L’ENSO (El Niño Southern Oscillation) compte parmi les phénomènes climatiques les plus significatifs à l’échelle planétaire.

Sommaire

• L’océan Pacifique tropical
• Distribution des événements ENSO
• Déterminer avec précision le décalage des événements ENSO
• Caractérisation des événements ENSO
• Faiblesses des modèles de prévision actuels
• Prévisibilité de l’ENSO
• Impact de l’ENSO sur le climat
• Mise en œuvre de la méthode de prédiction
• Évolution à long terme de l’ENSO

L’océan Pacifique tropical

Pendant les événements de l’ENSO, la réponse tropicale des cumulonimbus qui produisent la pluie est essentielle car la convection profonde est le principal facteur d’échange de chaleur (principalement la chaleur latente) de la surface de l’océan vers l’atmosphère libre. Des ondes atmosphériques sont mises en mouvement en réponse aux sources d’énergie tropicales nouvellement apparues. La circulation de la masse et de l’énergie dans l’atmosphère s’étend au-delà des tropiques vers le pôle, tout en étant déviée par la force de Coriolis résultant de la rotation de la Terre.

L’upwelling dans le Pacifique oriental peut être fortement stimulé lors de la phase de propagation de l‘ onde quasi stationnaire quadriennale (QSW) vers l’ouest. Dans ce cas, l’eau froide qui s’étend sur la surface génère des processus non linéaires conduisant à l’amplification des vents d’est lors de la reprise de La Niña. La colonne ascendante froide réduit les processus d’évaporation, ce qui provoque une augmentation de la pression atmosphérique et la reprise des alizés, en raison du renforcement de la circulation de Walker et l’élargissement de la cellule de Hadley. Dans le Pacifique central, l’onde de Rossby renforce le mélange des eaux de surface, ce qui diminue la température de surface et réduit également les processus d’évaporation.

Ainsi, la remontée de la thermocline lors des événements El Niño, qui accompagne la récession vers l’ouest de la QSW quadriennale, conduit à l’épuisement des eaux de surface chaudes. Le renforcement des alizés pendant La Niña réduit la couverture nuageuse du Pacifique tropical, ce qui permet aux ondes courtes (le rayonnement visible du soleil) de réchauffer l’océan. Ainsi, La Niña contribue à recharger la piscine d’eau chaude du Pacifique occidental. C’est cette masse d’eau chaude, qui se trouve sous une barrière thermique formée par une couche d’eau de faible masse volumique (moins salée), qui suscitera l’épisode El Niño suivant, son transport vers le Pacifique central oriental étant assuré par une onde de Kelvin née du couplage des deux modes de bassin annuel et quadri-annuel. Le subharmonique quadriennal apparaît comme auto stimulé car le forçage lié à El Niño et La Niña intervient pendant une phase critique de son évolution, ce qui explique la grande variabilité de sa période en l’absence d’une sollicitation périodique externe au phénomène El Niño (Pinault, 2015).

Distribution des événements ENSO (Pinault, 2015, 2016, 2018b)

Pour se convaincre du rôle déterminant de l’Onde Quasi-Stationnaire quadriennale dans la genèse et l’évolution de l’ENSO, il suffit de caractériser les événements en fonction de la date à laquelle ils sont matures. En effet, à la fois les phases de croissance et de déclin de l’ENSO sont étroitement liées à leur décalage dans le temps qui est représenté par rapport à la valeur centrale des intervalles successifs de 4 ans, 01/1868 à 01/1872, 01/1872 à 01/1876 …, 01/1996 au 01/2000 …

Déterminer avec précision le décalage des événements ENSO (Pinault, 2015, 2016, 2018b)

Deux signaux sont largement utilisés pour caractériser l’ENSO, l’indice d’oscillation australe (SOI) et l’anomalie de Température de Surface (SST) entre 5 ° N-5 ° S de latitude et 170 ° W-120 ° W en longitude (indice Nino 3.4) qui a été proposé par Trenberth, 1997. Afin de déterminer avec précision le moment de l’apparition de l’ENSO, à partir de laquelle est déduit le décalage, le signal doit être filtré avec un filtre passe-bas pour supprimer le bruit et pour éviter d’avoir des événements trop fréquents.

