El Niño et La Niña : le moteur de la variabilité climatique mondiale

El Niño et La Niña sont les moteurs naturels les plus puissants de la variabilité climatique d'une année à l'autre sur Terre. Ces phases opposées du cycle d'oscillation du Niño-Sud (ENSO) découlent d'interactions complexes et souvent subtiles entre l'océan Pacifique tropical et l'atmosphère surjacente. Bien que les noms proviennent de termes espagnols se référant à l'enfant et à la petite fille du Christ, leurs effets sont tout sauf doux. Ces phénomènes remodelent les modèles de précipitations, modifient les régimes de température et perturbent les écosystèmes à travers le monde, avec des conséquences qui se répercutent sur l'agriculture, les ressources en eau, la santé publique et l'économie.

Qu'est-ce qu'El Niño?

El Niño, la phase chaude de l'ENSO, est définie par un réchauffement anormal de la température de la surface de la mer dans l'océan Pacifique central et oriental. Dans des conditions normales, les alizés soufflent d'est en ouest dans le Pacifique, poussant les eaux de surface chaudes vers l'Indonésie et l'Australie. Ce processus provoque des eaux plus froides et riches en éléments nutritifs qui se lèvent le long de la côte de l'Amérique du Sud. Lors d'un événement El Niño, les alizés s'affaiblissent considérablement, permettant à la réserve d'eau chaude qui se trouve généralement dans le Pacifique occidental de s'échapper vers l'est vers la côte du Pérou et de l'Équateur.

Le réchauffement n'est pas un processus uniforme, qui commence généralement près de la ligne internationale de date et se propage vers l'est, avec des anomalies dépassant souvent 2-3 °C la moyenne à long terme. Ce changement de température apparemment modeste suffit à modifier radicalement l'emplacement et l'intensité de la convection atmosphérique. L'air montant qui alimente normalement les orages au-dessus du Pacifique occidental chaud se déplace vers l'est, entraînant la présence des principales ceintures de pluie.

Qu'est-ce que La Niña?

La Niña représente la phase froide du cycle ENSO et est, à bien des égards, l'image miroir d'El Niño. Lors d'un événement de La Niña, les alizés se renforcent au-delà de leur intensité normale, poussant encore plus chaudement les eaux de surface vers le Pacifique occidental. Cette intensification provoque un volume d'eau froide plus élevé que d'habitude le long de la côte équatoriale de l'Amérique du Sud, ce qui entraîne des températures de surface qui sont significativement plus froides que la moyenne dans le Pacifique central et oriental.

Les vents de circulation renforcés et les eaux froides de l'est du Pacifique produisent un gradient prononcé de température de surface de la mer dans le Pacifique équatorial. Ce contraste thermique fort amplifie la circulation atmosphérique connue sous le nom de Circulation de Walker, avec une augmentation de l'air et une augmentation des précipitations concentrées sur l'extrême ouest du Pacifique et de l'Indonésie, et une diminution de l'air sec dominant le Pacifique oriental. Les effets de La Niña sont souvent le contraire de ceux observés pendant El Niño: l'Australie, l'Indonésie et certaines parties de l'Asie du Sud-Est ont tendance à connaître des précipitations supérieures à la moyenne et un risque accru d'inondation, tandis que le sud-ouest des États-Unis, certaines parties de l'Amérique du Sud et l'Afrique de l'Est sont souvent confrontés à des conditions plus sèches que la normale.

Le système océan-atmosphère : une danse délicate

Les phénomènes d'El Niño et de La Niña ne peuvent être compris isolément. Ils sont le produit d'un système étroitement couplé dans lequel les changements dans la conduite de l'océan changent dans l'atmosphère, et ces changements atmosphériques se nourrissent à leur tour sur l'océan. Ce couplage donne à ENSO son oscillation caractéristique et sa capacité à persister pendant des mois ou des années. L'océan Pacifique équatoriale est particulièrement adapté à ce type d'interaction parce que son vaste étendue d'eau chaude fournit une source d'énergie massive pour l'atmosphère, tandis que les vents commerciaux dominants fournissent le forçage mécanique qui façonne les courants océaniques et les distributions de température.

