Extrait de la Lettre n°9 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Observation dans le Pacifique équatorial de 1993-1997 montrant le déroulement de l'El Nino 1997.

2 - Anomalies de niveau de la mer extraite des données de TOPEX-POSEIDON pour le 25 décembre 1996, le 24 avril 1997 et pour le 5 septembre 1997 (en provenance du LEGOS, Toulouse) montrant la naissance et le développement de El Niño 1997.

3 - Prévision saisonnière expérimentale effectuée par le Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme.

4 - Schéma illustrant la réponse de l'océan à un coup de vent dans la région du front de salinité du Pacifique central.

El Niño est un puissant régulateur climatique, entre les tropiques vers les latitudes tempérées. C'est un élément essentiel du climat terrestre dont la compréhension permettra une meilleure appréhension des ajustements climatiques. Son observation intensive est indispensable pour guider les études de mécanismes et notre capacité à le décrire correctement par nos modèles est mesurée par les tests de prévision.

El Niño 97
L'année 1997 vit s'épanouir des anomalies climatiques spectaculaires dans toute la ceinture de l'océan Pacifique tropical. Les feux catastrophiques en Asie du sud-est se développèrent pendant l'été, puis ce fut le tour de l'Australie. Pendant l'automne et l'hiver qui suivirent, la Californie et l'Amérique centrale subirent de violentes précipitations, alors que la sécheresse sévissait dans la région du Nordeste brésilien. Une cause unique est à l'origine à ces dérèglements, le phénomène El Niño.

Dès le début de l’année 1997, le satellite franco-américain TOPEX-POSEIDON a détecté le gonflement impressionnant du niveau de la mer dans le Pacifique équatorial qui se propagea rapidement d'ouest en est pendant le mois d'avril. Pourtant, les controverses sur l'arrivée d'un El Niño allaient bon train depuis quelques mois déjà dans le monde scientifique. Depuis le début des années 90, plusieurs centres utilisent des simulations numériques pour prévoir l'évolution des anomalies à quelques mois d'échéance. El Niño 1997 passa complètement inaperçu dans certains systèmes de prévision qui avaient anticipé avec succès le développement des El Niño de 1982-83, 1986-87, 1991-92 plus d'un an à l’avance. En revanche, les systèmes d'observation avaient détecté, dès novembre 1996, la présence d'une anomalie exceptionnelle. El Niño fut au rendez-vous : le signal de réchauffement s'étendit sur tout l'équateur, en moins d'un mois, en avril 97; il gagna en amplitude pendant tout l'été pour être pleinement développé pendant l'automne et l'hiver avec des conséquences climatiques dramatiques dont la presse fit écho. Il régressa à la fin de l'hiver 1997-98 et des anomalies froides de moindre amplitude lui succédèrent à partir de juin 98. Le cycle Niño 97 / Niña 98 bénéficia d'une couverture exceptionnelle grâce aux observations spatiales, aux réseaux d’observations in-situ et à l'effort d'interprétation et de simulation numérique. De nombreuses équipes travaillent pour reconstituer toutes les phases de l’anomalie et pour comprendre pourquoi un événement aussi intense a produit une divergence aussi importante dans les systèmes d'analyse.

Les moyens d’observations

Le réseau d’observation dans l’océan pacifique
L'océan Pacifique a été progressivement instrumenté pour mieux cerner le développement des anomalies tropicales. Les premiers réseaux de mesures furent le réseau des navires marchands et celui des marégraphes. Ces réseaux furent complétés, lors du programme international TOGA (Tropical Ocean and Global Atmosphere), voir " Le programme TOGA ", par un réseau de nouvelle conception qui suit les processus le long de l'équateur. Ce réseau TAO (Tropical Atmosphere Ocean) est constitué de mouillages instrumentés qui mesurent, en continu, les conditions atmosphériques (vent, température de l'air, humidité) et la température dans les premiers niveaux de l'océan jusqu'à 400 mètres de profondeur.

Le déploiement du dispositif, soixante neuf mouillages qui couvrent l'océan tropical entre 8°S à 8°N, a pris plusieurs années et est réellement opérationnel depuis 1992. Certains sites privilégiés sont également équipés de mesures de courant et de salinité. Les données sont transmises en temps réel par satellite et accessibles à tout chercheur. C'est grâce à ce système que fut détectée, dès novembre 1996, l'accumulation d'eau chaude, vers 150 mètres de profondeur, dans la région ouest du Pacifique tropical.

Les données satellites
Depuis 1982, au jeu de mesures in situ, s’ajoutent les données des satellites indispensables pour obtenir une image globale de l'évolution climatique. Les années 90 correspondent en particulier au lancement des satellites dédiés à l'océanographie. Dès 1992, les satellites ERS1 puis ERS2 permettent de déterminer le vent soufflant à la surface des océans. Et surtout, depuis 1992, nous bénéficions du satellite TOPEX-POSEIDON dont le radar altimétrique mesure les variations du niveau de la mer avec une précision centimétrique. Ces réseaux d'observation permettent de suivre étape par étape le déroulement des anomalies El Niño, conjointement dans l'océan et dans l'atmosphère.

