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L’énergie des dépressions extratropicales
Quel est le rapport entre la différence de température pôle-équateur, appelée gradient de température méridien, et les dépressions extratropicales ? L’énergie exploitée par les dépressions extratropicales provient de ce gradient de température méridien, qui est à son maximum le long du front polaire. En effet, le contraste de température entre les masses d’air polaire et tropicale représente aussi un contraste de densité qui est source d’instabilité. C’est pourquoi une petite perturbation le long du front polaire tend à s’amplifier, donnant vie aux dépressions. Vous trouverez plus d’informations sur le cycle de vie et l’énergie des dépressions dans cet article de blog.
Une première conséquence de la diminution du gradient de température méridien (autrement dit, un front polaire plus faible) est donc qu’il devrait y avoir moins d’énergie disponible pour les dépressions. Est-ce que cela implique qu’elles devraient être moins intenses ? Ce n’est pas aussi simple que cela. Tout d’abord, comment définir l’intensité d’une dépression ? Par la pression en son centre, la force des vents, le cumul de précipitations ? Deuxièmement, il y a d’autres processus qui influencent l’intensité d’une dépression et ils sont eux aussi affectés par le changement climatique. Ils sont pour la plupart liés aux changements de phase de l’eau (p.ex. évaporation, condensation) et donc à l’humidité de l’atmosphère qui est directement influencée par le changement climatique. Cela nous amène à une deuxième propriété importante du réchauffement climatique, décrite dans la section suivante.
Une deuxième conséquence de l’amplification polaire est le déplacement des dépressions en direction des pôles (voir cet article de 2020). En effet, avec le réchauffement, l’air tropical a tendance à gagner du terrain en direction des pôles : la région où il rencontre l’air polaire a donc tendance à être décalée vers les pôles. Etant donné que les dépressions ont tendance à grandir le long du front polaire, elles se trouvent elles aussi déplacées en direction des régions polaires. Cela est également schématisé sur la Figure 1 où l’on voit bien les isothermes se déplacer en direction des pôles.
Humidité de l’atmosphère
Vous avez probablement déjà entendu que plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau. C’est l’équation de Clausius-Clapeyron qui stipule que pour chaque degré (Celsius) de réchauffement, l’atmosphère peut contenir 7 % d’humidité en plus. Cela veut non seulement dire que le potentiel de précipitations intenses augmente avec le réchauffement climatique, mais aussi que le rôle de la chaleur latente sera plus important. Vous vous rappelez peut-être de vos cours de physique que la quantité d’énergie consommée pour évaporer de l’eau (ou dégagée lors de la condensation) est très importante (2’257 kJ/kg à pression atmosphérique de 1013 hPa et à 100 °C, soit 5 fois plus que pour chauffer l’eau de 0 à 100 °C). Or, à l’intérieur d’une dépression extratropicale, il y a beaucoup de condensation dans les mouvements ascendants liés aux fronts : c’est ce qui forme les nuages et éventuellement les précipitations. Cette condensation dégage beaucoup de chaleur qui est aussi une source d’énergie pour les dépressions. Une atmosphère plus chaude signifie donc plus d’humidité et plus d’énergie dégagée sous forme de chaleur latente lors de la formation de nuages et de précipitations. Cela pourrait donc contrebalancer la diminution de l’énergie disponible dans un gradient de température méridien plus faible.
Le rôle de la chaleur latente dans une dépression va bien au-delà de l’aspect purement énergétique. Par exemple, l’évaporation des précipitations dans le courant sec qui s’écoule à l’arrière du front froid (voir ce blog sur les ceintures d’écoulements) à un effet de refroidissement qui produit de l’air dense qui vient s’abattre au sol, pouvant produire des rafales de plus de 180 km/h (voir courant-jet d’occlusion). On voit bien que la question de l’impact du réchauffement climatique sur les dépressions est hautement complexe, car elle fait intervenir des phénomènes qui interagissent à différentes échelles. De plus, il faut également tenir compte de la structure verticale de l’atmosphère, car les dépressions sont bien des systèmes tridimensionnels. Cet aspect est abordé dans la prochaine et dernière section.
Changement dans la structure verticale de l’atmosphère
La troisième propriété du réchauffement climatique dont nous avons à la fois une confiance élevée et qui influence les dépressions est celle liée aux changements dans la haute troposphère et la stratosphère. Le réchauffement climatique va amener un réchauffement dans la haute troposphère dans les régions tropicales et un refroidissement dans la stratosphère dans les régions polaires, selon le 5e rapport du GIEC. Cela conduit à l’effet inverse de ce qui est observé dans la basse troposphère : c’est-à-dire à une augmentation du gradient de température méridien vers la tropopause.
