NAO, régimes de temps et prévisions saisonnières

[florent76]

NAO, régimes de temps et prévisions saisonnières,

prévoir l’oscillation nord-atlantique

L’indice NAO

Pour caractériser la phase de l’oscillation nord-atlantique, on construit traditionnellement un indice défini comme la différence de pression de surface entre les Açores (ou des régions proches, tels le Portugal ou Gibraltar) et l’Islande. On le calcule pour chaque hiver (voir chapitre suivant). Sur les 150 dernières années (fig. suivante), la série d’indices calculés pour Lisbonne et Stykkisholmur met en évidence, à la fin du XXe siècle, l’alternance de périodes décennales qui privilégient les phases négatives dans les années 1950 à 1970, puis les phases positives ensuite. L’indice révèle aussi une forte variabilité interannuelle (c’est-à dire d’un hiver à l’autre) avec de brusques changements, par exemple entre les hivers 1995 et 1996.

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Indice NAO moyenné sur les mois d’hiver (mois de décembre à février) et calculé pour les stations de Lisbonne (Portugal) et Stykkisholmur (Islande). L’indice est présenté pour les hivers 1864 à 2002 (année du mois de janvier par convention). La barre noire verticale matérialise le début des fluctuations quasi décennales à la fin du XXe siècle. La courbe noire est une moyenne glissante de l’indice sur cinq ans.

Doit-on comprendre le changement de circulation atmosphérique des vingt à trente dernières années comme un glissement lent et progressif vers un nouvel état ? D’après l’indice NAO, il semblerait que non. L’oscillation nord atlantique a toujours existé et est considérée comme un mode intrinsèque à l’atmosphère. Le changement climatique sur l’Europe doit être plutôt interprété comme la répétition depuis 1970 d’hivers à NAO+, dont la persistance explique l’effet décennal décrit précédemment. Le comportement de ces trente dernières années semble se rapprocher de celui du début du XXe siècle, où une certaine persistance en phase positive était également décelable. En revanche, il en diffère par les fortes valeurs de l’indice : sept valeurs parmi les dix les plus élevées au cours des 150 dernières années ont été enregistrées depuis 1980.

Le calcul de l’indice NAO

Si l’on consulte la littérature scientifique sur le calcul proprement dit de l’indice NAO, les références ne manquent pas. Dans les années 1920, le pionnier Sir Gilbert Walker incorporait les données de pression, de température de l’air et de précipitations de plusieurs stations météorologiques situées le long des côtes atlantiques. Aujourd’hui, l’indice NAO classique est calculé comme la différence de pression entre les Açores et l’Islande, selon la formulation de Rogers (1984). Il apparaît comme une simplification de l’indice original, dont il garde cependant la signification première : décrire et quantifier simplement la « force des vents d’ouest » sur le bassin Atlantique nord. Des calculs annexes ont été introduits depuis pour affiner l’indice. Ainsi, l’indice NAO peut être obtenu en décomposant les fluctuations du champ de pression de surface ou de géopotentiel en composantes principales ou en modes de variabilité. Il peut aussi être déduit d’une étude en régimes. Il peut encore être calculé en considérant les déplacements géographiques de l’anticyclone des Açores et de la dépression d’Islande. D’autres techniques tiennent compte de la structure tridimensionnelle de la NAO.

Restons simples et attachons-nous à la manière dont on obtient l’indice NAO classique. Considérons les relevés de pression journaliers d’une station météorologique proche de l’anticyclone des Açores (ce peut être Lisbonne, Ponta Delgada, Gibraltar, etc.) et d’une station proche de la dépression d’Islande (Reykjavik, Stykkisholmur, Akureyri, etc.). Le choix des stations dépend notamment de la période sur laquelle on veut calculer l’indice et de la qualité des mesures pour une période donnée, sachant que toutes les observations font l’objet de traitements statistiques préalables pour éliminer les signaux artificiels (changements d’instruments, modification de la fréquence des observations…).

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Représentation schématique de la circulation géostrophique associée à la NAO. Fp désigne la force de pression, Fc la force de Coriolis et Vg le vent géostrophique parallèle aux lignes isohypses (hausse de la pression en trait plein rouge, chute de la pression en trait pointillé bleu). Les sites classiques pour le calcul de l’indice NAO sont repérés par des points de couleur (rouge pour les Açores, bleu pour l’Islande).

