El Niño

Pendant les événements de l’ENSO, la réponse tropicale des cumulonimbus qui produisent la pluie est essentielle car la convection profonde[i] est le principal facteur d’échange de chaleur (principalement la chaleur latente[ii]) 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.

La fin de l’épisode El Niño donne lieu à La Niña dès que la phase de propagation vers l’ouest de l’onde quasi-stationnaire quadriennale s’établit, ce qui renforce l’upwelling au large de la côte sud-américaine. 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[iii]. 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.

De la sorte le soulèvement de la thermocline pendant les événements El Niño, qui accompagne la récession vers l’ouest de l’onde quasi-stationnaire quadriennale, conduit à l’épuisement des eaux chaudes de surface, et La Niña prend le relais. À leur tour, les vents d’est favorisent la propagation vers l’ouest de l’onde quasi-stationnaire quadriennale. 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 sous-harmonique 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)

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)

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.

  

Représentation de l'indice d'oscillation australe (SOI), et l'indice Nino 3.4 - a) les flèches indiquent la phase de maturation de l’ENSO au minimum du signal SOI filtré m - b) anomalie de la température de surface de la mer entre 5 ° S et 5 ° N de latitude, 170 ° W et 120 ° W de longitude http://www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries/Nino34/. Les flèches indiquent des pics non résolus lorsqu'un événement ENSO se produit.
Représentation de l’indice d’oscillation australe (SOI), et l’indice Nino 3.4 – a) les flèches indiquent la phase de maturation de l’ENSO au minimum du signal SOI filtré m – b) anomalie de la température de surface de la mer entre 5 ° S et 5 ° N de latitude, 170 ° W et 120 ° W de longitude http://www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries/Nino34/. Les flèches indiquent des pics non résolus lorsqu’un événement ENSO se produit.

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)

Histogramme du nombre d'événements ENSO majeurs (ou de l'énergie disponible) par rapport au décalage. L'énergie disponible est supposée être proportionnelle à l'énergie libérée pendant l'ENSO, qui est à son tour proportionnelle à l'amplitude de l'événement.
Histogramme du nombre d’événements ENSO majeurs (ou de l’énergie disponible) par rapport au décalage. L’énergie disponible est supposée être proportionnelle à l’énergie libérée pendant l’ENSO, qui est à son tour proportionnelle à l’amplitude de l’événement.

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.

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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), auquel cas sa prévisibilité dépend étroitement du décalage de l’événement , c’est-à-dire de sa date d’apparition par rapport à la valeur centrale des intervalles successifs de 4 ans 01/1868 à 01/1872 …, 01/1996 à 01/2000 …. (Pinault, 2016).

Prévisibilité de l’ENSO (Pinault, 2018)

Comparaison de la température moyenne de l'eau de subsurface mesurée entre 100 et 200 m de profondeur à 2 ° N 137 ° E (TAO = Tropical Atmosphere Ocean Project http://www.pmel.noaa.gov/tao/) à l'indice d'oscillation australe SOI (Https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/enso/indicators/soi/).
Comparaison de la température moyenne de l’eau de subsurface mesurée entre 100 et 200 m de profondeur à 2 ° N 137 ° E (TAO = Tropical Atmosphere Ocean Project http://www.pmel.noaa.gov/tao/) à l’indice d’oscillation australe SOI (https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/enso/indicators/soi/).

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 à la surface génère des processus non linéaires conduisant à l’amplification des vents d’est à la reprise de 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.

a) Pour chaque événement ENSO survenu entre 1994 et 2016, on représente la corrélation entre le minimum du SOI filtré dans la bande 1,5 / 15 ans et la température mensuelle de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W moyennée de 125 à 175 m de profondeur, de 8 à 7 mois avant le minimum du SOI. Les étiquettes affichent le décalage des événements (en année) (Pinault, 2016). – b) Coefficient de détermination R2 par rapport à l’offset (le temps moyen écoulé jusqu’au minimum du SOI).

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.

Au-dessus, la température de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W moyennée sur 125 à 175 m de profondeur par rapport au décalage en mois. La date d’occurrence de l’événement correspond au décalage nul. Au-dessous, le signal brut SOI et filtré dans la bande 1,5 / 15 ans.