Les vents d'échange et la circulation des Walker

La base du système ENSO est la Circulation Walker, une boucle à grande échelle d'air montant et s'enfonce qui s'étend sur le Pacifique tropical. Dans des conditions normales, le chauffage solaire intense sur le Pacifique occidental chaud provoque la montée de l'air, créant une région de basse pression et de fortes précipitations. Cette montée de l'air coule vers l'est à haute altitude, se refroidit et s'enfonce sur le Pacifique oriental plus frais, créant une région de haute pression et un ciel clair. La branche de surface de cette circulation consiste en des vents de commerce, qui soufflent d'est en ouest, complétant la boucle.

Courants océaniques et transport de chaleur

L'océan joue un rôle actif dans le cycle ENSO par le mouvement des masses d'eau et le transport de la chaleur. Le système du courant équatorial dans le Pacifique est constitué de courants de surface qui coulent vers l'ouest et qui se déplacent vers l'est par les vents de l'autre côté et d'un courant de subsurface qui coule vers l'est, connu sous le nom de courant équatorial. Ce courant porte de l'eau plus froide du Pacifique occidental vers l'est, où il peut se relever à la surface lorsque les vents sont favorables.

Les boucles de rétroaction qui soutiennent le cycle

Le cycle ENSO se caractérise par un ensemble de rétroactions qui renforcent et maintiennent les écarts par rapport à l'état moyen. Le plus important est la rétroaction Bjerknes, nommée en l'honneur du météorologue norvégien Jacob Bjerknes. Cette rétroaction décrit une boucle auto-renforçante dans laquelle un affaiblissement des vents de commerce conduit à des températures de surface plus chaudes dans le Pacifique oriental, ce qui affaiblit encore les vents de commerce, créant ainsi un retour positif qui conduit le système vers un état El Niño. Inversement, pendant la Niña, les vents de commerce plus forts renforcent l'élévation et le refroidissement, ce qui renforce encore les vents de commerce.

Processus clés conduisant El Niño et La Niña

Onde équatoriale Kelvin

Les vagues de Kelvin équatoriales sont des vagues océaniques à grande échelle qui se déplacent rapidement le long de la thermocline d'ouest en est dans le Pacifique. Ces vagues sont forcées par des changements de la tension du vent, notamment par une relaxation ou un renforcement des vents de l'ouest du Pacifique. Une relaxation des vents de l'ouest durant les premières étapes d'un El Niño génère une vague de Kelvin descendante qui se propage vers l'est, approfondissant la thermocline et supprimant le gonflement le long de l'équateur. Cela approfondit la couche de surface chaude et contribue au réchauffement des températures de la surface de la mer dans l'est du Pacifique.

Déplacement de la thermocline

La profondeur de la thermocline dans le Pacifique équatorial n'est pas uniforme. Dans des conditions normales, elle descend vers l'ouest vers l'est, assise à une profondeur d'environ 150 mètres dans le Pacifique occidental et s'élevant à environ 50 mètres dans le Pacifique oriental. Cette inclinaison est maintenue par la force constante des alizés. Pendant El Niño, les alizés se détendent, les aplatis de la thermocline, s'amplifient dans l'est et plus bas dans l'ouest. Cette approfondissement dans l'est réduit l'efficacité de la remontée en amenant l'eau froide à la surface, permettant l'élévation de la température de la surface de la mer.

Changements de pression atmosphérique

L'oscillation du sud se réfère au profil de la pression atmosphérique entre l'est et l'ouest du Pacifique tropical. Cette différence de pression est mesurée par l'indice d'oscillation du sud (SOI), qui compare les anomalies de pression du niveau de la mer à Tahiti (représentant le Pacifique oriental) et Darwin, Australie (représentant le Pacifique occidental). Une SOI fortement négative, avec une pression plus faible dans l'est du Pacifique et une pression plus élevée dans l'ouest, est associée à des conditions El Niño. Une SOI fortement positive, avec une pression plus élevée dans l'est et une pression plus faible dans l'ouest, est associée à La Niña. Ces changements de pression ne sont pas seulement une réponse aux changements de température de l'océan; ils conduisent activement aux anomalies du vent qui renforcent l'état de l'océan, en complétant le couplage océan-atmosphère.