Les régimes NAO

L’oscillation nord-atlantique, par ses deux phases, représente typiquement deux régimes pour l’Atlantique nord (fig. a et b ). Sur la zone Atlantique nord - Europe, les régimes NAO sont dominants et représentent environ la moitié des situations d’hiver. Deux autres régimes existent dans cette zone : le régime de dorsale atlantique, caractérisé par un gonflement de l’anticyclone des Açores recouvrant tout le bassin atlantique (fig. c), et le régime de blocage, caractérisé par un anticyclone persistant sur le nord de l’Europe et la Scandinavie (fig. d). Le blocage est souvent responsable de vagues de froid en canalisant des coulées d’air sibérien sec et glacial vers l’Europe du centre et de l’Ouest (Walsh et al., 2001).

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Anomalies de pression de surface (hPa) pour les quatre régimes climatiques caractéristiques de la région Atlantique nord - Europe. Ces régimes sont obtenus par des techniques de classification appliquées aux mois d’hiver sur la période 1950-2001.

a, régime NAO- ; b, régime NAO+ ; c, régime de dorsale ; d, régime de blocage.

Les régimes climatiques et l’océan

Les quatre régimes sont liés à des anomalies de température de surface de la mer (ou SST pour Sea Surface Temperature) en hiver :

• Des SST froides au large de Terre-Neuve et chaudes en mer de Norvège sont présentes lorsque le régime de blocage est préférentiellement excité (Namias, 1964).

• Le régime de dorsale est plutôt lié à des événements La Niña dans le Pacifique

(Cassou et Terray, 2001). Ceux-ci se réfèrent à la phase froide de l’oscillation australe – ou Enso pour El Niño Southern Oscillation – (Neelin et al., 1998) et se caractérisent par un renforcement de la langue d’eau froide équatoriale sur le bassin pacifique. L’Enso est connu pour être le phénomène climatique ayant le plus d’influence à l’échelle planétaire. Il est intéressant de souligner ici que l’approche en régimes extrait une connexion vers l’Atlantique nord pour la phase froide de l’Enso, mais pas pour la phase chaude (ou El Niño) qui est pourtant bien plus populaire et médiatisée…

• Les régimes NAO, quant à eux, sont liés à des anomalies de SST dans l’Atlantique nord (Deser et Blackmon, 1993). En première approximation, les anomalies océaniques sont opposées entre les deux phases. Si l’on corrèle ou régresse l’indice NAO avec les SST de l’Atlantique nord, on obtient une structure zonale à trois étages des subtropiques au bassin arctique.

Perspective de prévision saisonnière de la NAO d’hiver

L’essentiel de cet article est consacré aux relations « simultanées » entre l’oscillation nord-atlantique d’hiver et les températures de surface de l’Atlantique en hiver. Il existe aussi des relations « déphasées » entre les anomalies de SST de la fin de l’été sur l’Atlantique et les phases de la NAO de l’hiver suivant. Ces anomalies océaniques peuvent donc être considérées comme des précurseurs pour l’apparition des régimes NAO. On présente ici un exercice de prévision simple construit dans ce cadre.

Une structure océanique de fin d’été est extraite pour le régime NAO- en sélectionnant dans l’historique observé les hivers dominés par le régime NAO- (le critère de sélection est d’avoir au minimum deux mois sur les trois mois d’hiver occupés par le régime NAO-) et en moyennant les anomalies océaniques des fins d’été précédentes correspondantes (mois de juillet, août et septembre). On répète l’exercice pour le régime NAO+.

• La structure océanique associée au régime NAO- est dite « en fer à cheval » et se caractérise par un noyau froid au sud-est de Terre-Neuve ceinturé par des SST plus chaudes dans les subtropiques et l’est du bassin atlantique (fig. a) [Czaja et Frankignoul, 1999].

• La structure océanique associée au régime NAO+ se caractérise par une sorte de « tripôle » en latitude, avec des anomalies froides au sud du Groenland et dans le bassin subtropical ouest et des anomalies chaudes le long du Gulf Stream.

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a, anomalies de SST (°C) moyennées pour les fins d’été (mois de juillet, août et septembre) précédant les hivers de la période 1949-2003 dominés par les régimes NAO-.

b, anomalies de SST (°C) moyennées pour les fins d’été (mois de juillet, août et septembre) précédant les hivers de la période 1949-2003 dominés par les régimes NAO+.

Les mécanismes physiques qui expliquent cette relation déphasée sont complexes et sont détaillés dans Cassou et al. (2004). L’exercice de prévision saisonnière repose sur l’hypothèse que, plus les anomalies de SST de la fin de l’été sont proches de la structure en fer à cheval (resp. en tripôle), plus les chances sont grandes que l’hiver suivant soit dominé par les régimes NAO- (resp. NAO+). La ressemblance des anomalies de la fin de l’été est déterminée par leurs projections spatiales sur les deux structures des figures a et b, projections que l’on reporte dans l’espace réduit représenté par la figure suivante.

