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De la météorologie au climat

Les phénomènes météorologiques extrêmes

Extreme weather events
Fabio D’Andrea, Aglaé Jézéquel et Gwendal Rivière

Résumés

L’étude des événements météorologiques extrêmes est devenue un thème central des sciences du climat avec l'avènement du changement climatique. Le LMD a accéléré ses travaux sur les extrêmes à partir de la canicule historique de 2003. L’article décrit d’abord les conditions météorologiques favorisant l’occurrence des événements extrêmes aux moyennes latitudes comme les tempêtes hivernales, les vagues de chaleur et de froid, ou encore les fortes précipitations en lien avec des configurations particulières du courant-jet de la haute troposphère. Les méthodes permettant de faire un lien entre les extrêmes observés et le changement climatique sont ensuite présentées ainsi que les approches interdisciplinaires permettant de mieux comprendre et d’appréhender les impacts sociétaux de ces extrêmes. L’encart présente un résultat important d’une étude effectuée au LMD sur le rôle de l’humidité du sol dans la zone méditerranéenne sur les canicules européennes.

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Texte intégral

1Depuis les années 2000, la recherche sur les extrêmes climatiques est devenue un thème central, motivée évidemment par le changement climatique en cours. En effet, l'étude des extrêmes a profondément structuré la science du climat, améliorant la compréhension des processus physiques et stimulant l'innovation méthodologique pour leur analyse. Elle a également renforcé les capacités de modélisation et de prévision du climat. Étant donné qu’une grande partie des impacts du changement climatique est dû aux extrêmes, cette recherche a aussi mené à des initiatives interdisciplinaires pour mieux décrire la complexité des impacts.

2Au LMD, la canicule d'août 2003 a marqué un tournant. Ce phénomène, résultant d'une condition anticyclonique persistante sur l'Europe couplée à l'effet d'une sécheresse étendue sur le continent dans un contexte de réchauffement climatique, a capté l'attention de certaines chercheuses et certains chercheurs. L'étude de la variabilité atmosphérique de basse fréquence et des interactions entre l'hydrologie de surface et l'atmosphère étant déjà des domaines d'expertise du laboratoire, il était naturel de s'intéresser à ces phénomènes.

3Dans la suite, avant de revenir sur la canicule de 2003, nous passons en revue les différents extrêmes météorologiques, avec toutefois une attention particulière pour les régions extratropicales.

Les différents extrêmes météorologiques

4Les extrêmes de vent, de température et de précipitation sont largement associés à la présence de perturbations atmosphériques cycloniques ou anticycloniques dans une région donnée à un moment donné. On parle d’anomalie cyclonique pour des zones de basse pression et anticylonique pour des zones de haute pression. Les extrêmes de vent se produisent en présence d’anomalies cycloniques de toutes sortes : des tempêtes de vent à l’échelle du millier de kilomètres qui frappent régulièrement l’Europe en hiver, aux cyclones tropicaux dont les vents peuvent dépasser dans certains cas 250 km/h. Des cyclones très intenses plus petits à l’échelle de la centaine de kilomètres peuvent se former comme les médicanes en Méditerranée ou encore certaines dépressions polaires à la frontière entre banquise et mer ouverte. A plus petite échelle, les tornades sont des anomalies cycloniques de quelques centaines de mètres. Elles frappent régulièrement les grandes plaines des Etats-Unis au printemps et en été. A l’inverse, les extrêmes de température aux latitudes tempérées comme les canicules en été ou les vagues de froid en hiver sont associés à la présence de perturbations anticycloniques, également appelées blocages. Ces perturbations, de l’ordre de quelques milliers de kilomètres, sont extrêmement stables, l’air y circule peu. Les extrêmes de températures peuvent également être causés par des circulations atmosphériques poussant de l’air froid des pôles vers les moyennes latitudes, ou de l’air chaud en provenance des tropiques. Quant aux extrêmes de précipitation, ils se forment lorsque des masses d’air chargées en humidité s’élèvent. Aux latitudes tempérées, cela peut se produire proche d’un cyclone ou plus éloigné en présence d’une rivière atmosphérique, qui correspond à une bande étroite de transport d’air humide des régions subtropicales vers les moyennes latitudes. Dans les tropiques, les fortes précipitations sont soit liées soit à des cyclones soit à la mousson.