L’anomalie thermique de surface dans le Pacifique central-oriental résulte à la fois de la bande la plus proche de l’équateur dans l’hémisphère nord de l’onde quasi-stationnaire annuelle et le ventre central-oriental de l’onde quasi-stationnaire quadriennale. Ainsi, l’anomalie thermique de surface résulte principalement de l’onde quasi-stationnaire annuelle. Quand un événement El Niño se produit, l‘anomalie thermique de surface traduisant la phase de propagation vers l’est de l’onde quasi-stationnaire quadriennale suit l’anomalie liée à l’onde quasi-stationnaire annuelle. En effet, en supposant que les forces géostrophiques du bassin tropical le permettent, une onde de Kelvin est formée dans la partie la plus occidentale du bassin dès que le courant modulé du contre-courant Nord équatorial (NECC), qui est un nœud à la fois de l’onde quasi-stationnaire annuelle et quadriennale, accélère tout en se rapprochant de l’équateur. La propagation rapide vers l’est de l’onde de Kelvin fait que l’anomalie thermique de surface liée à l’onde quasi-stationnaire quadriennale suit l’anomalie liée à l’onde quasi-stationnaire annuelle, qui produit un pic unique non résolu. Ainsi, les pics caractérisant ces événements sont reconnaissables par leur largeur, et le filtrage du signal n’a pas de sens.

  

Caractérisation des événements ENSO en fonction de leur décalage déterminé à partir de la date d’apparition des minima du SOI filtré dans la bande 1,5 / 15 ans (Pinault, 2016, 2018b)

En choisissant une fréquence de coupure du SOI de manière à sélectionner les 38 événements les plus significatifs observés entre 1866 et 2016, la répartition des événements par rapport à leur décalage est représentée dans l’histogramme. Ils sont très inégalement répartis. Mais les fréquences les plus élevées correspondent aux décalages -1,5, -1 année, -0,5, 0 année, 0,5, 1 année et 1,5, 2 années, ce qui suggère une forte interaction entre les ondes quasi-stationnaires annuelle et quadriennale. Ainsi 34% des événements sont en phase avec l’onde annuelle (ils se produisent entre Juillet et Décembre quand la vitesse vers l’est du courant modulé au niveau du nœud sud de l’onde annuelle atteint son maximum) tout en étant non décalés. 34% des événements sont en phase avec l’onde annuelle tout en étant faiblement décalés, 11% sont en phase avec l’onde annuelle tout en étant fortement décalés et 21% sont déphasés par rapport à l’onde annuelle. De tels événements sont nécessairement décalés puisque aucun événement ne se produit dans l’intervalle 0, 0,5 année.

La dynamique de l’onde quadriennale selon le décalage et la phase par rapport à l’onde annuelle est illustrée dans les trois vidéos suivantes. La première représente un événement sans décalage, la seconde un événement faiblement décalé, en phase avec l’onde annuelle, la troisième un événement déphasé par rapport à l’onde annuelle.

Faiblesses des modèles de prévision actuels

Qu’ils soient dynamiques ou statistiques, les modèles actuels utilisent l’information tirée de l’approfondissement de la thermocline le long de l’équateur. Mais celle-ci est biaisée en raison de la superposition des ondes quasi-stationnaires annuelle et quadriennale. Cependant, seule l’onde quasi-stationnaire quadriennale devrait être impliquée dans la prédiction de l’ENSO: les résultats obtenus sont donc entachés d’erreurs systématiques et aléatoires importantes.

D’autre part, la caractérisation des événements ENSO chauds à partir de la température de surface (SST), qui est pratiquée très largement depuis les travaux de Trenberth, 1997, est presque inextricable en raison de l’extrême complexité des échanges à l’interface océan-atmosphère, ce qui fait que chaque événement El Niño a une signature unique dans le cycle de vie de la SST. Il est plus approprié de caractériser l’ENSO à partir de la baisse de l’indice d’oscillation australe (SOI) qui indique la phase de maturation sans aucune ambiguïté. Par conséquent, la question de la sensibilité de l’atmosphère à de telles variations de la SST inter-El Niño n’est pas essentielle, sauf pour anticiper l’impact de l’ENSO localement (par ex. Davey et al., 2014), du décalage de l’événement (Pinault, 2016).

