2 Expérience: Le climat dans un contenant

1 Circulation atmosphérique et océanique 2 Expérience: Le climat dans un contenant (http://paoc.mit.edu/labguide/circ_exp_fast.html) 3 Circulation atmosphèrique Circulation atmosphérique: Mouvement de l air sur la planète! débit réel de l air à un endroit donné et à un moment donné. Peut varier considérablement, mais il y a une tendance qui demeure constante Rappelez-vous: Ce sont les différences de pression, d énergie et de températures à la surface qui génèrent des mouvements de l air Tropiques: Gain net d énergie Régions polaires: Perte net d énergie Pour rétablir l équilibre thermique de la planète: l atmosphère transporte l air chaud vers les pôles et l air froid vers l équateur Deux modèles simples simplifient la complexité de la circulation générale Modèles unicellulaires Modèles tricellulaires 1

4 Modèle unicellulaire: Prémisses La surface terrestre est unifomément recouverte d eau!il n existe donc pas de réchauffement différentiel entre la terre et l eau Le Soleil est toujours directement au-dessus de l'équateur! Pas de variations saisonnières des vents La Terre ne tourne pas! Seule force considérée: Force du gradient de pression Résultat: La circulation générale de l atmosphère est une immense cellule convective d origine thermique (Cellule de Hadley) et orientée Nord-Sud (dans chaque hémisphère) George Hadley, 18 e siècle, Météorologue anglais amateur: http://en.wikipedia.org/wiki/george_hadley 5 Modèle unicellulaire «Cellule de Hadley»: cellules thermiques! formées par l énergie du soleil alors que l air chaud s élève et que l air froid tend à descendre Cellule fermée caractérisée par des ascendances d air au-dessus de l équateur et des subsidences d air au-dessus des pôles! L excès d énergie des tropiques est transporté sous forme de chaleur sensible et latente vers les régions en déficit d énergie, soit vers les pôles. IMPORTANT: Cette circulation unicellulaire simple n existe pas sur la Terre. Ce modèle est trop simpliste. Nous devons inclure la rotation de la Terre: Modèle tricellulaire 6 Modèle tricellulaire En considérant la rotation de la Terre, la cellule unique est divisée en une série de cellules. Ce qui ne change pas: Les pôles ont un déficit énergétique! Zone de haute pression Ce qui ne change pas: Les régions tropicales ont un excès énergétique! Zone de basse pression 2

7 Modèle tricellulaire: Calme équatorial Calme équatorial («doldrums»): sur les eaux équatoriales, l'air est chaud, les gradients de pression horizontaux sont faibles et les vents sont légers! la monotonie de la météo a créé l'expression "dans le marasme" Tours convective chaud «Convective hot towers»: Nuage convectif à extension verticale assez importante. L'air chaud monte, se condensant et formant ainsi d'énormes cumulus et d orages! chaleur latente libérée lorsque la vapeur d'eau se condense pour former des nuages La chaleur réchauffe l air, ce qui met en marche la cellule de Hadley! En s élevant, l air atteint la tropopause et il est forcé de se déplacer vers les pôles. Force de coriolis: Dévie l air vers la droite dans l hémisphère Nord! Forte accélération des vents d'ouest dans la haute troposphère produisant des courants jets près de 30 : Jet stream subtropical 8 Modèle tricellulaire: anticyclones subtropicaux L air se déplace vers les pôles et se refroidit en libérant de l énergie sous forme d ondes longues Convergence de l air, car la circonférence de la Terre diminue! Augmentation de la masse d'air au-dessus du sol augmente la pression de l air! les anticyclones subtropicaux font partis de la ceinture de hautes pressions Alors qu il converge, l air sec descend et se réchauffe par compression! ciel dégagé, les températures de surface très chaudes! emplacement des plus grands déserts du monde (par exemple, Sahara) Latitudes des chevaux "Horse latitudes": les voiliers voyageant vers le «Nouveau Monde» ont souvent été immobilisés dans cette région! avec la diminution des vivres et des fournitures, les chevaux étaient souvent mangés pour éviter la famine... Yummy! 9 Modèle tricellulaire: Alizés Une portion des courants d air retournent vers l équateur: Déviation par la force de Coriolis! Donne naissance aux alizés qui soufflent du NE (Hémisphère Nord) Alizés («Trade winds»): les voiliers utilisent ces vents réguliers comme une «autoroute de la mer» Zone de convergence intertropicale (ZCIT): Zone située près de l équateur vers laquelle convergent les alizés du NE (Hémisphère Nord) et les alizés du SE (Hémisphère Sud) 3

