# L'amplification arctique augmente-t-elle la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes ?

Fabio D'Andrea

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Fabio D'Andrea. L'amplification arctique augmente-t-elle la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes?. La Météorologie, 2025, 129, pp.034. 10.37053/lameteorologie-2025-0034. hal-05367283

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# L'amplification arctique augmente-t-elle la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes ?

Fabio D'Andrea*

Laboratoire de météorologie dynamique, IPSL, ENS, PSL Research University,
École Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, Sorbonne Université, CNRS, Paris

## Résumé

Au cours des dernières décennies, l'Arctique a connu un réchauffement marqué et une réduction rapide de la banquise. Ce phénomène, appelé amplification arctique, est souvent invoqué pour expliquer l'augmentation des vagues de froid et de chaleur aux latitudes moyennes. La modification du gradient méridien de température à grande échelle pourrait affecter la dynamique atmosphérique globale, influençant ainsi les régimes météorologiques. Cet article passe en revue l'état actuel de la recherche, les débats et les incertitudes concernant l'impact potentiel de l'amplification arctique sur les événements météorologiques extrêmes, en particulier par le biais de mécanismes affectant le courant-jet, les ondes de Rossby et les blocages atmosphériques, avec une attention particulière aux variations saisonnières.

## Abstract – Is Arctic amplification increasing the frequency of extreme weather events?

Over the past few decades, the Arctic has experienced significant warming and a rapid reduction in sea ice. This phenomenon, known as Arctic amplification, is often cited to explain the increase in cold and heat waves in mid-latitudes. The change in the large-scale meridional temperature gradient could alter global atmospheric dynamics, thus influencing weather patterns. This article reviews the current state of research, debates, and uncertainties regarding the potential impact of Arctic amplification on extreme weather events, particularly through mechanisms affecting the jet stream, Rossby waves, and atmospheric blockings, with attention to the seasonal variations.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Visualisation du jet atmosphérique au-dessus de l'Europe. Crédit : Nasa's Scientific Visualization Studio.

À cause du changement climatique anthropique, au cours des dernières décennies, les régions arctiques ont subi un réchauffement majeur de la basse troposphère (figure 1), plus important que le réchauffement moyen global et accompagné d'un déclin rapide de la banquise. On entend souvent, même dans la presse grand public, que ce réchauffement, appelé amplification arctique, expliquerait l'augmentation des vagues de froid et de chaleur aux moyennes latitudes. Que sait-on de cette hypothèse ?

Tout d'abord, pourquoi y a-t-il une amplification arctique ? Dans son histoire, la Terre a déjà connu des périodes de réchauffement accompagnées d'amplifications polaires [1]. Le mécanisme le plus connu pour expliquer l'amplification actuelle est la rétroaction de l'albédo de la glace : lorsque la glace de mer – de même que la couverture neigeuse continentale – diminue, cela conduit à une absorption plus importante du

rayonnement solaire en surface et donc à un réchauffement accru de l'air près du sol. Cependant, d'autres mécanismes jouent un rôle non négligeable, ce qui explique par ailleurs pourquoi l'amplification polaire est présente – dans les modèles numériques – même en l'absence de glace de mer. Ces autres mécanismes incluent notamment les effets dits de Planck et du *lapse rate*. L'effet de Planck stipule qu'étant donné la dépendance de la loi de Stefan à la quatrième puissance de la température, une augmentation de celle-ci est moins efficace pour générer un rayonnement infrarouge sortant à basse température qu'à haute température. Ainsi, aux pôles, une même augmentation de température provoque une moindre émission de rayonnement infrarouge qu'aux tropiques, et donc davantage de réchauffement. Le *lapse rate* est dû à la moins grande efficacité du mélange vertical de la chaleur à basses température et humidité, en raison de l'absence de convection, ce qui augmente les températures