Prévisibilité de l’ENSO (Pinault, 2018b)

Comparons la température moyenne de l’eau mesurée entre 100 et 200 m de profondeur à 2 ° N 137 ° E à l’indice d’oscillation australe (SOI). Si l’on exclut les deux périodes marquées par la reprise de La Niña à la suite des événements El Niño arrivés à maturité en 11/1997 et 09/2015, la signature du SOI est reflétée très fidèlement et dans le moindre détail par la température de l’eau de subsurface dans la partie occidentale du Pacifique équatorial.

Ces observations suggèrent que la vidange de la piscine d’eau chaude du Pacifique tropical dans sa partie occidentale et le transfert de l’eau chaude vers l’est induisent une interaction océan-atmosphère simple et directe. En d’autres termes, étant donné la linéarité de l’interaction, l’eau chaude est entièrement impliquée dans les processus d’évaporation contrôlant la circulation de Walker, quelle que soit l’amplitude et la date de survenance de l’ENSO qui en résulte. Le seul écart à cette relation de causalité d’une surprenante simplicité apparaît lorsque l’upwelling dans le Pacifique oriental est fortement stimulé lors de la phase de propagation vers l’ouest de l’onde quasi-stationnaire quadriennale de sorte que l’eau froide qui s’étend sur la surface génère des processus non linéaires conduisant à La Niña.

L’onde quasi-stationnaire quadriennale partage le Pacifique tropical en ventres occidentaux et orientaux presque en opposition de phase. Les ventres occidentaux résultent d’ondes de Rossby non équatoriales. Ils ont une fonction de stockage de l’eau chaude. La température de l’eau de subsurface à 2 ° N 137 ° E reflète la vidange de ce réservoir, c’est-à-dire le remplacement graduel de l’eau chaude par de l’eau froide pendant que l’eau chaude est transférée vers l’est. Par contre, la température de l’eau de subsurface au ventre central-oriental, qui produit l’ENSO, traduit la recharge de ce dernier.

À la longitude 180 °W, c’est-à-dire à la pointe la plus à l’ouest du ventre équatorial central-oriental, les anomalies de la température de l’eau de subsurface précèdent de 8-7 mois la phase de maturation de l’ENSO. C’est la limite au-delà de laquelle il est théoriquement impossible de prédire l’ENSO à partir d’observations directes parce que le ventre central-oriental disparaît à l’ouest de 180 ° W. Mais le long de l’équateur, le ventre le plus méridional, situé dans l’hémisphère nord, de l’onde quasi-stationnaire annuelle est aussi perceptible. Forcé de manière résonante par les vents d’est, cette onde quasi-stationnaire a une grande amplitude dans l’hémisphère nord, présentant deux ventres presque parallèles à l’équateur, autour de 8-10 ° N et 0-4 ° N. Par contre, les deux ventres situés dans l’hémisphère sud exhibent une plus faible amplitude, à l’exception de leur partie occidentale.

Ainsi, les pics de température de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W présentent une contribution de l’onde quadriennale renforcée au détriment de l’onde annuelle. En effet, le ventre central-oriental de l’onde quadriennale qui génère l’ENSO, quant à lui, est symétrique par rapport à l’équateur. De plus, les pics reflètent distinctement l’onde annuelle ou quadriennale, sans aucune interférence.

La corrélation entre le SOI minimum et la température mensuelle de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W moyennée de 125 à 175 m de profondeur (les données sont interpolées entre 150 et 200 m), 8 à 7 mois avant le minimum du SOI, indique que le coefficient de détermination est de 0,96. Ceci reflète à la fois la forte cohérence entre cette température T et le SOI minimum, et la précision des mesures lorsque le SOI est filtré dans la bande 1,5 / 15 ans. Pour montrer les mérites de la méthode, le filtrage du signal SOI est essentiel pour réduire le bruit afin de mettre en évidence l’amplitude et la localisation des minima successifs qui caractérisent les événements ENSO.

Impact de l’ENSO sur le climat

Sous les tropiques, le transfert de chaleur de l’océan Pacifique vers l’atmosphère produit un mouvement quasi-géostrophique de l’atmosphère. De la zone de réchauffement se forment des ondes de Kelvin vers l’est et des ondes de Rossby vers l’ouest, d’où des vents alizés à l’est et des vents d’ouest en tant que réponse atmosphérique à l’ouest.

