6. Autres Modes de la Variabilité Climatique

6. Autres Modes
de la Variabilité Climatique
NAO
AO
AAO
PDO
Un grand nombre de rétroactions se manifestent au sein des
différentes composantes du système climatique (atmosphère, océan,
cryosphère, terres émergées), et beaucoup de processus découlent du
couplage de ces composantes.
Certaines perturbations climatiques naturelles, comme le phénomène
ENSO vu précédemment, jouent un rôle fondamental dans le climat
mondial et dans sa variabilité interannuelle et à long terme.
Bien que les modèles couplés simulent certaines manifestations de la
variabilité climatique naturelle observée – ce qui donne à penser que
certains processus pertinents sont pris en compte dans les modèles –,
des améliorations seront nécessaires pour représenter plus
correctement ces phénomènes naturels.
De plus, comme ce sont des éléments-clés des changements
climatiques à l’échelle régionale et qu'ils pourraient entraîner des
variations brusques et inattendues, ces modes naturels de la variabilité
climatique sont une des sources d'incertitude pour les conséquences du
changement climatique à venir.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (1)
Les traits principaux du champ de pression moyenne hivernale
au niveau de la mer sur l'Atlantique Nord sont :
- L'anticyclone des Açores (hautes pressions en rouge)
- La dépression d'Islande (basses pressions en violet)
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (2)
Sur le bassin Atlantique, l'Oscillation Nord Atlantique (ou North
Atlantic Oscillation, NAO) est le mode atmosphérique dominant
de la variabilité hivernale (≈40%).
Son influence s'étend de la côte Est de l'Amérique du Nord à
l'Eurasie et l'Arctique à l'Afrique du Nord et au Moyen-Orient.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (3)
La NAO représente une redistribution de masse atmosphérique entre
les régions arctiques ou subarctiques, et les régions subtropicales de
l'Atlantique. Plus précisément, la NAO lie l'intensité de la Dépression
d'Islande à la force et à l'extension de l'Anticyclone des Açores.
+
L'incrément entre contours
est 0,5 hPa ;
les points représentent
Lisbonne (Portugal) et
Stykkisholmur (Islande)
On parle de phase positive lorsque les deux centres d'action
s'intensifient (creusement de la dépression d'Islande, renforcement
de l'Anticyclone des Açores) ou de phase négative lorsque les deux
s'affaiblissent simultanément.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (4)
L'indice NAO est défini comme la différence de pression au niveau de la mer
entre 2 stations proches des « centres d'action » : au nord Stykkisholmur
(Islande) et au sud soit Ponta Delgada (Açores), soit Lisbonne (Portugal), soit
Gibraltar.
L'indice NAO présente une forte variabilité sans présenter de période
caractéristique. On note cependant que la fin du XXe siècle est dominée
par l'alternance de périodes décennales qui privilégient les phases
négatives dans les années 50 à 60 et positives depuis. Les années 1970 à
2000 se rapprochent du début du siècle, mais contrastent par les fortes
valeurs de l'indice (7 parmi les 10 valeurs les plus élevées au cours des 150
dernières années ont été enregistrées depuis 1980).
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (5)
En phase positive, le renforcement du gradient méridien de pression sur
l'Atlantique Nord induit un renforcement des vents dominants d'Ouest en
hiver au-delà de 45°N. Il correspond à un déplacement vers le nord des
routes dépressionnaires et à une augmentation de l'activité des tempêtes
associées.
Ces anomalies d'activité des
tempêtes sont quantifiées par la
régression sur l'indice NAO de la
variance du géopotentiel à mitroposphère (filtré pour ne retenir
que les fluctuations <10 jours).
Source : réanalyses NCEP, hivers
1948 - 2001
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (6)
Le transport de masses d'air océanique doux et humide vers
l'Europe et engendre des anomalies positives de température.
La descente d'air arctique vers le Nord-Est du Canada, la mer du
Labrador et le Groenland entraîne au contraire des températures
plus froides que la moyenne.
