Régimes de temps

Introduction

Jour après jour, la météo change sans arrêt. Cette matinée est froide et enneigée, et dans l'après-midi un redoux accompagné de pluie se fait. La veille, le brouillard avait persisté toute la journée ; le lendemain le vent se lève. Cette journée d’été est très chaude, et deux jours plus tard, après le passage des orages, il fait frais et humide.

Pour prévoir cette évolution du temps, nous pouvons nous appuyer sur des modèles numériques, la force brute en quelque sorte.

Il existe cependant aussi la possibilité, derrière cette diversité de temps sensible en Belgique, de rassembler des situations qui se ressemblent en quelques "paquets", de dessiner les contours de quelques situations types. Ce sont les régimes de temps. Nous vous montrerons comment la dynamique d'échelle synoptique et supra-synoptique peut s'enchaîner pour aboutir à quelques situations types chez nous. Et nous vous montrerons qu'au sein de ces régimes de temps, le temps sensible est souvent très similaire.

Atmosphère, gradients et rotation

La planète présente une double particularité que nous allons détailler. Nous allons tout de suite poser de grands mots, pour nous expliquer juste après. Il y a d'une part un gradient des principales quantités physiques en allant vers les pôles, et la rotation propre de la planète.

Déjà, gradient, qu'est-ce donc ? C'est un contraste, c'est une "pente" quelconque. Pour mieux nous comprendre prenons une maison en ces temps de froidure. À l'intérieur de l'habitation, il fait chaud, alors qu'à l'extérieur il fait froid. Le gradient en physique est une notion qui sert à modéliser ce contraste. On peut voir cette différence comme une pente. L'air chaud tente de s'écouler en quelque sorte vers le froid. Et nous en faisons l'expérience quotidienne. Dans les habitations, la chaleur tend à s'échapper vers l'extérieur.

Illustration du concept de gradient. Image piquée à ce site : http://www.energie-environnement.ch/conseils-de-saison/416-fermer-les-volets-et-les-stores-quand-la-nuit-tombe

Sur ce petit schéma nous avons illustré ce concept de pente, à travers les murs de l'habitation, avec une petite réglette pour donner les valeurs de températures. Cela reste purement schématique, mais montre comment les physiciens se représentent un contraste. Dehors, il fait froid, à l'intérieur il fait chaud, et au travers du mur il y a une pente qui mène du froid au chaud. Il semble logique que l'air chaud va "couler" le long de la pente. Nous pouvons parler aussi d'une différence de potentiel, l'air chaud représentant un haut potentiel, et l'air froid un bas potentiel. Tout comme au sommet d'une pente, il suffit de se laisser rouler jusqu'en bas. Alors qu'arrivé en bas, nous n'avons plus d'énergie potentielle, et il ne suffit plus de se laisser rouler pour remonter la pente...

Pour la température du globe, cela signifie la même chose. Plus nous allons vers les pôles et plus il fait froid en moyenne. Cela peut sembler une évidence. Le Sud, c'est le Soleil, la chaleur. Cependant, cette tendance implique effectivement une sorte de "pente", l'air ayant tendance alors à s'écouler vers le froid pour homogénéiser la température globale.

Profil de températures à la surface de la Terre, du Pôle Sud à gauche au Pôle Nord à droite

Le profil de température illustre cette pente. Il est assez fortement idéalisé (il fait nettement plus froid au Pôle Sud par exemple...) mais reste un bon schéma d’illustration. Nous voyons que la Belgique est en plein dans cette pente de températures.

Il existe le même gradient pour l'humidité, c'est-à-dire la teneur en vapeur de l'atmosphère. Les régions tropicales ont une forte teneur en vapeur d'eau, comparées aux latitudes moyennes et aux latitudes polaires. Il s'agit là aussi d'un gradient d'énergie, puisque la vapeur d'eau est une importante source d'énergie.

Teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère (en jaune - brun, les fortes humidités et en violet les faibles humidités). Image du Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies à partir des données TMI du satellite TRMM : http://tropic.ssec.wisc.edu/real-time/mimic-tpw/global/main.html

Sur cette animation, nous voyons bien que l'humidité se concentre dans les régions tropicales. De plus, nous voyons également que l'humidité est entrainée vers le Nord-Est pour alimenter un peu les latitudes moyennes. C'est un point que nous allons développer.

Et enfin, ce gradient existe aussi pour une autre quantité qui est le vent. Cette notion est très abstraite (même pour les spécialistes ce n'est pas le concept le plus facile à appréhender...). Il s'agit là aussi d'un gradient d'énergie.

L'autre paramètre à prendre en compte est la rotation de la Terre. Si la Terre ne tournait pas sur elle-même, les choses seraient bien plus simples. L'air pourrait circuler des zones de hauts potentiels vers les zones de bas potentiels sans souci, et effacer les gradients. Cependant, la rotation de la Terre perturbe cet écoulement naturel. Ce mouvement tend à maintenir les gradients et à maintenir les différences de potentiel. Les régions tropicales sont situées les plus loin de l'axe de rotation de la Terre.

Ce faisant, l'atmosphère dans les régions tropicales possède ce qu'il convient d’appeler un "moment angulaire" important. C’est en fait le principe de la fronde : Voir ICI 

Pour que la pierre lancée possède une forte énergie, il faut tourner la fronde rapidement et à distance de soi. Cette énergie est nommée "moment angulaire", c’est une énergie de rotation. La longue lanière permet de donner plus d'énergie pour la même vitesse de rotation. Si nous tenons la fronde plus court, alors il faut la tourner plus vite pour avoir la même énergie (faites l'expérience chez vous ^^ ). Il se passe la même chose pour l'atmosphère. Si l'air se déplace vers le Nord, sa distance à l'axe de rotation diminue. Tout comme pour la fronde tenue trop court, il faut alors que l'air accélère la rotation. Ce qui se traduit par un mouvement vers l'Est de plus en plus rapide. Cette contrainte sur le moment est une autre raison qui explique que le flux sous nos latitudes soit essentiellement de l'Ouest vers l'Est.

Déferlements des ondes

L'interaction de ces gradients et de la rotation de la Terre produit aux latitudes moyennes (entre 30°N et 70°N environ) une zone de conflit entre l'air chaud et humide au Sud et l'air froid et sec au Nord. C'est dans ce contexte que se met en place la circulation atmosphérique moyenne d'Ouest, avec un jet qui atteint son maximum d'intensité vers 11km à 13km d'altitude. Ce jet est parfois dédoublé entre un jet subtropical et un jet polaire.

Sur cet écoulement essentiellement d'Ouest se superposent des ondes qui assurent les transports méridiens, c'est-à-dire les transports Sud-Nord, d'énergie. Ce point est illustré dans la carte suivante. La Belgique est un peu près au centre en haut de la carte. Sur le flux d'Ouest moyen des hautes latitudes se superpose une succession de crêtes et de creux.

Situation prévue par le modèle états-unien GFS pour le 13 Décembre 2014. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html

Ces ondes peuvent être vues comme les vagues dans un écoulement :

Les vagues. Crest se traduit par crête et through par creux. Source : http://faculty.scf.edu/rizkf/OCE1001/OCEnotes/Waves.htm

Parfois, ces ondes peuvent déferler, comme les vagues peuvent le faire. Ces déferlements assurent des brassages importants de l'énergie. Lorsque le déferlement provoque un "enroulement" de la vague dans le sens anticyclonique (dans l'Hémisphère Nord, c’est le sens des aiguilles d'une montre), on parle en toute logique de déferlement anticyclonique. Et lorsque le déferlement provoque un enroulement de la vague dans le sens cyclonique (dans l’hémisphère Nord, c’est le sens contraire des aiguilles d'une montre), on parle de déferlement cyclonique. Un exemple de déferlement cyclonique est fourni sur ces images pour le 21 - 22 Octobre. La première image est bardée d'indications pour montrer les ondes (succession de flèches rouges et bleues) et le déferlement (enroulement cyclonique en gris). La deuxième image montre la même séquence d'événements avec des images supplémentaires et sans les flèches en tous sens.

