Dossier : Climat   
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L'Oscillation Nord Atlantique
Extrait de la Lettre n°15 Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)


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L'indice de l'Oscillation Nord Atlantique relie l'intensité de la dépression d'Islande à celle de l'anticyclone des Açores. Ses fluctuations ont des conséquences directes sur le climat de l'Europe, en particulier l'Europe de l'Ouest.



   

Pourquoi tant d'intérêt pour la NAO ?
Les fluctuations climatiques aux moyennes et hautes latitudes se caractérisent par un petit nombre de structures bien définies, ou modes de variabilité, exhibant une forte cohérence spatiale à grande échelle. Sur le bassin Atlantique, l'Oscillation Nord Atlantique (ou North Atlantic Oscillation, NAO) est le mode atmosphérique dominant. Son influence s'étend de la côte est des Etats-Unis à l'Eurasie et de l'Afrique du Nord/Moyen-Orient jusqu. l'Arctique.

La NAO, «traquée» depuis près de deux siècles par les météorologistes, connaît depuis quelques années un fort regain d'intérêt. Ceci s'explique en particulier par le fait que la signature spatiale du réchauffement observé au cours du dernier siècle (avec une accélération marquée au cours des trois dernières décennies) présente de grandes similitudes avec les anomalies de température de surface associées à la NAO. Cette tendance climatique pourrait être en partie liée aux activités humaines et à l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre. La compréhension des mécanismes à l'origine de la NAO et de ses liens avec le changement global est donc essentielle si l'on veut détecter et identifier la signature de ce dernier.

De plus, les variations climatiques à plus courtes échelles de temps (de l'ordre du mois ou de la saison) qui sonté galement associées à la NAO (en termes d'anomalies de température, de précipitation ou de trajectoires privilégiées des tempêtes) affectent de nombreuses activités humaines comme la gestion des ressources énergétique et hydraulique, l'agriculture ou la pêche. Comprendre le fonctionnement de la NAO et prévoir ses fluctuations temporelles répond donc aussi à une demande sociale.





1 : La NAO d'hiver
 

Définition classique de la NAO
La NAO représente une redistribution de masse atmosphérique entre les régions arctiques ou subarctiques et les régions subtropicales de l'Atlantique. Plus précisément, la NAO lie l'intensité de la dépression d'Islande à la force et l'extension de l'Anticyclone des Açores. Le champ de pression de surface au niveau de la mer, pour lequel on dispose de séries chronologiques relativement longues est classiquement utilisé pour caractériser l'oscillation. Les moyennes mensuelles ou saisonnières et les mois d'hiver sont traditionnellement retenus (décembre à mars) dans la mesure où la signature de la NAO en terme d'impacts est la plus forte, étant associée à l'activité maximale de la dynamique atmosphérique en cette saison. La structure spatiale de la NAO d'hiver est présentée sur la Figure 1a, révélant deux noyaux principaux d'anomalie de pression de signe opposé, qui s'étirent respectivement de l'Islande au Spitzberg et du centre du bassin Atlantique Nord à la péninsule Ibérique et la France. On parle de phase positive lorsque les deux centres d'action se renforcent (creusement de la dépression d'Islande, gonflement et intensification de l'Anticyclone des Açores) ou de phase négative lorsque les deux s'affaiblissent simultanément (figure 1a).




Son évolution sur les 150 dernières années
La NAO se mesure traditionnellement à l'aide d'un indice calculé comme un différentiel de pressions de surface normalisées entre les Açores (ou proches régions tels le Portugal ou Gibraltar) et l'Islande. Son évolution temporelle est présentée en Figure 1b, et met en évidence une forte variabilité sans présenter, contrairement au phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation), d'échelles de temps caractéristiques. On note cependant que la fin du XXè siècle est dominée par l'alternance de périodes décennales qui privilégient les phases négatives dans les années 50 à 60 et positives depuis. Ces trente dernières années se rapprochent du début du siècle, où une certaine persistance en phase positive était également décelable, mais contrastent par les fortes valeurs de l'indice (7 parmi les 10 valeurs les plus élevées au cours des 150 dernières années ont été enregistrées depuis 1980).