Impacts mondiaux d'El Niño et de La Niña

La portée d'El Niño et de La Niña s'étend bien au-delà du Pacifique tropical. Grâce aux téléconnections atmosphériques, chaînes de propagation des ondes atmosphériques qui relient les conditions météorologiques à de grandes distances, ces événements influencent la température et les précipitations à l'échelle mondiale.

Les modèles météorologiques régionaux

Pendant El Niño, le changement de pluviométrie tropicale entraîne un ensemble prévisible d'impacts régionaux. Le niveau sud des États-Unis, de la Californie à la Floride, a tendance à connaître des conditions plus humides que la moyenne pendant les mois d'hiver, tandis que le Pacifique Nord-Ouest et la vallée de l'Ohio connaissent souvent des conditions plus sèches. L'Indonésie, le nord de l'Australie et les Philippines sont généralement confrontés à une baisse des précipitations et à un risque élevé de sécheresse.

La Niña tend à produire le schéma inverse, bien que la symétrie ne soit pas parfaite. Le sud des États-Unis devient souvent plus sec, augmentant le risque de sécheresse et de feux de forêt, tandis que le Pacifique Nord-Ouest et la vallée de l'Ohio reçoivent plus de précipitations. L'Australie du Nord et l'Indonésie connaissent des précipitations supérieures à la moyenne avec un risque accru d'inondation. Les pluies de mousson sur l'Inde tendent à être plus fortes pendant La Niña, qui peut profiter à l'agriculture mais aussi causer des inondations.

Conséquences économiques et sociales

L'agriculture est le secteur le plus directement touché, car les changements des précipitations et des températures perturbent les cycles de plantation et de récolte, réduisent les rendements des cultures et augmentent la prévalence des ravageurs et des maladies. Au cours de l'exercice 2015-2016, El Niño, l'un des plus importants jamais enregistré, a estimé les pertes agricoles mondiales à des dizaines de milliards de dollars, avec des impacts particulièrement graves sur la production de riz, de blé et d'huile de palme en Asie du Sud-Est.

Les régions qui connaissent une sécheresse pendant El Niño doivent faire face à une diminution des niveaux de réservoir, à l'épuisement des eaux souterraines et à une concurrence accrue pour l'approvisionnement en eau. Inversement, les zones qui subissent des inondations sont endommagées par les infrastructures, les déplacements de populations et les risques de maladies d'origine hydrique. Les systèmes de santé publique sont soumis à des pressions, comme le paludisme, la dengue et le chikungunya, qui élargissent leur gamme en réponse à des changements de température et de précipitations.

Prédicte et surveillance ENSO

Systèmes d'observation

La prévision de l'ENSO moderne repose sur un système mondial d'observation sophistiqué qui comprend des satellites, des bouées et des mesures par navire. La pierre angulaire de ce système est le réseau de bouées amarrées de l'océan tropical (TAO), qui s'étend sur le Pacifique équatoriale de 165°E à 95°O. Ces bouées mesurent les vents de surface, la température de l'air, la température de la surface de la mer et la température de la sous-sol jusqu'à une profondeur de 500 mètres, fournissant des données en temps réel sur l'état du système océan-atmosphère.

Modèles de prévisions

Les modèles dynamiques simulent les processus physiques de l'océan et de l'atmosphère à l'aide d'équations mathématiques et sont exploités sur des supercalculateurs à haute performance. Ces modèles se sont améliorés de façon spectaculaire au cours des deux dernières décennies et peuvent maintenant fournir des prévisions de conditions ENSO jusqu'à six à neuf mois à l'avance. Les modèles statistiques, qui reposent sur des relations historiques entre les variables prédictives et les résultats de l'ENSO, complètent les modèles dynamiques et sont particulièrement utiles pour comprendre la gamme de résultats possibles.

