6. Autres Modes de la Variabilité Climatique

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1 6. Autres Modes de la Variabilité Climatique NAO AO AAO PDO

2 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.

3 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)

4 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.

5 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.

6 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 XX e 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).

7 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

8 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

9 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

10 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.

11 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 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!

12 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.

13 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).

14 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.

15 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.

16 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.

17 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

18 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.

19 L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (17) NAO - Temperature correlation NAO - Precipitation correlation

20 L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (18) L hiver a été caractérisé par un indice NAO très négatif

21 L'Oscillation Nord-Atlantique (NAO) (19)

22 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.

23 L'Oscillation Arctique (AO) (2)

26 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».

27 LES CAUSES DU AO L'Oscillation Arctique (AO) (6) 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.

28 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

29 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,...

30 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

31 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

32 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

33 La variabilité de l'atlantique tropical (5) land-atmosphere interactions equatorial mode plusieurs phénomènes locaux et distants interviennent

34 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),...

35 La variabilité de la mousson de l'afrique de l'ouest (1) HEAT LOW Niger at Malanville: km² Indice des pluies sur l'afrique de l'ouest (bleu) depuis 1900 et débit du Niger à Malanville (rouge)

36 La variabilité de la mousson de l'afrique de l'ouest (2)

37 Différentes causes possibles : La variabilité de la mousson de l'afrique de l'ouest (3) - ENSO : phase chaude (El Niño) amène, avec un décalage de 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,...

38 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 (θ E ), qui dépendent des conditions de température et d'humidité en surface. Golfe de Guinée Sahel θ E θ Sahara

39 La variabilité de la mousson de l'afrique de l'ouest (5)

40 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

41 La variabilité de la mousson de l'afrique de l'ouest (7) AMMA : Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine

42 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 S- 10 N) and the south eastern equatorial Indian Ocean (90 E- 110 E and 10 S-0 N)

43 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)

44 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;

45 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.

46 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

47 Climate impacts of the Atlantic Multidecadal Oscillation Knight et al. (2006): GRL, 33, L 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 hpa wind anomalies ( ) in the North Atlantic region for model years 400 to 900