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Jean Pailleux, Serge Planton , José Gonella et le Club des Argonautes - Avril 2021

Circulation atmosphérique et mécanismes liés au vortex polaire

Structure des vortex polaires

Vortex polaire et trou d'ozone

Vortex polaire, réchauffement brutal de la stratosphère, vagues de froid

Vortex polaire, vagues de froid et changement climatique

Vortex polaire, ses liens avec les oscillations atlantique, pacifique, quasi-biénnale, Madden-Julian, El Niño…

Bibliographie


Circulation atmosphérique et mécanismes liés au vortex polaire

Le moteur des mouvements de l'atmosphère est le rayonnement solaire qui, chauffant très inégalement les diverses latitudes du globe terrestre, induit divers échanges d’énergie et diverses circulations dans l’atmosphère terrestre. Les forces induites par la rotation de la Terre et par les contrastes thermiques modifient ces circulations en créant plusieurs courants de vent fort soufflant d'ouest en est, appelés «jets» ou «courants-jets» ou «jet-streams». Ces courants sont des éléments caractéristiques de la circulation générale atmosphérique ; ils sont en évolution permanente à toutes les échelles de temps, plus particulièrement à l'échelle inter-saisonnière.

Près des pôles, chaque hiver, la surface terrestre et les masses d'air restent de longs mois dans la nuit. Les couches atmosphériques se refroidissent et, plus denses, se stabilisent progressivement à partir du sol. Une «inversion de température»(1) se crée, de plus en plus épaisse, allant même parfois jusqu'à rejoindre la tropopause avant la fin de l'hiver et le retour du soleil. On obtient alors assez souvent un anticyclone au sol surmonté d'un air très froid sur 10 km d'épaisseur, se traduisant par une dépression très creuse en altitude au-dessus d'une dizaine de kilomètres. Autour de cette dépression d'altitude circule d'ouest en est le vortex polaire, un jet de vent très fort, visible jusque dans la stratosphère vers 40 ou 50 km d'altitude.

Vortex polaire

Vortex polaires (à gauche nord, à droite sud) matérialisés par les lignes de courant à 10 hPa (vers 30 km d'altitude) coloriées par la force du vent. Les données sont extraites du modèle américain GFS de la NOAA, à gauche pour l'hiver boréal (2 janvier 2018), à droite pour l'hiver austral (14 juillet 2018). Sources : NOAA et earth.nullschool.net.

Structure des vortex polaires

Le vortex antarctique a souvent une structure horizontale assez circulaire autour du pôle sud, à l’image de la répartition continent-océan plutôt symétrique autour du pôle. Le vortex arctique est généralement plus étiré et décentré par rapport au pôle nord du fait de la géographie et des contrastes thermiques entre océans et continents. En effet, la symétrie de révolution autour du pôle nord est souvent rompue sous l'effet des deux masses continentales (Eurasie et Amérique du nord) qui se refroidissent plus vite que les océans en hiver et qui présentent plusieurs chaînes montagneuses.

Les vortex polaires sont des structures assez stables dans la stratosphère à 30 km d'altitude. Mais leur structure verticale est très hétérogène. Plus l'altitude diminue, plus le vortex est affecté par la géographie de la surface, qui engendre des ondes courtes, c'est-à-dire des méandres se superposant au courant-jet ouest-est. Vers 10 km d'altitude, le vortex correspond au jet-stream bien connu des aviateurs, et plus bas encore, les méandres correspondent aux ondes de Rossby et aux perturbations météorologiques classiques qui ont une durée de vie de quelques jours. Au niveau du sol, la variabilité spatio-temporelle (du vent, de la température) est encore plus forte du fait de l'influence des nombreux effets locaux.

La circulation générale atmosphérique moyenne est souvent représentée par quatre courants jets : un jet polaire et un jet subtropical dans chaque hémisphère. Mais il ne s'agit que d'un schéma moyen avec beaucoup de variabilité, en particulier entre les hémisphères nord et sud, et entre été et hiver : les jets peuvent se dédoubler et se multiplier en plusieurs branches, fusionner entre eux, accélérer en se rétrécissant pour donner de très forts vents d'ouest sur plusieurs milliers de kilomètres, ou encore se disperser en de multiples méandres. Les méandres et perturbations associées peuvent se traduire par des «gouttes froides» : isolements d'air froid polaire en altitude, quasi-stationnaires en position géographique ou se déplaçant dans n'importe quelle direction.

Courants polaires

Représentation schématique des différents courants jets atmosphériques. Source : Wikipedia.

