La Fondation cryosphérique des Blizzards Continentaux

La cryosphère, en particulier la glace de mer et les calottes glaciaires de l'Arctique, est le principal moteur de la circulation atmosphérique de l'hémisphère Nord. La présence ou l'absence de glace régit directement le gradient de température entre le pôle et l'équateur. Ce gradient contrôle à son tour la vitesse et le chemin du jet polaire, la formation de systèmes à haute et basse pression et la genèse des tempêtes hivernales les plus puissantes.

Le moteur cryosphérique : la thermodynamique d'un océan gelé

La caractéristique déterminante du système climatique arctique est l'équilibre énergétique de surface. Pendant la nuit polaire, aucun rayonnement solaire n'est reçu. La surface se refroidit rapidement en émettant des radiations à ondes longues. Lorsque la glace de mer est présente, elle isole l'eau chaude de l'océan de l'atmosphère froide, ce qui permet à la surface de devenir extrêmement froide.

L'effet albédo domine les saisons estivale et des épaules. La glace recouverte de neige reflète la grande majorité des radiations de l'onde courte entrante qui repart dans l'espace. Cette faible absorption d'énergie maintient le réservoir froid. Lorsque la glace fond, l'océan sombre absorbe jusqu'à 90% de l'énergie du soleil. Cette chaleur est stockée dans la couche mixte de l'océan et relâchée dans l'atmosphère à l'automne, ce qui retarde la formation de nouvelles glaces de mer.

Ce gel retardé est le facteur critique : un océan Arctique ouvert en automne libère des quantités massives de chaleur et d'humidité dans l'atmosphère, ce qui affaiblit le gradient de température entre l'Arctique et les latitudes moyennes, ce qui a des répercussions directes sur les conditions météorologiques hivernales. Le cycle saisonnier de la glace de mer montre un déclin constant en été, ce qui entraîne une saison plus longue en eau libre et un réservoir plus profond de chaleur dans la couche de surface de l'océan d'ici l'automne.

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La piscine froide profonde et la génération de masse aérienne

Le refroidissement continu de la surface au-dessus des calottes glaciaires et de la glace de mer conduit à la formation d'un bassin de glace profonde (PFC), un volume d'air qui est significativement plus froid et plus dense que l'atmosphère environnante. La profondeur et l'intensité de ce bassin de glace sont contrôlées par l'étendue de la couverture de glace.

Cette masse d'air s'enfonce, créant un système de haute pression de surface. La surface qui se trouve au-dessus de l'Arctique (le Beaufort High, le Sibérie High) est l'expression directe de ce forçage thermique. La force du gradient de pression au bord de ce haut détermine la vitesse du vent. Lorsqu'un système de basse pression s'approche du sud ou de l'ouest, il crée un gradient de pression raide, tirant l'air froid du bassin arctique et l'envoyant vers le sud.

La trajectoire de cette épidémie détermine le caractère du blizzard qui en découle. Une prise directe au sud au-dessus des Prairies canadiennes ou des steppes sibériennes crée un blizzard continental classique. Une trajectoire qui déplace l'air froid sur une grande étendue d'eau libre, comme les Grands Lacs, la mer d'Okhotsk ou la baie de Baffin, le transforme en un blizzard maritime avec des chutes de neige intenses et de convection.

Le jet : ondes amplifiées et blocage

Le courant polaire est la limite entre la piscine froide et les latitudes moyennes chaudes. Sa force et son chemin sont régis par l'équilibre thermique du vent. Un gradient de température raide (forte piscine froide, chaude sud) produit un courant fort, rapide et relativement droit qui verrouille efficacement l'air froid dans l'Arctique.

Un gradient de température affaibli, cependant, produit un jet plus faible et plus lent. Ce jet plus lent est sujet à des moyennes plus grandes, connues sous le nom ondes de rossby. Ces vagues peuvent devenir si grandes qu'elles se brisent, formant des niveaux de coupure ou bloquant des niveaux élevés. Un bloc Oméga est un modèle classique où un système à haute pression est flanqué de deux systèmes à basse pression, ressemblant à la lettre Oméga grecque. Ce modèle peut persister pendant des semaines, entonnant un flux continu d'air arctique dans une région spécifique, entraînant des blizzards dos à dos.