<footnote>*fabio.dandrea@lmd.ipsl.fr</footnote>
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1. Variation de la température moyenne à la surface de la Terre depuis la période préindustrielle. Source : base de données Berkeley Earth (avec la permission de Ed Hawkins, https://ed-hawkins.github.io/climate-visuals/). Voir [2] pour les détails du calcul.</figcaption></figure>

de surface. L'effet des nuages est égale-
ment important, tout comme le trans-
port atmosphérique et océanique qui
est modifié par la dynamique de grande
échelle. Pour une revue de tous ces
mécanismes, le lecteur peut se référer

à Taylor *et al.* [3]. Dans l'hémisphère
Sud, on n'observe pas - ou pas encore -
d'amplification polaire. Les différences
de répartition des continents et de l'oro-
graphie semblent expliquer cette asymé-
trie (voir par exemple [4]).

Le jet atmosphérique et ses ondes

Le vent thermique

On appelle équilibre du vent thermique la re-
lation entre le gradient horizontal de tempéra-
ture et le gradient vertical de vitesse du vent,
qui résulte de l'effet combiné des équilibres
hydrostatique et géostrophique. Pour le dire
plus simplement, le fait que la température de
la basse troposphère diminue en allant vers le
pôle entraîne que le vent d'ouest augmente
d'intensité en altitude.

La pression diminue avec la hauteur, mais elle
le fait d'autant plus rapidement que la tem-
pérature est basse. En effet, selon les prin-
cipes de la thermodynamique, l'air froid est
plus dense et donc davantage de masse d'air
reste « tassée » près de la surface s'il fait froid.
Imaginons maintenant que nous nous élevions
par rapport au sol : si l'air est plus dense près
du sol, il reste davantage de masse d'air sous
nos pieds et moins au-dessus de notre tête.
Si l'on se rappelle que la pression est le poids
de la colonne d'air au-dessus d'un point, on
comprend pourquoi, à une même altitude, la
pression est plus basse dans les régions po-
laires froides que dans les régions tropicales
chaudes.

Ce simple raisonnement thermodynamique
nous fait comprendre le gradient de pression
nord-sud présent dans la haute troposphère.
Comme toujours aux grandes échelles spa-
tiales, un gradient de pression crée un vent
en altitude qui souffle parallèlement aux iso-
bares, selon ce qu'on appelle l'équilibre géos-
trophique.

Le vent thermique nous permet donc de com-
prendre les grandes lignes de la physique qui
mènent à la formation du jet atmosphérique
(ou courant-jet) aux latitudes moyennes.

Les ondes de Rossby

Le jet, cette rivière d'air qui coule d'ouest en
est, n'est pas stable et crée des ondulations
(semlables à des « méandres »). Une ondu-
lation vers le nord étend une zone de haute
pression et haute température dans une ré-
gion plus froide, et une ondulation vers le sud
transporte de l'air froid vers les régions tropi-
cales. L'évolution de ces ondulations, que l'on
appelle familièrement des « perturbations »,
crée la variabilité des conditions météorolo-
giques.

Ces ondulations, que l'on peut considérer comme des oscillations autour d'un flux parallèle aux lignes de latitude constante (les parallèles terrestres), se propagent le long du jet. Ce sont des ondes dites de Rossby provoquées par une physique un peu complexe liée à la rotation de la Terre, qui est ressentie plus fortement aux pôles qu'à l'équateur. À cause de la conservation de la rotation (le moment angulaire), un fluide qui se déplace en latitude ressent des variations de rotation qui entraînent, dans le cas du jet, la dynamique de ses ondulations. Pour décrire les ondes de Rossby, on utilise les mêmes outils mathématiques que ceux employés pour d'autres phénomènes ondulatoires ; on peut donc parler de dispersion, de longueur d'onde et de vitesse de phase.

Grâce à la dynamique des ondes de Rossby,
toute anomalie qui apparaît dans le flux at-
mosphérique peut se propager. Ainsi, un
réchauffement à la surface des continents,
provoqué par la fonte de la couverture nei-
geuse ou par une sécheresse, peut se pro-
pager et affecter des régions du globe très
éloignées.

