Les cycles météorologiques - Cours météo

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Il existe au sein de notre planète de nombreux cycles et oscillations qui participent à la diversité des fluctuations météorologiques naturelles. Ces variations peuvent durer des mois ou même des années avec des répercussions sur de vastes zones géographiques. Souvent peu citées lors des prévisions météorologiques, elles sont primordiales dans la prévision météo à long terme voire la prévision saisonnière. Parmi ces différents cycles on retrouve des oscillations de grande ampleur comme l'ENSO (El Nino-Southerm Oscillation ) ou encore l'oscillation de Madden-Julian (OMJ ou MJO).

Dans ce cours nous traiterons aussi des climats passés (et du petit âge glaciaire) en lien avec de très long cycles qui persistent des siècles mais qui sont encore étudiés afin d'obtenir de meilleures connaissances sur ces vastes changements qui se sont produits sur Terre et qui continuent d'évoluer. Chaque cycle à sa propre durée qui est plus ou moins régulière. Nous commencerons donc par discuter des oscillations de courte période puis nous finirons avec des cycles plus longs.

 

 

 

1 | Des cycles plutôt courts

 

A. L'oscillation Nord-Atlantique (cf. Les régimes de temps en Europe) (NAO)

 

Les latitudes moyennes connaissent parfois de fortes fluctuations météorologiques d'un hiver à l'autre. Si ces changements peuvent paraître complexes, ils ont le plus souvent une configuration assez structurée. En effet les plus importantes variations de pression s'observent près de l'Islande et des Açores, c'est donc sur cette vaste zone géographique qu'est l'Atlantique Nord où s'opèrent les plus grands changements du temps.

Par un effet de balancier, la pression en Islande est basse quand celle des Açores est élevée et inversement. Cette variation de pression entre ces deux zones est connue sous le nom d'oscillation nord-atlantique (ou NAO pour North-Atlantic-Oscillation). Toute fluctuation de la NAO annonce un changement des conditions météorologiques partout en Europe et à l'est de l'Amérique du Nord. La NAO fortement positive qui fut observée lors de l'hiver 1999 jusqu'à 2000 a ainsi entraîné un hiver doux mais aussi des tempêtes dévastatrices en France et en Allemagne avec des pertes humaines ainsi que des dommages s'élevant à plusieurs milliards d'euros. Au contraire, la NAO fortement négative observée lors de l'hiver 2009-2010 a produit un hiver particulièrement rigoureux en Europe ainsi qu'en France avec un gel parfois persistant et de fréquentes vagues neigeuses. Cependant, malgré 150 ans d'observations, la NAO semble trop capricieuse pour pouvoir l'identifier comme un cycle régulier. Ceci dit, nous savons qu'elle dépend d'un ensemble de facteurs plus ou moins variés qui inclut notamment El Nino et La Nina (l' ENSO) ainsi que les fluctuations de l'activité solaire (la NAO- se retrouve plus excitée en fin de phase solaire faible) et de l'océan Atlantique.

 

 

Variations annuelles de l'indice ONA hivernal de 1864 à 2016

 

 

Certains météorologues ont prétendu que la NAO était trop irrégulière pour mériter le terme d'oscillation. Seulement, si les modélisations numériques avaient mis en lumière sa nature imprévisible, les dernières recherches sont plus encourageantes même s'il subsiste encore des doutes sur le devenir de cette oscillation à cause du changement climatique. Toutefois, nous parvenons maintenant à prévoir avec plusieurs mois d'avance l'indice NAO hivernal (maximum 3 mois d'échéance).

 

 

B. L'oscillation de Madden-Julian (MJO)

 

