Les rivières atmosphériques de l'Antarctique - La Météorologie
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La Météorologie - n° 117 - mai 2022
Phénomène météorologique
19
Les rivières
atmosphériques
de l’Antarctique
Vincent Favier1, Jonathan Wille1, Cécile Agosta2, Charles Amory1,3,
Léonard Barthélémy4 , Francis Codron4 , Élise Fourré2, Irina
Gorodetskaya5, Gerhard Krinner1, Benjamin Pohl6
1. Institut des géosciences de l’environnement, Université Grenoble Alpes / CNRS /
IRD / G-INP, Grenoble
2. Laboratoire des sciences du climat et l’environnement, CNRS / CEA-UVSQ /
IPSL, Paris Saclay, Gif-sur-Yvette
3. Laboratory of Climatology, Department of Geography, University of Liège,
Liège, Belgique
4. Laboratoire d’océanographie et du climat : expérimentations et approches
numériques, Sorbonne Université / IRD / CNRS / MNHN, Paris
5. Centre for Environmental and Marine Studies, Department of Physics,
University of Aveiro, Portugal
6. Biogéosciences, CNRS / Université de Bourgogne Franche-Comté, Dijon
vincent.favier@univ-grenoble-alpes.fr
(reçu le 16 novembre 2021 ; accepté le 21 février 2022)
L
e bilan de masse de la calotte Malgré la couverture quasi complète
antarctique, défini comme la dif- du continent par de l’eau solide, l’An-
férence entre le bilan de masse tarctique est un vaste désert. Comme
de surface et la décharge de glace à dans tous les déserts, les précipitations
l’océan, représente le bilan comptable sont dominées par quelques événe-
de la quantité de glace posée sur le ments extrêmes (Wille et al., 2021).
continent. Malgré d’importants efforts Paradoxalement, la trajectoire des tem-
déployés pour évaluer l’avenir du bilan pêtes dans l’océan Austral offre des
de masse de l’Antarctique, les estima- conditions favorables à la circulation
Résumé
tions de sa contribution à l’élévation du zonale de séries de cyclones extratropi-
niveau de la mer en 2100 selon le scéna- caux qui tournent autour du continent
rio d’évolution Shared Socioeconomic en transportant de l’humidité vers le
Sur une grande partie de l’Antarc- Pathways (SSP8.5) varient entre 3 littoral antarctique. Néanmoins, tous
tique, le bilan de masse (c’est-à-dire et 34 cm (Fox-Kemper et al., 2021). les cyclones extratropicaux de l’océan
de neige) de surface est dominé par La contribution de l’Antarctique sera Austral ne constituent pas une source
quelques événements de précipi- fortement contrôlée par les pertes de de précipitations pour la calotte. Pour
tations extrêmes. Ces événements masse dues à la décharge de glace vers que les précipitations soient significa-
dépendent d’intrusions de masses l’océan, mais les variations décennales tives, des conditions de blocage sont
d’air très humide associées à des des précipitations et du bilan de masse indispensables pour créer un transport
phénomènes dénommés rivières de surface joueront aussi un grand rôle méridien d’humidité, depuis l’océan
atmosphériques en provenance de sur le niveau des mers futur. En effet, vers la calotte (Wille et al., 2019). Il
l’océan Austral. Ces rivières atmos- les précipitations contrôlent encore la a été récemment démontré que des si-
phériques influencent fortement le variabilité spatio-temporelle du bilan tuations d’intenses blocages donnaient
climat ; pourtant, les caractéris- de masse de l’Antarctique de l’Est, parfois lieu à des rivières atmosphé-
tiques, les mécanismes et les im- principale zone englacée du globe, et riques (figure 1), générant l’intrusion de
pacts associés restent mal connus leur augmentation constituera la seule grandes quantités de chaleur et d’humi-
en Antarctique. Nous résumons ici compensation significative à l’éléva- dité, impactant ensuite l’Antarctique,
l’état des connaissances sur la mise tion future du niveau des mers (Fox- parfois jusqu’au cœur du continent.