Les anomalies de température
de surface sont calculées par
régression sur l'indice NAO des
données de stations en hiver sur
la période 1900-2002
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (7)
Avec le renforcement des hautes pressions au Sud, le bassin
méditerranéen est protégé des tempêtes et connait des hivers
plutôt secs, alors que le Nord de l'Europe occidentale reçoit les
dépressions hivernales et les précipitations associées.
Les anomalies de précipitations sont calculées
par régression sur l'indice NAO des données des
stations en hiver sur la période 1900-1998.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (8)
La prédominance des phases positives de la NAO sur les trois
dernières décennies a fortement contribué au réchauffement
observé des températures de surface en Europe et à la
sécheresse chronique sur l'Europe du Sud avec d'importantes
conséquences en termes de réserves en eau.
L'augmentation de l'activité dépressionnaire au-delà de 45°N au
cours de cette même période est responsable de la tendance
observée dans les mers nordiques au renforcement des conditions
de houle et de hauteur de vagues, nécessitant des aménagements
structurels (ports, plate-formes pétrolières, digues, côtes, ... ).
Outre-Atlantique, les changements de circulation atmosphérique
dans les régions subpolaires s'accompagnent d'une extension
prononcée de la banquise vers le sud en Mer du Labrador et un
retrait important des glaces entre Groenland et Scandinavie.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (9)
L'approche présentée ici est une approche « climatique » et
non « météorologique » à l'échelle du « temps » ou de la
perturbation atmosphérique.
Ce n'est pas parce que statistiquement les dépressions sont
rejetées plus au Nord de l'Europe pendant les phases positives
de la NAO que des tempêtes de très forte intensité ne pourront
pas frapper le sud de la France, comme ce fut le cas en
décembre 1999.
Ce n'est pas non plus parce que statistiquement les hivers sont
doux sur l'Europe du Nord en phase de NAO positive qu'une très
forte vague de froid avec des précipitations neigeuses
importantes ne pourra pas paralyser l'ensemble du continent de
manière ponctuelle !
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (10)
La NAO, qui est le mode de variabilité dominant, n'explique qu'environ
40% de la variance totale interannuelle en hiver. D'autres modes tels le «
Régime Dorsale » ou le « Blocage » jouent également un rôle important et
se trouveraient même davantage associés aux extrêmes météorologiques.
Le renforcement de l'Anticyclone des Açores
couvre tout le bassin Atlantique, avec un courant
de Nord/Nord-Ouest sur le continent européen
favorable à des épisodes neigeux importants sur
les massifs montagneux exposés.
Un anticyclone persistant recouvre
le nord de l'Europe et la Scandinavie
induisant des coulées d'air sec
sibérien sur le continent européen.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (11)
ORIGINE DE LA NAO :
Les modèles de circulation générale atmosphérique dans lesquels
on maintient fixes les autres composantes du système climatique
(océan, cryosphère, biosphère etc. ) présentent des fluctuations
sur l'Atlantique Nord très similaires à la NAO.
Fonction de courant
forcée par les
perturbations
transitoires (Hurrel,
1995)
La NAO semble donc être un mode de variabilité intrinsèque à
l'atmosphère, reposant sur l'interaction entre l'écoulement moyen et
les tourbillons synoptiques transitoires (tempêtes), sans faire appel à
la variabilité océanique ou aux autres sous-systèmes climatiques pour
reproduire le mode spatial NAO (contrairement à l'ENSO).
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (12)
ORIGINE DE LA NAO :
Mais les fluctuations temporelles de la NAO simulée par des modèles
purement atmosphériques ne privilégient aucune période. Comment
expliquer alors les fluctuations quasi-décennales décelables sur les 50
dernières années ?
Une possibilité est l'influence d'un autre sous-système climatique à
mémoire lente (par contraste avec la composante atmosphérique
rapide), capable de modifier l'occurrence et/ou la persistance de
phases spécifiques de la NAO.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (13)
ORIGINE DE LA NAO :
L'océan est le principal candidat. Des anomalies océaniques de
grande échelle sur le bassin Atlantique sont étroitement liées aux
phases de la NAO. Elles présentent une structure latitudinale à
trois bandes, des tropiques aux latitudes arctiques.
