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Climatologie, météorologie de l'Arctique

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Climatologie et météorologie de l'Arctique

Petit sujet qui sera relativement court ( quelques posts ), résumant les particularités climatologiques et météorlogiques de l'Arctique, dont on parle fréquemment depuis une bonne paire d'années puisque l'endroit est très impacté par le changement climatique. La source du module initialement anglais provient du MetED : https://www.meted.ucar.edu/

1. Géographie

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Limites de l'Arctique selon les définitions employées ; en blanc via la latitude, en rouge pointillé via l'isotherme 10°C, et en bleu via la limite forestière.

L'Arctique est généralement considéré comme étant la région au nord du cercle polaire arctique (66 ° 32'N) - la latitude à partir de laquelle le soleil ne se lève pas au solstice d'hiver ou reste levé au solstice d'été. La région est aussi définie comme la zone ayant des températures estivales moyennes sous les 10 ° C ou encore comme étant la zone au nord de la limite forestière, marquée par la toundra (voir ci-dessus en illustration).

Les principales îles de l'Arctique comprennent le Groenland, le Svalbard, et le vaste archipel canadien, y compris la terre de Baffin, d'Ellesmere, et les îles Victoria. Plusieurs autres groupes d'îles se trouvent sur le plateau continental au nord de l'Eurasie (voir ci-dessous).

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La masse glaciaire dans la région est largement confinée à la calotte glaciaire du Groenland. Cette couche de glace est environ quatre fois plus grande que la superficie totale des glaciers et des calottes glaciaires du reste de l'Arctique. Une grande partie des côtes de l'Arctique sont marquées par une large toundra, ce qui signifie que le vent souffle presque en permanence parce que le flux n'est pas bloqué par des reliefs. La plaine de Sibérie occidentale et le centre de la Sibérie couvrent une grande partie de l'Arctique russe et sont principalement couvertes de toundra. Cependant, certaines zones sont marquées par une topographie bien définie, comprenant les falaises et les fjords profondément incisées de la Norvège, du Groenland et de l'archipel arctique canadien. Parmi les chaînes de montagnes notables figurent la chaîne de Brooks de l'Alaska, la cordillère Arctique du Canada, et les montagnes scandinaves comme illustré ci-dessous. Le sommet de la calotte glaciaire du Groenland atteint plus de 3000 m (~ 10.000 ft).

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Les opérations maritimes dans l'Arctique ont toujours été contraintes par le temps et la glace de mer. Comme les eaux arctiques deviennent libre de glace de plus en plus souvent, les opérations maritimes se multiplient. En 2008, le passage du Nord-Ouest à travers l'archipel Arctique canadien et la route maritime du Nord le long de la côte Eurasienne est devenue navigable en raison d'une réduction spectaculaire de la banquise.

L'océan Arctique est divisé en plusieurs bassins par une série de dorsales sous marines, dont la plus importante qui est la dorsale de Lomonosov. Le bassin Canadien domine le côté nord-américain, tandis que les bassins d'Amundsen et de Nansens sous-tendent le côté eurasien. Les côtes américaines et canadiennes de l'océan Arctique sont marquées par un plateau continental étroit s'étendant jusqu'à 100 à 200 kilomètres au large, tandis que du côté russe le plateau continental est très large, s'étendant environ jusqu'à 1200 km (~ 700 mi) au large de la côte de la Sibérie. La profondeur moyenne de l'océan Arctique est de 3700 mètres. Plusieurs mers marginales entourent l'océan Arctique, y compris la mer de Bering, de Beaufort, de Chukchi, de Barents, et d'autres encore. Voir les mers marginales ici : http://nsidc.org/arcticseaicenews/files/2012/07/Regions.png

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Les différents bassins en Arctique. Strait = détroit, basin = bassin, ridge = dorsale.

2. Météorologie de l'Arctique

Le climat Arctique est influencé par plusieurs facteurs, dont la quasi-totalité ne se retrouve pas aux latitudes plus basses :

- La lumière du jour en continu en été suivie par une obscurité continue dans les profondeurs de l'hiver. Combiné avec une faible hauteur du soleil au-dessus de l'horizon, ce qui conduit à de fortes pertes de chaleur par rayonnement pendant une grande partie de l'année.

