Eclatement du vortex polaire: quelles conséquences sur notre météo?

A priori, seuls les initiés et les hivernophiles en auront eu connaissance: c’était prévu depuis plusieurs semaines par le modèle GFS, et c’est bien arrivé. Hier, le vortex polaire a éclaté sous la pression d’un réchauffement stratosphérique soudain (ou SSW en abréviation anglaise).
 
Après trois lignes, on doit en avoir déjà perdu quelques-uns d’entre vous. Reprenons pas à pas. Habituellement, on considère que la troposphère, qui va du sol à une dizaine de kilomètres d’altitude, concentre la plupart des phénomènes météorologiques. Cela est en partie vrai. En partie parce que ces phénomènes météorologiques sont, pour certains d’entre eux, modifiés par des mécanismes physiques qui n’ont pas toujours lieu dans cette troposphère.
 
Nous nous rendons dans la stratosphère, cette couche au-dessus de la troposphère. La stratosphère commence vers une dizaine de kilomètres d’altitude, et va jusqu’à environ 50-60 km. C’est qu’il s’en passe aussi des choses, dans cette stratosphère. Il y a déjà la couche d’ozone et, en corollaire, son célèbre trou d’ozone centré sur l’Antarctique. 
 
Bien moins connus, il y existe aussi une série de « vents ». Au niveau de l’équateur, il existe un flux qui se déplace plus ou moins le long des Tropiques et qui change de sens tous les un à deux ans. C’est ce qu’on appelle l’Oscillation quasi-biennale. Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, voir cet article de Wikipedia.
 
Plus près de nous, au-dessus de nos têtes, il existe un tube de vents très rapides et se déplaçant grosso modo d’ouest en est en temps normal. Ce tube de vents n’existe que du début de l’automne au début du printemps. Dans l’hémisphère sud, un tube similaire cercle l’Antarctique pendant l’hiver austral (donc pendant notre été à nous). Ce courant est appelé le Courant Jet de la nuit polaire. Attention à ne pas le confondre avec le Jet-stream traditionnel qui souffle en troposphère.
 
Ce Jet de la nuit polaire doit son existence au gradient de températures entre une énorme masse d’air glacial qui trône au-dessus des latitudes polaires en hiver, et son extérieur, plus chaud. Cette masse d’air froid et le tube de vents qui en marque le bord porte le nom de Vortex polaire. Il s’agit d’un phénomène tout à fait normal qui naît à chaque début d’automne par refroidissement de l’air suite à l’allongement des nuits, et qui se détruit au printemps par réchauffement lié à l’allongement des jours.
 
En temps normal, le vortex polaire et son Jet de la nuit polaire, ça ressemble grosso modo à ça:
 
Modélisation du vortex polaire le 14 janvier 2018 (source: Earthnull).
 
Sur cette carte, l’intensité des vents est représentée par des couleurs. Le bleu indique des vents faibles, le rosé-blanc des vents très rapides. Le Jet de la nuit polaire apparaît donc en rosé-blanc. En tant que vent thermique (= existant du fait du gradient de températures), il souffle en ayant toujours l’air plus froid à sa gauche et l’air plus chaud à sa droite. Ca peut apparaître anodin, mais nous y referons appel plus loin.
 
Il est à noter que c’était l’état du vortex il y a presque un mois, et qu’il était à ce moment-là en grande forme, peut-être même un peu plus puissant que d’habitude. Il n’est pas impossible qu’il soit en partie responsable des tempêtes de janvier, mais il est difficile de l’affirmer.
 
Parce que oui, et c’est là que ça devient intéressant, ce grand rond-point stratosphérique peut avoir des incidences sur les courants en troposphère, et donc en bout de course sur notre météo. A la manière d’engrenages, le vortex polaire peut communiquer la direction de ses vents à ceux de la troposphère. Dès lors, avec un vortex puissant, il est assez cohérent d’avoir un Jet-stream puissant en troposphère, et donc un risque de tempêtes. Il ne faut cependant pas perdre de vue qu’il n’est pas le seul mécanisme – loin de là – à régir nos vents et notre météo. Ce serait trop simple sinon…
 
Revenons-en à notre vortex. Voici son état modélisé en ce moment même:
 
Modélisation du vortex polaire le 10 février 2018 (source: Earthnull).
 