Les grandes différences de température
à l'échelle planétaire sont le moteur
thermique qui met en mouvement le
fluide atmosphérique. L'amplification
arctique vient donc modifier l'origine
même des phénomènes météorolo-
giques. De nombreuses études ont été
consacrées à l'effet de ces changements
rapides dans l'Arctique sur la dyna-
mique atmosphérique à l'échelle plané-
taire. Dans la suite, nous passerons en
revue l'état actuel de la recherche sur
ce sujet, en détaillant dans une certaine
mesure les différents mécanismes phy-
siques qui ont été proposés pour relier
l'amplification arctique aux change-
ments dans les statistiques des extrêmes
climatiques.

Une conjecture
physique

L'hypothèse selon laquelle les condi-
tions aux latitudes moyennes, et en par-
ticulier en hiver en Europe, dépendent
de l'étendue de la glace de mer arctique
remonte au début du XXe siècle [5].
Cependant, le débat actuel sur l'am-
plification arctique et les extrêmes cli-
matiques a probablement été initié par
Francis et Vavrus en 2012 [6]. Ces au-
teurs ont proposé que l'amplification
arctique, en augmentant la hauteur
géopotentielle aux hautes latitudes,
réduirait le gradient de pression méri-
dional à grande échelle dans la haute
troposphère. Selon l'équilibre du vent
thermique, cela conduirait à un ralentis-
sement du courant-jet, augmentant ainsi
la probabilité d'ondes de Rossby (voir
encadré) quasi stationnaires, avec une
vitesse de phase proche de zéro.

Pour une intuition physique, on peut se
référer à l'expression suivante pour la
vitesse de phase zonale c<sub>φ</sub> d'une onde
de Rossby de nombres d'onde k et l (in-
verses de la longueur d'onde) dans les
directions zonale et méridionale :

$$
c_{\phi} = U - \frac{\beta}{k^2 + l^2} \quad (1)
$$

Dans cette équation, β représente le
gradient méridional de vorticité absolue
et U est le vent d'ouest moyen. Tandis
que le vent moyen pousse la phase des
ondes vers l'est, le second terme de
l'équation la pousse vers l'ouest, d'aut-
tant plus rapidement que les ondes sont
longues (et donc que k et l sont petits).
En général, U l'emporte, ce qui fait que
la propagation des perturbations se fait
presque toujours vers l'est. Si l'on dimi-
nue U, davantage d'ondes seront quasi
stationnaires, c'est-à-dire auront une vitesse critique où les deux termes de l'équation se compensent.

Cette idée est illustrée en figure 2, où une onde de Rossby est matérialisée par une isoligne de géopotentiel (isohypses) à 500 hPa. On peut voir son oscillation autour d'une position moyenne parallèle aux lignes de latitude constante.

Cette relation tient dans le cas simplifié d'un flux barotrope avec une vitesse zonale constante *U*, sans forçage orographique ou thermique. Néanmoins, elle constitue la base théorique de la conjecture de Francis et Vavrus. Des travaux ultérieurs ont même suggéré que l'amplification arctique pourrait également modifier, en plus de la vitesse moyenne *U*, l'amplitude méridionale des ondes et le gradient de vorticité apparaissant dans l'équation, contribuant davantage à la diminution de la vitesse de phase.

## En hiver : le vortex polaire et la NAO

L'augmentation de la probabilité de ces ondes de grande amplitude, possédant une vitesse de phase quasi nulle, pourrait accroître la probabilité de blocages

atmosphériques, ce qui pourrait expliquer la fréquence accrue des vagues de froid sur les continents des latitudes moyennes ces dernières années, malgré le réchauffement climatique global. Plus généralement, l'affaiblissement du courant-jet rendrait les anomalies aux latitudes moyennes plus persistantes, en raison de la lenteur des ondes. Et un temps plus persistant signifie, par exemple, des précipitations cumulées plus abondantes ou des sécheresses plus longues. Ce lien et autres questions sur la causalité et les interactions entre les extrêmes climatiques et l'amplification arctique sont discutés en détail dans [7].