 Vortex polaire et trou d'ozone

La destruction progressive de la couche d'ozone stratosphérique sous l'influence de certains gaz comme les chlorofluorocarbures (CFC) a été identifiée dans les années 1980. Elle s'est avérée particulièrement nette au-dessus de l'Antarctique, sous la forme du «trou d'ozone». Le vortex polaire antarctique est un des facteurs dynamiques contribuant à la formation de ce trou d'ozone. C'est en septembre - octobre (sortie de la nuit polaire antarctique) que le vortex stratosphérique contient la plus faible quantité d'ozone. Depuis plus de 30 ans et la mise en œuvre du protocole de Montréal, une surveillance régulière du trou d'ozone et du vortex antarctique est effectuée, en particulier dans la période de l'année proche de l'équinoxe de printemps austral. L'interdiction des gaz destructeurs de l'ozone s'est avérée assez efficace pour stopper la destruction de l'ozone et résorber le trou d'ozone antarctique.
Voir site de l'INSU  Détecter la reconstitution de la couche d’ozone.

 Vortex polaire, réchauffement brutal de la stratosphère, vagues de froid

Le vortex stratosphérique polaire peut se scinder en deux ou plusieurs blocs, chacun amenant sa réserve d'air froid sous-jacent jusqu'à des latitudes très éloignées du pôle. L'éclatement du vortex polaire stratosphérique nord avec basculement vers un continent froid en hiver est un phénomène rapide. Il se passe généralement en deux ou trois jours et est associé à un réchauffement brutal de la stratosphère sur toute une partie de la calotte polaire (réchauffement spectaculaire, excédant souvent les 40°C). Pour le vortex polaire, c'est une baisse soudaine d'activité hivernale, fréquente dans l'hémisphère nord en janvier-février, plus rare dans l'hémisphère sud du fait du caractère plus arrondi du vortex. Ce phénomène extrême est connu sous le nom de «Réchauffement stratosphérique soudain» (SSW, Sudden Stratospheric Warming, en anglais). Il est généralement assez bien prévu par les modèles de prévision météorologiques (une semaine ou plus à l'avance) malgré son caractère brutal (occurrence en deux ou trois jours).

Le basculement de l'air froid polaire vers des latitudes plus basses correspond généralement à une vague de froid touchant d'abord le continent nord américain ou eurasiatique, avec un courant jet caractérisé par un méandre nord-sud très prononcé, l'écoulement nord-sud du méandre pouvant amener l'air polaire froid jusqu'à des latitudes subtropicales. L'onde associée à ce méandre peut contenir un écoulement sud-nord d'air chaud tout aussi prononcé, se traduisant par une période hivernale particulièrement chaude à la même latitude que celle de la vague de froid, mais quelques milliers de kilomètres plus à l'est. Cette onde peut rester quasi-stationnaire pendant plusieurs jours, impliquant un froid extrême sur une région et un chaud extrême sur une autre région. Elle peut aussi se déplacer lentement ou éclater en plusieurs méandres (ou ondes de plus petites taille).

Au début du mois de février 2021, une vague de froid a touché l’Europe septentrionale, en particulier la moitié Nord-Est de la France, comme documenté sur la carte suivante issue du web de l’association «infoclimat» présentant les températures à 7h UTC le 10 février 2021.
En utilisant les boutons en haut de la carte, on peut suivre finement (de jour en jour, d’heure en heure) l’évolution de cette vague de froid sur la France et son voisinage.

Cette vague de froid est consécutive à un basculement du vortex polaire et au réchauffement stratosphérique soudain qui lui est associé. Notons que le processus de basculement vers l’Eurasie du vortex stratosphérique a débuté vers le 1er janvier, soit bien avant l’arrivée de la vague de froid sur l’Europe occidentale. Voir le document suivant produit par l’ESA contenant une animation du vent stratosphérique.

Aeolus Polar Vortex

Remarquons que ce suivi du vortex polaire nord a été réalisé en utilisant uniquement les données de vent du lidar de la mission Aeolus de l'ESA à l'exclusion de tout autre type d'observation. Aeolus est une mission exploratoire (série Earth Explorer de l'ESA) visant à tester les capacités d'un lidar spatial à observer des profils de vent: voir la News de septembre 2018 du site du Club des Argonautes.

Malgré les limitations intrinsèques à Aeolus (faible couverture spatiale, observation d'une seule composante du vent), les grandes ondes de la circulation atmosphériques sont assez bien décrites par les seules observations stratosphériques du lidar spatial. Elles arrivent à restituer correctement l'éclatement et le basculement du vortex polaire sur une période de quelques semaines.