Pour faire un mauvais jeu de mots, ça ne tourne manifestement plus très rond. Enfin si, ça tourne encore, mais de manière très désordonnée. On n’a plus un seul vortex polaire bien constitué, mais deux plus petits: un centré sur le Grand Nord canadien et un autre sur la Russie. Sur l’Europe, on a un « anti-vortex », où le vent tourne dans le sens inverse de celui d’un vortex. 
 
Il s’est donc passé quelque chose: le vortex polaire, au départ unique, a éclaté en deux plus petits. Nous parlions du gradient de températures et du sens du vent vis-à-vis de l’air froid et de l’air chaud. C’est ici que se trouve la clé de cet éclatement.
 
En introduction, nous parlions d’un réchauffement stratosphérique soudain. Comme son nom l’indique, il s’agit d’une augmentation brutale de la température dans la stratosphère. Cette modification perturbe le gradient de températures qui fait exister le vortex. Déstabilisé par cette attaque de chaleur, le vortex a fini par éclater, ce qui a modifié de manière profonde le régime des vents dans la stratosphère. L’animation ci-dessous, tirée du modèle GFS d’il y a quelques jours, montre la déstabilisation de la masse d’air froid (en bleu) du vortex polaire par de l’air plus chaud, cette onde chaude venant ici de la troposphère.
 
Eclatement du vortex polaire (bleu) tel que modélisé par GFS le 1er février (source: Meteociel).
 
Et maintenant, on en revient à nos hivernophiles. Si cet événement – qui en soi n’a rien d’exceptionnel il faut le dire, ça se produit de temps à autre – est si intéressant, c’est parce que les éclatements du vortex polaire ont régulièrement été suivi de périodes froides voire très froides sur l’Europe. En effet, la perturbation et l’inversion des vents en stratosphère se communique généralement à la troposphère en une quinzaine de jours. Dès lors, notre habituel flux d’ouest caractéristique de nos hivers perdrait là un allié de poids – le vortex et son Jet donc – et pourrait ralentir. Or, un flux d’ouest qui ralentit, ça laisse la place à d’autres flux dirigés vers nos régions, notamment des flux de nord ou d’est, beaucoup plus froids.
 
Une remarque toutefois. Vortex polaire qui éclate ne veut pas forcément dire débarquement du Grand Hiver chez nous. Il s’est déjà vu quelques cas d’éclatement qui n’étaient pas suivis de froid. Les flux qui nous concernent, on l’a dit, sont aussi régis par d’autres mécanismes. Mais comme on l’a dit aussi, en perdant le vortex, ces flux perdent l’un de leurs générateurs. Dès lors, les chances de voir ces flux se modifier augmentent, et en conséquence notre météo peut s’en trouver affectée.
 
En janvier 2013, le vortex polaire a également éclaté. Il s’en est suivi une deuxième partie d’hiver froide et régulièrement neigeuse qui s’est éternisée jusque début avril. A la mi-mars, nous connaissions même des chutes de neige très abondantes et des températures aussi basses que -15°C localement, ce qui est exceptionnel à ce moment-là de l’année.
 
Pour en revenir à la situation actuelle, le modèle GFS semble déjà entrevoir ces modifications de flux pour la fin février. Reste à voir si ce serait effectivement le cas, mais si nous étions amenés à connaître une fin d’hiver carabinée, une partie des causes serait donc vraisemblablement à aller chercher dans la stratosphère.
 
