Extrait de la Lettre n°3 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1-Structure méridienne des ondes en fonction de la latitude.

2 - Coefficients des ondes de Kelvin (à droite) et Rossby (à gauche) en fonction de la longitude et du temps, calculés à partir des données du réseau de mouillage TOGA-TAO.

Les ondes océaniques équatoriales sont supposées jouer un rôle clé dans le déroulement d'un El Niño. Pour la première fois une étude systématique de l'existence de ces ondes a été entreprise.

Tous les deux à sept ans, le Pacifique tropical est le lieu de déroulement du phénomène El Niño/Oscillation Australe (ENSO) (voir figure 1 dans "Le programme TOGA" ). C'est la manifestation la plus importante sur Terre de la variabilité climatique à court terme. Ses conséquences économiques, écologiques et humaines peuvent être dramatiques (pluies diluviennes sur l'Amérique du Sud, sécheresse dans la région indonésienne...).

Observations
Observer, comprendre et prédire cette variabilité climatique à court terme ont été les objectifs majeurs du programme TOGA (Tropical Ocean Global Atmosphere). Au cours de ce programme (1985-1994), a été mis en place le réseau de bouées TOGA-TAO (Tropical Atmosphere Ocean) couvrant actuellement l'ensemble du Pacifique équatorial (voir figure 3 dans "Le programme TOGA"). La couverture synoptique de ce réseau a été atteinte à partir de mi-1992 et il fournit désormais, en temps réel, un ensemble de mesures in situ océaniques et atmosphériques à partir desquelles peuvent être calculées, entre autre, la topographie de surface de la mer (c'est à dire le niveau de la mer) et la tension de vent en surface.

D'autres sources d'observation de cette topographie sont les mesures altimétriques des satellites GEOSAT (1986-1989) et TOPEX/POSEIDON (depuis octobre 1992). Ces deux missions satellitaires ont fourni une couverture spatio/temporelle dense du niveau de la mer dans le Pacifique tropical au cours des événements El Niño de 1986-1987, 1992-1993 et La Niña de 1988-1989.
A l'aide de ces deux jeux de données (in situ et altimétriques), il est désormais possible de confronter théories d'ENSO et observations. En particulier, le mécanisme de "l'oscillateur retardé" (Schopf et al., 1988, Battisti, 1988) repose sur l'existence des ondes équatoriales océaniques, ondes affectant notamment la topographie de surface de la mer (niveau de la mer).

Ondes équatoriales
La structure thermique de l'océan Pacifique équatorial est telle que la couche d'eau superficielle, chaude, bien mélangée, de température homogène, a une épaisseur située entre 150 et 200 mètres dans le Pacifique ouest et s'amenuise à moins de 50 mètres dans le bassin est, au large des côtes de l'Amérique centrale. La thermocline est la zone qui limite cette couche en profondeur, zone où la température décroît fortement. Les coups de vents dans la zone équatoriale exercent une pression sur la surface de la mer, agissant ainsi à la fois sur le niveau de la mer et sur la profondeur de la thermocline, et donnent lieu à la propagation d'ondes.

Au cours des événements El Niño, seules les ondes de Kelvin et de Rossby peuvent jouer un rôle influent. Les ondes de Kelvin (figure 1) se propagent d'ouest en est à une vitesse proche de 3,0 m/s. Les ondes de Rossby (figure 1; nous nous limitons ici au premier mode méridien) se propagent d'est en ouest à une vitesse proche de 1,0 m/s. Dans le cas d'une anomalie de vent d'ouest (fort coup de vent soufflant de l'ouest vers l'est), anomalie car dans cette région les vents réguliers sont les alizés qui soufflent de l'est vers l'ouest, les ondes générées sont:

- une onde de Kelvin de "downwelling" à l'est, c'est à dire se propageant vers l'est, à partir de l'endroit où a eu lieu le coup de vent,
- une onde de Rossby d'"upwelling" à l'ouest.