10 Modèle tricellulaire: Vents d ouest dominants Vents d Ouest dominants: Entre les latitudes 30 et 60, une partie de l air se déplace vers les pôles et est dévié vers l Est! Donne naissance aux vents d Ouest des latitudes moyennes Entre le nord du Mexique et le nord du Canada, il est plus fréquent de rencontrer des vents soufflant de l'ouest que de l'est Important: les vents d ouest ne sont pas constants! Le déplacement des zones de haute et basse pression brisent ce schéma d'écoulement de surface 11 Three-cell model: subpolar low Rencontre entre les vents d Ouest des moyennes latitudes et les vents d Est des hautes latitudes! Front polaire: frontière nette entre les 2 masses d air Dépression subpolaire: Zone de basse pression qui coïncide avec le front polaire! l air converge et s élève!développement de nuages et de vents violents au-dessus du front polaire (Jet stream polaire) Cellule de Ferrel: Une partie de l'air qui s'élève redescend vers la surface aux environs des anticyclones subtropicaux et puis, s'écoule ensuite le long de la surface vers le front polaire! «cellule thermique indirecte», c'est à dire, les l'air froid s élève et l'air chaud descend! 12 Modèle tricellulaire: Vents d Est polaires Aux pôles, l air froid se déplaçant vers l équateur est dévié par la force de Coriolis et s écoule vers le front polaire! Vents d Est polaires En hiver: L air froid du front polaire peut bouger vers les latitudes moyennes et subtropicales! amène un froid polaire Cellule polaire: Le long du front, une partie de l air ascendant (divergence des courants en altitude) se déplace vers les pôles! La force de Coriolis dévie l air et forme les vents d Ouest. Dans la circulation d Ouest, il existe un couloir de vents très forts : Jet Stream polaire à environ 60 de latitude 4

13 Modèle tricellulaire: Résumé Zones de haute pression: Près de 30 de latitude et aux pôles (90 ) Zones de basse pression: Au-dessus de l équateur (0 ) et à 60 de latitude Alizés: Anticyclones subtropicaux! Équateur Vents d Ouest: Anticyclones subtropicaux! Front polaire Vents d Est polaires: pôles! front polaire Mais comment le modèle tricellulaire peut-il se comparer aux observations réelles de vents et de pression? La différence principale: cellule de Ferrel (rappelez-vous: Cellule de Ferrel suggère un vent d'est en altitude, mais nous savons qu'il y a un courant-jet d ouest (jet stream)) Mais: Le modèle tricellulaire est accord avec la distribution des vents et des pressions à la surface 14 et maintenant: la réalité en janvier Dépression des Aléoutiennes Anticyclone des Bermudes Les anticyclones et les dépressions semi-permanents: Systèmes de pression plus ou moins persistants tout au long de l'année Janvier: 4 systèmes de pression semi permanents et plusieurs systèmes saisonniers dans l Hémisphère Nord Anticyclones canadien et sibérien: causé par le refroidissement intense de la surface terrestre Average sea-level pressure Anticyclone de Sibérie Anticyclone du Pacifique ZCIT se déplace vers le Nord Anticyclone canadien Dépression d Islande 15 et maintenant: la réalité en juillet Durant l été: la surface terrestre se réchauffe. les anticyclones froids ayant une faible durée de vie disparaissent! Dans certaines régions, les zones de basse pression à la surface remplacent les zones de haute pression! Dépressions thermiques (e.g., SW US, plateau d Iran) Systèmes de pression semi permanents: Les fortes dépressions subpolaires sont à peine perceptibles, les anticyclones subtropicaux demeurent dominants Average sea-level pressure ZCIT se déplace vers le Sud 5