Sur ces cartes, les couleurs représentent la hauteur de la surface 500 hPa, vers 5500m d'altitude. Les traits blancs sont la pression de surface. Les traits noirs sont une température moyenne sur la colonne atmosphérique (de la surface à 500 hPa) exprimée en mètres de hauteur.

Déferlement cyclonique du 21-22 Octobre 2014. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

Déferlement cyclonique du 21-22 Octobre 2014. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

La variabilité de ces ondes et de leur déferlement est pilotée par des facteurs très divers. La convection tropicale est une source importante d'énergie et perturbe fortement les ondes atmosphériques. Les anomalies de températures de l'Océan, les reliefs, les contrastes entre les terres et les mers sont aussi une source de forçage de l'activité ondulatoire. Plus récemment, le forçage de l'Océan Arctique et de l'enneigement de l'Hémisphère Nord a également pris une grande importance. Nous en avions fait état à plusieurs reprises sur ce blog :

 

La fonte de la banquise arctique
Le dérèglement du climat ouest-américain

Ici, nous nous intéresserons aux régimes de temps. Ce sont des schémas de circulations types qui résultent de l'arrangement spécifique des ondes et de leurs déferlements. Ces régimes de temps persistent quelques jours et déterminent le temps ressenti au jour le jour en Europe. Nous nous contenterons donc d'analyser comment les ondulations du jet module notre temps. En fonction des mêmes facteurs qui modulent les ondes, les sources de chaleurs (anomalies des températures de l'Océan par exemple), la convection tropicale ; ces régimes s'enchaînent différemment. De plus, il y a une part de variabilité intrinsèque, certaines évolutions de la circulation atmosphérique étant privilégiées au détriment de certaines autres.

Cartes isentropiques

Rien que le mot isentropique doit déjà faire peur à beaucoup... Sans rentrer dans le détail du pourquoi et du comment, pour illustrer notre propos nous utiliserons aussi ces cartes :

Isothêta = 320K du 02 Novembre 2014. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

Simplement, les fortes valeurs, en couleurs chaudes, représentent des anomalies cycloniques et les faibles valeurs, en couleurs bleues et violettes, représentent des anomalies anticycloniques. Le vent est également représenté en blanc, suivant la convention des barbules. En général, le vent est fort lorsqu'une anomalie anticyclonique et une anomalie cyclonique se frottent l'une à l'autre.

Régimes de temps en Hiver

Les régimes de temps sont au nombre de quatre, et sont légèrement différents entre l’Été et l'Hiver. Ils sont définis par des anomalies de la hauteur du géopotentiel 500 hPa. La surface 500 hPa se trouve en moyenne vers 5500 mètres d'altitude, mais cette altitude peut varier. Une anomalie négative indique des conditions cyclonique et plutôt froides, alors que des anomalies positives indiquent des conditions anticycloniques et plutôt chaudes. Et selon la loi de Buys Ballot, le vent laisse les bas géopotentiels à sa gauche et les hauts géopotentiels à sa droite.

Les régimes de temps sont calculés pour la région de l'Atlantique Nord, allant de la façade Est des USA aux portes de la Russie. Ici, lorsque nous parlerons des conséquences en termes de temps sensible pour "l'Europe", nous désignerons en fait l'Europe de l'Ouest, les pays limitrophes de la Belgique et la Belgique elle-même. Dans les images qui suivent, les flèches grises ne désigneront plus le sens des déferlements mais la position du jet. Il eut sans doute été préférable de choisir une autre convention de couleurs, mais étant donné que les cartes sont déjà très colorées, le choix était limité.

En Hiver, les régimes de temps sont les suivants :

Les quatre régimes de temps en Hiver. Crédit image : http://www.cerfacs.fr/~cassou/Regimes/regime.html

Nous voyons d'emblée que les quatre régimes se produisent avec une fréquence à peu près égale. Nous allons détailler chacun d'eux.