2 : Anomalies d'activité
 

Les impacts de la NAO
Vent, température, précipitation
En phase positive, le renforcement du gradient méridien de pression sur l'Atlantique Nord induit un renforcement des vents dominants d'Ouest en hiver au-delà de 45°N. Il correspond à un déplacement vers le nord des routes dépressionnaires et à une augmentation de l'activité des tempêtes associées (figure 2a). Le transport de masses d'air océanique doux et humide vers les continents en est directement affecté et engendre des anomalies de températures et pré cipitations aux échelles régionales. Une variation d'un écarttype de l'indice NAO se traduit en hiver par des anomalies de température de surface importantes, supérieures à 1°C sur l'Europe (figure 2b). Compte tenu du renforcement des hautes pressions au Sud, les régions du bassin méditerranéen sont relativement protégées des tempêtes et connaissent des hivers plutôt secs alors que la moitié nord de l'Europe occidentale reçoit de plein fouet les dépressions hivernales et son lot de précipitation, douceur et vent violent (figure 2c). En phase négative, les impacts sont opposés en première approximation.


Sur les trois dernières décennies
La prédominance des phases positives de la NAO sur les trois dernières décennies a fortement contribué au réchauffement observé des températures de surface de l'hémisphère Nord et à la sécheresse chronique sur l'Europe méditerranéenne. La diminution des pluies hivernales sur les régions méridionales affecte le bilan hydrique annuel des sols et a d'importantes conséquences en termes de réserves en eau. L'augmentation de l'activité dépressionnaire au-delà de 45°N au cours de cette même période est responsable de la tendance observée dans les mers nordiques (renforcement des conditions de houle et de hauteur de vague qui nécessitent des aménagements infra-structurels (ports, plate-formes pétrolières, etc. ).

Outre-atlantique, des descentes d'air polaire refroidissent le Groenland et le nord-est du Canada de façon significative. Notons cependant qu'elles se cantonnent au Labrador et au nord du Québec, la côte est des Etats-unis jouissant d'hivers plus cléments (diminution des fortes incursions neigeuses). Des anomalies importantes d'étendue de glace de mer accompagnent également les changements de circulation atmosphérique dans les régions subpolaires avec une extension prononcée de la banquise vers le sud en Mer du Labrador et un retrait important vers le pôle entre Groenland et Scandinavie au cours des 20-30 dernières années.




Une vision simplifiée par la statistique
L'approche présentée dans cet article est une approche plutôt statistique et non pas dynamique à l'échelle du « temps» ou de la perturbation atmosphérique. Ainsi ce n'est pas parce que statistiquement les dépressions sont rejetées plus au Nord (Ecosse, Norvège. ) pendant les phases positives de la NAO qu'une tempête de très forte intensité ne pourra pas frapper le sud de la France, comme ce fut par exemple le cas des dépressions de décembre 1999. Ce n'est pas non plus parce que statistiquement les hivers sont doux sur l'Europe du Nord en phase de NAO positive qu'une très forte vague de froid avec des précipitations neigeuses importantes ne pourra pas paralyser l'ensemble du continent de manière ponctuelle.




 


3 : Anomalies de pression de surface

 

La NAO : un acteur parmi d'autres
La NAO qui est certes le mode de variabilité dominant, n'explique en fait au maximum que la moitié de la variance totale interannuelle en hiver. D'autres modes tels le «blocage» ou le «régime dorsale» jouent également un rôle important et se trouveraient même davantage associés aux «extrêmes météorologiques».

Le régime dorsale (figure 3a) se caractérise par un gonflement de l'Anticyclone des Açores recouvrant tout le bassin Atlantique pouvant éventuellement conduire à un courant de Nord/Nord-Ouest sur le continent européen favorable à des épisodes neigeux importants sur les massifs montagneux exposés. Le blocage ou «régime Groenland-Scandinavie» (figure 3b) se réfère au dipôle Est-Ouest de pression où un anticyclone persistant recouvre le nord de l'Europe et la Scandinavie induisant des coulées d'air sec sibérien sur le continent européen. Notons que les anomalies de pression associées à ces deux régimes affectent les stations météorologiques traditionnellement utilisées pour calculer l'indice NAO. Ce dernier, dans certains cas, peut ainsi s'avérer trompeur ou incomplet, et, comme tout indice climatique (analogie avec les indices ENSO par exemple), il doit être considéré avec précaution.

Ces régimes, dorsale et blocage, avec les deux phases de la NAO constituent les principaux modes de variabilité climatique de l'Atlantique Nord. La compréhension de leur occurrence plus ou moins privilégiée selon les hivers et la prise en compte des interactions d'échelleà la fois spatiale (de la tempête à la structure globale sur le bassin) et temporelle (du jourà la tendance sur plusieurs décennies) qui leur sont associées, apparaissent comme le défi des futurs axes de recherche en variabilité et prévision climatique.