Le développement spatio-temporel d'une anomalie est complexe et l'événement de 1997 a bénéficié d'une couverture spatiale exceptionnelle par la radiométrie, la diffusiométrie et l'altimétrie (figure 1). Ces instruments apportent des informations complémentaires sur le développement des anomalies. Les radiomètres suivent la température de surface, qui est le paramètre clé du couplage air-mer alors que le diffusiomètre suit le champ de vent à la surface de l'océan et l'altimètre mesure les variations du niveau de la mer qui correspondent à l'ajustement dynamique de l'océan sous l'effet du vent et des flux.

Les observations 1995-98
L'altimètre de TOPEX-POSEIDON montre une surélévation du niveau de la mer dans le Pacifique ouest depuis l'été 1995 (figure 1). Les mouillages TAO permettent de vérifier qu'à l'automne 1996, cette surélévation du niveau de la mer correspond à un enfoncement de la thermocline océanique dans la partie ouest de l'océan Pacifique. Cette masse d'eau chaude commence à se déplacer lentement vers le Pacifique central pendant l'hiver 1996-97 et le printemps. On note pendant cette période de forts coups de vent d'ouest dans le Pacifique ouest. Au début du printemps 1997, le niveau de la mer est très élevé dans la partie ouest du Pacifique de part et d'autre de l'équateur. A cette époque, il n'y a pas encore d'anomalie significative en température de surface. Vers la fin du printemps, le phénomène accélère brutalement. L'augmentation du niveau de la mer se propage très rapidement vers l'est, le long de l'équateur, pour atteindre un maximum d'amplitude sur la côte de l'Equateur (figure 2).

Les anomalies de température de surface apparaissent à partir d'avril. Elles amplifient rapidement avec un maximum à l'est sans propagation apparente. Ce n'est qu'avec l'apparition d'anomalies de température de surface océanique que s'organisent distinctement les anomalies atmosphériques. A l'ouest des anomalies équatoriales chaudes de l'océan, apparaissent des anomalies de vents d'ouest qui caractérisent la diminution des alizés (figure 1). Il y a alors développement d'une instabilité couplée entre océan et atmosphère et l'anomalie s'amplifie pour atteindre sa pleine maturité pendant l'automne 97 et l'hiver 97-98, période où elle affecte de manière importante le climat de l'hémisphère d'hiver, en particulier sur le continent nord-américain.

Prévision
Pourquoi, malgré la clarté et l’ampleur du signal, l’épisode 1997 n'a-t-il pas été détecté par tous les systèmes de prévision ? Un système de prévision est composé de deux éléments : un modèle dynamique qui calcule l'évolution temporelle des différentes variables à partir de conditions initiales, et un système d'analyse qui contraint l'état initial du modèle par des observations. De nombreux modèles conceptuels travaillent sur un mode de perturbation, comme le modèle proposé par Zebiak et Cane (1987); c'est-à-dire que seules les anomalies par rapport au cycle saisonnier moyen sont calculées. Les caractéristiques saisonnières moyennes de la circulation atmosphérique et de la température de surface de l'océan sont imposées. La pertinence d'un modèle donné se vérifie a posteriori, par comparaison aux observations et bon nombre de ces modèles ont été ajustés sur les observations des années 80. Le système d'analyse, quant à lui, permet d'ajuster les conditions initiales en utilisant les observations.

Parmi les précurseurs potentiels d’El Niño, l'un des plus utilisés est le vent. Cette idée est basée sur le fait que les déformations de la thermocline tropicale sont expliquées au premier ordre par le champ de vent. Cane, Zebiak et Dolan (1986) forcent leur système océanique par les anomalies du vent observé avant de démarrer une prévision avec le système couplé. La technique fut améliorée par Chen et al. (1995) qui filtrèrent le système couplé dans sa phase de préconditionnement et qui obtinrent de remarquables scores de prévision pour les El Niño des années 1979-1992. Or, les systèmes de prévision, basés sur des modèles de perturbation ou dont la seule initialisation repose sur la connaissance du champ de vent, ont eu beaucoup de difficulté à reproduire les conditions chaudes prévalant dans le Pacifique de 1992 à 1995 et ils n'ont pas détecté le démarrage d'El Niño en 1997. De plus, ils n'ont pu en suivre le développement lorsque celui-ci est parvenu à maturité. Les recherches actuelles indiquent que les champs de vent utilisés dans la phase de préconditionnement (anomalies de vent calculées à partir des observations des bateaux marchands) souffraient de biais systématiques importants en 96 (dont la raison n'a pas encore été élucidée) et que l'océan était tellement froid que les anomalies ne pouvaient se déclencher (Chen et al., communication personnelle).

