La prévisibilité du climat dans la stratosphère

par Alexey Karpechko1, Fiona Tummon2 and WMO Secretariat3 

Il faut connaître dans le détail l’état initial de l’atmosphère si l’on veut prévoir avec fiabilité l’évolution des systèmes météorologiques d’un jour à l’autre. Une image précise des conditions présentes est nécessaire. La prévisibilité des processus atmosphériques liée à l’état initial est cependant limitée à une dizaine de jours. Au-delà, il n’est possible de prévoir que les propriétés statistiques des conditions atmosphériques, dont l’état moyen de l’atmosphère pendant une certaine période et la probabilité de phénomènes météorologiques extrêmes, qui sont peut-être celles qui intéressent le plus la société.

Une telle prévisibilité s’explique par le fait que l’état de l’atmosphère est sensible à diverses composantes du système climatique qui varient plus lentement que les conditions météorologiques et freinent donc l’évolution de l’atmosphère vers un état donné. Parmi ces composantes figurent la température de la mer en surface, l’humidité du sol, l’enneigement et l’étendue des glaces de mer. 

Les systèmes météorologiques se forment et évoluent dans la troposphère (la couche la plus proche du sol). Au-dessus se trouve la stratosphère qui est stable, sèche et, comme son nom l’indique, fortement stratifiée. Elle n’intervient pas directement dans le temps quotidien. Les conditions stratosphériques imposent plutôt des contraintes à la variabilité du temps et du climat et, en cela, peuvent étendre la prévisibilité au-delà de dix jours, tout comme la température de la mer en surface ou l’étendue des glaces de mer. Le rôle de la stratosphère dans le système climatique fait l’objet de recherches coordonnées au sein du projet SPARC  (processus stratosphériques-troposphériques et leur rôle dans le climat), une initiative clé du Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC).

Fondé en 1992, le projet SPARC coordonne la recherche de haut niveau sur les processus en jeu dans le système terrestre depuis plus de vingt années. Il soutient et facilite les travaux de pointe menés à l’échelle internationale pour déterminer comment les processus chimiques et physiques de l’atmosphère interagissent avec le climat et son évolution; il organise en particulier une variété d’études sur plusieurs questions liées à la prévisibilité des conditions atmosphériques. Les progrès survenus récemment dans la recherche sur le système couplé stratosphère-troposphère ont motivé la rédaction de cet article; on y présente succinctement les éléments qui expliquent par quels mécanismes et à quels moments la stratosphère aide à anticiper le climat, ce qui devrait retenir l’attention des nombreux lecteurs qui s’intéressent à l’adaptation au changement climatique et à l’atténuation de ses effets.

La stratosphère et son incidence sur le courant-jet

Aux latitudes moyennes, la stratosphère s’étend d’environ 10 km à 50 km au dessus de la surface de la Terre. Dans les zones tropicales, elle commence un peu plus haut, à 18 km d’altitude environ. Sa principale caractéristique, en hiver, est la formation d’un tourbillon circumpolaire froid entouré de forts vents d’ouest que l’on appelle le courant-jet de la nuit polaire. Ce dernier varie en intensité; il peut être extrêmement faible ou comporter des vents inhabituellement violents. Lorsque le courant-jet de la nuit polaire faiblit, les vents d’ouest s’atténuent et cèdent parfois la place à des vents d’est. Au cours de ces périodes, le tourbillon polaire se réchauffe de plusieurs dizaines de degrés  et peut s’éloigner du pôle ou se scinder en plusieurs branches. On parle alors de réchauffement brusque de la stratosphère. En été, les vents d’est dominent, les processus dynamiques sont calmes et la variabilité est faible, si ce n’est des lentes variations saisonnières.

Des conditions anormales dans la circulation stratosphérique peuvent avoir des répercussions dans l’atmosphère jusqu’à la surface de la Terre. La position moyenne des vents d’ouest troposphériques (appelés couramment le «courant-jet») et la trajectoire des tempêtes qui suivent ces vents sont les principaux éléments de la troposphère qui sont sensibles à la force du courant-jet de la nuit polaire dans la stratosphère.

Lorsque le courant-jet de la nuit polaire est extrêmement faible, la trajectoire des tempêtes se déplace vers l’équateur. Des masses d’air continental et arctique froid pénètrent alors dans des zones au climat relativement tempéré. Dans l’hémisphère Nord, ces entrées d’air froid touchent généralement le nord de l’Europe et l’est des États-Unis d’Amérique. À l’inverse, lorsque le courant-jet de la nuit polaire est extrêmement fort, le déplacement de la trajectoire des tempêtes vers le pôle apporte des températures douces et de l’air humide dans le nord de l’Eurasie. Il peut s’écouler plusieurs semaines avant que la stratosphère revienne à un état normal après avoir présenté des conditions hivernales anormales. Le caractère persistant des anomalies stratosphériques contribue à maintenir la circulation troposphérique et le climat de surface dans un état anormal, ce qui augmente la prévisibilité.