Extrêmes météorologiques aux latitudes tempérées

5Afin de mieux comprendre le lien entre circulation atmosphérique et extrêmes, intéressons-nous plus particulièrement aux quatre extrêmes météorologiques les plus récurrents aux latitudes tempérées dont des exemples d’impact sont illustrés sur la figure 1: les tempêtes hivernales, les vagues de chaleur, les vagues de froid et les fortes précipitations. Nous mettons ici les sécheresses de côté car ce sont des événements qui se développent sur des périodes plus longues et impliquent des mécanismes différents.

6Les tempêtes hivernales sont des dépressions (ou cyclones) qui se forment en présence de forts contrastes thermiques horizontaux comme par exemple à l’interface entre le continent américain nord froid en hiver et l’océan Atlantique plus chaud. Cela peut engendrer des tempêtes de neige de grande échelle sur la côte est des Etats-Unis, appelées blizzards, mais aussi des dépressions qui traversent l’Atlantique nord pour frapper l’Europe comme cela a été le cas à Noël 1999 avec le passage des tempêtes dévastatrices Lothar et Martin. En raison de l’équilibre existant entre vent et température, appelé vent thermique, les forts contrastes thermiques sont associés à un fort courant atmosphérique (jet stream) circulant d’ouest en est à l’altitude de 10 km environ. Le jet stream est le facteur déterminant de la météo des moyennes latitudes. Plus le jet stream est intense, c’est-à-dire avec des vents d’altitude forts, et plus les dépressions qui naissent vont pouvoir extraire de l’énergie de ce jet, se creuser vers des plus basses pressions fortement et rapidement. Plus les dépressions se creusent, plus la vitesse des vents près de la surface augmente. Ainsi le jet de décembre 1999 qui avait une intensité exceptionnelle avec des vents proches de 300 km/h à 10 km d’altitude a engendré deux tempêtes exceptionnelles en moins de 2 jours (Figure 2a). En plus de ces échanges d'énergie, lorsque l'air est humide, la dépression gagne de l'énergie supplémentaire liée à l'élévation de masses d'air chargées en vapeur d'eau qui en se condensant forment des nuages et dégagent de l'énergie, appelée chaleur latente. Les processus nuageux étant de très petite échelle, ils ne peuvent pas être explicitement représentés dans les modèles de circulation atmosphérique (voir chapitre “Modélisation du climat”) et sont seulement représentés de manière statistique à l’échelle de la grille du modèle (environ 100 km pour les modèles globaux). Des chercheurs et des chercheuses du LMD ont participé activement à des campagnes de mesure internationales comme NAWDEX en 2016 pour mieux caractériser ces processus nuageux et l’impact qu’ils avaient sur la circulation des dépressions et du “jet stream” afin d’améliorer leur représentation dans les modèles. Comme les processus humides amplifient l’intensité des dépressions et que la vapeur d’eau augmente dans un climat plus chaud (pour 1°C de plus, l’atmosphère peut contenir 7 % de vapeur d’eau supplémentaire) on s’attend à une augmentation des tempêtes violentes dans le futur mais pas forcément à une augmentation de leur fréquence.

7Dans certaines situations hivernales, le “jet stream” peut-être bloqué au sens où les vents d’ouest peuvent être localement interrompus par une perturbation atmosphérique qu’on appelle blocage. Cette situation peut engendrer une vague de froid extrême comme cela a été le cas en février 2018 en Europe de l’ouest (figure 1b). Sur la figure 2b, on remarque la présence d’une anomalie anticyclonique au nord entre l’Islande et la Scandinavie et une anomalie cyclonique plus au sud sur l’Europe. Entre ces deux anomalies, des vents venant de l’est transportent de l’air froid venant de Russie vers l’Europe de l’ouest et bloquent l’arrivée de l’air doux habituellement apporté par les dépressions venant de l’Atlantique. Les blocages ont été étudiés de manière intensive depuis la seconde moitié du 20e siècle et différentes théories ont émergé dans les années 1980 et 1990 auxquelles ont contribué des membres du LMD comme Michael Ghil, Bernard Legras, Robert Vautard, Fabio D’Andrea. Un résultat important est que les blocages atmosphériques qui peuvent persister plusieurs semaines sont renforcés par le passage des dépressions transitoires en amont. L’étude des blocages reste un sujet d’actualité car ces phénomènes sont difficiles à prévoir et les modèles de climat sous-estiment leur fréquence. A l’heure actuelle, il n’y a aucune preuve que les blocages vont diminuer ou augmenter dans le climat futur mais du fait du réchauffement global on s’attend à une diminution des extrêmes froids.