16 Carte météorologique hivernale en Amérique du Nord L anticyclone canadien, le front polaire et les dépressions subpolaires se sont tous déplacés vers le sud vers les États-Unis et les vents d Ouest dominants existent au sud du front polaire. Déplacement latitudinal: 10-15 17 Circulation générale et précipitations L'air descendant et ascendant associé aux systèmes de pression majeurs: Là où l'air s élève, les précipitations sont abondantes (bleu), et là où l air descend, les régions plus sèches prévalent (teinte beige). (post-grève: Séance 8: XZ XYZ 2012) 18 Circulation générale/précipitations: Exemples Pendant l été, l anticyclone du Pacifique se déplace vers le Nord: L air descendant le long de sa limite orientale produit une forte inversion de subsidence! temps sec. Au même moment, le long de la limite occidentale de l anticyclone des Bermudes, des vents du Sud apportent de l air humide, qui s élève, se condense et produit des pluies abondantes. 6

19 Circulation moyenne des vents & pression en altitude Janvier: Quelques-unes des caractéristiques de surface ont des répercussions sur la carte de la circulation générale en altitude! Par exemple, les dépressions d Islande et des Aléoutiennes sont situées à l'ouest de leurs homologues de surface Juillet: Zones de haute pression subtropicales apparaissent comme des ceintures de haute pression Hiver/été: gradient horizontal de pression qui provoque un vent soufflant de l'ouest, en particulier dans les latitudes moyennes et élevées Rappelez-vous: le vent géostrophique est directement liée à gradient de pression et inversement proportionnel à la densité de l'air! le gradient de pression augmente avec l'altitude jusqu'à la tropopause! Concentration de vents forts: jet streams (courants-jets) Average 500hPa (January) Average 500hPa (July) 20 Jet streams: Remarques générales Courant rapide des courants d'air de milliers de km de long, de quelques centaines de km de large, et de seulement quelques km d'épaisseur. Vitesses du vent: environ 185 km h-1 (parfois> 370 km h-1) Se trouve généralement à la tropopause entre 10 et 15 km Première rencontre (mais existence soupçonnée avant! évolution rapide cirrus): Seconde Guerre mondiale Hémisphère Nord: 2 courants dans la tropopause!subtropical (13 km au-dessus des hautes pressions subtropicales), front polaire (10 km au-dessus du front polaire)! Les deux s écoules W! E 21 Jet streams: Mouvement général Position du front polaire et du jet stream subtropical en hiver! Important: Montrés comme un courant continu d air, mais en réalité, ils sont discontinus et accélèrent/ralentissent le long de leur chemin avec leur position qui varie d'un jour à l'autre. 7

22 Jet streams: exemple Position des jet-streams polaire et subtropical au niveau 250 hpa (environ 10.4 km) le 25 avril 2010. Un jet stream très fort approche la Colombie-Britannique, dirigeant de l'air froid polaire sur NA Un jet stream subtropical plus faible approche Mexico et le Sud des USA, balayant humidité subtropicale sur le continent Cause ultime: Déséquilibre énergique entre les hautes et basses latitudes 23 Front polaire et jet stream subtropical Jet stream subtropical: se forme au-dessus du côté polaire de la cellule de Hadley: l'air chaud est transporté vers le pôle par la cellule de Hadley, produisant des contrastes importants de température et de pression le long d'un front subtropical Here figure 10.12 Jet stream front polaire: le front polaire est une frontière séparant l'air froid polaire du Nord de l'air chaud subtropical du sud! le plus grand contraste se trouve le long de la zone frontale! baisse brutale de l isotherme -20 C et forte baisse de 500 hpa à la surface! Un fort gradient de pression forte intensifie la vitesse du vent et provoque le jet stream Le contraste de température est plus faible en été et plus fort en hiver. 24 Conservation du moment angulaire Mécanisme additionnel à l origine de forts vents d Ouest en altitude: conservation de moment angulaire! m x V x r avec m = masse (kg), V = vitesse (m s -1 ) and r = rayon (m) [N m s or kg m 2 s -1 ] m 1 V 1 r 1 = m 2 V 2 r 2! Conservation du moment angulaire L'air se déplaçant vers les pôles: Se rapproche de l'axe de rotation, c'est à dire, r diminue! compensé par une augmentation de la V! c est-à-dire, plus grande vitesse du vent Pas discuté: les jet streams tels que le courant-jet de bas niveau, le courant-jet d Est tropical 8