- La présence de neige et de la glace de mer sur la surface pendant une grande partie de l'année reflète une grande partie du rayonnement solaire visible.

- La glace de mer recouvrant l'Arctique limite la quantité d'humidité disponible qui peut être exploitée et portée par l'atmosphère. Les températures fraîches de l'air en surface limitent également l'humidité.

- Il y a relativement peu de montagnes aux latitudes élevées pour entraver l'écoulement atmosphérique entre les moyennes latitudes et l'Arctique. Ainsi, le temps est dominé par des systèmes synoptiques plutôt que par des caractéristiques de méso-échelle.

- Configurations synoptiques en hiver et en été

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Figure 1. Configuration du champ de pression au niveau de la mer en hiver en Arctique. Ridge = dorsale, low = dépression et high = anticyclone.

L'écoulement synoptique de l'Arctique est dominé par -seulement- quelques caractéristiques. En hiver, nous trouvons des basse pressions sur l'Atlantique Nord (dépression d'Islande) et le Pacifique Nord ( dépressions des Aléoutiennes). Ces dépressions sont séparées par une crête composée de l'anticyclone de Sibérie, de celui en mer de Beaufort ( plus faible ) et de celui d'Amérique du Nord. Il est important de comprendre que la dépression des Aléoutiennes et celle d'Islande sont des caractéristiques climatologiques reflétant la fréquence élevée des dépressions dans la région. Sur des observations de jour en jour, ces dépressions peuvent être situées partout dans la zone, voir même être absentes. L'anticyclone sibérien s'étant peu en altitude, et est dû au froid intense qui se forme en réponse au refroidissement radiatif majeur sur l'est de la Sibérie en hiver. Il est associé à de fréquentes poussées d'air froid sur l'Asie orientale (figure 1).

En été, l'anticyclone de Sibérie est remplacé par une faible dépression thermique. Les dépressions des Aléoutiennes et Islandaises ont presque disparues puisque la fréquence des dépressions dans les océans du Nord diminue considérablement en cette saison (figure 2).

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Figure 2. Configuration du champ de pression au niveau de la mer en été en Arctique.

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- Le complexe dépressionnaire Arctique

Les hauteurs de géopotentiel sont beaucoup plus faibles dans l'Arctique qu’aux latitudes moyennes. Il en résulte une grande circulation cyclonique persistante à grande échelle dans la troposphère moyenne et supérieure qui est appelée le vortex polaire (plus justement appelé complexe dépressionnaire troposphérique, le « vrai » vortex polaire étant une entité stratosphérique). Cette particularité est présente à la fois sur les pôles nord et sud. Dans l'Arctique, le tourbillon est plutôt allongé avec une branche se prolongeant (thalweg) sur l'est de l'Amérique du Nord et une autre en Asie orientale. Comme nous l'avons vu plus haut, le vortex polaire n’est pas présent sur le champ de pression à la surface; il devient une caractéristique persistante seulement à partir d’environ 500 hpa.

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Complexe dépressionnaire Arctique moyen en Janvier et en Juillet ( isolignes d'altitude géopotentiel ). L'Amérique est à droite, la Russie à gauche.

Si l'on compare le complexe dépressionnaire d'hiver et celui d’été, comme illustré ci-dessus, nous pouvons voir que le gradient sur les bords diminue de manière significative l'été. Cela se produit à cause du réchauffement saisonnier de l'Arctique, qui augmente les hauteurs géopotentiel (réchauffement = dilatation de la colonne atmosphérique).

- La tropopause

D'une manière générale, dans l'Arctique, la hauteur de la tropopause (le niveau à partir duquel la chute de température avec l’altitude cesse) est plus basse que dans les régions tropicales. La hauteur de la tropopause varie selon les saisons dans l'Arctique, de 8000 m en Janvier à plus de 10.000 m en Juillet. Les sondages ci-dessous viennent de Terre Franz Josef dans l'Arctique (80N). La tropopause le 5 Janvier était à environ 310 mb ou 8300 m. Le 11 Juin, elle était à environ 240 mb ou 10.500m. Comparez ces valeurs à celles mesurées à Puerto Rico (18N) pour des dates similaires. En Janvier et Juin, la tropopause était près ou au-dessus du niveau 100 mb, à plus de 15 km. Si l’on regarde les cartes de la hauteur de la tropopause, nous voyons un fort gradient aux latitudes moyennes qui se déplace vers le nord en été et le sud en hiver. Ce gradient marque l'emplacement du jet polaire.