en place de ces événements extrêmes Kemper et al., 2021). Des estimations
et leurs impacts à la fois sur l’accu- précises du bilan de masse de surface, Les rivières atmosphériques restent
mulation de neige, le réchauffement et par suite des précipitations et de la pourtant peu étudiées aux hautes lati-
et la fonte en surface de la calotte. fonte, sont donc cruciales. tudes. Dans l’hémisphère Nord, elles
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Abstract ont été décrites comme des contri-
buteurs au déclin de la glace de mer
à l’ascendance d’importantes masses
d’air chaud et humide issues des basses
de l’Arctique (Komatsu et al., 2018) couches du secteur chaud de la dépres-
Over much of Antarctica, the sur- et à la perte de masse de la calotte du sion et s’élevant rapidement jusqu’à la
face mass balance (i.e. the resultant Groenland (Mattingly et al., 2020). Ces troposphère supérieure lors de leur dé-
of snow fluxes at the surface of the ice impacts proviennent de l’augmentation placement vers le pôle (voir par exemple
sheet) is dominated by a few extreme du rayonnement incident des grandes Dacre et al., 2019). Il en résulte un événe-
precipitation events. It has recently longueurs d’ondes en surface de la ca- ment précipitant intense, ou parfois une
been shown that these events are lin- lotte (intense réémission vers le bas série d’événements précipitants lorsque
ked to intrusions of highly humid air du rayonnement terrestre piégé par les le système mis en place perdure en rai-
masses related with atmospheric ri- nuages chauds de faible altitude) et de son de conditions de blocage atmosphé-
vers traversing the Southern Ocean. l’advection d’air chaud associée à un rique favorables (Sodemann et Stohl,
These atmospheric rivers strongly fort effet de foehn. Aux antipodes, les 2013). Les rivières atmosphériques sont
influence the climate, yet their me- impacts des rivières atmosphériques une composante importante du cycle
teorological characterization and sont multiples et ne sont pas encore hydrologique mondial. Par exemple,
associated impacts remain poorly tous compris, certains n’étant vraisem- pour les moyennes latitudes, elles re-
understood in Antarctica. We sum- blablement pas encore décrits. Nous présentent environ 90 % du transport
marize here the latest research re- présentons ici un tour d’horizon du méridien de vapeur d’eau, alors qu’elles
garding the development of these consensus actuel sur les situations mé- ne couvrent que 10 % environ de la sur-
extreme events and their impacts on téorologiques à l’origine des rivières face ; quatre ou cinq rivières atmosphé-
snow accumulation, warming, and atmosphériques qui atteignent l’An- riques dans chaque hémisphère peuvent
surface melt on the Antarctic ice tarctique. Nous résumerons aussi leurs ainsi suffire pour transporter la majorité
sheet. impacts connus à la fois en termes d’ac- des flux méridiens sur le globe (Zhu et
cumulation de neige, de réchauffement Newell, 1998).
et de fonte en surface de la calotte.
La plupart des recherches sur les ri-
vières atmosphériques se sont concen-
Qu’est-ce trées sur les moyennes latitudes. Jusqu’à
récemment, seuls quelques événements
qu’une rivière particuliers, ayant présenté un fort im-
atmosphérique ?
pact, avaient été décrits pour l’Antarc-
tique (Gorodetskaya et al., 2014). Grâce
à la compréhension acquise dans ces
Les rivières atmosphériques (Zhu et études sur les processus mis en jeu, une
Newell, 1998) sont décrites dans le analyse générale cohérente sur le long
glossaire de météorologie de l’Ameri- terme était possible. Nous avons ainsi
can Meteorological Society, comme des récemment développé un algorithme de
flux atmosphériques de forme filamen- détection des rivières atmosphériques
taire, transportant d’intenses quantités pour l’Antarctique (Wille et al., 2019),
de vapeur d’eau, généralement asso- que nous avons testé sur différents pro-
ciés à un jet de basse altitude à l’avant duits de réanalyses climatiques (NCEP-
du front froid d’une dépression extra- NCAR/DOE, CFSR, ERA-Interim,
tropicale. Ces flux sont aussi associés JRA-55, Merra-2 ou ERA5).