Une autre manière d'aborder ces processus physiques est de relier l'amplification arctique aux changements de phases de l'oscillation nord-atlantique (NAO) [8]. La réduction de la glace de mer augmenterait la probabilité d'une phase NAO négative, ce qui expliquerait les perturbations plus fortes dans un courant-jet affaibli. La phase négative de la NAO créerait à son tour des conditions plus froides sur les continents des latitudes moyennes. La tendance des températures de surface est cohérente avec le schéma « Arctique chaud, continent froid » (WACC.), lié à des conditions anticycliques plus fréquentes en cas de NAO négative.

Un deuxième ensemble de processus concerne le vortex polaire stratosphérique hivernal. Les épisodes de réchauffement stratosphérique soudain (SSW) sont connus pour précéder les vagues de froid aux latitudes moyennes, avec un décalage de quelques semaines. Plusieurs études de modélisation récentes ont suggéré que la réduction de la glace de mer arctique, en particulier dans la région des mers de Barents et de Kara, ou la diminution de la couverture neigeuse eurasienne entraînerait des épisodes SSW plus fréquents. Le lien réside dans la propagation verticale des ondes de Rossby de grande échelle (nombres d'onde 1 et 2) engendrées par le forçage thermique de surface, qui transfère une anomalie de mouvement vers l'ouest dans la stratosphère, affaiblissant ainsi le vortex polaire.

Pour une lecture plus technique, on peut se référer à Cohen *et al.* [9, 10], qui clasrifient le réseau quelque peu complexe des processus mentionnés ci-dessus.

Ces hypothèses physiques ont d'abord suscité un fort intérêt, mais ont ensuite été accueillies avec un certain scepticisme par la communauté scientifique. Bien que l'augmentation de la température dans l'Arctique soit indiscutable, il n'y a pas encore de preuve convaincante des effets postulés sur les latitudes moyennes. Pour commencer, il ne

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2. Carte de hauteur géopotentielle (courbes noires) à 500 hPa, pour un jour d'août 2024 sur la région euro-atlantique, publiée par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT). Une onde de Rossby est matérialisée par l'oscillation d'une isoligne, en bleu, par rapport à un parallèle (ligne en pointillés d'égale latitude). Les cartouches se réfèrent aux termes de l'équation (1). En couleur, la température à 850 hPa. © CEPMMT, CC BY 4.0.</figcaption></figure>
semble pas y avoir de tendance dans la vi-
tesse de phase des ondes de Rossby. Des
scientifiques ont mesuré cette vitesse
directement à partir des données d'ob-
servation avec différentes techniques,
sans trouver de signal concluant. Quant
à l'amplitude des ondes de Rossby, seule
une légère augmentation a été observée
ces dernières années. L'absence de sé-
ries historiques suffisamment longues
sur la circulation atmosphérique limite
la portée des analyses, notamment pour
les événements rares. Des simulations
de modèles climatiques sur de longues
périodes peuvent évidemment être uti-
lisées, mais elles ne prévoient aucune
tendance marquée dans l'amplitude
ou la vitesse des ondes de Rossby. De
plus, aucune tendance apparente n'a
été observée concernant la fréquence
des blocages atmosphériques, et les
modèles climatiques globaux prévoient
même une diminution de ces blocages
à l'avenir.

En réalité, ces modèles prévoient un ré-
chauffement de la tropopause tropicale
qui tend à renforcer le gradient de tem-
pérature méridional aux niveaux supé-
rieurs de l'atmosphère. Cela compense
la réduction du gradient en surface
causée par l'amplification arctique dans
certains modèles. Ces mécanismes op-
posés sont souvent qualifiés de « tir à la
corde » (tug of war) dans la littérature
scientifique. À noter que le réchauffe-
ment de la tropopause tropicale reste,
pour le moment, surestimé par les mo-
dèles, en comparaison des observations
disponibles.