Pour aller plus loin
 
Nous avions déjà écrit un article sur le sujet: Vortex polaire et réchauffement stratosphérique
 
Voir l’article sur l’hiver 2012-2013: Un hiver sans fin
 
 

Vortex polaire et réchauffement stratosphérique

La stratosphère

Pour comprendre la suite de l’article, il est impératif de faire un arrêt sur cette tranche de l’atmosphère. La stratosphère commence à environ 10-15 km d’altitude (la hauteur variant selon la latitude) et se termine à environ 50 km d’altitude. Cette tranche d’air est stable dans le sens où la convection n’y existe pas, contrairement à la tranche inférieure, la troposphère, qui est le siège de la plupart des événements météorologiques. Ceci fait même dire à certains que la météo s’arrête à la tropopause, soit la limite entre la troposphère et la stratosphère. S’il est vrai que les effets des phénomènes météorologiques existent essentiellement dans la troposphère, il ne faut nier la dynamique de la stratosphère dont les modifications peuvent avoir un impact considérable sur la météo « d’en dessous ».

Dans la stratosphère, la température de l’air est pratiquement stable entre 10 et 25 km d’altitude, autour de -55°C en moyenne. Plus bas, elle décroit avec l’altitude. Plus haut, elle augmente à nouveau avec cette même altitude, finissant par atteindre environ 0°C au niveau de la mésopause, la limite entre la stratosphère et la mésosphère, à environ 50 km d’altitude. Au-dessus, dans la mésosphère, elle diminue à nouveau.


Le comportement du gradient thermique stratosphérique est dû à la présence de l’ozone. Ce gaz joue un rôle prépondérant dans la dynamique de cette partie de l’atmosphère. En absorbant les rayons UV, il connait un gain d’énergie qu’il redistribue à l’air sous forme de chaleur. Ceci explique l’augmentation progressive de la température entre 25 et 50 km d’altitude. En-dessous, la couche isothermique (où la température n’évolue pas avec l’altitude) est due à l’apport thermique de la couche d’ozone située plus haut, et ce par conduction.


Vortex polaire?


Le vortex polaire est une grosse dépression d’altitude située sur les régions arctiques et remplie d’air froid. Dans la stratosphère, il y règne des températures inférieures à -80° lorsque le vortex est très bien constitué et concentré. Cela a deux conséquences intimement liées : 


1) Le contraste entre ces températures très froides et les températures nettement plus chaudes des Tropiques va provoquer l’établissement d’un puissant courant d’Ouest. En effet, en bordure du vortex se forme un courant dit Jet de la nuit polaire, qui est un vent thermique. Sans entrer dans les détails, la théorie du vent thermique se résume comme suit: un courant s’établira dans un sens bien précis si, à la gauche de ce sens se trouve un air froid et à la droite un air chaud. Le vent est d’autant plus rapide que le contraste est important ; 


2) Les hautes pressions subtropicales ne peuvent percer cette masse froide et ne peuvent donc s’établir vers les latitudes septentrionales où elles généreraient alors un courant de Nord à Est déferlant sur nos régions. 

 

Cette image de décembre 2013 montre un vortex très solide, très concentré et rempli d’air froid jusqu’à moins de -80° à certains niveaux, environ 15° de moins que la normale. Dans ces conditions, on comprend la violence du courant Jet qui a enfanté la tempête Dirk les 22 et 23 décembre (440 km/h!) et l’impossibilité pour les hautes pressions d’établir des crêtes vers le Groenland ou la Scandinavie. Au-dessus du Jet-Stream, le Jet polaire stratosphérique était surpuissant compte tenu de l’important gradient de températures, et maintenait dès lors un vortex bien fermé.
 
En soi, un vortex polaire bien concentré est un élément tout à fait normal du paysage dynamique de la stratosphère. De plus, il en existe sur d’autres planètes. Ce sont plutôt les modifications morphologiques affectant le vortex qui sont plus inhabituelles et qui peuvent modifier durablement le temps en Europe, mais aussi ailleurs dans l’hémisphère nord.
 
Comment se forme le vortex polaire?
 