La NAO- correspond à un affaiblissement de l'anticyclone subtropical. Les déferlements cycloniques sont nombreux sur l’Atlantique. Le jet polaire s'affaiblit alors et se retrouve anormalement au Sud. C'est un régime de temps plutôt favorable aux froids modérés, mais qui peut malgré tout apporter de la douceur et de la pluie dans certains cas limites. La neige est assez fréquente dans cette configuration. C'est le cas de Janvier 2010 par exemple. Notez que le jet est rejeté loin vers le Sud et ondule. Sur l'Europe c'est donc un flux de Nord à Nord-Est qui rentre. Sur les cartes isentropiques, notez que les déferlements cycloniques s’enchaînent sur l’Atlantique. Le rejet du jet vers le Sud est une des conséquences des déferlements cycloniques. Comparé à la même animation un peu plus bas pour un cas de NAO+, la différence est spectaculaire.

Situation du 02 Janvier 2010 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

Animation du 30 Décembre au 04 Janvier 2010 qui montre que les anomalies cycloniques déferle sans relâche sur l'Atlantique, forçant le jet à s'enfoncer très au Sud. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

La NAO+ correspond à un renforcement de l'anticyclone subtropical, et le jet polaire augmente en puissance et remonte au Nord. Les déferlements anticycloniques se renforcent sur le bassin méditerranéen et le proche Atlantique ; les déferlements cycloniques quant à eux sont exacerbés sur l'Islande, maintenant fermement le jet en place sur l’Atlantique. C'est en quelque sorte l'exagération de la situation climatologique. Le flux est à l'Ouest et fait rentrer largement la douceur atlantique en Europe. On parle aussi de régime de temps zonal, pour exprimer cette idée de circulation d'Ouest. C'est classiquement le régime de temps des tempêtes, du temps doux, gris et pluvieux. Le froid est très peu probable dans cette configuration et le risque de neige négligeable. Dans certains cas, lorsque l'anticyclone établit plus fermement son emprise sur l'Europe, il peut se produire un froid par inversion. Ce régime de temps fut celui de Décembre 2011, qui fut particulièrement arrosé et venté. Notez le flux d'Ouest très tendu et très au Nord caractéristique de cette situation. Sur la carte isentropique, nous voyons que le déferlement anticyclonique bouscule tout à la manière d'un bulldozer et rejette le jet très au Nord. Le déferlement cyclonique est moins spectaculaire mais il est quand même présent. Le déferlement cyclonique tend lui au contraire à enfoncer le jet au Sud. Du conflit des deux résulte ce jet très tendu et très rapide sur l'Atlantique.

Situation du 3 Décembre 2011 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

Animation du 01 au 04 Décembre 2011 qui montre le déferlement anticyclonique de l'anomalie anticyclonique sur l'Atlantique et le déferlement cyclonique de l'anomalie cyclonique sur l'Islande. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

L'Atlantic Ridge correspond à une remontée de l'anticyclone subtropical vers le Groenland. Le jet décrit une large boucle sur l'Atlantique, et les déferlements anticycloniques sont très fréquents sur le proche Atlantique. Sur l'Europe, il rabat de l'air froid et maritime en plein flux de Nord. C'est rarement une situation à grand froid. Par contre, la neige est fréquente et abondante. Le mois de Décembre 2010 a été marqué par une forte amplitude de ce régime de temps. Notez que le jet est à nouveau rejeté loin vers le Sud et tend à onduler, comme dans le cas de la NAO-. Cependant, dans ce cas, les dépressions ne circulent absolument plus sur l'Atlantique. Au contraire, un barrage anticyclonique se met en place sur l'océan. Les dépressions descendent alors en flux de Nord tout droit de l'Arctique, apportant du froid modéré et de la neige. Sur la carte isentropique, nous voyons le bel enroulement anticyclonique sur l'Atlantique qui ouvre un boulevard aux descentes polaires.