Défis en matière de prévision

Malgré des progrès significatifs, la prédiction de l'ENSO demeure un défi scientifique redoutable. L'irrégularité inhérente au cycle de l'ENSO signifie que deux événements ne sont pas exactement semblables et que le système présente un comportement chaotique qui limite la prévisibilité au-delà des temps de pointe d'environ un an. La barrière dite de prévisibilité printanière, période qui s'étend d'avril à juin, où le système ENSO est particulièrement sensible aux petites perturbations et aux prévisions, demeure un obstacle persistant. De plus, l'influence du changement climatique modifie l'état de fond du Pacifique tropical, ce qui peut modifier la fréquence, l'intensité et les caractéristiques des événements futurs d'El Niño et de La Niña.

ENSO dans un climat chaud

Certains modèles climatiques prévoient une augmentation de la fréquence des événements extrêmes d'El Niño, définis par une région de convection profonde très déplacée vers l'est qui amène de fortes précipitations dans le Pacifique oriental, normalement sec. D'autres modèles suggèrent que le réchauffement du fond du Pacifique tropical pourrait réduire l'amplitude des anomalies de température de surface de la mer, tandis que d'autres encore indiquent que la dynamique de base de l'ENSO restera largement inchangée. Il est de plus en plus évident que les impacts des événements d'ENSO sur le climat régional peuvent s'intensifier dans un monde plus chaud, même si l'amplitude des anomalies de température de surface de la mer ne change pas de façon spectaculaire.

L'interaction entre l'ENSO et d'autres modes de variabilité climatique, tels que l'oscillation décadale du Pacifique (OAD) et le Dipole de l'océan Indien (IOD), ajoute une autre couche de complexité.Ces modes peuvent moduler la force et le modèle spatial des événements de l'ENSO et peuvent soit renforcer ou compenser leurs impacts. Par exemple, une OID positive combinée à El Niño peut exacerber les conditions de sécheresse en Indonésie et en Australie. La compréhension de ces interactions est essentielle pour améliorer les prévisions saisonnières et décennales du climat et pour évaluer l'ensemble des risques posés par les futurs événements de l'ENSO.

Vers la résilience : utiliser la science ENSO

Les services de vulgarisation agricole de nombreux pays utilisent les prévisions ENSO pour conseiller les agriculteurs sur la sélection des cultures, les dates de plantation et le calendrier d'irrigation.Les gestionnaires des ressources en eau intègrent les perspectives ENSO dans leurs plans d'exploitation des réservoirs, ajustent les taux de rejets et les mesures de conservation pour se préparer aux risques de sécheresse ou d'inondation prévus.Les agences de gestion des urgences utilisent les prévisions ENSO pour prépositionner les fournitures, former le personnel et élaborer des plans d'intervention en cas d'événements météorologiques extrêmes.L'Organisation météorologique mondiale coordonne les centres de production mondiale pour les prévisions à long terme, qui diffusent les perspectives ENSO aux services météorologiques nationaux dans le monde entier, en veillant à ce que les meilleures connaissances scientifiques disponibles atteignent ceux qui en ont besoin.

Les avantages économiques des prévisions ENSO sont considérables. Des études ont montré que la valeur des prévisions ENSO améliorées peut atteindre des milliards de dollars par an dans les secteurs de l'agriculture, de la pêche, de l'énergie et de l'assurance. Cette valeur est réalisée non seulement par des mesures de préparation directes, mais aussi par la réduction de l'incertitude, ce qui permet aux entreprises et aux gouvernements de prendre des décisions d'investissement plus éclairées. Le défi pour l'avenir est de continuer à améliorer l'exactitude et le délai d'exécution des prévisions ENSO, de mieux comprendre les liens entre l'ENSO et d'autres composantes du système climatique, et de communiquer efficacement le caractère probabiliste de ces prévisions à une communauté d'utilisateurs diverse.