8Les vagues de chaleur estivales peuvent également se former en présence d’un blocage atmosphérique comme le montre le cas de la vague de chaleur exceptionnelle qui a eu lieu dans l’ouest du Canada en juin et juillet 2021. Ce cas de blocage estival est caractérisé par un anticyclone de grande échelle en présence duquel les lignes de courant forment une circulation dite en “Omega” et dévient brutalement le jet stream et les dépressions venant de l’océan vers le nord. Dans ce cas, l’anticyclone bloque l’arrivée d’air plus doux venant de l’océan et l’air descendant se réchauffe et empêche simultanément la formation de nuages, ce qui favorise l’absorption du rayonnement solaire qui renforce la chaleur. Plus d’informations sur les travaux menés au LMD sur les processus d’interactions entre vagues de chaleur et humidité du sol sont présentées dans l’encart. Les scénarios futurs prévoient l’augmentation de l’intensité, de la durée et de la fréquence des extrêmes chauds ainsi que l’extension de la saison des canicules.

9Enfin, les précipitations à fort impact des latitudes tempérées sont souvent liées à la présence de cyclones quasi-stationnaires qui canalisent le transport d’humidité dans certaines régions et qui, quand les masses d’air s’élèvent, peuvent former des nuages précipitants dans une même région. Les inondations catastrophiques qui ont frappé l’Allemagne en juillet 2021 étaient liées à de fortes précipitations en lien avec la présence quasi-stationnaire sur plusieurs jours de ce qu’on appelle une goutte froide qui correspond à un cyclone stationnaire localisé au sud du “jet stream” (figure 2c). Ce type de circulation est à l’origine des événements dits méditerranéens ou cévenols qui se produisent régulièrement à l’automne dans le sud de la France et peuvent engendrer des inondations catastrophiques. Dans ce cas, la circulation cyclonique permet de transporter de l’air chargé en humidité provenant de la Méditerranée encore chaude et de fortes précipitations ont lieu sur les flancs des montagnes comme les Cévennes. Le LMD a coordonné avec le CNRM, un autre grand labo de recherche français en météorologie, le projet HyMex (HYdrological cycle in the Mediterranean Experiment) qui visait à mieux comprendre et prévoir le cycle de l’eau en méditerranée et les événements météorologiques à fort impact. Dans le futur, du fait de l’augmentation de l’humidité avec la température, on s’attend à de plus en plus à subir des événements précipitants extrêmes.

10Dans un contexte de changement climatique, on a vu que ces événements extrêmes peuvent être perturbés par rapport à ce qu’on pourrait attendre dans un climat stationnaire, qui ne change pas. Ces perturbations ont des origines physiques, liées principalement aux changements thermodynamiques associés à l’augmentation globale des températures. Or, si le changement climatique est assez difficile à percevoir d’une façon sensible, les événements météorologiques extrêmes, eux, de par leurs impacts, ont des conséquences tangibles pour toutes les personnes affectées. Faire le lien entre les événements extrêmes observés et le changement climatique, c’est l’objectif de l’attribution d’événements extrêmes, une branche des sciences du climat qui s’est développée après la canicule de 2003 avec une augmentation rapide des publications depuis 2010 environ. L’idée de cette science est de comparer l’événement dans le monde réel, dit factuel, avec celui qu’il aurait été dans un monde dit contrefactuel, le monde tel qu’il aurait été sans changement climatique. Cela permet par exemple, en utilisant des modèles de climat, de comparer la probabilité que l’événement ait lieu dans les deux mondes, et d’évaluer si elle a augmenté, diminué ou s’il n’y a pas de signal significatif. Il est également possible de décortiquer la façon dont les phénomènes physiques décrits plus hauts, caractéristiques de chaque événement, sont affectés, par exemple dans le cas de l’augmentation des pluies extrêmes liée à l’augmentation de la température. Ce type de recherche est notamment mené au LMD par Aglaé Jézéquel et Laurent Li.