Situation du 17 Décembre 2010 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

Animation du 15 au 17 Décembre 2010 qui montre le déferlement anticyclonique de l'anomalie anticylonique sur l'Atlantique. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

Le Scandinavian Blocking ou blocage scandinave correspond à une remontée de l'anticyclone subtropical vers l'Europe du Nord, et à l'établissement d'un lien entre celui-ci et l'anticyclone sibérien. Les déferlements anticycloniques se multiplient sur l'Europe, forçant la séparation du jet avec une branche très Sud sur l'Afrique et une branche très Nord sur l'Islande. C'est le régime de temps le plus favorable aux grands froids pour une majeure partie de l'Europe, excepté l'Europe du Nord. Le flux s'établit alors à l'Est, voire au Nord-Est, et advecte des masses d'air froid et sec. Ce n'est par contre pas une configuration favorable à la neige, et encore moins à la pluie. Dans certains cas limites, l'alimentation en air froid du blocage fait défaut. Comme nous le verrons plus loin, c'est une configuration plus classique en saison chaude qu'en saison froide. Cependant, si cela se produit, l'Europe se retrouve alors dans un puissant flux de Sud doux et humide. C'est la configuration de cette fin Novembre 2014. Mais le blocage scandinave est aussi le régime de temps du froid Février 2012, illustration des deux opposés. En Février 2012, nous voyons que les dépressions sont bloquées sur l'Atlantique et n'avancent pas plus à l'Ouest. L’Europe est alors dans un flux de Nord-Est à Est froid et sec. Sur la carte isentropique, le schéma de déferlement est assez peu marqué et assez peu spécifique. Une succession de déferlement anticyclonique au Nord de la Scandinavie dévie le jet très au Nord. Cependant l'édifice reste assez bancal.

Situation du 02 Février 2012 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

Animation du 31 Janvier au 03 Février 2012 qui montre le déferlement anticyclonique au nord de la Scandinavie. Source : http://www.wetter3.de/Archiv/

Régimes de temps en Été

Nous allons détailler chacun des régimes de temps de la saison chaude.

Les quatre régimes de temps en Été. Crédit image : http://www.cerfacs.fr/~cassou/Regimes/regime.html

Le blocage, blocage scandinave, correspond à une situation où l'anticyclone s'établit largement sur l'Europe. En saison chaude, il s'agit uniquement d'une situation propice à la chaleur, voire à la canicule. Le flux s'oriente au Sud et advecte des masses d'air tropicales. Le temps en Europe est donc particulièrement sec et chaud, souvent caniculaire. Ce fut le régime de temps dominant en Août 2003. Notez que le jet est complètement rejeté vers le Nord. L'Europe est dans alors situé au cœur de l'advection d'air tropicale.

Situation du 11 Août 2003 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

L'Atlantic Low, dépression atlantique en français, correspond à la variante estivale de la NAO+. Le courant perturbé en cette saison est cependant rejeté très au Nord. L'Europe est alors protégée. Le flux s'oriente au Sud-Ouest sur nos régions. Les masses d'air sont alors chaudes et humides, mais les canicules sont un peu moins fréquentes. C'est une configuration favorable au temps chaud, mais plutôt instable et orageux, parfois caniculaire. Ce fut le régime de temps de Juin 2003. Le jet est orienté du Sud-Ouest au Nord-Est et l'Europe reste au Sud de ce jet. C'est une situation similaire à la NAO+ hivernale mais en Été les champs de pression sont plus "mous" en moyenne et  le jet plus au Nord.

Situation du 19 Juin 2003 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

La NAO- correspond à un affaiblissement de l'anticyclone subtropical. Le jet polaire s'enfonce donc anormalement vers le Sud. Pour l'Europe, c'est un temps perturbé qui domine, souvent en flux d'Ouest. Les températures peuvent être particulièrement fraîches, et les précipitations abondantes. Ce fut le cas en Juillet 2011, qui aura hésité entre NAO- et dorsale atlantique. Le jet est alors anormalement au Sud, et la Belgique prend de plein fouet les perturbations.