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Sondages en Arctique en Janvier et Juin.

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Sondage à Puerto Rico en Janvier et Juin.

Du fait de cette altitude basse de la tropopause en Arctique, les nuages et les tempêtes sont généralement plus faibles dans l'Arctique qu’aux latitudes moyennes. En hiver, même les cyclones intenses sont généralement confinés à des altitudes inférieures à 15.000 pieds (4600 m). Les rares phénomènes orageux peuvent plafonner à un niveau similaire.

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Altitude moyenne de la tropopause en Arctique en Janvier et en Juillet, basé sur la réanalyse NCEP-NCAR. L' Amérique est à droite, la Russie à gauche.

- Saisonnalité des températures

Sur la terre, les températures dans l'Arctique sont très variables. En dehors des zones glaciaires, la couverture de neige est assez mince et fond au début de l'été. Cela permet à la terre de se réchauffer considérablement avec le rayonnement permanent en été. Cependant, dans l'obscurité de l'hiver, la terre rayonne et se refroidit et les températures peuvent devenir très froides.

Au niveau de l'océan, les températures estivales sont fortement atténuées par la surface océanique et la glace de mer, qui ont des températures proches de 0 ° C en été. En hiver, l'eau dans l'océan Arctique, en dessous de la banquise n’est jamais plus froide que -2 ° C (28 ° F). Cette particularité tempère le climat général et aide à garder l'hiver Arctique plus chaud que celui de l'Antarctique.

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Température moyenne au sol en Juillet et en Janvier, en degrés Fahrenheit.

Les températures hivernales les plus froides se produisent généralement en Asie du Nord, tandis que les températures hivernales les plus chaudes se trouvent au niveau de la dérive nord-atlantique, qui se présente comme étant l'extension vers l'est et le nord du courant du Gulf Stream, coulant jusque aux portes norvégiennes et en mer de Barents.

Le jour et la nuit permanente en Arctique conduisent à des températures sans cycle diurne ( pas de réchauffement/refroidissement diurne ). En hiver, le ciel clair conduit à un fort refroidissement radiatif et la formation d'inversions prononcées. Les températures augmentent lorsque les vents sont assez forts pour mélanger l'inversion et apporter de l'air chaud depuis l'altitude jusqu'à la surface. Les dépressions apportent non seulement des vents violents qui mélangent et détruisent l'inversion, mais attirent également l’air plus chaud et humide des latitudes plus basses.

- Précipitation

Les quantités de précipitations dans l'Arctique varient considérablement. Là ou le courant chaud de l'Atlantique Nord passe, au niveau du Groenland sud et jusqu’en mer de Barents, les plages de précipitations s’échelonnent de 400 à plus de 1000 mm/an. Au niveau de la mer de Beaufort et du Groenland du Nord, les précipitations moyennes n’atteignent que 150 mm/an. Le reste de l'Arctique se situe entre ces deux extrêmes, avec des zones continentales étant plus humides que les zones océaniques.

En hiver, loin des eaux libres de l'Atlantique Nord, il y a peu d'humidité disponible pour les précipitations. La couverture de neige et de glace associée à des températures froides maintiennent l'humidité basse. En conséquence, les fortes chutes de neige ne sont pas communes dans l'Arctique et les chutes de neige exceptionnellement abondantes sont limitées aux zones montagneuses et maritimes.

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Cumul de précipitations annuel.

- Le vent

En hiver, la vitesse des vents de surface a tendance à être plus faible que ce l'on pourrait attendre compte tenu de la rareté des arbres et des montagnes. Cela se produit parce que l'inversion de température qui domine en hiver découple le vent de surface des vents forts en altitude. D’un autre côté, les gradients de température côtiers sont plus faibles en hiver qu'en été, en raison de la présence de glace de mer plutôt que d’eau libre.

En été, les inversions sont moins fréquentes et plus faibles. En outre, les longues journées font fondre la glace de mer et réchauffent la terre, ce qui augmente le contraste de température dans les zones côtières. Cela conduit à avoir des dépressions plus fréquentes et des vents côtiers plus forts. Par conséquent, les vents de surface augmentent en été.