Origines de la NAO
Un mode atmosphérique intrinsèque
Les modèles de circulation générale atmosphérique dans lesquels on impose les températures de surface de la mer climatologiques (i.e. sans anomalies interannuelles) et dans lesquels on fixe les autres composantes du système climatique (cryosphère, biosphère etc. ) exhibent des fluctuations atmosphériques sur l'Atlantique Nord dont les caractéristiques spatiales sont très similaires à celles de la NAO observée. Il apparaît que la NAO est en fait un mode de variabilité intrinsèque à l'atmosphère dont les mécanismes reposent sur l'interaction entre l'écoulement moyen (courant-jet de haute altitude, ondes atmosphériques stationnaires etc. ) et les tourbillons synoptiques transitoires (ou tempêtes). Ainsi, le modèle d'atmosphère n'a pas «besoin» de la variabilité océanique ou des autres sous-systèmes climatiques pour reproduire le mode spatial NAO (contrairement à l'ENSO) ; en revanche, les fluctuations temporelles de la NAO simulée ne privilégient aucune période caractéristique. Comment expliquer alors les fluctuations décennales nettement décelables sur les 50 dernières années ? Une possibilité est l'influence d'un autre sous-système climatique à mémoire lente (par contraste avec la composante atmosphérique rapide), capable de modifier l'occurrence et/ou la persistance de phases spécifiques de la NAO.



4 : Anomalies de température de surface de la mer

 

La réponse de l'océan
L'océan est le principal candidat. Des anomalies océaniques de grande échelle sur le bassin Atlantique sont étroitement liées aux phases de la NAO. Elles présentent une structure latitudinale à trois branches, des subtropiques au bassin arctique (figure 4). Les perturbations de la circulation atmosphérique de surface (vent, température etc. ) associées à la NAO sont, en très grande partie, responsables de ces anomalies tripolaires. En effet, par la modification des échanges air-mer (chaleur latente et sensible), l'atmosphère «imprime» ses anomalies à l'océan de surface. En phase positive et en hiver le renforcement des vents d'Ouest sur le nord du bassin Atlantique, associé à la course plus septentrionale des tempêtes, tend à refroidir davantage l'océan par augmentation de l'évaporation de surface, alors que des conditions plus clémentes aux moyennes latitudes tendent à le réchauffer anormalement (diminution de l'évaporation). Les descentes d'air froid et sec d'origine polaire sur le Nord-Ouest du bassin tendent également à refroidir les surfaces océaniques (Mer du Labrador) alors que les remontés d'air plus chaud (régime de Sud-Ouest dominant) tendent à les réchauffer (le long des côtes américaines et européennes). Dans les tropiques, l'intensification des alizés due au renforcement de l'Anticyclone des Açores induit un refroidissement du bassin tropical de l'Atlantique Nord en réponse à une évaporation de surface plus intense.

Le couplage «océan-atmosphère» dans les modèles : le coupleur OASIS
Traditionnellement les chercheurs étudient le fonctionnement l'atmosphère en utilisant des modèles numériques de la circulation générale atmosphérique (AGCMs) et, de façon séparée, celui de l'océan grâce à des modèles de circulation générale océanique (OGCMs). Mais une compréhension globale du système climatique ne peut être envisagée qu'avec l'aide des modèles de circulation générale couplés (CGCMs), c'est-à-dire intégrant de façon interactive les composantes océanique et atmosphérique. Le Centre Européen de la Recherche et de la Formation Avancée en Calcul Scientifique (CERFACS) de Toulouse développe depuis une dizaine d'années des outils logiciels permettant de coupler des modèles de circulation générale océanique et atmosphérique développés de façon indépendante par des groupes différents. Le coupleur Oasis permet d'échanger de façon synchronisée les champs de couplage à l'interface de ces modèles et d'effectuer les transformations requises pour exprimer, sur la grille du modèle cible, les champs de couplage fournis par le modèle source sur sa propre grille. Grâce à ses concepts fondamentaux de modularité, de flexibilité et de portabilité, Oasis est aujourd'hui utilisé par une vingtaine de groupes de recherche en France, en Europe, ainsi qu'aux Etats-Unis, au Japon, en Chine, en Australie, et au Canada.

Cette reconnaissance internationale lui a également permis d'être au centre du projet PRISM financé jusqu. fin 2004 par la Communauté Européenne. PRISM vise la mise en place d'une infrastructure Européenne facilitant l'assemblage, l'exécution et le post-traitement de modèles climatiques couplés globaux.
Contact : Sophie Valcke



La «boucle» océan/atmosphère
Des études récentes semblent indiquer que cette structure océanique tripolaire, bien qu'initialement créée par l'atmosphère, rétroagit sur l'atmosphère des moyennes et hautes latitudes depuis le bassin tropical : les anomalies océaniques subtropicales créées par une phase donnée de la NAO tendent à altérer la cellule de Hadley et le jet qui in fine vont privilégier la même phase de la NAO, permettant ainsi sa persistance sur plusieurs mois consécutifs.