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Projection des anomalies de fin d’été de chaque année de la période 1949-2003 sur les deux modes des figures a et b (voir texte). Le chiffre dans les ronds est l’année de l’hiver (année du mois de janvier par convention).

Prenons la prévision de l’hiver 1989 comme exemple. Les anomalies de SST observées pour la fin de l’été 1988 sont projetées sur la structure en fer à cheval (resp. en tripôle) et la valeur de cette projection est indiquée par l’abscisse (resp. l’ordonnée) du rond 89 de la figure précédente. Plus la projection est positive (resp. négative), plus la structure observée à la fin de l’été est proche (resp. proche de l’inverse) du précurseur. Dans le cas 1989, il apparaît que les anomalies d’été se rapprochent très fortement du mode tripôle (+1,8) et se rapprochent en même temps de l’inverse du mode fer à cheval (-1,8). On prévoit ainsi dès la fin de l’été qu’il est probable que l’hiver 1989 soit dominé par les régimes NAO+. De manière plus générale, si le rond tombe dans l’espace blanc (resp. gris), une phase positive (resp. négative) de la NAO est prévue. De plus, en première approximation, plus le rond s’écarte de la ligne de séparation entre le blanc et le gris, plus la NAO de l’hiver suivant sera intense. On répète cet exercice pour chaque hiver de la période 1949-2003. La vérification à posteriori de la prévision est indiquée ici par le code couleur des ronds. Les ronds bleus correspondent aux hivers dominés par les régimes NAO+ (deux mois sur trois pour les bleu clair, trois sur trois pour les bleu sombre), les ronds jaunes et orange aux hivers dominés par les régimes NAO- (deux mois sur trois pour les jaunes, trois sur trois pour les orange). Les ronds blancs représentent les hivers où les régimes NAO ne sont pas prédominants. L’exercice est prometteur, puisque le signe de la NAO est prévu avec succès dans 22 cas sur les 26 hivers dominés par les régimes NAO. Schématiquement, une prévision est bonne si les ronds bleus (resp. jaunes-orange) se situent dans l’espace blanc (resp. gris). Des mauvaises prévisions existent pour les hivers 1975 et 1983, où une NAO négative est faussement prévue, et les années 1985 et 1986, où une NAO positive est faussement prévue.

Source : Christophe Cassou, Du changement climatique aux régimes de temps : l’oscillation nord-atlantique, La Météorologie - n° 45 - mai 2004

Florent.

[florent76]

Suivi des anomalies de températures marines (SST) et de l'oscillation nord atlantique (NAO)

Températures de surface de la mer (SST), banquises et anomalies à la moyenne

de OSTIA, METOffice, Grande-Bretagne

Anomalie à la moyenne des températures de surface de la mer ;

de NOAA, NESDIS, Etats-Unis

Archives des anomalies de la SST

Cartes des SST et de la salinité en surface et en profondeur depuis 2002

L'index quotidien de la NAO

et sa prévision en utilisant MRF à partir de la moyenne des données de prévision d'ensemble affichées pour les 120 jours précédents. Ces données sont normalisés par l'écart type de l'index mensuel de NAO de 1950 à 2000. Une moyenne glissante de trois jours est appliquée pour les index de prévision.

Florent.

[Invité Guest]

comme le montre ces deux graphiques de la nao, celle-ci rest restée durablement negative depuis le début mars 2005. Elle est repassée parfois au dessus du 0 que très temporairement. C'est plutot bon signe pour l'hiver à venir si ca continu dans cette lignée!

[florent76]

Rappel : tous les outils théoriques pour étudier l'évolution en temps réel de la NAO et des SST sont dans ce post.

Un sujet actuellement dans lequel vous pouvez exprimer vos découvertes sur la question :

/index.php?showtopic=11059'>anomalie SST négative en mer de Norvège, Impact sur notre automne et notre hiver.

Bonne consultation.

Florent.

[florent76]

Cassou (2004) détaille les mécanismes physiques qui expliquent la relation déphasée sont complexes entre SST et température de l'hiver à venir. L’exercice de prévision saisonnière repose sur l’hypothèse que, plus les anomalies de SST de la fin de l’été sont proches de la structure en fer à cheval (resp. en tripôle), plus les chances sont grandes que l’hiver suivant soit dominé par les régimes NAO- (resp. NAO+). La ressemblance des anomalies de la fin de l’été est déterminée par leurs projections spatiales sur les deux structures des figures a et b, projections que l’on reporte dans l’espace réduit représenté /index.php?s=&showtopic=10568&view=findpost&p=129755'>dans le sujet ci-dessus.

La fin de l'été approchant, quelle est la situation en ce début août 2006 ???