Ainsi, les conditions climatiques aux latitudes moyennes sont plus prévisibles quand la stratosphère présente un état anormal l’hiver. Dans les cas extrêmes, tel un réchauffement brusque de la stratosphère, il est possible de prévoir avec fiabilité la température moyenne et l’arrivée d’air froid jusqu’à deux mois à l’avance. Des prévisions à échéance prolongée peuvent être établies à l’aide de systèmes dynamiques initialisés ou de méthodes statistiques. Mais quelle est la cause de ces anomalies stratosphériques et peut-on les prévoir une saison, voire une année, à l’avance?

Le principal mécanisme de formation d’anomalies dans la stratosphère est l’action exercée sur son état moyen par de vastes tourbillons de turbulence atmosphériques dus à la topographie et aux écarts thermiques à la surface de la Terre. Ces tourbillons ne se propagent jusqu’à la stratosphère, sous forme d’ondes d’échelle planétaire, que lorsque les vents y soufflent de l’ouest. C’est la raison pour laquelle les conditions stratosphériques varient pendant l’hiver, mais pas pendant l’été, quand les vents soufflent de l’est. L’amplification ou l’atténuation des ondes planétaires climatologiques, qui sont constamment présentes dans la troposphère, entraîne un affaiblissement ou un renforcement correspondant du courant-jet de la nuit polaire.

Vu le nombre de facteurs qui régissent la formation et la propagation des ondes planétaires, la prévision exacte de l’évolution des conditions dans la stratosphère est fortement tributaire des conditions initiales, comme dans la troposphère. C’est pourquoi la prévisibilité des conditions stratosphériques anormales est dans la plupart des cas limitée à une dizaine de jours, au même titre que celle des systèmes météorologiques. Il serait néanmoins possible de déterminer la probabilité que surviennent des phénomènes stratosphériques extrêmes avant le début de l’hiver.

Illustration du couplage stratosphère-troposphère en hiver. Les ondes planétaires anormales remontent et réchauffent le tourbillon polaire stratosphérique (à gauche). La température élevée dans la stratosphère modifie la position du courant-jet troposphérique (au centre) et crée en surface des anomalies météorologiques dans différentes parties de l’hémisphère Nord (à droite).

Les ondes planétaires

Certains facteurs qui conditionnent la formation et la propagation des ondes planétaires sont prévisibles longtemps à l’avance. Par exemple, la variabilité de la température de la mer en surface agit sur la formation d’ondes planétaires dans la troposphère. L’une des manifestations les plus remarquables de cette variabilité est sans doute le phénomène El Niño/ Oscillation australe (ENSO) qui survient dans la partie tropicale du Pacifique. Pendant la phase chaude du phénomène, appelée El Niño, le flux d’ondes planétaires dans la stratosphère de l’hémisphère Nord pendant l’hiver est généralement plus important, tout comme la probabilité d’y observer une hausse soudaine de la température. Les phases du phénomène ENSO étant prévisibles plusieurs mois à l’avance, il est possible d’anticiper avec fiabilité les anomalies du tourbillon stratosphérique et, de ce fait, le climat en surface.

Le phénomène ENSO est peut-être l’élément de surface qui conditionne le plus fortement la variabilité saisonnière des ondes planétaires à grande échelle, mais ce n’est pas le seul. Selon diverses études, la force du tourbillon polaire pourrait aussi dépendre d’autres modes de variation de la température de la mer en surface, dont l’oscillation atlantique multidécennale ou l’oscillation décennale du Pacifique, ainsi que d’anomalies de l’étendue des glaces de mer arctiques pendant l’automne. Sur les continents, la couverture de neige crée des contrastes thermiques marqués qui stimulent la formation d’ondes planétaires et, éventuellement, la perturbation du courant-jet de la nuit polaire.

Le cycle solaire et les grandes éruptions volcaniques

Il est possible que la fluctuation de l’activité solaire, qui présente une périodicité de onze ans, permette de prévoir le climat à des échéances encore plus longues. Les recherches montrent que, pendant les hivers d’activité solaire intense, le courant-jet de la nuit polaire tend a être plus fort, tandis que les températures mesurées près de la surface sont plus douces aux latitudes moyennes de l’hémisphère Nord. L’inverse est vrai pendant les années de faible activité solaire. Cela s’explique par l’écart de réchauffement de la stratosphère dû à l’absorption du rayonnement solaire ultraviolet par l’ozone, qui crée des gradients thermiques de l’équateur au pôle et influe sur la propagation des ondes planétaires et sur leur interaction avec le courant-jet de la nuit polaire. Il semble que ce soit l’élément principal du mécanisme qui régit la modulation du climat par le cycle solaire.