En NAO positive :
- sur le nord du bassin, le renforcement
des vents d'Ouest, la course plus
septentrionale des tempêtes et les
descentes d'air arctique refroidissent
davantage l'océan par augmentation de
l'évaporation de surface ;
- aux moyennes latitudes, les vents
moins forts diminuant l'évaporation et
les remontées de Sud réchauffent
anormalement la surface océanique;
- sous les tropiques, l'intensification des
alizés due au renforcement de
l'anticyclone des Açores induit un
refroidissement en réponse à une
évaporation de surface plus intense.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (14)
ORIGINE DE LA NAO :
Cette structure océanique tripolaire, bien qu'initialement créée
par l'atmosphère, réagit sur l'atmosphère des moyennes et hautes
latitudes depuis le bassin tropical :
Les anomalies océaniques subtropicales créées par une phase
donnée de la NAO tendent à altérer la cellule de Hadley et le
courant-jet qui, in fine, vont privilégier la même phase de la NAO,
permettant ainsi sa persistance sur plusieurs mois consécutifs.
La persistance interannuelle s'expliquerait alors par les constantes
de temps lentes de l'océan (plusieurs mois sont nécessaires à la
destruction d'anomalies thermiques océaniques).
Aux échelles pluri-décennales, des perturbations de la circulation
thermohaline, principal moteur du transport océanique de chaleur
des tropiques vers le nord, à cause de changements de densité de
l'eau arctique seraient susceptibles de modifier cette dynamique.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (15)
UN RESEAU DE SURVEILLANCE OCEANIQUE
Ocean temperatures and transports related to the
NAO : A NAO index is plotted against the variation
in the temperature of deeply convected water in
the Labrador Sea (green line, right scale) . Also
plotted is the variation in eastward baroclinic
transport of the Gulf Stream/ North Atlantic
Current. The warming temperatures before 1970
(low NAO index) and cooling thereafter (high NAO
index) are also reflected in subpolar SST.
A complete array would add subtropical sites south of
30°N to include the whole ocean decadal variability
implied by the coherent SST whole-ocean fluctuations
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (16)
ORIGINE DE LA NAO :
Les fluctuations interannuelles à décennales de la NAO peuvent
aussi s'expliquer par d'autres couplages, en particulier avec les
surfaces continentales (enneigement, permafrost) et/ou avec la
glace de mer.
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (17)
NAO - Temperature correlation
NAO - Precipitation correlation
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (18)
L’hiver 2009-2010 a été caractérisé par un indice NAO très négatif
L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (19)
L'Oscillation Arctique (AO) (1)
Des travaux récents suggèrent que la NAO ne pourrait être qu'un
aspect « régional » d'un mode climatique hémisphérique baptisé
« Oscillation Arctique » (Arctic Oscillation, AO).
L'AO est associée à une ondulation plus ou moins régulière du champ
de pression arctique, entraînant une variation d'intensité du vent
zonal.
- La phase positive de l'AO se produit quand les pressions de surface sur
l'Arctique sont inférieures à la normale, et qu'elles sont plus élevées vers
55°N. Les « courants-jets » d'ouest qui circulent autour du pôle sont alors
puissants et les tempêtes d'hiver suivent des trajectoires plus au nord que
d'habitude. Les précipitations et les températures sont plus élevées que la
normale au-dessus de 60°N, à l'exception du Nord-Est de l'Amérique. Les
précipitations sont plus faibles en Europe du Sud.
- Lors de la phase négative de l'AO, les pressions de surface sont plus élevées
que la normale sur l'Arctique et plus basses aux moyennes altitudes. Les
« courants-jets » sont faibles et l'air arctique descend vers les latitudes
moyennes. Des conditions opposées à celles décrites ci-dessus s'installent.
L'Oscillation Arctique (AO) (2)
L'Oscillation Arctique (AO) (3)
L'Oscillation Arctique (AO) (4)
L'Oscillation Arctique (AO) (5)
Un indice de l'AO est l'écart à la moyenne de la pression normalisée
au nord de 20°N.
La bonne corrélation entre les indices NAO et AO incitent à
considérer une seul « mode annulaire de l'hémisphère nord ».