- Les nuages

Un ciel limpide dans l'Arctique en été est un événement rare. L’humidité abondante piégée par une inversion de bas niveau conduit à de fréquents brouillards et des stratus. De la mi-Juin à mi-Septembre, les zones océaniques sont enveloppées par le brouillard ou par des nuages bas de 80 à 90% du temps. En hiver, les dépressions fréquentes associées aux systèmes dépressionnaires islandais ou Aléoutiens gardent ces zones relativement nuageuses. Les zones de hautes pressions persistantes sur l'Asie du Nord et en Amérique du Nord ont tendance à être au contraire sans nuages.

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De rien :)

Après avoir dresser un aperçu des conditions météorologiques moyennes en Arctique, on va s'arrêter un instant sur la climatologie des dépressions dans cette zone.

3. Les dépressions en Arctique

Les dépressions dans l'Arctique présentent un défi de prévision significatif, puisqu’elles apportent des précipitations, des vents violents, et une mer haute et déchainée, là ou il n’y a pas de glace. Ces cyclones peuvent également conduire à un réchauffement, soit par apport d'air chaud venant du sud ou en dissipant l’inversion de température présente en hiver. La visibilité est réduite lorsque l'air chaud et humide est advecté sur des SSTs froides ou de la glace de mer, entraînant une vaste zone de brouillard ou de stratus bas. Les vents induits par ces dépressions peuvent conduire à des phénomènes de chasse-neige ou d’embruns, ce qui réduit également la visibilité.

-Climatologie des dépressions en hiver

La formation et l'intensification des dépressions sont associées à de forts gradients de température. Dans l'Arctique, ces gradients se forment généralement près des limites d’eau libre.

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Nombre moyen de dépressions en hiver sur l'Arctique.

Cette image indique le nombre de dépressions détectées en hiver par maille de 250 km x 250 km sur la période 1958-2005. En hiver, les dépressions se produisent surtout au niveau de la dérive de l'Atlantique Nord qui s’écoule vers la Norvège et la mer de Barents, ce qui correspond bien à la zone d’influence de la dépression d'Islande. Les tempêtes dans le Pacifique Nord, associée à la dépression des Aléoutiennes, sont généralement bloquées et ne parviennent pas à entrer dans l'Arctique à cause de la dorsale topographique qui va de la Sibérie, dans l'océan Arctique, jusqu’au nord-ouest du Canada. Au lieu de cela, ces tempêtes ont tendance à suivre le golfe de l'Alaska.

Les dépressions qui se forment sur l'Eurasie ou en Amérique du Nord ont tendance à se déplacer vers le sud, en suivant les vents des niveaux supérieurs, comme illustrés ci-dessous. Peu de tempêtes se forment ou s’intensifient pendant l'hiver sur la glace de mer, mais les tempêtes peuvent dériver lors de leur périple et s’échouer sur la banquise, où elles se dissipent.

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Flux moyen à 500 hpa en hiver.

- Climatologie des dépressions en été

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Nombre moyen de dépressions en été en Arctique.

En été, les dépressions se produisent le plus souvent dans le centre de l'océan Arctique. Ces tempêtes ont tendance à provenir soit du nord de l'Eurasie, où l'on voit une concentration des tempêtes, ou alors via le long de la côte eurasienne, où il y a un fort contraste de température lors des mois d'été. Les vents à 500 hpa ont tendance à orienter les tempêtes parallèlement à la côte à travers l'Eurasie et l'Alaska. Les tempêtes qui proviennent de l’Amérique du Nord ont tendance à se déplacer vers le sud-est, loin de l'Arctique ( voir illustration ci-dessous). Contrairement à l'hiver, la pression au niveau de la mer en été dans l'Arctique montre un fort gradient le long de la côte eurasienne. Le reste du champ de pression est assez plat avec une faible dépression située près du pôle Nord, ce qui reflète la fréquence supérieur des dépressions dans cette région en été.

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Flux moyen à 500 hpa en été.