L'oscillation de Madden-Julian (plus connue sous le nom de ''MJO'' pour Madden-Julian Oscillation, ou ''OMJ'' en français) n'est pas très facile à comprendre et encore moins à décrire. Cependant, on la reconnaît assez facilement. En effet, la MJO peut être décrite comme une vague de nuages et de pluie couvrant plusieurs milliers de kilomètres qui se propage vers l'est le long de l'équateur et qui se répète généralement tous les 30 à 90 jours. Il s'agit du plus proche équivalent tropical des perturbations qui traversent les latitudes moyennes à peu près toutes les semaines. C'est cette OMJ qui gouverne le temps tropical à l'échelle des semaines et des mois. Il faut dire que le climat n'a rien à voir avec ceux des latitudes moyennes car en général le temps ne change pas, hormis durant les moussons saisonnières ou en cas d'ouragan. De plus, sur une vaste portion des tropiques, les vents dominants sont si faibles qu'on appelle ces régions ''la zone des calmes équatoriaux''. Toutefois, la MJO fait figure d'exception car elle se développe le plus souvent à l'ouest de l'océan indien, puis se décale vers l'est avec une vitesse comprise entre 4 et 8 m/s en moyenne avant de s'arrêter sur les eaux plus froides de l'est du Pacifique tropical. Celle-ci prend la forme d'une zone humide et pluvieuse d'air ascendant flanquée de part et d'autre d'une zone plus sèche. Seulement, ce phénomène reste encore mal compris. Il a les attributs d'une onde mais il semble plutôt effectuer une translation, et nous ne savons toujours pas ce qui détermine sa vitesse de propagation, son étendue et sa fréquence.

Bien que mystérieuse, la MJO se comporte comme un cycle de variabilité tropicale dont nous en comprenons que la moitié. En effet elle semble avoir des impacts sur diverses zones géographiques comme les moyennes et hautes latitudes dans l'hémisphère nord par exemple. Un chercheur du CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique), Christophe Cassou, montre que les régimes de temps Nord Atlantique de l'hiver notamment sont influencés, via l'atmosphère, par la variabilité climatique tropicale à l'échelle intrasaisonnière qui est largement dominée par la MJO. D'ailleurs la plupart des modèles météorologiques tels que GFS (Global Forecast System) ou bien le CEPMMT (Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme) ou ECMWF en anglais utilisent entre autres les variations de la MJO pour essayer d'amener une prévision fiable à l'échelle hémisphérique à moyen et long terme. Cependant nous voyons bien que ce n'est pas si facile car souvent cette oscillation se trouve très peu ''excitée'' ou alors elle se trouve assez ''imprévisible'' d'où les possibles fluctuations importantes entre modèles au-delà de 7-10 jours.

 

Graphique montrant la variation temporelle (ordonnée) et longitudinale (abscisse) du taux de convection par rapport à la normale ce qui indique la progression du MJO.

Les zones orangées étant un surplus et celles bleues un déficit. On remarque la progression vers l'est dans le temps.

 

 

 

2 | Des cycles plus longs

 

A. L'oscillation Quasi Biennale (QBO)

 

Découverte à la fin des années 1950 grâce à la généralisation des ballons-sondes, cette étonnante oscillation quasi biennale (couramment nommée QBO pour Quasi-Biennal-Oscillation) allait plonger les météorologues dans la perplexité. De nos jours nous savons que tous les 14 mois environ, les vents d'altitude qui soufflent autour de l'Équateur inversent leur direction. Après le même laps de temps, ces vents font à nouveau le même parcours mais en sens inverse. Il faut alors environ 28 mois pour compléter un cycle. Mais comment l'expliquer plus précisément ?

À l'époque il existait bien quelques pistes, mais il a fallu attendre près de 20 ans pour que les scientifiques américains Richard Lindzen et Jams Holton parviennent à démontrer que ces vents étaient mus par de petites ondes émanant des intenses perturbations tropicales qu'ils survolent. Ces ondes, en se cassant comme la houle arrivant près du rivage, donnent au vent son élan. Toutefois, l'oscillation quasi biennale avait déjà été observée près d'un siècle plus tôt, en 1883, lors de l'éruption dévastatrice du Krakatoa dans l'archipel indonésien. En effet, certains scientifiques du 19 ème siècle avaient alors suivi le déplacement du panache de fumée le long des tropiques à l'origine de l'éruption volcanique. La vitesse observée correspondait à celle des vents de l'oscillation quasi biennale. De plus, après plusieurs années de recherche sur les caractéristiques de cette oscillation, la QBO semble influer sur le courant-jet de l'Atlantique : celui-ci à tendance à s'intensifier quand les vents de la QBO viennent de l'ouest (phase positive de la QBO ou phase ouest), tandis que quand ils viennent de l'est (phase négative ou phase est) il a tendance à faiblir et donc il prend un caractère plus ondulatoire (d'où les invasions d'air arctique en hiver dans les moyennes latitudes plus fréquentes lorsque le Jet Stream est affaibli).