L'Oscillation Arctique (AO) (6)
LES CAUSES DU AO
La couplage de la troposphère et de la stratosphère pourrait être une
des causes de l'AO. L'Oscillation Arctique est fortement liée à la force
du tourbillon polaire stratosphérique.
En hiver, des anomalies de la circulation stratosphérique peuvent se
propager vers la troposphère jusqu'à la surface et moduler l'intensité
du « vortex » polaire troposphérique. Plus ce vortex est fort (faible),
plus l'AO a un index positif (négatif) important.
Tourbillon
polaire fort
Tourbillon
polaire faible
Le bleu correspond aux valeurs positives soit un vortex fort alors que le rouge correspond
aux valeurs négatives c'est à dire un vortex faible. La ligne horizontale indique la limite
approximative entre la troposphère et stratosphère.
L'Oscillation Antarctique (AAO)
Une Oscillation Antarctique (Antarctic Oscillation, AAO), similaire à l'AO, est
dans une phase positive renforcée depuis 15 ans, ce qui donne lieu à des vents
d’ouest plus forts au-dessus des océans australs.
L'AAO est probablement aussi due à une interaction entre la troposphère et le
vortex stratosphérique austral.
Antarctic Oscillation Index (AOI) is defined as the
difference of zonal mean sea level pressure between
40°S and 65°S
La variabilité de l'Atlantique tropical (1)
L'océan Atlantique tropical présente une variabilité très complexe de la
température de surface, des vents et des précipitations, à des échelles
de temps variables s'étendant sur plusieurs années.
Time series of SST anomalies for 2°N-6°S and 20°W-10°E
Ces perturbations climatiques ont des conséquences importantes pour
les régions limitrophes : sécheresse du Nordeste brésilien, déficience
de la mousson de l'Afrique de l'Ouest, impact sur la pêche, activité
cylonique, ...
La variabilité de l'Atlantique tropical (2)
On peut néanmoins distinguer deux modes principaux :
- le premier mode « équatorial »,
similaire à l'ENSO, se caractérise
par une modification du régime des
vents à l'Ouest du bassin et des
changements de la température des
eaux de surface dans le golfe de
Guinée ;
- le second mode « dipolaire »,
spécifique à l'Atlantique, se traduit
par des variations de la température
de l'eau dans les parties Nord et Sud
de l'Atlantique tropical, de part et
d'autre de la Zone de Convergence
Inter-Tropicale
La variabilité de l'Atlantique tropical (3)
le mode « équatorial », un El Niño Atlantique
période 2-4 ans
moins marqué que sur le
Pacifique
module les précipitations dans
le golfe de Guinée, et la
mousson d'Afrique de l'Ouest
couplage (alizés, SST, ondes
équatoriales océaniques
réfléchies, ... )
nécessite un forçage externe
(ENSO, NAO, ... )
tendance : phase « froide »
avant 1984, « chaude » depuis
La variabilité de l'Atlantique tropical (4)
le mode « dipolaire » spécifique
période 5-15 ans
renforcement des alizés du
côté froid → renforcement de
la ZCIT du côté chaud
régime « inter-hémisphérique »
ou processus indépendants au
Nord et au Sud de l'équateur ?
quels processus en sub-surface
?
effets climatiques sur Nordeste
du Brésil, Afrique de l'Ouest
La variabilité de l'Atlantique tropical (5)
land-atmosphere
interactions
equatorial mode
plusieurs phénomènes locaux et distants interviennent
La variabilité de l'Atlantique tropical (6)
Le réseau PIRATA (Pilot Research Moored Array in the Tropical Atlantic) est
un programme d'océanographie opérationnelle élaboré par un groupe de
scientifiques impliqués dans les activités de CLIVAR (Climate Variability and
Predictability Program) et réalisé dans le cadre d'une coopération
multinationale (Brésil, France, USA).
PIRATA maintient depuis 1997 un réseau de bouées de type ATLAS pour
décrire l'évolution de la température de surface et en profondeur, et les
transferts entre l'océan et l'atmosphère
+ réseau de « navires volontaires » (SST, SSS, Vsurf, XBTs), marégraphes (SSH),
satellites (SST, SSH, Vsurf), bouées dérivantes et profileurs (T, S, courants), ...