Figure 1. Transport de vapeur d’eau intégré sur l’atmosphère lors de la rivière atmosphérique
provoquée par une situation de blocage et ayant contribué à l’intense événement de fonte hivernale
du 25 au 30 mai 2016. Le contour violet (bleu) montre les limites de la rivière le 25 mai 2016 identifiée
par l’algorithme basé sur le calcul des valeurs de IWV (respectivement de vIVT). Les flèches noires
représentent le transport de vapeur d’eau au cœur de la rivière atmosphérique. Les contours noirs
représentent l’altitude du géopotentiel à 500 hPa (en mètres). Les grandes flèches montrent le sens
de rotation des masses d’air autour du centre dépressionnaire (D) et de l’anticyclone (A). Figure
adaptée de Wille et al. (2019).
La Météorologie - n° 117 - mai 2022 21
Algorithme de en bordure du continent et les préci-
pitations orographiques (Wille et al.,
Dans le même temps, en raison de leur
impact sur les anomalies de rayonne-
détection des rivières 2021). ment de grandes longueurs d’onde in-
atmosphériques pour cident et la génération d’intenses effets
de foehn, les rivières atmosphériques
l’Antarctique Rivières entraînent des valeurs extrêmes de
température. Elles déclenchent ainsi
Nous avons développé un algorithme atmosphériques les seuls événements de fonte observés
de détection basé sur le calcul de la et bilan de masse en hiver sur les plateformes glaciaires
climatologie de variables décrivant flottantes de la péninsule antarctique.
l’intensité du contenu en humidité des de surface De plus, bien que la fonte soit répandue
masses d’air. Pour un pas de temps en été, elles sont la cause de la majo-
donné, la détection d’un événement est En appliquant ces algorithmes de dé- rité des événements de fonte estivale
obtenue lorsque le contenu en humidité tection à diverses réanalyses clima- sur l’Antarctique de l’Ouest et la plate-
dépasse le 98e centile (centiles calculés tiques (voir plus haut), nous avons pu forme glaciaire de Ross, dont les évé-
en chaque point, pour le jour considé- produire des catalogues d’occurrence nements les plus intenses (figure 2a).
ré) des valeurs de la variable considé- de ces événements et les comparer aux
rée sur au moins 20° de latitude. Ces variations de fonte et de précipitations Les rivières atmosphériques jouent
critères simples permettent de décrire fournies par un modèle de climat régio- donc un rôle positif et négatif sur le
la cohérence spatiale et le caractère nal (le modèle atmosphérique régional, bilan de masse de surface du conti-
extrême (usage d’un centile élevé) de MAR). Nous avons ainsi constaté que nent. Aujourd’hui, les effets positifs
l’événement. L’algorithme développé les rivières atmosphériques avaient des (augmentation des précipitations) l’em-
présente deux schémas de détection : impacts forts en Antarctique. portent sur les négatifs (fonte et ruissel-
l’un basé sur la vapeur d’eau intégrée lement de surface), mais nous ne savons
(IWV) et l’autre sur le transport méri- Ces événements sont peu fréquents pas comment évolueront ces impacts
dional de vapeur d’eau intégré vertica- et se produisent entre deux et dix respectifs à la fin du XXIe siècle. Pour
lement (vIVT) (Wille et al., 2019, 2021). fois par an dans une région donnée répondre à cette question, il est indis-
Les deux schémas donnent des résul- de l’Antarctique. Pourtant, malgré le pensable de comprendre les processus
tats proches en termes d’occurrence faible nombre d’événements annuels, physiques à l’origine des rivières at-
de rivières atmosphériques, mais aus- les rivières atmosphériques sont res- mosphériques. Il faut aussi vérifier que
si de contour de la zone impactée par ponsables des précipitations neigeuses les modèles de climat sont capables de
chaque rivière atmosphérique détectée d’intensité extrême. Dans certaines les reproduire correctement pour le cli-
(figure 1). Néanmoins, nous constatons régions, 70 % des événements préci- mat actuel, avant d’analyser leurs évo-
que le critère basé sur l’IWV est légè- pitants les plus intenses – dans le cas lutions d’ici à la fin du siècle.