25 Intéractions atmosphère-océan Les océans sont des réservoirs énormes: Contient 1000 fois plus de chaleur que l'atmosphère Océans et l'atmosphère: ne fonctionnent pas de manière indépendante! intimement liés par des échanges verticaux de chaleur sensible et latente, le moment et les gaz traces (par exemple, CO2, CH4, etc) Les océans dominent la surface de la Terre: 70% L'évaporation sur les océans prélève de la chaleur latente et fournis à l'atmosphère l'eau excédentaire qui tombe ensuite sur la terre! cycle hydrologique La condensation forme les nuages : la chaleur latente détenue par l'eau! se transforme en chaleur sensible! Précipitations sur la Terre L'eau chaude à la surface de l'océan! fournit de la chaleur sensible et de l'humidité à l'atmosphère! convection et développement de tempêtes L'eau chaude de l'océan: lentement refroidie par l'atmosphère, sauf si la chaleur est reconstituée (rayonnement solaire et/ou des courants chauds) L'eau froide de l'océan: Refroidit l air sus-jacent! libère de la chaleur sensible pour lentement réchauffer les océans La circulation de l air sur les océans perd de son dynamisme due à la friction! se transforme en vagues et courants océaniques Atmosphère! océans: se change en chaleur et mouvement Océans! atmosphère: se change en chaleur, vent et conditions météorologiques 26 Intéractions atmosphère-océan Différence importante: temps de réponses aux changements forcés Atmosphère! Réponse rapide: Vents de 10 ou 100 km h -1 : minutes orage: minutes/heures Cyclone de latitude moyenne: cycle de vie d une semaine Océan! Réponse lente/graduelle, car ils bougent lentement et ils ont une grande capacité calorifique Vagues de surface créées par le vent: heures Courant de surface: jours à semaines de vent persistent Courant de surface s ajustent à un bassin: décennies Courants océaniques profonds: centenaires La différence de temps de réponse des deux systèmes pour changer la façon dont les océans influencent les conditions météorologiques et en particulier les conditions climatiques sur de longues périodes de temps! l atmosphère modifie les océans! Les océans s'adaptent lentement à l'atmosphère nouvelle! de nouveaux océans influencent éventuellement les conditions météorologiques et climatiques, etc 27 Principaux courants marins de surface La circulation générale initie le déplacement des principaux courants de surface: Le vent souffle sur l eau! Déplacement de masses d eau! La différence de pression s étend jusqu à plusieurs centaines de mètres sous l eau Gyres: Tourbillons circulaires semi-fermés! les grands courants ne suivent pas exactement la configuration des vents: en raison de la force de Coriolis, l'eau se déplace à un angle de 20-45 par rapport au vent Average sea-level pressure 9

28 Gyre de l Atlantique Nord Gulf Stream transporte l eau chaude tropicale vers les hautes latitudes Le courant du Labrador déplace l eau froide vers le Sud, le long de la côte Atlantique de l Amérique du Nord Lorsque les deux courants opposés se déplacent côte-à-côte: contraste important de température! l'air chaud du Gulf Stream qui souffle sur l'eau du courant froid du Labrador crée un brouillard le long de la côte Vents d Ouest dominants: le Gulf Stream se déplace vers l'europe! ralentit et s'élargit, et se fond dans la dérive nord-atlantique! se divise en deux courants Une partie s'écoule vers le nord (Grande- Bretagne, Norvège): l eau chaude du Gulf Stream est la cause des hivers doux européens D'autre part: Courant des Canaries! apporte de l'eau froide vers l'équateur Courant équatorial nord: complète le tourbillon de l'atlantique 29 Gyre du Pacifique Nord Courant de l Alaska: Petit courant chaud, peu profond qui s écoule vers le nord, contribuant au climat tempéré de la Colombie-Britannique et de l'alaska Courant de Kuroshio: courant chaud se déplaçant vers le nord! se fond dans la dérive lente Nord-Pacifique Courant de la Californie: Se déplace vers le Sud, éventuellement entouré d eaux plus chaudes 30 Front océanique Front océanique: frontière nette séparant deux masses d'eau ayant des températures et des densités contrastées! par exemple, le Gulf Stream: le long de la frontière, une partie se détache et se développe dans un circuit fermé d'eau froide ou chaude, un «whirling eddies» «Whirling eddies»: transport de la chaleur et de l énergie (mouvement) d'une région à l'autre! profonde incidence sur le climat, effet immédiat sur les eaux côtières. 10