Le vortex polaire stratosphérique (SSP)

Au-dessus de la troposphère se trouve la stratosphère et le vortex polaire stratosphérique. C'est une circulation cyclonique massive qui se forme au-dessus de l'Arctique pendant l'hiver. C'est un réservoir d'air extrêmement froid. Un vortex SSP solide et stable est centré sur le pôle et maintient l'air froid contenu. Cependant, lorsque de puissantes vagues Rossby de la troposphère se propagent vers le haut, elles peuvent perturber le vortex. Cette perturbation affaiblit le vortex, le ralentit et peut le faire s'étirer ou se diviser.

Un vortex divisé est un événement majeur. Un lobe du vortex coulera souvent vers le sud, ce qui amènera la piscine froide stratosphérique dans la troposphère au-dessus de la Sibérie ou de l'Amérique du Nord. Quelques semaines après un événement de réchauffement stratosphérique soudain majeur et une perturbation du vortex, la probabilité d'une grave éclosion d'air froid et de blizzards associés au Canada et à la Sibérie augmente considérablement.

Lire l'analyse de Carbon Brief de l'amplification arctique et du lien météorologique hivernal.

Nord du Canada : l'archipel et le clipper

La géographie du Nord canadien est une série de canaux pour l'air froid. L'archipel arctique canadien canalise la piscine froide vers le sud à travers des corridors spécifiques. La vallée de la rivière Mackenzie est le principal canal pour l'air froid qui s'écoule de la mer de Beaufort vers les Prairies. La topographie force l'air froid dense à s'écouler vers le sud, souvent plus chaud et plus humide au sud.

Le pinceau de l'Alberta

Lorsque l'air froid se répand dans la vallée du Mackenzie, il rencontre l'air relativement plus chaud et plus humide au-dessus des contreforts des montagnes Rocheuses. Cela crée une zone baroclinique puissante, une région à fort contraste de température. Une petite perturbation qui se déplace le long de cette frontière peut s'intensifier rapidement, formant un Clipper d'Alberta. Ces tempêtes se caractérisent par de forts vents, une chute de température aiguë et un bref éclat de neige légère et molle.

Alors que les Clippers de l'Alberta étaient des tempêtes relativement sèches, le climat de réchauffement change leur caractère. L'air devient légèrement plus chaud, il peut contenir plus d'humidité (relation Claudius-Clapeyron).Cela signifie que les Clippers produisent de plus en plus de fortes chutes de neige, pas seulement du vent et du froid.

Baie d'Hudson et baie de Baffin

La baie d'Hudson sert de réservoir d'air froid en hiver. L'air au-dessus de la baie gelée est incroyablement froid et stable. Lorsqu'un système à basse pression traverse les Grands Lacs du Nord, il tire cet air froid vers le sud, créant un blizzard classique « clash » pour l'Ontario et le Québec. Le contraste entre l'air froid de la baie et l'air relativement chaud au-dessus des lacs peut produire des rafales de neige intenses et des tonnerres.

La baie de Baffin et la mer du Labrador sont les endroits où l'air froid de l'archipel rencontre les eaux relativement chaudes de la dérive de l'Atlantique Nord. C'est une région privilégiée pour la cyclogenèse explosive (bombes météorologiques).Ces tempêtes sont incroyablement puissantes, entraînant des vents de force ouragan, la neige aveuglante et l'expansion de la glace de mer.

Sibérie : Le Haut Sibérie et la Purgie

La Sibérie est le site du froid continental le plus intense de la planète. Le Haut Sibérie est un anticyclone semi-permanent qui domine la région pendant une grande partie de l'hiver. Sa formation est directement liée au refroidissement de la masse terrestre et au gel des vastes mers de plateau peu profondes de la Kara, Laptev et la mer de Sibérie orientale.