rement plus approprié pour étudier les présent, les précipitations dépassant le
effets des rivières atmosphériques sur 99e centile – ont lieu pendant des ri-
la fonte de surface, car les valeurs ex-
trêmes d’IWV au-dessus de la calotte
vières atmosphériques. Les cumuls
de précipitations associés représentent Importance
reflètent le développement de nuages à jusqu’à 20 % des précipitations an- des blocages
phase mixte (solide et liquide) émettant
un rayonnement de grandes longueurs
nuelles dans les régions concernées,
notamment en Antarctique de l’Est et cyclogenèse
d’ondes incident anormalement élevé. (Wille et al., 2021). Elles contrôlent ain- associée aux rivières
atmosphériques
Les calculs basés sur le vIVT s’avèrent si fortement la variabilité interannuelle
plus pertinents pour étudier le rôle des de l’accumulation de neige en surface
rivières atmosphériques dans la gé- (figure 2b). En conséquence, sur la ma-
nération des précipitations. En effet, jeure partie du continent, la tendance Pour analyser les processus physiques
l’ajout de la composante méridienne du d’évolution depuis 1980 et la variabili- associés aux rivières atmosphériques,
vent dans les calculs permet de prendre té de l’accumulation sont significative- nous avons effectué une étude des
en compte les effets dynamiques pro- ment associées à celle de la fréquence types de temps en Terre Adélie, sur
voquant l’ascendance des masses d’air des rivières atmosphériques. la zone englobant la station Dumont
(a) (b)
Figure 2. (a) Pourcentage de la fonte totale entre 1979 et 2017, expliquée par l’occurrence d’une rivière atmosphérique en été sur l’Antarctique de l’Ouest
et la plateforme de Ross. Figure adaptée de Wille et al. (2019). (b) Corrélation entre l’activité annuelle des rivières atmosphériques et les précipitations
annuelles (période 1980-2018). Figure adaptée de Wille et al. (2021).22 La Météorologie - n° 117 - mai 2022
d’Urville (secteur Antarctique Est, 45° synoptiques caractérisées par des blo- le mode annulaire austral (SAM)
S-75° S, 110° E-170° E) (Pohl et al., cages plus forts (la hauteur géopoten- semble jouer un rôle important sur la
2021). Les calculs sont basés sur les tielle à 700 hPa présente une anomalie variabilité des rivières atmosphériques
anomalies quotidiennes de la hauteur positive de 50 à 100 m, soit un tiers de en Antarctique (figure 3b). Au pas de
géopotentielle à 700 hPa issue des don- la valeur de l’anomalie de hautes pres- temps journalier, l’occurrence des ri-
nées de réanalyses ERA5 entre 1979 et sions), toujours situés au nord-est de vières atmosphériques en Terre Adélie
2018. Nous avons croisé ces types de la Terre Adélie. De fortes anomalies est légèrement corrélée à l’intensité du
temps avec les occurrences des rivières de la hauteur géopotentielle semblent SAM (Pohl et al., 2021). Une corréla-
atmosphériques issues de nos algo- être nécessaires pour le déclenche- tion plus significative est aussi consta-
rithmes. Cela nous a permis de mettre ment d’une rivière atmosphérique. tée autour de la péninsule antarctique
en évidence les conditions particulières Pourtant, cette condition n’est pas occidentale, alors qu’une anti-corréla-
associées aux rivières atmosphériques suffisante, car, souvent, des situations tion entre ces variables est observée
atteignant le continent au niveau de la analogues aux événements de rivières autour de la mer d’Amundsen-Ross.