Vortex polaire, vagues de froid et changement climatique

Keckhut et al. (2013) expliquent pourquoi et comment le changement climatique contribue à refroidir la stratosphère du fait de l'accroissement de la concentration des gaz à effet de serre dans les couches plus basses de l'atmosphère, et aussi de la diminution de la concentration en ozone dans certaines couches stratosphériques. Ce refroidissement varie avec l'altitude pour culminer vers 45 km. Il varie aussi avec la latitude. Le vortex stratosphérique et son basculement associé au réchauffement soudain ne sont observés correctement que depuis quelques décennies. On note que ce phénomène se produit environ un hiver sur deux, et le nombre total d'événements est trop faible pour discerner une variation de la fréquence des SSW sur ces dernières décennies, variation que l'on pourrait attribuer au changement climatique. Au contraire, près de la surface terrestre, l'effet du changement climatique est un réchauffement, beaucoup mieux connu, mieux observé et mieux caractérisé que le refroidissement stratosphérique. Ce réchauffement est plus marqué sur la calotte polaire arctique que sur le reste de la Terre, phénomène connu sous le nom "d'Amplification Arctique" (AA).

Quel impact peut-on attendre du réchauffement climatique sur les vagues de froid hivernales, en particulier celles que l'on note à la suite d'un SSW ? Une étude de Judah Cohen concerne les vagues de froid qui ont touché l'Amérique du nord, faisant suite à de forts épisodes neigeux, sur la période 1980–2020. L'étude en dénombre 5 de 1981 à 1990, 5 de 1991 à 2000, 9 de 2001 à 2010, et 27 de 2011 à 2020, donc une légère progression sur les 4 dernières décennies. Notons que cette étude ne caractérise ni la durée, ni l’intensité, mais seulement la fréquence des vagues de froid. Ces épisodes neigeux sont généralement associés à un flux d’air arctique dirigé vers le sud du continent nord-américain, à l'est des Rocheuses, flux accentué (ou même initié) par la chaîne montagneuse qui bloque les vents d'ouest dans la partie inférieure de la troposphère. Cohen et al. (2020) écrit : "Observational studies overwhelmingly support that Arctic Amplification is contributing to winter continental cooling.". Cet article (qui est une synthèse de plusieurs études et de plusieurs autres articles, 138 publications citées en référence !) indique qu’en examinant les réanalyses des dernières décennies, on arrive à établir un lien entre le réchauffement climatique et un refroidissement local des latitudes tempérées. Ce type de résultat contredit l’idée intuitive que le réchauffement climatique implique forcément une réduction de la fréquence des vagues de froid aux latitudes moyennes. Cette idée intuitive est avancée par certains pour nier la réalité du changement climatique, chaque fois qu’une vague de froid frappe durement des régions habitées de l’hémisphère nord.

Toutefois ce lien (entre réchauffement climatique et vagues de froid des latitudes tempérées) ne se retrouve pas dans la plupart des simulations obtenues avec les modèles climatiques étudiés par Cohen et al. (2020) qui écrit aussi : "Divergent conclusions between model and observational studies, and even intramodel studies, continue to obfuscate a clear understanding of how the Arctic Amplification (AA) is influencing midlatitude weather.".

Un article de Cattiaux et al. (2016) traite quant à lui de la sinuosité de la circulation aux moyennes latitudes sur le passé récent et dans un futur affecté par le réchauffement climatique. Les auteurs commencent par définir une métrique caractérisant la sinuosité de la circulation à partir d’une ligne d’égale altitude du géopotentiel à 500 hPa. Ils montrent ensuite que la sinuosité a augmenté au cours des dernières décennies, résultat qui paraît cohérent avec l’augmentation de la fréquence des vagues de froid sur le continent nord-américain amenant de l’air froid arctique jusqu’à des latitudes très sud. Par contre, les modèles de l’exercice de simulations CMIP5 qui représentent relativement bien ce critère, projettent une diminution de la sinuosité avec le changement climatique correspondant à un scénario de fortes émissions (RCP8,5). Ils interprètent ce résultat par l’effet de l’extension en latitude du climat tropical réduisant la zone de déplacement du jet stream des moyennes latitudes (mécanisme qui paraît contradictoire avec une augmentation des vagues d’air arctique se déplaçant à des latitudes très sud). Ces projections des modèles sont modulées par leur représentation de l’intensité de l’AA, ceux qui simulent une plus forte réduction de la sinuosité en hiver étant ceux qui simulent une plus faible AA accompagnée d’une réduction de la fréquence des blocages propices au vagues de froid. Pour ces auteurs, l’augmentation récente de la sinuosité de la circulation en contradiction avec les projections pourrait être interprétée par la variabilité climatique naturelle ou par la conséquence d’un forçage dans le climat récent qui ne sera plus dominant dans le climat futur.