31 Températures moyennes de surface de l océan Les températures moyennes de surface de la mer ( C) le long de la côte ouest de l'amérique du Nord au mois d août. Attente: Le courant de la Californie circule à peu près parallèlement à la côte ouest de l'amérique du Nord! températures plus froides en Colombie-Britannique, températures plus chaudes en Californie Réalité: Températures plus froides en CA près de Cape Mendocino!!! 32 Spirale d Ekman et transport d Ekman Le vent qui souffle sur l'océan! l eau de surface est mise en mouvement! virage à droite par la force de Coriolis (NH)! l'eau s écoule à un angle de 45 par rapport à la direction du vent Simplification: la masse d'eau de mer est divisée en une série de couches! chaque couche exerce une résistance sur la couche en dessous et donc, la ralentit La force de Coriolis: chaque couche tourne légèrement vers la droite au-dessus de la couche! avec la profondeur: l'eau ralentit et tourne jusqu'à une profondeur d'environ 100 m: les eaux plus profondes se déplacent dans une direction opposée à l'écoulement de l'eau à la surface! spirale d'ekman (également présentes dans le PBL) En raison de la spirale d'ekman, le mouvement moyen de l'eau à la surface jusqu'à une profondeur d'environ 100 m est à angle droit (90 ) 33 Résurgence Réalité: Températures plus froides en CA près de Cape Mendocino!!! Position estivale de l anticyclone du Pacique/ montagnes côtières! vents soufflent parallèlement au littoral BC-CA Transport net de l'eau de surface ("Ekman transport"): 90 à la direction du vent, c'est-àdire, sur l'océan ouvert! Résurgence: remplacement de l'eau chaude de surface par des eaux profondes, froides et riches en éléments nutritifs!la résurgence est plus forte, et donc l'eau de surface est plus froide près du cap Mendocino En règle générale: la résurgence se produit dans les eaux côtières sur les côtes ouest des continents 11

34 Pourquoi? 35 ENSO: général Océan-atmosphère: échange de chaleur, d humidité, de dynamique (mouvement)! en partie basée sur la différence de température entre l'air et l'eau Hiver: les différences de température air-eau sont les plus importantes! transfert substantiel de chaleur sensible et latente de la surface de l'océan vers l'atmosphère Capacités thermiques différentes de l'air et de l'eau: chaque petit changement des températures de surface des océans va modifier la circulation atmosphérique El Nino Southern Oscillation (ENSO): phénomène océan-atmosphère lié à des phénomènes météorologiques dans le monde entier en raison du réchauffement de l'océan Pacifique tropical oriental Courant du Pérou: courant froid se déplaçant vers le Nord, parallèlement à la côte avec des vents du sud favorisant la remontée d eau froide riche en nutriments! Vers la fin de l'année: un courant chaud transporte des eaux chaudes tropicales pauvres en éléments nutritifs vers le sud! Se produit fréquemment aux alentours de Noël, d où le nom d El Nino (en espagnol pour un jeune garçon en référence à l'enfant Jésus) Dure habituellement quelques semaines (année normale), mais parfois pendant des mois (une année El Nino) Avons-nous bien compris comment et quand El Niño commence? Est-ce que quelque chose de similaire existe dans l'océan Atlantique (c est-à-dire un réchauffement de l'atlantique)? 36 Non-ENSO conditions Les alizés sont persistants et soufflent vers l'ouest à partir d'une zone de haute pression (Pacifique Est) à une région de basse pression (Indonésie)! crée des remontées d'eau froide qui se déplacent vers l'ouest! réchauffée par le soleil et l'atmosphère Conséquence: l'eau de l'océan Pacifique est refroidie à l'est et réchauffée à l'ouest! épaisse couche d'eau chaude dans le Pacifique tropical occidental avec un faible courant vers le sud ("contre-courant") vers SA Avec de forts alizés: l'eau dans l'est du Pacifique devient plus froide que la normale! La Nina 12