 

Parmi les variations lentes de l'atmosphère, l'oscillation quasi biennale est la plus régulière après la marche annuelle des saisons. Il est désormais possible de simuler l'oscillation quasi biennale à l'aide de modèles numériques très puissants fondés sur les lois de la physique, ceux-là même qui permettent d'analyser le temps qu'il pourra faire dans 10-15 jours. Cette QBO est quand même étonnante par sa régularité et ses effets sur les conditions climatiques de l'Atlantique (le jet stream, les tempêtes et les hivers rudes) laissent espérer une amélioration des prévisions météorologiques à très long terme pour les régions concernées. Toutefois, il s'est produit un événement quelque peu imprévisible au cours du milieu d'année 2016. En effet la QBO s'est soudainement mise à replonger en phase ouest alors qu'elle n'a passé que 6 mois environ en phase est (contre 12-14 mois en général). Cela inclut donc des interrogations à propos de cet étonnant ''plantage'' et remet en cause bien des questions sur le devenir de cette oscillation.

 

 

Diagramme (complexe) du temps en fonction de la hauteur du vent équatorial (u) en m/s entre 20 et 35 km d'altitude (altitude indiquée en pression) de 1981 à 1991.

Les valeurs positives et orangées montrent un vent d'ouest, en bleu un vent d'est.

 

 

 

B. L'oscillation décennale du Pacifique (PDO)

 

Découverte à la fin des années 1990 par des scientifiques américains, britanniques et australiens, l'oscillation décennale du Pacifique est une variation cyclique qui affecte le climat du Pacifique.

 

En excluant les changements dus au réchauffement planétaire, les variations thermiques des eaux de surface du Pacifique sont principalement gouvernées par l'oscillation décennale du Pacifique couramment appelée PDO pour ''Pacific Decadal Oscillation''. Celle-ci alterne phase chaude (PDO +) et phase froide (PDO -) d'une décennie à l'autre. Son origine est encore mal connue, toutefois elle semble liée au phénomène tropical ENSO (pour El Nino Southerm Oscillation) qui correspond aussi à un cycle plus ou moins irrégulier avec d'importants échanges de chaleur entre l'océan Pacifique et l'atmosphère (cf cours sur ''El Nino et la Nina''). La PDO semble aussi liée à l'intensité de la dépression au large des îles Aléoutiennes. Même si la PDO présente des similitudes avec l'ENSO, elle est toutefois nettement plus active dans le Pacifique-Nord extratropical et moins active dans le Pacifique tropical extrême-oriental. Ses effets se font sentir jusqu'au Pacifique Sud et, dans une moindre mesure, dans les océans Indien et Atlantique. À cette échelle ''quasi'' mondiale on utilise plutôt le terme d'oscillation interdécennale du Pacifique ou IPO en anglais. Les modèles climatiques et les observations montrent que ces fluctuations entre phase chaude et phase froide ont des répercussions sur la moyenne des températures planétaires. Ainsi, les phases plus froides ont tendance à accroître le mélange des eaux froides et profondes de l'océan Pacifique avec l'eau de surface. Elles tendent à faire réduire temporairement le réchauffement du climat qui continue inexorablement.

 

 

 

Phase positive de l'oscillation décennale du Pacifique (PDO +). La phase négative correspond à l'inverse des anomalies de cette carte.

 

 

Valeurs de la PDO observées des années 1900 à nos jours.

 

 

Sur un aspect plus environnemental, les phases chaudes de la PDO donnent lieu à des périodes où le saumon abonde dans le sud de l'Alaska. Les phases froides (PDO -) contribuent pour leur part à des sécheresses multi annuelles dans le sud-ouest des États-Unis. Les études par modélisation montrent que les grandes sécheresses des siècles passés furent associées à des phases froides particulièrement longues. Cependant, les phases froides contribuent aussi à l'augmentation des précipitations dans l'est de l'Australie.

 

 

C. L'oscillation multidécennale de l'Atlantique (AMO)

 

L'oscillation multidécennale de l'Atlantique est un cycle d'environ 70 ans qui affecte les températures de l'océan Atlantique Nord. Il a des répercussions sur le climat d'une grande partie de la planète :

 