Il convient de faire ici la différence entre le vortex polaire stratosphérique dont nous venons de parler, et le vortex troposphérique, en-dessous de ce dernier.
 
La composante stratosphérique atteint le maximum de sa force en hiver tandis qu’elle disparaît complètement en été. Son homologue troposphérique est également très puissant en hiver, mais ne disparaît pas complètement en été, même si sa taille est relativement réduite. Les mécanismes qui régissent la formation de ces composantes sont différents. Si la composante troposphérique obéit essentiellement à des mécanismes physiques, celle de la stratosphère répond davantage à des phénomènes physico-chimiques. L’ozone stratosphérique joue alors un rôle fondamental.
 
Au début de l’automne boréal, les nuits commencent à réapparaître aux pôles, incluant donc un ensoleillement moins important. Ceci est réduit de faco la quantité de rayons UV absorbés par l’ozone. Consécutivement, la quantité de chaleur produite diminue. La stratosphère commence à se refroidir au-dessus du pôle: c’est le début de la formation du vortex polaire. L’air continue de se refroidir au fur et à mesure de l’allongement des nuits, jusqu’à la nuit polaire où le vortex atteint le maximum de sa puissance. Plus l’air au sein du vortex se refroidit et plus le Jet polaire, en tant que vent thermique, prend de la puissance.
 
A l’inverse lors du printemps boréal, le retour du soleil permet de relancer le processus d’absorption des UV par l’ozone, ce qui enclenche le réchauffement de la stratosphère polaire et qui détruit petit à petit le vortex stratosphérique… jusqu’à l’automne suivant où le cycle recommence.
 
Réchauffement stratosphérique soudain
 
Il arrive que l’air du vortex se réchauffe en d’autres circonstances que celles qui régissent l’habituel cycle construction – destruction du vortex. Ces phénomènes, abrégés en SSW (Sudden Stratospheric Warming) voient l’air du vortex se réchauffer de plusieurs dizaines de degrés en l’espace de quelques jours, entraînant une déstabilisation massive du vortex et le chamboulement des vents stratosphériques qui en dépendent. Il faut néanmoins distinguer deux types de SSW selon leur importance:
 
– Les SSW mineurs qui ont un impact limité sur la dynamique du vortex.
– Les SSW majeurs qui parviennent à modifier durablement tout le fonctionnement du vortex, jusqu’à le déplacer ou le faire exploser en plusieurs lobes.

Ces SSW, pour rester simples, sont dus à des forçages provenant de la troposphère ou de la mésosphère. En considérant la troposphère, nous devons intégrer la notion d’onde de Rossby. Ces ondes sont formées par les ondulations du Jet-stream qui délimite le vortex polaire troposphérique de son environnement. Lorsqu’une onde de grande importance advecte une puissante bouffée d’air chaud en direction du pôle, l’énergie ainsi transportée vers les régions polaires peut se répercuter dans la stratosphère pour autant que cette énergie soit suffisamment importante. L’air du vortex stratosphérique commence alors à se réchauffer de manière brutale à partir de sa périphérie, de plusieurs dizaines de degrés en l’espace de quelques jours. Or, nous avons vu que les vents thermiques dépendaient du gradient de température entre l’air intra-vortex et l’air extra-vortex. Etant donné que le gradient se trouve diminué suite au réchauffement de l’air intra-vortex, les vents thermiques diminuent en force, et le vortex stratosphérique entre dans une phase instable. Deux événements peuvent alors survenir: un événement de déplacement ou un événement de division.


Evénement de déplacement, ou displacement event


Au cours du displacement event, le réchauffement de la stratosphère polaire n’est pas suffisant pour faire éclater le vortex. Celui-ci est simplement chassé par un anticyclone stratosphérique qui tend à prendre sa place au pôle. Les conséquences d’un displacement event sont moins importantes que celle d’un splitting event dont nous parlerons au point suivant.


