Interactions avec les ondes et modes de variabilité équatoriaux

Interactions avec les ondes et modes de variabilité équatoriaux

Intérêt des ondes et modes équatoriaux

Même avec l’utilisation d’ensembles de prévisions multi-modèle (TIGGE), la prévision des précipitations sur l’Afrique de l’Ouest (Vogel et al. 2018) reste mauvaise et légèrement meilleure que la climatologie après post-traitement des ensembles.

Le prévisionniste a donc toute sa place pour améliorer ces prévisions sur la base de son expertise et expérience, en s’appuyant sur d’autres variables mieux prévues que la pluie. Il est nécessaire ainsi de chercher d’autres sources indirectes de prévisibilité. Nous proposons ici d’utiliser les ondes équatoriales et autres modes de variabilité intrasaisonnièrs comme source de prévisibilité.

D’après l’étude de Schlueter et al. (2019) à l’aide des observations GPCP, les ondes et modes équatoriaux contribuent fortement à la variabilité des pluies sur le Sahel pour un total de ~20 mm2j-2. La première contribution est due aux ondes d’Est (AEW pour ~45 %) et est documentée dans l’objet AEW. Viennent ensuite par ordre décroissant les contributions,

  • des ondes de Kelvin (K pour ~25 %),
  • des Equatoriales de Rossby (ER pour ~16 %),
  • des Mixtes Rossby-Gravité (MRG pour ~8 %)
  • et de la MJO (moins de 4 %).

La figure ci-contre montre les cartes des contributions des différentes ondes équatoriales à la variance des précipitations durant la mousson.

  • Le canal zonal du Sahel correspond à la contribution des AEW (ou TD) la plus importante avec une augmentation du plateau éthiopien vers l’Afrique de l’Ouest pour atteindre son maximum sur le proche Atlantique.
  • La contribution des ondes de Kelvin présente la même structure et joue un rôle non négligeable sur la modulation des précipitations.
  • Bien que présentant des contributions moindres les ondes ER et MRG ne peuvent pas être négligées.
Déviation standard des préciîtations TRMM durant la période de mousson. Source : extrait Fig. 4 de Schuelter et al. (2019).

Ces chiffres moyens peuvent être trompeurs car pour une situation donnée la contribution d’une onde ou mode de variabilité peut être beaucoup plus forte que celle rapportée à la saison. Par ailleurs les événements forts et extrêmes sont souvent associés à la combinaison de l’influence favorable de plusieurs ondes ou modes, comme par exemple le croisement d’une K avec une ER.

Comme la prévision de la dynamique et thermodynamique des ondes et modes équatoriaux est bien meilleure que celle des précipitations, la démarche proposée au prévisionniste à l’aide des produits MISVA est d’analyser l’évolution prévue de chaque onde et mode équatoriaux pour ensuite anticiper les périodes propices à des événements précipitants ou à une période sèche.

Cadre théorique des ondes équatoriales couplées à la convection (CCEW)

Ces ondes couplées à la convection (dynamiquement et thermodynamiquement), forment des structures cohérentes, dénommées ondes équatoriales couplées à la convection (CCEW en anglais). Elles résultent d’un « piégeage » le long de l’équateur dû à la rotation terrestre.

Les caractéristiques de structure et de dispersion de ces CCEW sont prédites à partir des équations du modèle en eaux peu profondes projetées sur un « β-plan » équatorial. Matsuno (1966) a été le premier à dériver de ces équations le jeu complet de solutions d’ondes se propageant zonalement, isolant les modes normaux de ce système et leur dépendance au nombre d’onde zonal, introduisant ainsi le nombre d’onde zonal (k) et la fréquence (ω).

La figure ci-contre représente la relation de dispersion k-ω de la température de brillance (caractéristique de l’activité convective, en couleur) superposée à la relation théorique de Matsuno (famille de courbes) pour les composantes symétriques (a) et anti-symétriques (b).

L’axe des ordonnées de la fréquence ω est également gradué en période de 20 à 1,25 jours et le nombre d’onde zonal k (axe des abscisses) peut être négatif ou positif suivant que les ondes se propagent respectivement vers l’Ouest ou vers l’Est. Le vecteur de l’origine vers un point du diagramme correspond la la vitesse de propagation d’autant plus rapide que vertical.

