Dossier : Climat   
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L'expérience TOGA-COARE


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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



1a: Réseau d'observations atmosphériques en surface et en altitude avec 3 réseaux imbriqués.




1b - Réseaux OSA et IFA. La portée minimum des 3 radars météorologiques, dont 2 Dopplers, est indiquée ainsi que la base des principaux avions.

 



2 - Diagramme Longitude-Temps de la moyenne du vent zonal dans la région COARE (moyenne méridionale de 5°N à 5°S) à 850 hPa (Analyses CEPMMT), soit environ 1500 m.





3 -Evolution temporelle de la température de la mer et du vent de surface dans la région IFA de COARE (cf Fig.1), mesurée par 8 des bateaux présents.
















4 - Champ horizontal de précipitation et de l'écoulement de l'air d'un système convectif (cas du 17 Février 1993) simulé avec le modèle de nuages du CNRM (z=300m) (Figure 4a) et déduit des observations du radar Doppler ASTRAIA (z=500m) (Figure 4b).

TOGA a montré que les évènements ENSO (El Niño - Southern Oscillation) qui surviennent tous les trois à sept ans ont leur origine dans des changements océan-atmosphère de la partie orientale du bassin pacifique équatorial. L'expérience de TOGA-COARE a consité à étudier de façon intensive cette zone durant quatre mois afin de mieux comprendre et de modéliser les mécanismes en jeu.

L'un des résultats du programme TOGA est d'avoir montré que les variabilités interannuelles du climat (ENSO) avaient pour principale origine des changements océaniques et atmosphériques dans la partie orientale du bassin Pacifique equatorial. Cette région de l'océan est caractérisée par des températures de surface toujours supérieures à 28°C (sur une étendue grande comme les USA) et constitue de fait le plus grand reservoir d'eaux chaudes d'un seul tenant de la planète. Pour cette raison, elle constitue l'un des trois grands centres d'activité convective atmosphérique tropicale et participe ainsi fortement à l'ensemble de la circulation générale atmosphérique.
A la différence des deux autres centres qui sont continentaux (Afrique et Amérique tropicales), cette région présente des interactions complexes entre 2 fluides : l'océan et l'atmosphère. Or l'atmosphère et son couplage avec l'océan sont encore mal connus dans cette région. Par exemple les estimations de la moyenne annuelle du flux de chaleur à l'interface de l'océan-atmosphère varie de 0 à 100 W m-2
Les modélisateurs du système couplé océan-atmosphère ont rencontrés de nombreuses difficultés pour simuler l'état moyen et la variabilité de cette région d'eaux chaudes. La réponse des modèles est très sensible aux représentations paramétrées des flux air-océan, de la convection atmosphérique et du mélange océanique. La communauté scientifique internationale a donc décidé de consacrer des moyens équivalents depuis l'expérience GATE dans l'Atlantique en 1974 (voir encart ci-dessous).

L'expérience COARE (Expérience sur la Réponse du système Couplé Océan-Atmosphère) a réuni environ 1200 personnes d'une vingtaine de pays pendant une période d'observations intensives de 4 mois (novembre 1992 à février 1993).
Les objectifs généraux sont de décrire et de comprendre dans la région de la zone d'eaux chaudes du Pacifique équatorial ouest :

- les principaux processus responsables du couplage océan--atmosphère;
- les principaux processus atmosphériques organisant la convection;
- la réponse océanique aux forçages atmosphériques;
- les interactions qui étendent l'influence océanique et atmosphérique de cette région à d'autres régions et vice versa.

En France, cette expérience mobilise une importante communauté scientifique. Les principaux laboratoires impliqués sont :

- le LODYC (Laboratoire d'Océanographie Dynamique et de Climatologie, CNRS--Université de Paris 6--IRD),
- le groupe SURTROPAC ("Surveillance Tropicale Pacifique", Centre IRD de Nouméa),
- le CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques, Météo-France--CNRS),
- le CETP (Centre de l'Environnement Terrestre et Planétaire, CNET--CNRS),
- le LMD (Laboratoire de Météorologie Dynamique, CNRS)
- le Laboratoire d'Aérologie (Université Paul Sabatier--CNRS).

Les principaux organismes financeurs en France ont été l'INSU (programmes PATOM et PNEDC), Météo-France, l'IRD, l'IFREMER, le CNES, le CNET et la DRED).

 

Moyens mis en œuvre
L'intérêt premier de COARE est de réunir dans cette région tropicale clé des moyens d'observation à la fois de l'atmosphère, de l'océan et des échanges entre les deux milieux. Les instruments de mesure déployés dans cette expérience représentent ce que la communauté internationale sait faire de mieux à l'heure actuelle. Cette concentration de moyens a été déployée à l'intérieur d'un réseau de trois domaines imbriqués d'échelles spatio-temporelles décroissantes (Figure 1a).
Le domaine le plus grand couvre une région de 4000 km de long sur 2000 km de large (LSA) avec un système de sondages verticaux renforcés, permettant la description de la circulation atmosphérique à cette échelle. A l'intérieur de cette maille, une zone plus restreinte (OSA), formant un hexagone de 1000 km de côté, est dédié à la documentation des systèmes précipitants (orages et pluies). Dans cette région, les 7 avions mis en oeuvre ont effectué de nombreuses mesures et de hautes cadences de sondages verticaux ont été effectués (6 radars ST mesurant le vent en continu étaient par exemple présents). Les mesures realisées dans cette zone permettront de déterminer précisement les transferts horizontaux et verticaux d'eau et de chaleur effectués par les systèmes précipitants. Les radars Doppler sur bateaux et sur avions (voir "ASTRAIA") sont des éléments clés dans cette détermination. Au sein de l'OSA, dans un carré de 500 km de coté (IFA), de nombreux moyens de mesure de flux de surface ont été réunis sur plusieurs bateaux et sur des mouillages (Figure 1b). Ces mesures de flux reposant sur toutes les techniques disponibles (méthodes de corrélation, de dissipation, ...) étaient aussi effectuées de manière complémentaire par 5 avions sur des domaines temporels moindres mais plus étendus spatialement. En paralléle avec l'échantillonage de l'atmosphère par avions, radars et sondages, les 500 premiers mètres de l'océan ont aussi été l'objet de mesures intensives grâce aux 15 bateaux participants, à un réseau de mouillages renforçant le mouillage TAO (voir " Le programme TOGA" figure 3) et à la mise en place de bouées dérivantes.