Si au contraire l'anomalie est d'est, les ondes sont respectivement d'"upwelling" et de "downwelling".
Le terme "downwelling" signifie élévation du niveau de la mer et approfondissement de la thermocline, le terme "upwelling" signifiant l'inverse.

Un autre aspect fondamental du mécanisme de "l'oscillateur retardé" concerne la fin d'un événement El Niño. Il repose sur la réflexion des ondes de Rossby sur le bord ouest du bassin Pacifique (côte asiatique). Au cours d'un événement chaud El Niño, des anomalies de vents d'ouest (coup de vent d'ouest) sont observées depuis le Pacifique ouest jusque dans le Pacifique central. Ces anomalies de vent engendrent des ondes de Kelvin de "downwelling" qui, en se propageant vers l'est, vont amplifier le réchauffement des couches de surface océaniques. Elles engendrent également des ondes de Rossby d'"upwelling" qui, en arrivant sur la côte ouest du bassin, se transforment, lors de leur réflexion, en ondes de Kelvin, toujours d'"upwelling". Ces dernières se propagent alors vers le Pacifique central où elles agissent contre le développement de l'instabilité chaude en provoquant notamment une remontée de la thermocline et des eaux froides, plus profondes, vers la couche superficielle. Dans la théorie de l'oscillateur retardé, ce mécanisme est suggéré comme responsable de la fin des événements chauds El Niño. Bien que l'existence des ondes équatoriales de Kelvin et de Rossby ait déjà été démontrée, aucune étude n'avait jusqu'à présent permis de quantifier sur plusieurs années des mécanismes de propagation/réflexion de ces ondes à travers l'ensemble du bassin Pacifique. Ces deux aspects (propagation et réflexion) ont été abordés à l'aide de données dans les deux études suivantes.

Résultat des analyses du niveau de la mer
D'une part, utilisant les données GEOSAT, il a été possible d'étudier la variabilité des ondes équatoriales au cours des épisodes El Niño de 1986-1987 et La Niña de 1988-1989 et montré que les ondes de Kelvin et de Rossby expliquaient plus de 70% de la variance du niveau de la mer dans la bande équatoriale (4°N-4°S). La qualité des données de GEOSAT dans le Pacifique ouest n'a pas permis d'étudier les réflexions de ces ondes sur la côte.

D'autre part, après avoir développé une méthode originale de séparation des ondes à partir du niveau de la mer, il a été possible d'utiliser les données TOPEX/POSEIDON et TOGA-TAO de novembre 1992 à décembre 1993. Des ondes de Kelvin et de Rossby, se propageant aux vitesses théoriques, ont ainsi été mises en évidence (figure 2). De plus, la méthode mise au point permettant de calculer les amplitudes des ondes jusqu'au bord ouest du bassin Pacifique, les réflexions des ondes de Rossby en ondes de Kelvin ont pu être étudiées. Les conclusions sont, d'une part, que les ondes de Rossby ne semblent pas se réfléchir sur la frontière maritime du Pacifique ouest et, d'autre part, que le vent dans cette région explique une grande part de la variance du signal en onde de Kelvin se propageant vers le Pacifique central. Les résultats ne plaident donc pas en faveur du mécanisme de l'oscillateur retardé. Toutefois, cette étude doit être confirmée par l'analyse d'observations sur plusieurs années afin de séparer les influences du cycle saisonnier et de la variabilité de type ENSO. Ainsi, le maintien du réseau TOGA-TAO et la surveillance altimétrique des océans sur plusieurs années sont indispensables pour mieux appréhender les processus couplés mis en jeu dans la variabilité climatique saisonnière et inter-annuelle.

Contact :
J.-P. Boulanger - C. Menkes
LODYC, CNRS/IRD/UPMC
Université Pierre et Marie Curie
4, Place Jussieu
75252 Paris cedex 05