Le climat de l'Atlantique Nord semble soumis à plusieurs cycles. Les archives montrent qu'indépendamment du réchauffement des eaux à long terme, les températures à la surface de l'océan ont été assez élevées entre 1625 et 1965, plus froides entre 1965 et 1995, puis à nouveau plus chaudes depuis 1995. Ce cycle, baptisé ''oscillation multidécennale de l'Atlantique'' (il s'abrège le plus souvent AMO pour Atlantic Multidecadal Oscillation), entraîne des variations climatiques dans le monde entier. Par exemple, en Amérique du Nord, la phase chaude favorise une baisse des précipitations estivales (elle a sûrement pris part à la terrible sécheresse des années 1930). Cette oscillation affecte aussi la pluviométrie estivale du Sahel, du Brésil nord-oriental et bien évidemment de l'Europe. Elle affecte aussi le climat arctique et la mousson indienne. L'étude du climat par l'analyse des cernes de croissance des arbres en Amérique du Nord et en Europe montre que l'AMO existe depuis des siècles. Les modélisations du climat suggèrent qu'elle serait la source d'une fluctuation des mouvements thermiques dans l'Atlantique Nord liée à l'accélération ou au ralentissement de la circulation de l'océan (ou plus couramment appelée circulation thermohaline).

 

 

Oscillation multidécennale de l'Atlantique entre 1856 et 2013 montrant un cycle assez régulier qui s'étend sur plusieurs décénnies

 

 

Plus récemment, des climatologues ont découvert que l'AMO contribuait à la formation des ouragans en modifiant les grands systèmes météorologiques de l'Atlantique subtropical. Il y a eu relativement peu d'ouragans dans les années 1970 et 1980, cependant la décennie qui a suivi 1995 s'est avérée extrêmement active.

 

 

 

3 | Des cycles climatiques

 

A. Cycles climatiques : climats passés et variations climatiques naturelles (petit âge glaciaire)

 

Il y a bien longtemps, la température sur Terre était si froide que les calottes polaires auraient atteint l'Équateur. Bien que cette hypothèse soit encore débattue, la géologie nous fournit de plus amples données sur l'histoire complexe des variations climatiques qui se sont produites sur notre planète. Parmi ces grandes fluctuations on retrouve : la dérive des continents qui repositionne les terres à différentes latitudes en modifiant les courants marins, la formation des montagnes qui altèrent l'atmosphère de manière significative et les éruptions volcaniques de grande ampleur qui sont capables de modifier le climat en très peu de temps. Il est clair que ces changements sont d'une ampleur considérable et il n'est donc pas étonnant que le climat sur Terre ait pu être radicalement différent de celui qui règne actuellement. Au cours des derniers millions d'années, le climat a connu une alternance entre périodes glaciaires et périodes interglaciaires qui s'explique par la variation de l'axe de rotation et de l'orbite terrestre. Nous vivons actuellement une période interglaciaire avec des températures plus élevées qui a connu un pic de température il y a 5000 à 9000 ans. Depuis cette période, le climat s'est plutôt refroidi jusqu'à maintenant. Au cours du dernier millénaire, d'autres fluctuations à plus court terme ont été observées, notamment la période chaude du moyen âge (vers 950 – 1250) et le petit âge glaciaire de 1500 à 1850.

 

Évolution théorique des températures sur Terre depuis plusieurs millions d'années. On remarque que de grands cycles cachent d'autres cycles plus petits (par exemple les cycles journaliers sont majorés par des cycles saisonniers)

 

 

Ces variations du climat ont longuement été étudiées et continuent de l'être avec de nombreux forages dans la calotte polaire en Antarctique et au Groenland où sont extraits des carottes de glace (tubes glacés issus d'un carrotage ou forage de la glace) qui sont ensuite analysées. Une carotte de glace permet ainsi de retrouver des tendances climatiques en fournissant des renseignements sur la température, le volume des océans, le niveau de précipitations, la chimie et la composition des gaz de la troposphère; sur les éruptions volcaniques, les variations de l'activité solaire, les interactions neige-air locales, l'extension des déserts, les feux de forêt notables, etc. Plus la carotte de glace est longue, c'est-à-dire profonde, plus il est possible de remonter loin dans le passé !

 

Portion de carotte du forage GISP2 au Groenland à la profondeur de 1 837 m : les couches annuelles y sont visibles

 

 

Comment ça marche ? Cela tient à la façon dont la neige se transforme en glace à travers différents processus de dépositions successives. La neige fraîche, qui tombe en surface, contient des gaz, des impuretés (particules terrigènes, notamment), des substances radioactives… qui seront assimilés de différentes façons dans les futures couches de glace.

Quoi qu'il en soit, les carottes de glace sont en fait d'excellents enregistrements des variations climatiques sur Terre.