Les différents paquets apparaissant sur ce diagramme (fenêtres encadrées) correspondent à différents types de CCEW, soient en particulier:

  • (a) Les modes à structure symétrique/équateur
    • Kelvin se propageant vers l’Est,
    • dont la MJO (paquet proche de l’origine k entre 1 et 5, période de 30 à 60 j
    • ER se propageant vers l’Ouest
  • (b) Les modes à structure antisymétrique/équateur, dont le mode
    • MRG se propageant rapidement vers l’Ouest mais propageant son énergie plus lentement vers l’Est.
Spectre fréquence – nombre d’onde pour les composantes symétriques (a) et anti-symétriques (b) pour le spectre de température de brillance (TB) de CLAUS pour juillet 1983-2005, moyenné sur 15°N 15°S. Source : Figure 7.4 du Handbook extraite de Kiladis et
al. (2009).

Structure et impact des CCEW

1. Ondes de Kelvin

  • Symétrique /équateur
  • Propagation vers l’Est : 15-25 m/s (peuvent faire le tour de la terre en 20-30 jours)
  • Période : 4-15 j
  • Longueur d’onde : ~4 000 à 20 000 km
  • Signature : vent zonal, divergence (VP200)
  • Fréquentes sur l’Afrique
  • Convection favorisée dans la zone de convergence de basse couche
  • Explique ~25 % de la variance des précipitations
  • Renforce le JEA à son passage et favorise donc les AEW dans son sillage

Le composite ci-contre des phases humide et sèche de l’onde de Kelvin pour les précipitations illustre la modulation des pluies associées. Rapportée à la médiane des pluies, la modulation par l’onde de Kelvin est très forte et couvre une bonne partie du Sahel, pas uniquement l’équateur.

La figure ci-contre illustre la structure spatiale de l’onde de Kelvin au-dessus de l’Afrique de l’Ouest.

Les champs de circulation sont à peu près symétriques par rapport à l’équateur météorologique et sont caractérisés par une longueur d’onde d’environ 5 000 km et une vitesse de phase vers l’Est d’environ 15 m/s. Elle traverse ainsi l’Afrique en 5-6 jours, avec une large zone de renforcement de la convection (en vert) à l’Est d’une anomalie d’ouest de vent zonal à 850 hPa conformément au schéma conceptuel.

Schéma conceptuel de la structure de l’onde de Kelvin.
Composite phase humide/ sèche de l’onde de Kelvin des pluies CHIRPS. Source: Schulter et al AMS 2018.
Cartes composites sur mai-octobre des anomalies de températures de brillance (TB ; hachures), de géopotentiel (contours) et vents (vecteurs) associées à une perturbation de – 10 K dans la TB de l’onde de Kelvin au point de référence 2°N, 10°E, pour (a) Jour – 2 à 850 hPa, (b) Jour 0 à 850 hPa, et (c) Jour 2 à 850 hPa. L’intervalle de contour est de 12 mgp avec les contours négatifs en tireté. Les couleurs froides pour les perturbations négatives de TB et les couleurs chaudes pour les perturbations positives. Les vecteurs vents significatifs au seuil de 95 % sont tracés, avec les valeurs les plus fortes autour de 2 m s–1. Source: Figure 7.6 du Handbook.

2. Ondes de Rossby équatoriales (ER)

  • Symétrique /équateur
  • Propagation vers l’Ouest : -5 m/s
  • Période : 15-20 j
  • Longueur d’onde : ~10 000 km
  • Signature : tourbillon, vent méridien, PW
  • Modulation du flux de mousson
  • Renforcement possible pendant quelques jours d’un thalweg
  • Explique ~16 % de la variance des précipitations
  • Humidifie les basse couches, d’où une signature en PW
  • La mousson indienne est une source importance d’ER

La figure ci-contre montre la structure typique des ondes de Rossby équatoriales ER couplées à la convection au-dessus de l’Afrique de l’Ouest, calculée sur les mois de mai à octobre.

Le dipôle d’affaiblissement/renforcement de la convection associée à une circulation spécifique se propage vers l’ouest entre les jours – 5 et + 5. Notons à 850 hPa un renforcement du flux de mousson de sud-ouest alimentant la zone de renforcement de la convection (couleurs froides). A l’opposé la zone d’affaiblissement de la convection (couleurs chaudes) correspond à un renforcement du flux d’Harmattan de nord-est. Les ER contribuent en partie au mode sahélien.