L’impact de l’ENSO peut être mis en évidence à partir de la variabilité de la hauteur des précipitations, tout comme les ondes baroclines atmosphériques équatoriales. Ces dernières sont forcées par convection profonde dans la troposphère, ce qui est renforcé par les eaux de surface très chaudes sous les tropiques. Ces ondes inertielles, qui résultent de la différence de densité entre les couches inférieures et supérieures de l’atmosphère, entraînent l’oscillation des couches supérieures de la troposphère. Les modes d’ondes baroclines varient verticalement. Ils induisent alternativement des précipitations ou des conditions plus sèches en fonction du gradient adiabatique, c’est-à-dire de l’altitude des couches chaudes et humides de la haute troposphère.

Une cause importante de variabilité des événements ENSO est le décalage temporel. Ce paramètre reflète la manière dont la propagation vers l’est de la QSW quadriennale se produit dans le Pacifique central-oriental. Quatre types d’événements peuvent être caractérisés par le décalage selon qu’ils sont non décalés, faiblement ou fortement décalés, ou déphasés par rapport à la QSW annuelle. En fait, les événements non décalés et faiblement décalés se comportent de la même manière. Le nombre de ces événements observés n’est pas suffisant pour mettre en évidence des caractéristiques spécifiques se rapportant exclusivement à leur décalage temporel. Ainsi, seuls trois types d’événements font l’objet de l’étude comparative de leur impact selon qu’ils sont 1) non décalés ou faiblement décalés 2) fortement décalés ou 3) déphasés par rapport à la QSW annuelle.

Mise en œuvre de la méthode de prédiction

En pratique, la prévision d’événements chauds peut être effectuée dès que la température mensuelle de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W moyennée entre 125 à 175 m de profondeur atteint un maximum. Cependant, bien qu’atténués, les pics correspondant à la QSW annuelle doivent être distingués des pics résultant de la phase de propagation vers l’est de la QSW quadriennale. Seuls ces derniers anticipent les événements ENSO. Aucun indice ne permet de distinguer les différents pics de température de l’eau de subsurface à moins que cette dernière ne soit comparée à celle de l’eau de subsurface aux deux extrémités du ventre ouest de la QSW quadriennale. Ce sont les forces géostrophiques à l’échelle du bassin tropical qui autorisent la génération d’ondes de Kelvin à partir des ondes de Rossby non équatoriales dans l’extrême ouest du Pacifique, ou non. En particulier, ces forces sont régies par l’inclinaison le long de l’équateur de la hauteur de la surface de l’océan.

Les pics de température de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W résultant des QSW annuelle et quadriennale ne se chevauchent pas, ce qui explique la relation linéaire simple des couples T-SOI. Ceci suggère que le ventre le plus méridional de la QSW annuelle situé dans l’hémisphère nord s’écarte de la trajectoire de la QSW quadriennale quand la propagation vers l’est de cette dernière se produit et que le ventre central-oriental croît.

En ce qui concerne les événements froids, l’amplification de La Niña peut être observée quelques mois avant la phase de maturation de l’événement ENSO, comme cela s’est produit en 1998 et 2016, lorsque la température de l’eau de subsurface diminue. Cette chute de température observée au début de la propagation vers l’ouest de la QSW quadriennale est un signe avant-coureur de l’amplification de l’upwelling dans le Pacifique oriental et du développement d’un système de haute pression atmosphérique.

Évolution à long terme de l’ENSO (Pinault, 2021a)

Sur la figure a, l’écart-type de l’indice Nino3.4 dans la bande 1,5-7 ans est représenté à partir de 1870 avec la température globale dans l’hémisphère nord, filtrée dans la bande 48-96 ans caractéristique du mode subharmonique n₁ (T = 64 ans). Cette température globale exempte de sa composante anthropique est obtenue à partir d’une combinaison linéaire d’anomalies de la température de surface de la mer à partir de 1870, moyennées sur des zones particulières aux hautes latitudes des gyres subtropicaux. Le mode n₁ est considéré comme un harmonique pur des modes supérieurs.

