir de vapeur au fur et à mesure du déplacement du système peut conduire à un appauvrissement des teneurs isotopiques [12]. La seconde hypothèse est basée sur une température de condensation beaucoup plus basse, liée à un développement convectif de haute altitude du système pluviogène. Dans ces conditions de convection intense, les gouttes de pluie se formant au sommet du nuage (12 000 à 15 000 m entre −60 et −70 °C) sont très appauvries ; lors de leur descente vers le sol, le processus de coalescence reste limité, l'équilibre thermique avec l'atmosphère se fait plus difficilement. Ainsi, ces gouttes de pluie peuvent préserver en partie leur signature originelle. On a vu précédemment que les occurrences de nuages inférieurs à −40 °C sont dominantes en août et donc que les conditions sont propices au développement de nuages pouvant atteindre des altitudes supérieures à 10 000 m.