11Les événements extrêmes sont un champ de recherche d’autant plus important que ces aléas météorologiques peuvent déclencher des catastrophes, qui peuvent causer des dégâts humains, matériels et environnementaux très coûteux pour nos sociétés. Pour se rapprocher des impacts et mieux comprendre la part des aléas dans les catastrophes, il est nécessaire de développer des approches interdisciplinaires, notamment avec des chercheuses et chercheurs travaillant sur des modèles d’impacts, mais aussi avec les sciences économiques et sociales, en mesure d’ajouter une compréhension, et parfois une quantification, de la vulnérabilité et de l’exposition des populations touchées. Les climatologues proposent aussi des façons originales de s’intéresser aux événements extrêmes, notamment avec le développement d’une approche multivariée des événements, considérés comme des “événements composés”. Elle considère que les impacts peuvent être mieux compris quand on prend en compte les interactions entre plusieurs événements, comme des fortes précipitations répétées, ou la combinaison d’une sécheresse et d’une canicule. Une autre méthodologie qui se développe de plus en plus est l’approche par récits, ou storylines en anglais, dont l’idée est de zoomer sur quelques événements plausibles pour mieux comprendre leurs causes et leurs conséquences. Ces récits peuvent également permettre d’incarner les sorties de modèles d’une façon plus tangible et plus proche de la météo que des distributions de probabilité ne peuvent le faire.

Figure 1 : Exemples d’impacts associés à des événements météorologiques extrêmes aux latitudes tempérées.

Figure 1 : Exemples d’impacts associés à des événements météorologiques extrêmes aux latitudes tempérées.

a) et b) https://www.bfmtv.com/​sciences/​vague-de-froid-le-moscou-paris-est-de-retour-pour-plusieurs-jours_AN-201803170010.html https://www.rts.ch/​info/​suisse/​9365213-les-temperatures-les-plus-basses-de-lhiver-ont-ete-enregistrees-en-suisse.html, c) YouTube, d) https://www.businessinsider.com/​aerial-photos-europe-deadly-flooding-2021-7

Figure 2 : Situations météorologiques associées aux événements

Figure 2 : Situations météorologiques associées aux événements

Sur la figure 1: le vent horizontal environ à 10 km d’altitude est représenté par les flèches qui sont d’autant plus grandes que l’intensité des vents est forte et les lignes de courant (géopotentiel) en milieu de troposphère (~5 km d’altitude) sont représentées en plages colorées.

Données issues des réanalyses ERA5

Canicules

Les canicules sont en premier lieu des phénomènes météorologiques, dus – comme expliqué plus haut – à une situation météorologique bien connue, un anticyclone de blocage persistant. Une fois l'anticyclone mis en place il n'explique pourtant pas à lui seul l'amplitude des anomalies de température observées dans certains des épisodes de canicule en Europe ou ailleurs.

C'est à la suite de la canicule de 2003 en Europe que, notamment grâce aux travaux des chercheurs du LMD, le processus physique d'amplification le plus important à été mis en évidence : l'effet de la sécheresse. Un sol humide est en effet capable de rafraîchir les couches basses de l'atmosphère ; en absorbant de la chaleur (la chaleur latente) par les processus d'évaporation de l'eau. En été, les plantes puisent l'eau en profondeur grâce à leurs racines. L'eau est par la suite évaporée dans la canopée par les stomates des feuilles. En cas de sécheresse du sol, les plantes commencent à flétrir, ferment leurs stomates et ce processus de rafraîchissement est interrompu. On estime que cet effet ajoute approximativement trois degrés additionnels à la température maximale de la canicule, et la rend plus persistante.

La quantité d'eau dans le sol dépend des précipitations et donc de la météo locale, mais il faut garder à l'esprit que sa variation a lieu à des échelles de temps beaucoup plus longues. Les pluies varient d'un jour à l'autre, alors que pour remplir le sol, ou au contraire l'assécher il faut plusieurs semaines. Le niveau d'humidité de sol au début de l'été, dû aux précipitations du printemps, a des chances de persister tout au long de la saison, et constitue de ce fait un prédicteur de canicules. Un sol humide au début de l'été baisse la probabilité de canicule, et vice versa : la sécheresse annonce la canicule, au moins en termes de probabilités.