Lors des grandes éruptions volcaniques, la projection d’aérosols dans la stratosphère tropicale peut aussi créer de nets gradients méridiens de température qui viennent renforcer le courant-jet de la nuit polaire; quoique rares, les événements d’une telle ampleur se traduisent par des hivers cléments dans le nord de l’Eurasie.

Les tropiques et les pôles

La direction des vents stratosphériques au dessus de l’équateur intervient aussi nettement dans la propagation des ondes planétaires. La stratosphère équatoriale est marquée par l’alternance de vents d’ouest et de vents d’est selon une périodicité d’environ 28 mois, phénomène appelé oscillation quasi biennale. Le courant-jet de la nuit polaire faiblit lorsque les vents soufflent de l’est, se renforce quand ils soufflent de l’ouest. Cet effet modulateur a également une incidence sur la position du courant-jet troposphérique et, par conséquent, sur les conditions climatiques en surface. Les modèles actuels du climat peuvent prédire avec fiabilité la phase de l’oscillation quasi biennale jusqu’à deux ans à l’avance, ce qui accroît la prévisibilité du climat dans certaines régions.

Les phénomènes naturels ne sont pas seuls en cause dans la capacité d’anticiper le climat grâce à l’étude de la stratosphère. Le trou qui se forme dans la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique, en raison des substances chimiques principalement rejetées par les activités humaines, a profondément modifié le climat dans l’hémisphère Sud ces dernières décennies.  Mentionnons, entre autres, le refroidissement du continent Antarctique, le réchauffement de la péninsule Antarctique, le déplacement de la trajectoire des tempêtes vers le pôle, le renforcement du courant océanique circumpolaire et même un décalage des précipitations subtropicales vers le pôle. Nombre de ces changements devraient s'inverser d'ici au milieu du présent siècle, grâce à la baisse des concentrations de substances qui détruisent l'ozone depuis que leur production est interdite à l'échelon international (Protocol de Montréal). Cela atténuera ou accentuera les changements imputables à la hausse des concentrations de gaz à effet de serre.

 
 La navette spatiale Endeavour en orbite à plus de 200 milles d’altitude, à cheval sur la stratosphère et la mésosphère. La couche orange est la troposphère, dans laquelle se forment et évoluent les nuages et les phénomènes météorologiques que nous percevons. Elle est recouverte par la couche blanchâtre de la stratosphère, puis par la mésosphère. (Source: NASA, mission STS-130)

Un système complexe

Bien qu’elle ne compose qu’une petite fraction de la masse atmosphérique, la stratosphère est essentielle pour étendre la prévisibilité du climat au-delà de quelques jours. Certains facteurs, telle l’oscillation quasi biennale, l’intensité de l’activité solaire ou la variation de l’ozone stratosphérique, interagissent avec le climat dans la stratosphère même. D’autres, tel le phénomène ENSO, influent directement sur le climat dans la troposphère, mais mettent aussi en jeu des trajectoires stratosphériques qui prolongent leur incidence et modulent le climat dans des régions très distantes, par téléconnexion, et qui améliorent la prévisibilité. La capacité d’anticiper à longue échéance le climat en surface grâce à la prévisibilité de l’état de la stratosphère est certes modeste dans la plupart des cas, mais elle n’en reste pas moins utile pour beaucoup d’applications et d’utilisateurs finals. Pensons, par exemple, aux prévisions saisonnières des glaces de mer qui guident les activités de transport dans la mer Baltique.

L’avenir

Comment tirer pleinement parti de la prévisibilité des conditions stratosphériques? De nombreuses questions et difficultés se posent encore. Il est crucial de mieux comprendre et de mieux représenter dans les modèles climatiques les facteurs qui contribuent à la formation des ondes planétaires et leurs interactions avec la circulation stratosphérique pour que la prévisibilité du climat passe de quelques semaines à plusieurs mois.

La solution d’une partie de ces problèmes passe par l’élaboration de modèles de prévision du climat qui s’étendent au-delà de la stratosphère et sont capables d’induire de manière interne l’oscillation quasi biennale. Plusieurs centres de modélisation dans le monde ont déjà intégré ces éléments dans leurs systèmes de prévision opérationnelle. En outre, les modèles devraient peut-être représenter de manière explicite les relations chimie-climat afin de mieux saisir les signaux liés au cycle solaire et à la variabilité de l’ozone stratosphérique. La prévisibilité pourrait en être accrue et atteindre une saison, voire plus. La collaboration internationale entre les équipes de recherche et les centres de modélisation du climat est cruciale pour résoudre les problèmes scientifiques et les difficultés de modélisation qui limitent la prévision du climat. 

1Institut météorologique finlandais
2 Bureau international du projet SPARC
3 Boram Lee, fonctionnaire scientifique principal, Programme mondial de recherche sur le climat

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