Ces moyens océanographiques mesurant essentiellement les courants, la salinité et la température, permettront pour la première fois de réaliser des bilans de ces quantités sur la région.

Premiers résultats
Dans l'expérience COARE, comme dans tout grand projet de recherche océanographique et atmosphérique, la majeure partie du travail scientifique commence une fois la phase d'acquisition des données terminée. Vu l'ampleur de l'expérience, ce travail se poursuivra au moins pendant les cinq années à venir. Pour faciliter ce travail, des banques de données ont été mises en place tant au niveau international que français.

On peut dès maintenant présenter les premiers résultats en s'appuyant sur les discussions du premier atelier de travail COARE qui s'est déroulé à Toulouse en août 1994. Une des premières conclusions de cet atelier réunissant 300 océanographes et atmosphériciens, est l'assurance qu'a la communauté scientifique de disposer d'un ensemble de données de qualité suffisante pour répondre à la problématique du couplage océan-atmosphère de cette région. Le bilan de chaleur à l'interface devrait, par exemple, pouvoir être connu à 10 W m-2 près.
Une chaîne de processus
La région COARE est généralement le siège de vents d'Est faibles (de l'ordre de 1 ms-1) dans la troposphère. Cependant, périodiquement des coups de vent d'Ouest sont observés, entraînant des changements importants dans les transferts de chaleur, d'eau et de quantité de mouvement à l'interface océan-atmosphère. Trois périodes de tels coups de vent d'Ouest ont pu être échantillonnés durant COARE, qui apparaissent avec une fréquence de 40 jours environ (figure 2). Pendant ces coups de vent, d'immenses systèmes précipitants (surperficie de plus d'1 million de km2) ont balayés la région Ouest du Pacifique. Dans la région COARE, l'océan superficiel a subi dans le même temps des changements spectaculaires (figure 3) avec une chute brusque de la température de surface (1 à 2 degré) et un approfondissement de la couche mélange, dont la hauteur passe environ de 30 à 50 mètres. Durant la même période, des ondes océaniques de Kelvin et de Rossby ont été générées par ces coups de vents et semblent intervenir dans le déclenchement ainsi que dans le déroulement d'épisodes El Niño (voir "Les ondes équatoriales et El Niño").L'origine des coups de vent d'Ouest; les systèmes précipitants

Pour comprendre la genèse de cette chaîne de processus physiques, il semble donc indispensable de comprendre l'origine de ces coups de vent d'Ouest qui reste encore mystérieuse. Différentes hypothèses ont été avancées qui sont actuellement testées au vu des observations. Elles mettent en jeu différents processus tels que l'oscillation intrasaisonnière (oscillation de l'atmosphère tropicale de 40-50 jours appelée aussi oscillation Madden-Julian), et les ondes atmosphériques de Rossby piégées dans le guide équatorial.

Au niveau atmosphérique, ces ébauches de scénarios soulignent l'importance de quantifier d'une part les transports verticaux de chaleur, d'humidité et de quantité de mouvement induits par la présence de ces systémes précipitants, et d'autre part leur effet sur l'océan superficiel (modification de la salinité et de la température de l'océan, forçage de vent à la surface). Les deux grands moyens utilisés en synergie dans ce domaine, sont les radars Doppler aéroportés et sur bateaux et les modèles numériques résolvant explicitement les nuages sur des domaines d'aire limitée (figure 4).

Les premiers résultats indiquent que les circulations dynamiques internes des systèmes précipitants observés sont assez proches à celles de systèmes observés auparavant dans d'autres régions comme l'Afrique de l'Ouest (expérience COPT 81). En revanche, à plus grande échelle, l'organisation de la convection semble complexe et reste encore difficilement compréhensible. La raison fondamentale est l'absence de forçage à grande échelle identifiable dans cette région (en dehors des périodes de coups de vent d'Ouest) qui permettrait d'organiser les systèmes précipitants à ces échelles. Celà contraste avec l'organisation à grande échelle sur des regions comme l'Afrique de l'Ouest. La circulation atmosphérique de cette dernière région, qui a beaucoup été étudiée depuis l'expérience GATE, indique en effet la présence d'ondes d'Est, modulant l'activité nuageuse (longueur d'ondes horizontales de l'ordre de 3000 km), liées principalement à une instabilité barotrope du jet d'Est Africain.

Conclusion
Après COARE, la communauté scientifique internationale a à sa disposition un jeu de données unique pour comprendre les interactions océan-atmosphère de la région du Pacifique Ouest. Plus de 20 ans après son déroulement, les données de l'expérience GATE continuent à être utilisées par la communauté des modélisateurs atmosphériciens (par exemple, les paramétrisations de la convection précipitante des modèles de climat sont en générale ajustées sur les données de GATE). Gageons qu'il en sera de même pour COARE mais en réunissant pour la première fois sur un même jeu de données, océanographes et atmosphériciens.


Contact:
Jean-Luc Redelsperger
Centre National de Recherche Météo
CNRS/Météo-France
42 Av. G. Coriolis
31057 Toulouse Cedex



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