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (1)
HEAT
LOW
Niger at Malanville: 2.106 km²
Indice des pluies sur l'Afrique de l'Ouest
(bleu) depuis 1900 et débit du Niger à
Malanville (rouge)
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (2)
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (3)
Différentes causes possibles :
- ENSO : phase chaude (El Niño) amène, avec un décalage de 12-18 mois,
des conditions chaudes et sèches sur l'Atlantique et l'Afrique; influence
majeure sur Afrique du Sud et de l'Est, mineure sur Afrique du Nord
tropicale ;
- Océan Indien : un réchauffement entraîne des précipitations plus
intenses en Afrique de l'Est, plus faibles en Afrique du Sud; un
refroidissement a beaucoup moins d'effets ...
- NAO : influence majeure sur l'Afrique du Nord méditerranéenne ;
- Atlantique Tropical : influence majeure sur l'Ouest de l'Afrique australe
et l'Afrique du Nord tropicale, variabilité interannuelle et décennale ;
- Effet de surface : modification du couvert végétal (déforestation,
agriculture, sécheresse) → changement d'albédo, d'humidité du sol, de
rugosité de surface, de production d'aérosols, ...
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (4)
La circulation de mousson en Afrique de l'Ouest est contrôlée par les
gradients méridiens d'énergie statique sèche (θ) et humide (θE), qui
dépendent des conditions de température et d'humidité en surface.
θE
Golfe de
Guinée
Sahel
θ
Sahara
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (5)
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (6)
Les processus de surface
amplifient les perturbations
climatiques dues aux
changements de la
température de surface sur
l'Atlantique tropical ;
Effet de « mémoire »
d'une année à l'autre
La variabilité de la mousson
de l'Afrique de l'Ouest (7)
AMMA : Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine
Le Dipôle de l'Océan Indien (1)
L'océan Indien présente également une variabilité interannuelle (Indian
Ocean Dipole : IOD), avec la présence d'anomalies chaudes ou froides sur
les parties Est et Ouest du bassin.
Intensity of the IOD is represented
by anomalous SST gradient
between the western equatorial
Indian Ocean (50°E-70°E and 10°S10°N) and the south eastern
equatorial Indian Ocean (90°E110°E and 10°S-0°N)
Le Dipôle de l'Océan Indien (2)
Quand l'IOD est en phase positive, la
présence de masses d'air « froides » sur
l'Indonésie conduit d'une part à renforcer
les alizés d'Est, d'autre part à intensifier
le flux de Sud-Est alimentant la mousson
indienne, la rendant plus intense (cet
effet peut atténuer l'impact négatif d' El
Niño)
Le Dipôle de l'Océan Indien (3)
Les mécanismes à l'origine de l'IOD ne sont pas très bien connus. Il existe
deux catégories d'hypothèses :
- l'IOD est une composante d'un « ENSO Indo-Pacifique » ;
- l'IOD est généré par une rétroaction océan-atmosphère couplant la
mousson indienne et la circulation océanique tropicale;
Variabilité décennale (1)
The Pacific Decadal Oscillation (PDO) is a long-lived El Niño-like pattern of
Pacific climate variability. While the two climate oscillations have similar
spatial climate fingerprints, they have very different behavior in time.
monthly SST
anomalies in the
North Pacific Ocean,
poleward of 20°N
Causes for the PDO are not currently known and the potential predictability
for this climate oscillation is not known. Some climate simulation models
produce PDO-like oscillations, although often for different reasons.
Variabilité décennale (2)
The Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) is a quasi-cyclical climate
phenomenon related to large-scale oceanic heat transport variations
(thermo-haline circulation), with links with north-east Brazil and Sahel
precipitation, and Atlantic hurricane formation
Climate impacts of the Atlantic Multidecadal Oscillation
Knight et al. (2006): GRL, 33, L17706
1400-yr control simulation of the
HadCM3 climate model, which
produces a realistic long-lived
AMO as part of its internal
climate variability
(←) surface air temperature
decadal mean precipitation + 850
hPa wind anomalies (→)
in the North Atlantic region for
model years 400 to 900