L’animation ci-dessous est une prévision effectuée par le modèle GFS le 27 décembre 2012 pour une période allant du 3 au 7 janvier 2013. Elle montre l’onde « chaude » attaquant le vortex (bleu – mauve) depuis la Sibérie. Ce dernier est éjecté de ses quartiers habituels et poussé vers l’Europe tout en faiblissant. Une semaine après cette modélisation, plusieurs offensives hivernales et un basculement des flux d’air troposphériques s’opéraient sur le Vieux Continent. Nous reviendrons plus loin sur les impacts d’un dérangement du vortex polaire.




 

Evénement de division, ou splitting event

 
Le splitting event est le phénomène le plus extrême: la pulsion chaude finit par faire exploser le vortex en deux lobes. Dès lors, la circulation des vents stratosphériques est complètement perturbée, ceux-ci finissant par s’arrêter et même par changer de direction. 

L’image ci-dessous montre un splitting event en janvier 2013. La pulsion chaude, anticyclonique, a envahi le pôle et a fait éclater le vortex en deux lobes, l’un d’entre eux s’établissant sur le proche Atlantique, entraînant une modification profonde des circulations stratosphériques et troposphériques dans l’hémisphère nord. Au même moment, il neigeait abondamment sur l’Europe de l’Ouest. 


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Les displacement et splitting events de janvier 2013 en vidéo
 
La vidéo ci-dessous, réalisée par la NASA, montre le comportement du vortex polaire. Les zones blanches représentent l’air froid, et les zones sombres, l’air plus doux. En décembre, le vortex polaire est très concentré sur le pôle nord. Au Nouvel an, le SSW commence sous la forme d’une pulsion d’air chaud venue de Sibérie commence à l’écraser et à le chasser en direction de l’Amérique du Nord et de l’Europe. Enfin, le 7 janvier, la pression de l’onde chaude est tellement forte que le vortex finit par éclater en deux lobes, puis se déstructure complètement dans la dernière décade du mois.
 



Les conséquences

 
Les events (splitting ou displacement) ne sont pas rares, mais ils ne sont pas extrêmement fréquents non plus. Dans leur plus grande forme, ils sont capables d’entraîner de profondes modifications de la météo, et ce pour plusieurs semaines. Entre le moment où le phénomène se déclenche et son impact observé en surface, il s’écoule environ deux semaines. Ceci est intéressant car cela permet de voir venir les grandes modifications de la météo, essentiellement les offensives hivernales et les vagues de froid. Durant l’hiver 2012-2013, les prévisions du displacement event puis du splitting event ont permis d’envisager, environ 20 jours à l’avance, une brusque offensive de l’hiver.
 
Les dérangements du vortex polaire stratosphérique ne sont en effet pas sans conséquences sur son homologue troposphérique qui finit par être déstabilisé à son tour. La circulation habituelle d’ouest en est est en effet fortement dérangée par les modifications de direction des vents stratosphériques, le pire cas étant l’inversion de la direction de ces derniers suite à un splitting event. A son tour, le vortex polaire troposphérique finit par présenter de fortes ondulations, entraînant conséquemment une modification des vents en surface et en troposphère. Ainsi, en janvier, février et mars 2013, ces vents se sont retrouvés régulièrement orientés au nord ou au nord-est, amenant de l’air froid et de la neige qui donneront un hiver 2012-2013 costaud, anormalement froid et interminable.
 
A l’inverse, lors de l’hiver 2013-2014, le vortex polaire a également subi un SSW, le délocalisant vers l’Amérique du Nord qui a subi une impressionnante vague de froid tandis que l’Europe baignait dans la douceur et l’humidité.
 
Pour aller plus loin…
 
Pour tous ceux qui veulent suivre l’évolution du vortex polaire, vous pouvez aller sur le site de MeteoCiel dans l’onglet « Temp10Hpa stratosphère » :http://www.meteociel.fr/modeles/gfse_cartes.php?ech=6&code=code&mode=10&mode3h&runpara=0&carte=1