Le temps de gel

Le moment du gel des eaux de la plate-forme automnale est une variable critique. Un gel retardé (en raison des conditions arctiques chaudes) signifie que l'océan continue à libérer de la chaleur et de l'humidité dans l'atmosphère bien en novembre et décembre. Cette humidité alimente la cyclogenèse au-dessus de l'océan Arctique.

Cependant, une fois les mers gelées et le Haut s'intensifie, la piscine froide peut être plus profonde et plus intense que dans un scénario purement continental. Les épidémies d'air froid qui en résultent peuvent être extrêmes, avec des températures inférieures à -50°C (-58°F) dans les bassins de Yakutia. Les villages de Oymyakon et Verkhoyansk sont les épicentres de ce froid, enregistrant régulièrement les températures les plus basses sur Terre pour les endroits habités.

Les blizzards de la Purgi et du sol

Le blizzard sibérien est connu sous le nom de Purgi. Une caractéristique unique de la tempête d'hiver sibérienne est la prévalence du blizzard «sol» ou «blanchissement». Le pack de neige en Sibérie est exceptionnellement sec et lâche.

Cette neige dérivante réduit la visibilité à zéro pendant des jours à la fois. Les facteurs de refroidissement éolien tombent en dessous de -70°C. Il s'agit d'un risque principal pour l'infrastructure de la Route de la mer du Nord, les champs de gaz de la péninsule Yamal et les villes de Norilsk et Magadan. Il n'est pas rare que les bâtiments soient complètement enterrés par des dérives, et les interdictions de voyager sont courantes lors de ces événements.

La physique d'un Blizzard : neige, vent et fetch

Un blizzard est défini par la combinaison de vents forts (plus de 35 mi/h) et de neige qui tombe ou souffle, ce qui réduit la visibilité à moins de 400 mètres pendant au moins trois heures. La dynamique physique spécifique, cependant, varie considérablement entre les régimes maritime et continental du Canada et de la Sibérie.

Régimes secs et régimes humides

L'équation Clausius-Clapeyron dicte que l'air froid retient de façon exponentielle moins de vapeur d'eau. Au cœur de l'hiver, en Sibérie ou dans l'Extrême-Arctique canadien, l'air est si froid qu'il ne peut supporter qu'une couche peu profonde de nuages. La chute de neige est composée de minuscules cristaux angulaires qui se consolident de façon lâche.

En revanche, les blizzards du sous-Arctique (la Norvège côtière, la mer de Béring, le sud du Canada) comportent souvent un air plus chaud et plus humide, qui produit une neige lourde et « collante » qui adhère aux lignes électriques et aux arbres, causant des dommages et des pannes de courant généralisées.

Récupère et l'état de Blanchiment

La « déferlement » est la distance que le vent traverse sur une surface uniforme. Au-dessus de l'océan, la déferle détermine la hauteur des vagues. Sur la toundra ou un lac gelé, la déferle détermine la concentration de la neige soufflante. Une déferle sur la toundra sans caractéristiques permet au vent de charger l'atmosphère avec une forte densité de particules de neige.

Dans un blanc-de-vie, la lumière est uniformément diffusée par les particules de neige, éliminant les ombres et l'horizon. La perception de la profondeur est complètement perdue. C'est une cause principale de décès pendant les tempêtes hivernales, lorsque les gens deviennent désorientés et perdus même dans un environnement familier.

Tonnerre

Des blizzards intenses, en particulier ceux qui se forment au-dessus des Grands Lacs, de la mer du Japon ou de la baie de Baffin, peuvent produire des éclairs et des tonnerres.Les courants d'air se produisent lorsque la masse d'air est très instable. L'air froid qui se déplace sur des eaux relativement chaudes crée une couche convectife profonde. Les courants d'air ascendants dans ces nuages convectifs sont suffisamment forts pour charger le nuage et produire des éclairs.