37 Conditions ENSO Here fig. 10.20 Avec El Nino: conditions de pression atmosphérique de surface se détériorent! pression de l'air augmente au-dessus du Pacifique occidental et diminue sur le Pacifique oriental! affaiblissement des alizés Inversion de pression: les vents qui soufflent normalement vers l'ouest sont remplacés par les vents qui soufflent vers l'est! renforce le contre-courant Réchauffement de l'eau de surface sur une vaste zone du Pacifique tropical et se dirige vers l'est en direction SA: Ondes de Kelvin Fin de El Nino: après un ou deux ans Oscillation australe: Engendre une inversion des conditions de pression de l'air à la surface 38 Phases chaude et froides de l ENSO El Nino: La résurgence est fortement diminuée et des eaux plus chaudes que la normale s'étendent de la côte ouest à travers la SA de l'océan Pacifique. neutrel La Nina: De forts alizés favorisent la résurgence, et des eaux plus froides que normalement s'étendent sur l'océan Pacifique. (http://www.pmel.noaa.gov/tao/elnino/el-nino-story.html) 39 Conséquences globales Grande étendue d'eau chaude dans l'océan Pacifique: affecte la température globale, le vent et les précipitations! des tempêtes supplémentaires et des précipitations plus abondantes dans certaines régions, mais aussi une diminution des pluies dans d'autres régions Téléconnexions: interactions océan-atmosphère où les températures océaniques chaudes ou froides de surface peuvent influencer les conditions de précipitations Température globale de l'air en 1997-1998: 0,17 C plus élevée en raison de l effet très fort d El Nino Les sécheresses sont généralement en Indonésie, en Afrique australe et en Australie De fortes pluies: Equateur, Pérou NH: un fort jet d Ouest subtropical dirige les tempêtes en CA, et de fortes pluies au TX et en FL Canada: temps beaucoup plus chaud et plus sec que la normale avec des chutes de neige inférieures à la moyenne Inondations en CA Sécheresses au Botswana (http://www.nasa.gov/vision/earth/environment/elnino_rainchange.html) (http://www.scienceclarified.com/el-ex/el-ni-o.html#b) 13

40 Index océanique d El Nino Here figu 10.22 41 NAO: général Oscillation Nord Atlantique: inversion de pression sur l'atlantique avec des effets météorologiques en Europe et le long de la côte Est de NA Par exemple, en hiver, si la pression atmosphérique aux alentours de la dépression d Islande diminue et que la pression dans la région de l anticyclone de Bermudes-Açores augmente! Gradient de pression qui renforce les vents d Ouest: fortes tempêtes dans le nord de l'europe avec des hivers humides et doux (NOA positive)!est américain: hiver humide et doux!sud-est du Canada: froid et sec Par exemple, en hiver, si la pression atmosphérique aux alentours de la de la dépression d Islande augmente, alors que la pression diminue dans la région de l anticyclone des Bermudes! Une diminution du du gradient de pression et l affaiblissement des vents d Ouest orientent les tempêtes hivernales à travers l'atlantique: temps pluvieux dans le sud de l'europe avec des hivers froids et secs dans le nord de l'europe (NOA négative)!est des États-Unis: froid et sec!sud-est du Canada: doux et humide La NOA varie d'année en année, mais elle a tendance à rester dans une phase pendant plusieurs années (phase positive de 1980-2008) 42 Lectures Lectures obligatoires Bonan G (2008), Ecological Climatology. Cambridge University Press, Cambridge, UK.! chapitres 5.4 5.7 & 7 Hartman DL (1994), Global Physical Climatology. Academic Press, San Diego, CA, USA.! chapitres 6.5 & 7.1 7.4 Lectures complémentaires http://paoc.mit.edu/labweb/notes/chap8.pdf Oliver Sonnentag, PhD: GÉO2122 Climatologie Séance 8: 13 mars 2012 14