Sur les 4 dernières décennies, on observe donc une augmentation de la sinuosité de la circulation aux moyennes latitudes ainsi qu’une augmentation du nombre de vagues de froid sur l’Amérique du nord, mais aucun mécanisme identifié ne permet de l’attribuer au changement climatique. De plus une majorité de simulations climatiques indiquent plutôt qu’un climat plus chaud tend à réduire cette sinuosité. Le sujet est à l’étude chez plusieurs chercheurs et le prochain rapport du GIEC pourra peut-être préciser cet aspect.

Vortex polaire, ses liens avec les oscillations atlantique, pacifique, quasi-biénnale, Madden-Julian, El Niño…

La dynamique des vortex polaires est liée à celle de plusieurs oscillations caractéristiques de la circulation atmosphérique globale, dont l’aspect prévisibilité est abordé dans une FAQ du Club des Argonautes (La prévisibilité de l’atmosphère et de l’océan)  :

Nous ne détaillons pas ici les mécanismes attachés à chacune de ces oscillations. Nous indiquons seulement quelques résultats ou études affectant l’évolution du vortex polaire nord.

  • Une étude de Hamouda et al. (2021) porte sur le comportement du vortex polaire et sur son évolution sous l’effet du changement climatique. Elle montre que les oscillations AO et NAO sont actuellement bien corrélées entre elles, et que sous l’effet du changement climatique, elles deviendraient plus indépendantes, favorisant les ruptures du vortex polaire, d’autant plus que le Pacifique deviendrait plus chaud et plus tempétueux en hiver du fait des forts contrastes thermiques avec le continent asiatique froid.
  • Lee et al. (2020) examine les relations des phases ENSO et MJO avec le climat de l’Eurasie et de l’Atlantique, en particulier avec la circulation atmosphérique aux latitudes moyennes et hautes de l’hémisphère nord. Les auteurs indiquent qu’une rupture du vortex polaire, et donc le déclenchement d’un SSW, est plus probable dans la phase « Niña » que « Niño » de l’ENSO, résultat qui est conforté par Butler et al. (2015) montrant que la quasi-décennie 1990-98 n’a pratiquement pas vu de SSW, alors qu’il s’agit d’une période à dominante Niño.

Même si aucune de ces études ne permet à ce stade de caractériser l’effet du changement climatique sur les SSW et les vagues de froid continentales de l’hémisphère nord, il semble bien que les études portant sur la prévisibilité à toute échéance de ces oscillations sont une bonne piste de recherche.


Note

(1) Inversion de température : En météorologie, on parle d'inversion de température pour désigner une couche atmosphérique dans laquelle la température est croissante avec l'altitude. En moyenne la température décroît de 6,5°C par km avec l'altitude (atmosphère dite « standard ») jusqu'à la tropopause. Retour.


Bibliographie

Butler, A. H., D. J. Seidel, S. C. Hardiman, N. Butchart, T. Birner, A. Match, 2015: Defining sudden stratospheric warmings. BAMS, November 2015. DOI:10.1175/BAMS-D-13-00173.1

Cattiaux, J., Y. Peings, D. Saint-Martin, N. Trou-Kechout and S.J. Vavrus, 2016: Sinuosity of midlatitude atmospheric flow in a warming world. Geophysical Research Letters, 43, 8259–8268, doi:10.1002/2016GL070309.

Cohen, J., X. Zhang, J. Francis, T. Jung, R. Kwok, J. Overland, T. J. Ballinger, U. S. Bhatt, H. W. Chen, D. Coumou, S. Feldstein, H. Gu, D. Handorf, G. Henderson, M. Ionita, M. Kretschmer, F. Laliberte, S. Lee, H. W. Linderholm, W. Maslowski1, Y. Peings, K. Pfeiffer, I. Rigor, T. Semmler, J. Stroeve, P. C. Taylor, S. Vavrus, T. Vihma, S. Wang, M. Wendisch, Y. Wu and J. Yoon, 2020 : Divergent consensuses on Arctic amplification - influence on midlatitude severe winter weather. Nature Climate Change, Vol. 10, January 2020, pages 20-29.

Hamouda, M., C. Pasquero and E. Tziperman, 2021 : Decoupling of the Arctic Oscillation and North
Atlantic Oscillation in a warmer climate. Nature Climate Change, Vol. 11, February 2021, pages 137-142.

Keckhut, P., A. Hauchecorne, C. Claud, B. Funatsu, G. Angot, 2013: Refroidissement de la stratosphère. Détection réussie mais quantification encore incertaine. La Météorologie, N°82, août 2013, pages 31-37.

Lee, R. W., S. J. Woolnough, A. J. Charlton-Perez and F. Vitart, 2019: ENSO modulation of MJO teleconnections to the North Atlantic and Europe. Geophysical Research Letters, 46, 13,535–13,545.