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 de 125 à 175 m de profondeur atteint un maximum. Cependant, bien qu’atténués, les pics correspondant à l’onde annuelle doivent être distingués des pics résultant de la phase de propagation vers l’est de l’onde quadriennale. Seuls les seconds anticipent les événements ENSO. Aucun indice ne permet de distinguer les différents pics de la température de l’eau de subsurface. 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 peuvent être distingués à l’aide du SOI qui diminue avec la température dans le cas d’un pic précurseur. À partir de là, une relation linéaire permet d’estimer l’amplitude de l’événement qui se produira 8 à 7 mois plus tard. Cette méthode d’estimation de la date d’occurrence de l’ENSO est simple et certainement plus précise que celle utilisée pour démontrer la faisabilité de la méthode en filtrant le signal SOI, ce qui n’est d’aucune utilité pratique. Sinon, l’anticipation du décalage permet d’estimer la prévisibilité de la température de surface.

L’intérêt de la mesure de la température de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W est que les pics correspondant aux ondes annuelles et quadriennales ne se chevauchent pas, ce qui explique la relation linéaire simple des couples T-SOI. En d’autres termes, les pics liés à l’onde quadriennale ne sont pas interférés par l’onde annuelle. Ceci suggère que le ventre le plus méridional de l’onde annuelle situé dans l’hémisphère nord devient plus étroit lorsque la propagation vers l’est de l’onde quadriennale se produit, à cause de la croissance du ventre central-oriental de cette onde quadriennale.

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 chute.

La température mensuelle de l’eau de subsurface à 2 ° S 180 ° W moyennée de 125 à 175 m de profondeur. Les lignes rouges indiquent la phase de maturation des événements ENSO, les flèches vertes les pics résultant des ondes quadriennales, utilisés pour la prévision des événements ENSO, les flèches rouges les pics résultant des ondes annuelles qui sont de faux annonciateurs des événements ENSO. Les flèches épaisses montrent la chute de température pendant l’intensification de La Niña. Les pics survenant au cours de la phase de maturation des événements ENSO sont ignorés puisqu’ils concernent nécessairement les ondes annuelles (deux événements ENSO successifs sont au moins séparés d’un an et demi).

Conclusion

Les pics de température de l’eau de subsurface mesurés au ventre central-oriental de l’onde quadriennale à 2 ° S 180 ° W reflètent distinctement l’onde annuelle ou quadriennale, sans aucun chevauchement. La prévision des événements chauds est simple, à condition que l’amplitude et la date d’occurrence des événements soient correctement définies. Les pics correspondant à l’onde quadriennale, reconnaissables à la diminution du SOI en même temps que la température, permettent de prédire la date d’occurrence ainsi que l’amplitude des événements ENSO chauds 8-7 mois avant la phase de maturation de l’ENSO. L’origine d’un pic ne pourrait être connue plus tôt avec certitude qu’en évaluant les forces géostrophiques qui régissent la propagation vers l’est des ondes de Kelvin.

En ne prenant pas en compte explicitement la SST, la prédiction des événements ENSO chauds (amplitude, date d’apparition) s’effectue sans impliquer le décalage des événements, d’où un gain de fiabilité et de précision par rapport aux modèles statistiques actuels. Cette simplicité apparente montre que les interactions océan-atmosphère dans le Pacifique central-oriental induisent une forte cohérence entre les températures de l’eau de subsurface et la circulation de Walker, quand elles sont considérées globalement. Plus précisément, la linéarité de la relation T-SOI des couples déduits des sept événements ENSO suggère la proportionnalité de 1) l’augmentation de la température de l’eau de subsurface représentative du ventre central-oriental de l’onde quasi-stationnaire quadriennale, 8-7 mois avant la phase de maturation de l’ENSO 2) l’accroissement moyen des flux thermiques dans le Pacifique central-oriental supérieur résultant des processus de convection induits 3) l’intensification de l’accumulation d’humidité dans les basses couches de l’atmosphère 4) la chute de pression atmosphérique au niveau de la mer entre le Pacifique central-oriental et occidental.

La prévision des événements froids doit considérer que l’upwelling dans le Pacifique oriental peut être fortement stimulé pendant la propagation vers l’ouest de l’onde quadriennale, ce qui peut considérablement renforcer la reprise de La Niña comme cela s’est produit à la fin de 1998 et 2016. De tels événements peuvent être anticipés quelques mois avant la phase de maturation de l’événement ENSO à partir de la chute de la température de l’eau de subsurface.

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

Pinault J.L. (2015) Long Wave Resonance in Tropical Oceans and Implications on Climate: the Pacific Ocean, Pure and Applied Geophysics, DOI: 10.1007/s00024-015-1212-9

Pinault, J.-L. (2016) Anticipation of ENSO: what teach us the resonantly forced baroclinic waves, Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics,
http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03091929.2016.1236196

Pinault J.L. (2018) Anticipation of ENSO: what teach us the resonantly forced baroclinic waves (continuation) Journal of Marine Science and Engineering, Physical Oceanography

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

Glossaire

[i] 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.

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

[iii] 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.

[i] 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).

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