Schéma conceptuel de la structure de l’onde ER
Cartes composites sur mai-octobre pour l’onde ER identiques à celle précédente pour l’onde de Kelvin, pour les jours J-5, J et J+5. Source : Figure 7.8 du Handbook.

3. Ondes mixtes de Rossby-gravité (MRG)

  • Anti-symétrique /équateur
  • Propagation vers l’Ouest : 15-25 m/s
  • Vitesse de groupe (propagation de l’énergie) vers l’Est : ~5 m/s (comme les AEW)
  • Période : 4-5 j
  • Longueur d’onde : ~10 000 km
  • Signature : PW, vent méridien maximum à l’équateur en basses couches, traduisant un transport interhémisphérique avec un épaississement et renforcement du flux de mousson
  • Convection favorisée en phase avec l’intensification du flux de mousson
  • Explique ~8 % de la variance des précipitations
  • Les MRG ressemblent aux AEW, mais avec une plus grande longueur d’onde zonale
  • Plus rapides que les AEW, les MRG lorsqu’elles rejoignent une AEW et se trouvent en phase, une brusque amplification est possible contribuant à des événements extrêmes comme celui de Ouagadougou le 1er septembre 2009 (Lafore et al. 2017).
Schéma conceptuel de la structure d’une MRG

4. Le mode MJO sur l’Afrique

  • Propagation vers l’Est : ~5 m/s en moyenne (entre 3 et 9 m/s) et fait le tour du globe en 30-40 jours
  • Comme illustré par le schéma ci-contre, sa structure de vent et de modulation de la convection est un mélange d’ondes équatoriales
    • de Rossby à l’arrière de la MJO (à l’Ouest) avec 2 gyres cycloniques symétriques / équateur, et une accélération d’Ouest du vent zonal à l’équateur
    • et de Kelvin à l’avant (à l’Est) avec une anomalie d’Est du vent zonal
  • La convection est renforcée entre les 2 accélérations zonales opposées
  • L’enveloppe de la MJO inclut des ondes de Kelvin se propageant plus vite qu’elle mais dans la même direction
  • Signature : vent méridien, divergence d’altitude (VP200)
  • La MJO a des impacts globaux : modulation des moussons et de l’activité cyclonique, impacts sur El Niño, pluies Amérique du Nord, Europe…

Détection de la MJO:

Le suivi et la prévision de la MJO en temps réel se fait à l’aide du MJO index (Figure ci-contre), proposé Wheeler et Hendon (2004). Il est basé sur la paire d’EOF des champs combinés de vents zonaux à 850 hPa et 200 hPa moyennés sur la bande équatoriale, et de l’OLR. La projection des données quotidiennes d’observation sur ces EOF multi-variées avec le cycle annuel et les composantes de la variabilité interannuelle éliminés, construit des séries temporelles de composantes principales qui varient principalement à l’échelle intra-saisonnière de la MJO.

  • L’indice RMM (Real-time Multivariate MJO) visualise la MJO dans l’espace des phases défini par les séries temporelles des 2 premières composantes principales: RMM1 et RMM2.
  • Dans ce diagramme 8 phases de la MJO sont définies correspondant à 8 zones géographiques
  • A l’intérieur du cercle d’amplitude 1, la MJO est faible, voire absente.
Schéma conceptuel de la structure de la MJO
Représentation dans le plan de phase des deux composantes de l’indice MJO pour la période 1er mai-16 juin 2012 (lignes fines) et la période de prévision valide du 17 juin au 1er juillet 2012. Chaque point représente la valeur de cet indice pour un jour particulier avec les dates de début et de fin indiquées. Les 8 phases de la MJO sont aussi indiquées ainsi que le cercle qui délimite une faible activité de la MJO. Les localisations approximatives des signaux de convection équatoriale active sont aussi indiquées (par exemple, ‘Indian Ocean’ pour les phases 2 et 3). D’après Wheeler et Hendon (2004). Source : Figure 7.18 du Handbook.