En été :
les guides d'onde

Contrairement à l'hiver, c'est en été que l'on observe de véritables changements significatifs de la variabilité synoptique des moyennes latitudes. Les blocages atmosphériques ont augmenté de manière significative au-dessus du Groenland et les dépressions atlantiques plus intenses ont fortement augmenté dans la partie orientale du bassin, près des côtes européennes.

Pourtant, l'amplification arctique est
maximale en hiver. Pour expliquer l'aug-
mentation apparente des événements
extrêmes en été, notamment les vagues
de chaleur et les épisodes de fortes
pluies, un autre mécanisme, plus com-
plexe, a été proposé. Plutôt que de se
fonder sur le ralentissement des ondes
de Rossby libres obéissant à l'équation
mentionnée plus haut, il est postulé que

la modification des gradients de tem-
pérature due à l'amplification arctique
favorise un phénomène similaire à la
résonance entre les ondes de Rossby
et le forçage dû à l'orographie ou aux
contrastes thermiques à la surface. Cela
se produit notamment dans le cas de
l'apparition d'un double jet atmosphé-
rique ; on dit alors que les ondes sont
piégées entre deux guides d'ondes.

L'apparition d'un double jet serait favorisée ces dernières années par une plus forte augmentation de la température des continents par rapport à l'océan. À proximité de leurs côtes nord, dans l'Arctique, cela crée un fort gradient de température qui, là encore par la relation du vent thermique, provoque l'apparition d'un jet supplémentaire autour de la latitude 70° N. Les conditions de flux à grande échelle pour ce mécanisme de résonance des ondes sont également diagnostiquées dans les projections climatiques futures. Dans les scénarios les plus pessimistes, les conditions de résonance pourraient augmenter de 50 % d'ici à la fin du XXIe siècle, mais avec de grandes variations entre modèles.

D'autres travaux plus récents ont émis
l'hypothèse que l'augmentation des
conditions de guides d'onde pourrait
egalement être due au forçage diabá-
tique de la surface continentale, notam-
ment en raison de l'augmentation de
l'aridité sur les continents de latitude
moyenne. La perturbation causée par
ce réchauffement provoquerait une
onde de Rossby qui augmenterait la
probabilité des vagues de chaleur à la
fois dans la région atlantique et sur le
continent eurasien.

Une question ouverte

Une théorie complète de l'effet de la
diminution de la glace de mer et de
l'amplification arctique en général sur
la circulation atmosphérique des lati-
tudes moyennes fait toujours défaut.
L'amplification arctique est maximale
en hiver, mais, malgré les hypothèses
formulées, qu'elles soient théoriques ou
basées sur la modélisation numérique,
les preuves observationnelles d'un lien
entre l'amplification arctique et la dy-
namique atmosphérique, notamment
en ce qui concerne les événements ex-
trêmes, restent limitées. De surcroît,
aucune preuve empirique robuste de
changement dans la circulation à grande
échelle n'a été observée, du moins en hi-
ver : il n'y a dans ce cas aucun signe de
diminution de la vitesse de phase des
ondes de Rossby ou d'augmentation de

la fréquence des blocages atmosphé-
riques. Il s'agit de mesures difficiles :
on cherche un signal faible en présence
d'un bruit naturel très fort. De nom-
breuses mesures de l'amplitude et de
la vitesse des ondes ont été utilisées,
telles que des mesures de la longueur
des isolignes de différentes variables ou
des méthodes spectrales, donnant les
mêmes résultats globaux. En été, des
changements plus perceptibles appa-
raissent dans la variabilité synoptique
des moyennes latitudes, mais là encore,
le lien avec l'amplification arctique, qui
est par ailleurs minimale durant cette
saison, ne fait pas consensus.