Un deuxième effet à considérer dans la structure verticale de l’atmosphère est la localisation du réchauffement dû au dégagement de chaleur latente : le maximum a lieu dans la moyenne et haute troposphère, ce qui a pour conséquence d’augmenter la stabilité verticale, selon cet article du Journal of the Atmospheric Sciences. Une fois de plus, on voit que le même mécanisme (ici le dégagement de chaleur latente) peut à la fois conduire à une intensification des dépressions (contribution à l’énergie de la dépression) ou à un affaiblissement (augmentation de la stabilité dans la verticale). Cet article de Nature propose une quantification de ces différents effets, qui peuvent parfois se compenser.
Résumé
Pour synthétiser les trois propriétés du changement climatique qui influencent les dépressions, on peut dire que :
- L’amplification polaire conduit à une diminution du gradient de température méridien dans la basse troposphère et donc à une diminution d'une partie de l’énergie disponible pour les dépressions.
- L’augmentation du contenu en humidité de l’atmosphère avec le réchauffement climatique conduit directement à une augmentation du potentiel de précipitations extrêmes. De plus, le dégagement de chaleur latente plus important représente de l’énergie disponible supplémentaire pour les dépressions. Cet article stipule d’ailleurs que dans le futur, la contribution de la chaleur latente comme source d’énergie des dépressions devrait augmenter.
- L’augmentation du gradient de température méridien dans la haute troposphère, ainsi que le dégagement de chaleur latente dans la moyenne et haute troposphère modifient la structure thermique de l’atmosphère. Dans les moyennes latitudes, l’effet serait une augmentation de la stabilité verticale.
Malgré que nous ayons une bonne confiance dans ces propriétés, la manière dont elles interagissent et influencent les dépressions extratropicales est moins certaine (voir cette revue de 2019). Néanmoins, certains enseignements sur l’influence du changement climatique sur les dépressions extratropicales peuvent être tirés. Maintenant que vous disposez du contexte théorique, nous verrons dans la deuxième partie de cet article quels sont les changements auxquels on peut s’attendre, ainsi que la confiance que nous avons dans ces tendances. Ne manquez donc pas le deuxième chapitre qui sera publié prochainement !
Références et notes supplémentaires
Vous trouverez plus de détails et références dans l’article de Catto et al. 2019 ci-dessous, qui est la source principale de ce blog. La rétroaction glace-albédo n’est pas le seul mécanisme de rétroaction responsable de l’amplification polaire, l’article de Goosse et al. 2018 ci-dessous propose une quantification des différentes rétroactions en jeu dans les régions polaires. Les autres articles ci-dessous ont été cités en hyperlien ou seront utilisés dans le deuxième chapitre de ce blog. L’influence du changement climatique sur les cyclones tropicaux est résumé dans cet autre article de blog de MétéoSuisse.
- Catto, Jennifer L., et al. “The Future of Midlatitude Cyclones.” Current Climate Change Reports, vol. 5, no. 4, Dec. 2019, pp. 407–20, https://doi.org/10.1007/s40641-019-00149-4.
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Hawcroft, M. K., et al. “How Much Northern Hemisphere Precipitation Is Associated with Extratropical Cyclones?” Geophysical Research Letters, vol. 39, no. 24, 2012, pp. 1–7, https://doi.org/10.1029/2012GL053866.
- Intergovernmental Panel On Climate Change. Climate Change 2021 – The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 1st ed., Cambridge University Press, 2023, https://doi.org/10.1017/9781009157896.
- IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp.
- O’Gorman, Paul A. “The Effective Static Stability Experienced by Eddies in a Moist Atmosphere.” Journal of the Atmospheric Sciences, vol. 68, no. 1, Jan. 2011, pp. 75–90, https://doi.org/10.1175/2010JAS3537.1.
- Priestley, Matthew D. K., and Jennifer L. Catto. “Future Changes in the Extratropical Storm Tracks and Cyclone Intensity, Wind Speed, and Structure.” Weather and Climate Dynamics, vol. 3, no. 1, Mar. 2022, pp. 337–60, https://doi.org/10.5194/wcd-3-337-2022.
- Shaw, T. A., et al. “Storm Track Processes and the Opposing Influences of Climate Change.” Nature Geoscience, vol. 9, no. 9, Sept. 2016, pp. 656–64, https://doi.org/10.1038/ngeo2783.
- Sinclair, Victoria A., et al. “The Characteristics and Structure of Extra-Tropical Cyclones in a Warmer Climate.” Weather and Climate Dynamics, vol. 1, no. 1, Jan. 2020, pp. 1–25, https://doi.org/10.5194/wcd-1-1-2020.