Situation du 07 Juillet 2011 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

L'Atlantic Ridge, la crête atlantique, correspond à un soulèvement de l'anticyclone sur l'Atlantique. Le jet décrit alors une large courbe sur l'Atlantique. L'Europe se retrouve alors plongée dans un flux de Nord-Ouest frais et perturbé. Le mois d'Août 2006 fut marqué par ce régime de temps. Notez la similitude avec le schéma synoptique hivernal. Si ce n'est qu'il fait en moyenne plus chaud en Été, le flux reste frais et perturbé.

Situation du 15 Août 2006 d'après la Réanalyse NCEP/NCAR. Source : http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html

Intérêt de la prévisibilité à moyenne échéance

Un des intérêts de cette décomposition en régimes de temps est de permettre la prévision à quelques semaines. Le passage d'une perturbation un jour donné ne peut être prévu plus de 5 jours à l'avance au mieux. Cependant les changements de régimes de temps sont prévisibles à plusieurs semaines d'échéances. La modulation des ondes planétaires et de leurs déferlements sont prévisibles à plus longue échéance car ce sont des structures de grande échelle, avec une certaine persistance. Les régimes de temps, qui matérialisent donc cet arrangement d'ondes et de déferlements, peuvent être prévus plusieurs semaines à l'avance. Et puisqu'ils sont associés à des conditions météorologiques assez spécifiques pour chacun d'eux, on peut estimer le ressenti moyen des semaines à venir.

Les régimes de temps sont forcés par des facteurs qui commencent à être bien identifiés maintenant. Une des plus importantes sources de forçage des régimes de temps est la convection tropicale. Cette convection libère énormément d'énergie, énergie qui peut moduler la transition d'un régime à l'autre.

De plus, spontanément les régimes de temps tendent à évoluer d'une manière privilégiée. Le schéma de transition classique est celui d'une situation NAO+ suivi d'une situation de blocage suivi d'une situation de NAO-. Une évolution d'une situation de blocage scandinave à une situation de crête Atlantique est par exemple assez peu fréquente.

Les températures de surfaces de l'Océan Atlantique jouent également un rôle important dans la détermination des régimes de temps.

La connaissance des ces interactions permet de déterminer empiriquement l'évolution synoptique à l'échéance de quelques synoptiques. Malgré que la technique soit assez artisanale, elle n'en reste pas moins efficace.

Évolution des régimes avec le changement climatique

Il existe deux évolutions distinctes mais qui s'entremêlent l'une et l'autre.

D'une part, à même régime de temps, il fait de plus en plus chaud. C'est le cas de l'Hiver 2009-2010 par exemple, froid dans l'absolu mais extrêmement doux par rapport à une situation synoptique favorable aux grands froids comme rarement l'Europe connait. Une étude a ainsi montré que l'Hiver 2009-2010 aurait dû faire partie des deux hivers les plus froids depuis la seconde guerre mondiale, au côté du fameux Hiver 1962-1963. Au lieu de cela, le réchauffement des températures a projeté l'Hiver 2010 dans la frange des 15% d'Hivers les plus froids. Une solide différence donc...

D'autre part, il existe une évolution des régimes de temps en eux-mêmes. Au début des années 2000, les scientifiques avaient sous-estimé la rapidité des impacts du changement climatique. Ils s’attendaient donc en majorité à une plus grande fréquence du régime NAO+ au détriment du régime NAO-. Cela aurait conduit à des Hivers plus doux, plus humides et plus tempétueux ; et à des Étés plus sec et plus chaud.  Depuis, la réalité nous a rattrapé. Le régime NAO+ a fortement reculé ces derniers années, et il s'est en plus dénaturé, le régime NAO+ tel qu'il existait dans les années 80-90 n'ayant pas refait surface depuis, entre autre exemple.

Quelques références

http://www.cnrm.meteo.fr/recyf/IMG/pdf/Michel_et_al12.pdf
http://www.cnrm.meteo.fr/recyf/IMG/pdf/Michel_and_Riviere11.pdf
http://www.cerfacs.fr/globc/links/presentation/Sieste_cassou_2008.pdf