L’analyse composite ci-dessous met en évidence l’impact de la MJO sur l’Afrique de l’Ouest (Wheeler et al. 2009). La probabilité de pluie est renforcée durant la phase 1 en conjonction avec des anomalies de vents d’ouest de basses couches. Par contre, les précipitations sont diminuées des phases 3 à 7 en conjonction avec des anomalies de vents d’est. Les composites d’anomalies de pluie et de vent basés sur la MJO sont utilisés comme guides pour la prévision intra-saisonnière.

Composites MJO des probabilités de précipitations hebdomadaires (contours et couleurs) et anomalies de vent à 850 hPa (vecteurs) sur la saison mai-juillet pour les phases 1 et 5. Les probabilités de précipitation se réfèrent à la chance des précipitations hebdomadaires de dépasser le décile supérieur, exprimé en rapport à la probabilité moyenne (33 %). Source : Extrait de la Figure 7.14 du Handbook, adaptée de Wheeler et al. (2009).

La figure ci-contre résume l’impact de la MJO sur l’Afrique et l’Atlantique tropical en utilisant le diagramme RMM (d’après Ventrice et al. 2011):

  • Accélération de l’AEJ pendant les phases 8, 1 et 2
  • Intensification de la convection sur l’Afrique tropicale pendant les phases 8, 1 et 2
  • Augmentation de l’activité des ondes d’est pendant les phases 1-3
  • Fréquence plus élevée des cyclogénèses pendant les phases 1-3
Diagramme de phase RMM schématique de la MJO représentant l’impact positif de la MJO sur l’Afrique pour l’JEA (orange), la convection (bleu), l’activité des AEW (rouge), et l’activité cyclonique sur l’Atlantique (vert). Source: Ventrice et al. (2011).

5. Le mode du dipôle zonal quasi hebdomadaire (QBZB)

Le dipôle zonal quasi bihebdomadaire (QBZD en anglais) est le mode de variabilité dominant sur l’Afrique de l’Ouest dans la gamme 10-25 jours. L’aspect de «dipôle» se réfère à une oscillation quasi stationnaire avec une opposition de phase entre les pluies africaines et les pluies sur l’Atlantique ouest et l’Amérique centrale. La figure ci-contre montre sa structure composite.

Quand la convection est minimale sur l’Afrique de l’Ouest et centrale, le rayonnement solaire atteignant la surface est fort, ce qui augmente les températures de surface et diminue les pressions de surface. Ceci crée un gradient de pression est-ouest aux latitudes de la ZCIT et de la dépression thermique saharienne, conduisant à une augmentation de l’advection d’humidité sur le continent.

Structure composite en termes de modulation d’OLR non filtrées (W m–2) du mode intra-saisonnier du dipôle zonal quasi hebdomadaire (QBZD). Source: extrait de la Figure 7.11 du Handbook.

L’arrivée de l’Atlantique d’un signal positif de pression, associé à la structure d’une onde de Kelvin, amplifie la composante zonale des vents de basses couches et l’advection d’humidité sur le continent conduisant à une augmentation de l’activité convective au-dessus de l’Afrique de l’Ouest et centrale. Puis la phase opposée du dipôle se développe (Mounier et al., 2008). Ce mode est aussi présent au printemps.

6. Le mode sahélien

Le « mode sahélien » est le second mode de variabilité 10-25 jours (Figure ci-contre) a été détecté par Sultan et al. (2003).

L’augmentation de la convection dans l’ITCZ africaine est associée à un mode propagatif apparaissant d’abord sur l’Afrique centrale, se déplaçant vers le nord vers les latitudes sahéliennes, puis se propageant vers l’ouest vers l’Atlantique tropical Est. Cette structure est associée à une circulation cyclonique positionnée au nord-ouest du pôle de renforcement convectif (la zone de renforcement convectif dans la structure de dipôle), augmentant l’advection d’humidité vers ce pôle.

Structure composite en termes de modulation d’OLR non filtrées (W m–2) du mode intra-saisonnier sahélien. Source: extrait de la Figure 7.11 du Handbook.

Le mode Sahélien peut être expliqué en partie par la variabilité intrasaisonnière des moyennes latitudes moyennes via la dépression thermique saharienne (cf. mode HL) pour environ 1/3 des cas et par la dynamique des ondes équatoriales de Rossby pour un autre 1/3 des cas.