Au LMD, nous avons aussi mis en évidence le rôle de la région méditerranéenne dans le développement des canicules européennes. Si plus au sud on est en condition de sécheresse tous les ans, et plus au nord, en Europe centrale, on est presque au contraire toujours en situation de sol saturé en eau, c’est sur la côte nord de la Méditerranée que les variations d'eau du sol sont plus marquées par rapport à la climatologie. C'est à ce dernier point que se réfère la Figure 3, issue de l'utilisation d'un modèle régional dans lequel nous avons reproduit des conditions météorologiques propices à la canicule, un blocage au-dessus de l'Europe de l'ouest, et nous avons fait une série d'intégrations numériques avec et sans sécheresse dans la région méditerranéenne. On y voit la différence de réchauffement moyen entre juin et juillet dans les deux cas. Du fait du manque d'eau, la canicule se développe plus fortement avec des différences de température qui arrivent jusqu'à trois degrés. On remarque que le réchauffement excessif se trouve au centre de la France et en Allemagne, alors que la sécheresse était prescrite au sud de 45 degrés de latitudes.

L’importance des conditions climatiques dans la région Méditerranéenne, caractérisée par un climat dit « de transition » entre conditions sèches-subtropicales et humides, est ainsi mise en exergue. La tendance à l’assèchement du climat de la Méditerranée, due au réchauffement global, pourrait donc avoir un impact sur les chaleurs extrêmes de tout le continent Européen.

En plus du mécanisme lié au dégagement de chaleur latente expliqué plus haut, qui refroidit localement les couches basses de l'atmosphère, l'eau du sol peut aussi influencer à distance la température par d'autres processus physiques complexes. Ainsi, une sécheresse en diminuant l'humidité atmosphérique tend à inhiber la formation des nuages convectifs (les orages) et les précipitations associées. Cela amplifie ultérieurement à la fois la température extrême et la sécheresse elle-même. On voit donc une partie de la complexité des interactions entre sécheresse et canicule. En effet, les deux sont liées par une relation non-linéaire, c'est un exemple de rétroaction, caractéristique du système climatique. La recherche continue.

Figure 3   Anomalie de l’augmentation de la température de surface entre juin et juillet (en degrés)

Figure 3   Anomalie de l’augmentation de la température de surface entre juin et juillet (en degrés)

Anomalie de l’augmentation de la température de surface entre juin et juillet (en degrés), suite à une sécheresse dans la région méditerranéenne dans un modèle régional (voir le texte pour l’interprétation de la figure et Zampieri et al 2009 pour plus de détails).

©American Meteorological Society. Used with permission.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Exemples d’impacts associés à des événements météorologiques extrêmes aux latitudes tempérées.
Légende a) et b) https://www.bfmtv.com/​sciences/​vague-de-froid-le-moscou-paris-est-de-retour-pour-plusieurs-jours_AN-201803170010.html https://www.rts.ch/​info/​suisse/​9365213-les-temperatures-les-plus-basses-de-lhiver-ont-ete-enregistrees-en-suisse.html, c) YouTube, d) https://www.businessinsider.com/​aerial-photos-europe-deadly-flooding-2021-7
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Titre Figure 2 : Situations météorologiques associées aux événements
Légende Sur la figure 1: le vent horizontal environ à 10 km d’altitude est représenté par les flèches qui sont d’autant plus grandes que l’intensité des vents est forte et les lignes de courant (géopotentiel) en milieu de troposphère (~5 km d’altitude) sont représentées en plages colorées.
Crédits Données issues des réanalyses ERA5
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Titre Figure 3   Anomalie de l’augmentation de la température de surface entre juin et juillet (en degrés)
Légende Anomalie de l’augmentation de la température de surface entre juin et juillet (en degrés), suite à une sécheresse dans la région méditerranéenne dans un modèle régional (voir le texte pour l’interprétation de la figure et Zampieri et al 2009 pour plus de détails).
Crédits ©American Meteorological Society. Used with permission.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11823/img-3.png
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Pour citer cet article

Référence électronique

Fabio D’Andrea, Aglaé Jézéquel et Gwendal Rivière, « Les phénomènes météorologiques extrêmes »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 25 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/11823 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh1

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Auteurs

Fabio D’Andrea

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, Ecole polytechnique-IP Paris, Sorbonne université) - Fabio D’Andrea est directeur de recherche au CNRS, physique de l’atmosphère et dynamique du climat et études des extrêmes

Aglaé Jézéquel

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne université) - École des Ponts - Aglaé Jézéquel, IPEF est chercheuse en climatologie, étude des extrêmes et de leurs impacts sociétaux.

Gwendal Rivière

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne université) - Gwendal Rivière est directeur de recherche au CNRS, physique de l’atmosphère et dynamique du climat, spécialiste des régions tempérées et polaires.

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Droits d’auteur

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