Faute de théorie, on peut au moins ten-
ter d'établir des liens causals entre le
forçage de l'amplification arctique – ou
autre – et la circulation atmosphérique
à partir des modèles numériques. Grâce
à un projet coordonné de plusieurs insti-
tutions de recherche, on a pu mettre en
évidence une réponse à l'amplification
arctique en hiver dans un ensemble de
modèles climatiques [11]. Cette réponse
présente bien la structure d'une NAO
négative et est significative, mais elle
reste très faible. En ce sens, la réponse
des modèles ressemble à celle obser-
vée dans les données sur la pression
et le géopotentiel aux grandes échelles
spatiales, mais la ressemblance s'arrête
là. En effet, la réponse en température
ne correspond pas du tout à ce qui est
observé, notamment le schéma WACC
mentionné plus haut. Il est possible que
les basses températures en Asie soient
simplement le résultat de la variabilité
des blocages en Oural et en Sibérie, qui
sont faiblement modulés par la NAO et
mal reproduits par les modèles. Le fait
que les modèles aient du mal à établir
un lien causal entre la diminution de la
glace de mer et les conditions dans les
latitudes moyennes n'est bien sûr pas
une preuve que ce lien n'existe pas. Les
modèles ont des lacunes, notamment
dans la représentation de l'interaction
entre la surface continentale et l'atmos-
phère, ou dans la simulation des blo-
cages atmosphériques.

Au moment de la rédaction de cet
article, la communauté scientifique
cherche encore à parvenir à une vision
consensuelle sur ce sujet. Certains tra-
vaux remettent en question la direc-
tion même du lien de causalité entre
l'amplification arctique et les hivers
rigoureux aux latitudes moyennes. Un
certain nombre d'articles émettent en
effet l'hypothèse que des événements
anormaux à grande échelle dans les la-
titudes moyennes en hiver pourraient
être responsables de la pénétration
d'air plus chaud et plus humide dans
l'Arctique, expliquant ainsi l'amplification arctique. Le lien avec les événements extrêmes est fourni par le fait que la majeure partie du transport méridional de température et d'humidité se produit en fait lors de quelques événements de forte amplitude. Nous avons peut-être trop cherché des forçages globaux comme l'amplification arctique pour expliquer le lien entre changement climatique et dynamique atmosphérique.

Ce n'est qu'une intuition, mais personnellement je pense que ce lien devrait s'articuler plutôt à l'échelle régionale. Des hétérogénéités du réchauffement autres que l'amplification arctique devraient être analysées de plus près en termes d'impact sur la circulation atmosphérique. Je pense notamment au réchauffement continental, qui entraîne l'augmentation du contraste thermique terre-océan en été et sa diminution en

hiver. Cela pourrait, selon les régions, modifier l'instabilité de l'écoulement en le rendant plus ou moins variable. D'autres pistes sont évoquées par la communauté scientifique, comme le réchauffement tropical, notamment dans la haute troposphère (voir par exemple [12]), ou les processus diabatiques dans l'atmosphère, suite à l'augmentation d'humidité spécifique globale [13]. La recherche continue.

## Bibliographie

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[10] Cohen J. et al., 2020. Divergent consensuses on Arctic amplification influence on midlatitude severe winter weather. *Nat. Climate Change*, 10, 20-29. doi: 10.1038/s41558-019-0662-y

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[12] Woollings T., Drouard M., O'Reilly C.H., Sexton D.M., McSweeney C., 2023. Trends in the atmospheric jet streams are emerging in observations and could be linked to tropical warming. *Communications Earth & Environment*, 4, 125.

[13] Röthlisberger M., Papritz L., 2023. Quantifying the physical processes leading to atmospheric hot extremes at a global scale. *Nat. Geosci.*, 16, 210-216. doi: 10.1038/s41561-023-01126-1