Les produits adaptés

MISVA

Les ondes équatoriales couplées à la convection (CCEW) sont rarement visibles sur les champs bruts et même sur leurs anomalies. Des techniques de filtrage dans les fenêtres d’occurrences de ces modes sont nécessaires pour les extraire et les visualiser. C’est la stratégie adoptée par le site MISVA ainsi que d’autres sites, pour proposer aux prévisionnistes des analyses et prévisions des CCEW. Ce peut être des cartes, des diagrammes d’Hovmoller (longitude – temps) dans des bandes de latitude adéquates, ou des indices appropriés. Les variables utilisées sont multiples et dépendent du mode CCEW considéré, résumée dans le tableau ci-dessous.

Vent
zonal		Vent
méridien		Pot. vitesse
@200 hPa		Tourbillon
@850 hPa		Fonction
de courant		PW
MJOXX
KelvinXX
RossbyXXX
MRGXXX
AEWXXXX
OLR*<0
Convection renforcée		VP<0
Divergent		SF>0
Anticyclonique
Variable
MISVA		Couche
925-600 hPa		VP200SFPW
Variables propices pour détecter les différents modes CCEW.

Produits d’autres sites

Références

Handbook

Chapitre 7 Prévision à l’échelle intra-saisonnière

  • Section 7.1.3 Détection des modes principaux de variabilité sub-saisonnière de la convection pages 438-440
  • Section 7.1.4 Ondes équatoriales couplées à la convection pages 440-449
    • 7.1.4.1 Les ondes de Kelvin
    • 7.1.4.2 Les ondes de Rossby équatoriales (ER)
    • 7.1.4.3 Les ondes mixtes de Rossby-Gravité (MRG)
  • Section 7.1.5Autres signaux couplés à la convection et leurs liens avec les ondes équatoriales pages 450-459
    • 7.1.5.1 Les signaux entre 10 et 25 jours
    • 7.1.5.2 Les périodicités entre 25 et 90 jours et l’Oscillation Madden-Julian (MJO)

Articles

Lafore, J.-P., Beucher, F., Peyrillé, P., Diongue-Niang, A., Chapelon, N., Bouniol, D., Caniaux, G., Favot, F., Ferry, F., Guichard, F., Poan, E., Roehrig, R. and Vischel., T. (2017a) A multi-scale analysis of the extreme rain event of Ouagadougou in 2009. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 143(709), 3094–3109. https://doi.org/10.1002/qj.3165.

Mounier F, Janicot S, Kiladis GN. 2008. The West African Monsoon Dynamics. Part III: The Quasi-Biweekly Zonal Dipole. J. Climate. 21: 1911-1928.

Schlueter, A., A. H. Fink, and P. Knippertz, 2019a: A systematic comparison of tropical waves over northern Africa. Part II: Dynamics and thermodynamics. J. Climate, 32, 2605–2625, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0651.1.

Schlueter, A., A. H. Fink,Seloobse P. Knippertz, and P. Vogel, 2019b: A systematic comparison of tropical waves over northern Africa. Part I: Influence on rainfall. J. Climate, 32, 1501–1523, https://doi.org/10.1175/ JCLI-D-18-0173.1.

Skinner, C. B., and N. S. Diffenbaugh, 2013: The contribution of African easterly waves to monsoon precipitation in the CMIP3 ensemble. J. Geophys. Res. Atmos., 118, 3590–3609, https:// doi.org/10.1002/jgrd.50363.

Sultan B, Janicot S, Diedhiou A. 2003. The West African Monsoon Dynamics. Part I: Documentation of Intraseasonal Variability. J. Climate. 16: 3389-3406.

Ventrice, M. J., C. D. Thorncroft, and P. E. Roundy, 2011: The Madden–Julian oscillation’s influence on African easterly waves and downstream tropical cyclogenesis. Mon. Wea. Rev., 139, 2704–2722, https://doi.org/10.1175/MWR-D-10-05028.1.

Wheeler MC, Hendon HH. 2004. An all-season real-time multivariate MJO index: development of an index for monitoring and prediction. Mon. Weather Rev. 132: 1917-1932.

Wheeler MC, Hendon HH, Cleland S, et al. 2009. Impacts of the Madden–Julian oscillation on Australian rainfall and circulation. J. Climate 22: 1482–1498.

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