Terre Adélie (voir la figure 3b pour la atmosphériques ne produisent aucun Enfin, l’augmentation de l’intensité
localisation) (Pohl et al., 2021). événement. Comprendre pourquoi du SAM à la fin du XXe siècle semble
des situations analogues, c’est-à-dire aussi avoir entraîné une augmentation
Les rivières atmosphériques qui pé- presque identiques, se voient associés significative de la position latitudinale
nètrent sur le continent sont équi- ou non à des rivières atmosphériques des rivières atmosphériques, ainsi que
probables tout au long de l’année. reste un mystère. L’intensification de de leur fréquence d’occurrence dans de
Néanmoins, celles-ci n’apparaissent ces phénomènes pourrait provenir de nombreuses régions de l’Antarctique
qu’en cas de régimes de temps pré- la condensation se produisant avant au cours des dernières décennies (fi-
sentant un fort blocage atmosphérique l’événement au-dessus de mers froides gure 3a). En revanche, des liens avec
sur l’océan Austral, à l’est du domaine (Terpstra et al., 2021). La libération de d’autres indicateurs majeurs de la va-
d’étude. Ces blocages favorisent l’ad- la chaleur latente facilite ainsi proba- riabilité climatique globale demeurent
vection méridienne de chaleur et d’hu- blement la convection de l’air chaud en plus difficiles à mettre en évidence.
midité des latitudes tempérées vers provenance des basses latitudes, mais
l’Antarctique. Les régimes marqués rien n’est aujourd’hui clair sur ce point.
par des blocages sont ainsi associés à
des conditions anormalement chaudes Perspectives
et conclusions
et humides au niveau de la zone cô-
tière. Cependant, ces anomalies sont Variabilité
des rivières
amplifiées lors des événements de ri-
vières atmosphériques : les situations Personne ne sait aujourd’hui si les ri-
marquées par des rivières atmosphé-
riques sont plus chaudes d’environ 4 °C
atmosphériques vières atmosphériques seront plus
fréquentes ou non à l’avenir en
et rassemblent pratiquement toutes les en Antarctique Antarctique. Cela dépendra de la fu-
précipitations. Les régimes de temps et ture variabilité climatique contrôlant
les rivières atmosphériques contrôlent Seules les configurations favorables l’activité finale des rivières atmosphé-
donc de manière significative la varia- des jets de moyenne troposphère et les riques. L’Antarctique est connu pour
bilité des températures et des précipi- situations de blocage atmosphérique présenter une variabilité climatique
tations de la zone étudiée. permettent ainsi aux rivières atmos- naturelle particulièrement forte à dif-
phériques en provenance de l’océan férentes échelles de temps (interan-
Il est important de constater que pour Austral de pénétrer sur le continent nuelle à multidécennale). Le signal du
chacun des types de temps présen- antarctique et de transporter de la changement climatique anthropique ne
tant des rivières atmosphériques les chaleur et de l’humidité loin à l’inté- devrait émerger de la variabilité natu-
journées associées à ces événements rieur de la calotte (Gorodetskaya et al., relle qu’aux alentours de 2020-2050 en
sont significativement différentes 2020 ; Wille et al., 2019, 2021). Antarctique. Dès lors, des variations
des autres journées correspondant au du mode annulaire austral (Thompson
même type de temps. En général, elles En raison de son impact sur l’intensité et al., 2011) de l’emplacement et de la
correspondent à des configurations des pressions au large de l’Antarctique, force des dépressions semi-perma-
nentes (par exemple en mer d’Amu-
ndsen : Hosking et al., 2016) sont à
(a) (b) prévoir. Comme nous l’avons vu, le
SAM semble exercer un contrôle sur
l’activité des rivières atmosphériques,
mais ce lien sera-t-il stable dans le
temps ? Ces changements induiront-ils
des changements dans la fréquence des
rivières atmosphériques touchant le
continent ? Ce point est d’autant plus
critiquable que le mode annulaire aus-
tral lui-même évoluera dans le temps.