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- Formation des dépressions estivales en Arctique

Quand le printemps arrive et que la lumière du jour revient sur l'Arctique, la couverture de neige fond rapidement sur terre. Avec la fonte de la neige, la terre se réchauffe rapidement. La glace de mer couvrant l'océan fond lentement, la température des océans reste fraîche. Par conséquent, il existe un fort gradient de température le long de la côte, comme illustré dans les posts précédents, ce qui entraîne un front stationnaire. En conséquence, ce front stationnaire sépare de grands réservoirs d'air froid situés vers le nord de l'air chaud situé vers le sud.

La plupart des dépressions d'été dans l'Arctique proviennent de deux endroits : (1) le long du front polaire sur le nord de l'Eurasie ou (2) sous forme d'ondes troposphériques ondulant le long de la façade côtière. Comme ces ondes atmosphériques migrent le long ou sur la côte, elles induisent l’advection d’air chaud sur l’océan frais. L'air chaud fait évaporer l'eau et accélère la fonte des glaces de mer, ce qui déstabilise la basse atmosphère et favorise la génération ou le creusement de la basse pression. Sur la face arrière du thalweg, de l’air froid est advecté vers le sud, en provenance du pôle, ce qui favorise les mouvement d’ascendances dans la zone de forts gradients.

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Rapel sur la localisation du "front polaire" en été.

Pendant ce temps, en altitude, ces ondes de Rossby de plus ou moins grande échelle migrent vers l’est autour du complexe dépressionnaire troposphérique. Comme ces ondes tantôt longues et tantôt courtes balayent le front thermique des côtes d’ouest en est, les thalwegs et les dorsales génèrent alternativement des ascendances ou des subsidences. Les dépressions sont déclenchées lorsque l'ascendance d'un thalweg en altitude est en phase avec une dépression de surface le long de la côte. La dépression résultante se déplace de façon parallèle à la côte, contrairement à l'hiver, dirigée par les vents en altitude. La dépression peut se renforcer, même se creuser de façon explosive, en réponse à l'interaction entre l'air froid de l'Arctique au nord et de l'air chaud continental au sud.

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Illustration du paragraphe précédent, montrant le géopotentiel à 500 hpa, le thalweg d'altitude est matérialisé en ligne jaune. Entre l'image du haut et celle du bas, le thalweg d'altitude interagit avec le gradient côtier et conduit à une cyclogenèse.

L'Arctique est une région de données éparses, de sorte que les modèles numériques peuvent manquer le creusement explosif d'une dépression. Une compréhension solide des modèles, leurs limites, et l'utilisation extensive des données par satellite est le seul moyen de produire une prévision cohérente et précise.

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- Dépressions hivernales ; polar low

Les dépressions d'hiver qui se forment dans les masses d'air polaires sur l'eau libre sont appelées les dépressions polaires. Ces cyclones sont de petite taille, typiquement plusieurs centaines de kilomètres de diamètre, et affichent souvent un «œil», un peu comme un cyclone tropical. Pour cette raison, ils ont été appelés «ouragans Arctiques» ou «Polarcanes». Ils se forment lorsque l'air glacial de l'Arctique s’écoule sur une masse d'eau chaude, ce qui se traduit par un fort flux de chaleur et d’humidité de la mer à l'atmosphère. Cela déstabilise la basse atmosphère. Couplé avec le soutien d’un thalweg d’altitude, ils s’intensifient rapidement, atteignant leur force maximale dans les 12 à 24 heures. Alimentées par la chaleur et l'humidité de l'eau libre, les dépressions polaires se dissipent rapidement une fois qu'elles se déplacent sur la terre ou sur la glace de mer. Compte tenu de leur petite taille et de la rareté des observations dans l'Arctique, les modèles de prévision numérique du temps ont du mal à prédire ces cyclones. Les prévisionnistes doivent se pencher sur les conditions synoptiques combinées à l'imagerie par satellite pour faire une prévision solide. Enfin, les dépressions hivernales arctique plus classiques telles qu'observées fréquemment dans la branche de la dérive nord-atlantique ( voir posts plus haut ) ressemblent beaucoup aux dépressions qui concernent nos latitudes ( avec une composante barotrope très souvent plus marquée ).

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Polar low observé au nord de la Norvège. Source : http://www.worldclimatereport.com/index.ph...bye-polar-lows/

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