La persistance interannuelle s'expliquerait alors par les constantes de temps lentes de l'océan (plusieurs mois sont nécessaires à la destruction d'anomalies thermiques océaniques). Aux échelles pluri-décennales, des perturbations de la circulation thermohaline, principal moteur du transport océanique de chaleur des tropiques vers le nord, seraient susceptibles de modifier cette dynamique.

Même si l'Atlantique semble jouer le rôle majeur dans le forçage océanique, d'autres bassins ont également une influence sur la région Europe Atlantique. Un certain nombre d'analyses montrent en particulier que l'Océan Indien et Pacifique Ouest, par leur réchauffement sur les dernières décennies, expliqueraient pour moitié environ la tendance en pression de l'hémisphère Nord qui ressemble très fortement à la phase positive de la NAO ou de l'AO.


D'autres interactions en jeu
Les fluctuations interannuelles à décennales de la NAO peuvent aussi s'expliquer par d'autres couplages en particulier avec les surfaces continentales et/ou avec la glace de mer. La mémoire des sols (humidité, réservoir, couverture neigeuse, végétation) peuvent jouer un rôle très important sur la NAO. Des études ont montré, par exemple, à l'aide d'un modèle atmosphérique, qu'une disparition de la forêt tropicale tend à accroître les régimes de tempêtes sur l'Atlantique Nord et à privilégier une phase de la NAO. En effet, la destruction de la forêt amazonienne perturbe fortement le régime des pluies tropicales et affecte la cellule de Hadley qui à son tour influence la dynamique atmosphérique de l'Atlantique Nord. De même, la diminution des surfaces enneigées sur l'Eurasie au cours de ces dernières décennies due au réchauffement global influencerait la circulation atmosphérique et tendrait à privilégier des phases positives de la NAO.






5 : Schémas récapitulatifs des impacts associés aux deux phases de la NAO

 

Conclusion
Nous avons brièvement décrit la NAO comme une oscillation intrinsèque à l'atmosphère qui affecte l'équilibre dynamique entre la dépression d'Islande et l'Anticyclone des Açores. Elle est responsable d'anomalies climatiques importantes sur tout le bassin Atlantique Nord et sur les continents adjacents principalement en hiver, en termes de températures, de précipitations et de routes des tempêtes. La figure 5 (pages couleur) résume de manière schématique les impacts associés aux deux phases.

L'évolution temporelle de la NAO au cours de la deuxième moitié du siècle dernier se caractérise par une succession de périodes décennales dominées par une polarité de l'oscillation (ce qui se traduit, par exemple, par une forte tendance vers des phases positives de l'oscillation depuis 1970). Cette persistance aux échelles décennales suggère la possibilité de l'influence de sources de forçage autres que celles associées à des mécanismes purement atmosphériques. Les candidats les plus probables sont les autres composantes du système climatique, comme les océans et les surfaces continentales, dont les paramètres caractéristiques (température de surface de la mer, humidité du sol, couverture et épaisseur de neige) exhibent des fluctuations à des échelles temporelles bien supérieures à celles qui caractérisent l'atmosphère des moyennes et hautes latitudes.

Enfin, il est essentiel de mieux comprendre les liens éventuels entre la perturbation liée au forçage anthropique (augmentation de la concentration des gaz à effet de serre) et les modes de variabilité caractéristiques du système climatique. En particulier, l'idée que l'influence de cette perturbation se traduise par une réorganisation des modes de variabilité (par exemple en privilégiant la NAO sur les autres modes de la région Europe Atlantique Nord) doit être étudiée à l'aide de simulations numériques (scénarios climatiques) et de données observées toujours plus réalistes.

Ces questions sont au coeur du projet européen ENSEMBLES qui réunit la plupart des acteurs de la communauté climatique européenne et qui vient d'être soumis à la commission européenne.


Ces recherches sont développées dans le cadre des programmes PNEDC, CLIVAR et du projet européen PREDICATE. Elles sont menées en collaboration avec les laboratoires de l'IPSL, de Météo-France, les laboratoires européens partenaires de PREDICATE ainsi que le NCAR.



Contact : Christophe Cassou et Laurent Terray
CERFACS-URA 1875
42 Avenue Gustave Coriolis - 31057 Toulouse (France)

 




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