La corrélation négative entre l’amplitude de l’ENSO et celle des ondes gyrales du Pacifique Nord signifie que les forces géostrophiques agissent sur le contre-courant nord équatorial (NECC) pour expliquer la réduction de l’activité ENSO lorsque le courant polaire modulé du gyre subtropical du Pacifique Nord accélère alors qu’il est anticyclonique. En effet, le courant nord-équatorial (NEC) aux latitudes les plus basses du gyre du Pacifique Nord accélère alors qu’il s’écoule vers l’ouest. Ainsi, les forces géostrophiques qui animent le NEC sont opposées au NECC lorsqu’il s’écoule vers l’est. Conjointement, l’affaiblissement de la composante modulée du NECC induit un affaiblissement de la composante modulée du courant sud équatorial (SEC), qui est un moteur de l’onde quasi-stationnaire quadriennale, les deux courants modulés étant aux nœuds de l’onde quasi-stationnaire annuelle. Appartenant à un seul système dynamique, ils sont corrélés toute en circulant en sens inverse. Par conséquent, l’interaction du gyre subtropical du Pacifique Nord à ses latitudes les plus basses avec le NECC peut affaiblir l’amplitude de l’onde quasi-stationnaire quadriennale à l’origine de l’ENSO. En revanche, le gyre du Pacifique Sud ne semble pas avoir une influence significative sur l’évolution à long terme de l’ENSO.

A l’inverse, la faible amplitude de la variation de température globale comme cela se produit pour le mode sous-harmonique n₂ (T = 128 ans) dans la bande 96-150 ans (la limite supérieure est fixée par la longueur de la série) induit un état quasi stationnaire de l’activité ENSO dans cette même bande (Figure b). Cela met en évidence la dynamique sélective de l’ajustement des forces géostrophiques entre le gyre du Pacifique Nord et le Pacifique équatorial.

En utilisant des proxys de l’indice Nino3.4, une baisse de l’activité ENSO pendant l’Holocène et une augmentation pendant le dernier maximum glaciaire sont mises en évidence.

References

Davey M.K., A. Brookshaw and S. Ineson (2014) The probability of the impact of ENSO on precipitation and near-surface temperature, Climate Risk Management 1, 5–24

Trenberth, K., 1997: The definition of El Nino. Bull. Amer. Meteorological. Soc., 78, 2771-2777.

Glossaire

La convection atmosphérique profonde se produit essentiellement dans les régions tropicales où elle forme la colonne montante de la circulation de Hadley. Elle résulte d’un couplage fort entre la surface et la partie supérieure l’atmosphère.

La chaleur latente est la chaleur échangée lors du changement d’état de l’eau de mer au cours du processus de vaporisation.

Cellule de Hadley

Au niveau de l’Equateur, la forte chaleur dispensée par le soleil réchauffe l’air près de la surface. Cet air s’élève dans l’atmosphère et ce mouvement ascendant engendre la création d’un espace de basse pression. L’air est aspiré dans cet espace de basse pression, ce qui provoque dans les deux hémisphères des alizés.

SOI (Southern Oscillation Index)

Le SOI est l’amplitude de l’Oscillation australe ; c’est une mesure de la variation mensuelle de la différence de pression atmosphérique de surface normalisée entre Tahiti et Darwin (Australie).

Upwelling. Ici, ce terme indique une remontée d’eau profonde, donc froide. Le phénomène d’upwelling est associé au fonctionnement des ondes résonantes tropicales.

Le paramètre de Coriolis f est égal à deux fois la vitesse de rotation de la terre Ω multipliée par le sinus de la latitude φ: f = 2Ωsin φ. La force de Coriolis, quant à elle, agit perpendiculairement à la direction du mouvement du corps en déplacement. Elle est proportionnelle à la vitesse du corps ainsi qu’à la vitesse de rotation du milieu.

Circulation de Walker, El Niño, La Niña. Sous les tropiques, la circulation directe de l’air en surface vers l’équateur (nommée cellule de Hadley) forme la zone de convergence intertropicale. La force de Coriolis est faible à ces latitudes mais assez pour créer une déviation vers l’ouest de la circulation créant les Alizés (du nord-est dans l’hémisphère nord et du sud-est dans celui du sud). Le courant de Humboldt, venant de l’Antarctique, refroidit la côte de l’Amérique du Sud. Il y a donc une grande différence de température entre l’Ouest et l’Est Pacifique qui donne lieu à une circulation directe semblable à celle de Hadley (les masses d’air s’élèvent près de l’Asie et de l’Australie et descendent le long de la côte de l’Amérique du Sud).