La NAO est négative depuis une dizaine de jours, mais l'été a été dominé par une NAO positive et sur les mers, les anomalies de SST sont clairement proche de la structure en tripôle qui se traduit le plus souvent (l'hiver 1984-85 est un contre-exemple) ensuite par un hiver doux en Europe avec NAO+.

Wait and see !

Florent.

Proposition aux modérateurs : Il pourrait être utile d'épingler ce sujet qui présente une partie des briques fondamentales servant à la prévision saisonnières (méthodes, indices NAO et cartes des anomalies de SST réactualisées).

[doc]

Salut,

j'avais pas vu ce post il est très interessant.

Comme tu dis, ça ressemble à du tripole, wait and see :-)

Néanmoins si les données sont pas "arrangées", les graphiques montrent de belles relations (avec leurs exceptions, c'est très beau :-) )

Doc

[florent76]

L'anomalie négative des SST gagne à partir des îles Spitzberg depuis la fin août environ. Les côtes norvégiennes normalement réchauffées par le Gulf Stream semblent l'être moins cet automne... Au niveau de l'Atlantique, on serait plutôt dans une situation de tripôle, mais peu marquée (cf premier post). Difficile de tirer des conclusions quant à la NAO de cet hiver avec cela...

Je fais remonter ce sujet afin que les amateurs puissent suivre la situation...

Florent.

[mike]

L'anomalie négative des SST gagne à partir des îles Spitzberg depuis la fin août environ. Les côtes norvégiennes normalement réchauffées par le Gulf Stream semblent l'être moins cet automne... Au niveau de l'Atlantique, on serait plutôt dans une situation de tripôle, mais peu marquée (cf premier post). Difficile de tirer des conclusions quant à la NAO de cet hiver avec cela...

Je fais remonter ce sujet afin que les amateurs puissent suivre la situation...

Bien vue florent pour relancé le sujet.

En effet, pour la NAO, difficile d'y voir clair cette année. Pas étonnant que le mett office prevoit une nao proche du neutre ou légèrement negative ( indice de -0,45). Difficile de dire si le froid va gagner sur l'air doux ou le contraire.

Mais moi je me focalise pas la dessus. Je prends plutot en compte les indices et paramètres comme cet été par exemple qui a été dominé par des nao- ( contrairement à l'été 2006). En septembre, la nao a été proche du neutre et pourtant c'est la fraicheur qui a gagné du terrain où c'est souvent anticyclonique sur l'europe du nord donc cette nao neutre est quelque bizarre d'après les centres d'action qu'il y a eu.

Ensuite vient les paramètres. Cet hiver ( et deja actuellement), on sera en phase ENSO negative ( la nina), une phase QBO negative et une activité solaire au plus bas d'où une forte probabilité d'avoir un régime nao et ao-. Ensuite vient les anomalies STT très negative au même endroit qu'en 2005 mais en plus répandu et une atlantique également plus froide...

l'automne 2006 a été dominé par des flux zonal puissant à répétition peut etre du à la phase ENSO positive ainsi qu'un QBO mal positionné ( à l'ouest) ce qui a coincé le vortex polaire sur l'arctique ( excepté temporairement fin octobre) ainsi que des anomalies STT majoritairement positive...

[snowman43]

Y a pas de dipôle ni de tripôle si on regarde les SST.

http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

L'année dernière c'était un dipôle peu marquée.

http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

Cette année ressemble à 2005 au niveau des SST

http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

Pour l'anomalie en mer de Norvège, c'est parcequ'il fait bien froid là haut depuis fin août.

http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

[mike]

Pour l'anomalie en mer de Norvège, c'est parcequ'il fait bien froid là haut depuis fin août.

Es-tu sur que c'est bien le froid la haut qui est responsable de ces anomalies? En 2005, le froid etait egalement responsable? Si mes souvenirs sont bons, ce n'etait pas la cas puisque pendent l'automne 2005 régnait souvent des flux de sud sur la mer de norvège...

[snowman43]

Es-tu sur que c'est bien le froid la haut qui est responsable de ces anomalies? En 2005, le froid etait egalement responsable? Si mes souvenirs sont bons, ce n'etait pas la cas puisque pendent l'automne 2005 régnait souvent des flux de sud sur la mer de norvège...

Oui sûr.

Il suffit de voir les cartes d'anomalie :

2005 : http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

Cette année :

http://iridl.ldeo.columbia.edu/expert/SOUR...;map.fftime=200

[florent76]

Nouvelles cartes au début de ce sujet (second post) pour le suivi des anomalies de températures marines (SST)

Pour plus de clarté et de facilité d'accès, j'ai créé un nouveau sujet qui sera peu à peu augmenté pour ces dernières données :

/index.php?showtopic=22938'>DONNEES - Suivi des principaux indicateurs utiles à la prévision saisonnière

Florent.