Cet échec de prévision ne fut pas général et certains systèmes de prévision (en particulier, le Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme) détectèrent le développement d'une anomalie majeure en 1997 dès l'hiver 1996-97 (figure 3). Le système de prévision saisonnière du Centre Européen est beaucoup plus complexe que les précédents: les états océaniques et atmosphériques sont entièrement calculés dans leur évolution spatiale et temporelle par un modèle couplé global (voir la revue sur ce type de modélisation faite par Delecluse et al., 1998); l'initialisation des prévisions repose sur l'idée que les précurseurs favorables à El Niño sont internes à l'océan (dans la stratification de la thermocline, en particulier). Les modèles dynamiques n'ayant pas toute la physique nécessaire pour représenter correctement l'état tridimensionnel de l'océan, celui-ci est initialisé avec toutes les observations disponibles en temps réel. Sont utilisées, en particulier, les profils thermiques observées par le réseau TAO et les bateaux marchands. L'accumulation exceptionnelle d'eau chaude, couplée aux coups de vent d'ouest particulièrement intenses pendant l'hiver 1996-97, semble avoir été déterminante pour le développement précoce d'El Niño en 1997. Cependant, le succès de prévision d'un événement de grande ampleur ne suffit pas à établir de façon certaine la possibilité de prévision de ces anomalies. Il faut pour cela pouvoir recommencer les tests plusieurs dizaines de fois, sur des événements différents, et en absence d'événements. Les systèmes de prévision bâtis sur les modèles couplés tridimensionnels sont prometteurs mais demandent encore de nombreux tests pour être qualifiés comme opérationnels.

Conclusion et perspectives
Cette analyse des succès et échecs des prévisions montre que notre connaissance des mécanismes qui conditionnent l'occurrence des El Niño n'est pas suffisante. Que faut-il pour déclencher El Niño? Des conditions nécessaires comme l'accumulation de chaleur dans le Pacifique Ouest, certes, mais elles ne sont pas suffisantes. Il faut comprendre pourquoi et comment cette anomalie démarre sa propagation vers le Pacifique Est.

Une des hypothèses, que nous explorons actuellement, est un couplage océan-atmosphère particulier, qui se développe en présence de coups de vent d'ouest, qui sont la signature à la surface de l'océan d'un mode de variabilité intra-saisonnier de l'atmosphère, encore très mal représenté dans les modèles atmosphériques. Ces coups de vent déclenchent des jets océaniques vers l'est, et les déformations de la thermocline associées se propagent vers l'est sous forme d'onde (figure 4). Si l'impact de ce coup de vent est suffisamment proche de la région de transition entre le réservoir chaud du Pacifique ouest et les régions de remontée d'eau froide et si la structure de l'océan s'y prête, des anomalies chaudes océaniques peuvent se développer. A leur tour, ces perturbations thermiques déclencheraient une amplification de la réponse atmosphérique. Ainsi la succession de coups de vent intenses serait un facteur de déstabilisation: elle pourrait accélérer et intensifier le développement d'un El Niño suivant la période pendant laquelle ils se produisent et suivant leurs caractéristiques.

Outre la phase d'initiation des El Niño, leur déroulement soulève également des problèmes difficiles. L'anomalie côtière qui a donné son nom à l'événement arrive parfois six mois avant l'anomalie du Pacifique central, parfois trois mois après. De plus, d'un événement à l'autre, El Niño revêt des caractéristiques différentes. Il interagit avec la variabilité de l'atmosphère et de l'océan, et son déroulement dépend de l'état moyen du système océan-atmosphère sur lequel il se développe. Certaines décennies sont marquées par des événements répétitifs (par exemple entre 1982 et 1992) puis le caractère devient erratique (par exemple, de 1992 à 1996).

La structure du Pacifique équatorial dépend de l'équilibre général du système océan-atmosphère en réponse au forçage naturel et anthropique et il est envisageable que la signature des El Niño puisse être modifiée par interaction avec la variabilité de basse fréquence (10-100 ans et plus) du système océan-atmosphère. Là encore, les théories et modèles ne sont pas convergents. Certains prédisent qu'un réchauffement global du système conduit à une amplitude plus forte des anomalies El Niño (Knutson et al., 1997, Tett, 1995); d'autres en revanche pensent que le couplage océan-atmosphère intense des tropiques peut conduire à un refroidissement régional des tropiques qui tendrait à affaiblir significativement le réchauffement global (Cane et al., 1997). Ces problématiques sont au cœur des interrogations du programme international de recherche CLIVAR (Climatic Variability and Predictability).

Contact :
Pascale Delecluse
LODYC (Unité Mixte de Recherche CNRS, IRD, UPMC)
Tour 26/4 - Case 100
4 place Jussieu
75252 Paris Cedex 05
delecluse@lodyc.jussieu.fr