Prévoir l'avenir des blizzards arctiques

Les modèles climatiques sont notre principal outil pour comprendre comment les patrons de blizzard vont évoluer avec le réchauffement continu de l'Arctique. La génération actuelle de modèles, qui fait partie du projet de comparaison interlaboratoires du modèle couplé (CMIP6), montre une forte tendance au réchauffement, mais la réaction des tempêtes hivernales est complexe et incertaine.

Hypothèse de la WACC et incertitude du modèle

L'hypothèse Continents froids arctiques chauds suggère que l'amplification en cours dans l'Arctique entraînera des éclosions d'air froid plus fréquentes et des tempêtes hivernales graves dans les latitudes moyennes.

Certains modèles suggèrent qu'un Arctique fortement amplifié finira par entraîner un réchauffement général de l'hiver, avec moins d'événements froids extrêmes. Le problème du « signal au bruit » est une menace pour cette recherche. La variabilité naturelle de l'atmosphère (le bruit) est très importante, ce qui rend difficile la détection de la tendance à long terme (le signal) dans la fréquence des tempêtes hivernales.

Le problème du règlement

Les modèles qui représentent la banquise comme une seule couche uniforme ne tiennent pas compte des rétroactions complexes entre les pistes (cracks dans la glace), la glace pluriannuelle et l'atmosphère. Les modèles à haute résolution qui résolvent explicitement la dynamique de la glace de mer et la couche mixte de l'océan sont essentiels pour améliorer les prédictions des basses polaires et des blizzards continentaux.

Prévisions saisonnières

Les enjeux économiques sont élevés. Les entreprises énergétiques de la mer du Nord, du Canada et de la Sibérie comptent sur des prévisions saisonnières pour planifier leurs opérations hivernales. L'industrie de l'assurance les utilise pour évaluer les risques. Les centres de prévisions comme le Centre européen de prévisions météorologiques à moyenne distance (ECMWF) investissent fortement dans la représentation de l'état initial de la glace de mer.

Découvrez comment le CEMMWF intègre les données sur la glace de mer dans ses prévisions.

Impact social : résilience et risque

Les communautés du Nord canadien et de la Sibérie vivent avec des blizzards depuis des millénaires. La connaissance traditionnelle des modèles météorologiques et des techniques de survie est profonde.

À Norilsk, en Sibérie, les bâtiments sont construits sur du pergélisol et sur des pieux. Un hiver où les charges de neige sont élevées peut déstabiliser le pergélisol si la neige isole le sol, ce qui entraîne le dégel. Les Blizzards arrêtent les activités minières, ce qui a des répercussions sur les marchés mondiaux des produits de base. Dans le Nord du Canada, les blizzards isolent les communautés autochtones éloignées. La sécurité alimentaire devient précaire à mesure que la chasse devient impossible et que les chaînes d'approvisionnement sont perturbées par des routes infranchissables.

Le moteur arctique et sa portée sud

La relation entre les calottes glaciaires arctiques et les profils de blizzard dans le Nord canadien et en Sibérie est un lien physique direct. La glace n'est pas une victime passive du changement climatique; elle est un architecte actif du temps qui définit l'hiver nordique. La perte de glace de mer, l'affaiblissement du jet polaire et la perturbation du vortex polaire stratosphérique réécrivent les règles de la genèse des tempêtes hivernales.

Bien que l'avenir contienne une incertitude importante, une chose est claire : la variabilité du temps hivernal augmente. Les blizzards du 21e siècle seront différents de ceux du 20e siècle. Ils peuvent être moins fréquents dans certains mois, mais ils seront plus intenses quand ils se produisent. Les éclosions d'air froid seront entraînées par un moteur arctique plus chaud, un paradoxe qui définit cette ère du changement climatique. Les données de l'ICESat-2, CryoSat-2 et du NSIDC ne sont pas seulement une enquête scientifique; il s'agit du fondement de la préparation aux situations d'urgence et de la stabilité économique pour le monde du Nord.

L'étude de la NASA révèle que la perte de glace de mer dans l'Arctique entraîne de plus grandes chutes de neige.