D’autres configurations de large échelle
peuvent aussi jouer sur ces événements
Figure 3. Tendance d’évolution entre 1980 et 2018 : (a) de l’activité annuelle des rivières atmosphériques (par exemple la variabilité associée à
obtenue à partir des données de réanalyses Merra-2 ; (b) de la corrélation entre l’activité annuelle l’Enso, El Niño Southern Oscillation).
des rivières atmosphériques et l’indice SAM (mode annulaire austral) annuel. Figure adaptée de Wille Sans compréhension précise des pro-
et al. (2021). cessus contrôlant les conditions deLa Météorologie - n° 117 - mai 2022 23
blocage au large du continent, les ten- dans le passé en utilisant les archives Celles-ci sont enfin associées au trans-
dances d’évolution de fréquence et que constituent les carottes de glace port à longue distance de poussières et
d’intensité des rivières atmosphériques (analyses chimiques et des isotopes de de particules biologiques.
resteront de pures spéculations. l’eau). L’objectif est ambitieux, car cela
exige de s’assurer que : 1) les masses Pourtant, même s’il existe un signal
Définir les facteurs contrôlant leur d’air associées aux rivières atmos- atmosphérique associé aux fortes pré-
évolution et leur variabilité, aux passé, phériques présentent une signature cipitations des rivières atmosphériques,
présent et futur est l’objectif du projet isotopique et/ou chimique spécifique identifier et quantifier ces signaux
Arca (Atmospheric River Climatology et 2) cette signature reste identifiable ponctuels dans les enregistrements iso-
in Antarctica). L’analyse des proces- dans les carottes de glace malgré tous topiques et d’aérosols des carottes de
sus atmosphériques mis en jeu lors les processus affectant l’archivage et névé et de glace de l’Antarctique est un
des événements de rivières atmos- les résolutions de mesure qui ne sont challenge dont la faisabilité reste à dé-
phériques sera effectuée à partir d’un pas celles d’événements de quelques montrer. L’analyse des rivières atmos-
large ensemble de simulations des cli- jours. phériques en Antarctique est encore
mats préindustriel, actuel et futur. La balbutiante et offrira certainement de
fréquence et l’intensité des rivières Plusieurs études ont révélé que la vapeur nombreuses surprises.
atmosphériques seront ainsi analysées d’eau atmosphérique peut présenter une
sous différentes conditions clima- anomalie de composition isotopique
tiques, incluant ou non les forçages an- pendant une rivière atmosphérique. Remerciements
thropiques et internes du climat. Nous Au Groenland, la vague de chaleur de
nous concentrerons sur la variabilité 2012 associée à une activité de rivières Les auteurs remercient l’Agence natio-
associée au SAM, mais aussi sur les atmosphériques présentait ainsi une si- nale de la recherche pour le financement
impacts potentiels de l’Enso. gnature isotopique associée à une zone du projet ANR-20-CE01-0013. Nous te-
d’évaporation source très éloignée. De nons aussi à saluer l’investissement de
Pour savoir dans quelle mesure la va- même, une étude récente compilant l’ensemble des personnes engagées pour
riabilité future proposée par les mo- 4,5 années de composition isotopique mener à bien ce projet : Alexis Berne,
dèles est réaliste, il serait nécessaire de la vapeur d’eau au Svalbard a permis Brice Boudevillain, Olivier Cattani,
d’obtenir une base de données de ré- de retracer les origines des masses d’air Xavier Fettweis, Hubert Gallée, Nicolas
férence à long terme pour évaluer la (Atlantique ou Arctique) des événe- Jourdain, Michel Legrand, Amaelle
variabilité naturelle des rivières at- ments synoptiques fortement humides Landais, Valérie Masson-Delmotte,
mosphériques en Antarctique. Ainsi, se produisant en hiver (Weng et al., Martin Ménégoz, Bénédicte Minster,
un défi supplémentaire du projet Arca 2021). Cette étude a montré une évo- Anaïs Orsi, Frédéric Prié, Susanne
est de reconstituer l’intensité et la fré- lution significative des signaux isoto- Preunkert, Joël Savarino, Tessa Vance,
quence des rivières atmosphériques piques lors de rivières atmosphériques. Olga Zolina.
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