Une nouvelle étude, basée sur 33 événements historiques El Niño de 1901 à 2017, montre que les effets du changement climatique ont déplacé l’emplacement de l’apparition d’El Niño du Pacifique Est vers le Pacifique Ouest et ont provoqué des événements extrêmes El Niño plus fréquents depuis les années 1970. Le réchauffement continu du Pacifique Ouest, entraîné par le changement climatique anthropogénique, laisse présager des conditions qui déclencheront davantage d’événements majeurs à l’avenir.

El Niño est une modification spatio-temporelle des interrelations entre océan et atmosphère, avec des modifications de température de surface de la mer, provoquant un déplacement de la convection atmosphérique vers l’est du Pacifique équatorial. Les événements forts provoquent de graves sécheresses dans les îles du Pacifique occidental et en Australie, tandis que des inondations dues à des pluies excessives sévissent sur les côtes nord de l’Amérique du Sud. Les températures océaniques chaudes associées aux événements ont également de graves effets négatifs sur les pêcheries et les récifs coralliens. El Niño conduit en outre à un mini-réchauffement climatique global, dont l’effet est temporaire.

Anomalies de température lors d’un épisode El Niño. Source : NOAA

Comment le changement climatique affectera-t-il la génération d’événements El Niño forts ? C’est la question à laquelle tente de répondre une nouvelle étude, publiée dans la revue PNAS par une équipe de chercheurs internationaux sous la direction Bin Wang, du Centre de recherche internationale sur le Pacifique de l’Université d’Hawaii. Les résultats montrent que depuis la fin des années 1970, les effets du changement climatique ont déplacé l’emplacement d’apparition d’El Niño du Pacifique Est vers le Pacifique Ouest et ont provoqué des événements extrêmes El Niño plus fréquents.

Ce n’est pas la première étude qui alerte sur un risque de renforcement des gros épisodes El Niño. On peut citer notamment un article de Wenju Cai (également co-auteur de l’étude de PNAS sous la direction de Bin Wang) publié en 2017 prévenant que le risque d’événements El Niño extrêmes pourrait passer de cinq à dix par siècle d’ici 2050 avec un réchauffement climatique global de seulement 1,5°C. Les modèles peinent cependant à représenter la variabilité d’El Niño.

La nouvelle étude de Bin Wang prétend avoir détecté dans les observations passés le signal d’une possible intensification du phénomène. Si les changements de fond déjà observés se poursuivent sous l’effet d’un forçage anthropique, à savoir un réchauffement continu du bassin chaud du Pacifique Ouest, on peut s’attendre à des conditions qui déclencheront des événements extrêmes dans le futur.

L’équipe a examiné les détails de 33 événements El Niño de 1901 à 2017, en évaluant pour chaque événement le lieu du début du réchauffement, son évolution et sa force ultime. En regroupant les caractéristiques de développement communes aux événements, l’équipe a pu identifier quatre types d’El Niño, chacun présentant des caractéristiques distinctes d’apparition et de renforcement. Au fil du temps, ils ont constaté un changement radical de comportement depuis la fin des années 1970 : tous les événements commençant dans le Pacifique Est se sont déroulés avant cette date, tandis que tous les événements ayant pour origine le Pacifique centre-ouest se sont produits depuis. Ils ont également constaté que quatre des cinq événements extrêmes El Niño identifiés se sont formés après 1970.

Wang et ses co-auteurs se sont concentrés sur les facteurs qui semblaient contrôler ces changements, notamment l’augmentation de la température de la surface de la mer dans la « piscine d’eau chaude » du Pacifique occidental et les vents d’est dans le Pacifique central. Ils ont constaté qu’avec le réchauffement planétaire, ces facteurs pouvaient augmenter la fréquence des événements El Niño extrêmes.

Ce changement de régime est donc supposé provenir d’un réchauffement de fond dans le Pacifique occidental et des gradients de température de surface de la mer (SST) zonaux et verticaux associés dans le Pacifique central équatorial. Les projections des modèles CMIP5 montrent que la fréquence et l’intensité des événements forts d’El Niño augmenteront de manière significative si les gradients projetés de SST dans la zone centrale du Pacifique sont renforcés. Si les changements de fond actuellement observés se poursuivent sous l’effet d’un forçage anthropique futur, les événements El Niño seront plus forts et plus fréquents. L’incertitude des modèles concernant les gradients de SST zonaux équatoriaux projetés reste toutefois un obstacle majeur à la prédiction fidèle des futurs changements d’El Niño.

Quatre grands types de configuration El Niño ont été identifiés par les auteurs de l’étude. La figure ci-dessous montre les structures composites spatio-temporelles de leurs SST. Les lignes vertes décrivent les trajectoire de propagation du maximum des anomalies de SST.

Evolution composite des anomalies SST du Pacifique équatorial dans 4 types d’El Niño: (A) fort à l’échelle du bassin (SBW), (B) Modéré Est-Pacifique (MEP), (C) CP modéré Centre-Pacfique (MCP) et (D) El Evénements Niño successifs . Les diagrammes composites longitude-temps de la SSTA équatoriale (en unités de ° C) sont en moyenne compris entre 5 ° S et 5 ° N. Les lignes vertes décrivent les pistes de propagation du maximum des anomalies de SST. L’ordonnée des temps va d’octobre de l’année précédant l’année El Niño (-1) à février après l’année El Niño (1). Les données fusionnées de Hadley Centre (HadISST) et des données de température de surface de la mer reconstituée étendue (ERSST5) de 1901 à 2017 ont été utilisées après avoir éliminé les tendances linéaires non significatives. Source : Bin Wang et al (PNAS, 2019).

Les cinq forts El Niños recensés, appelés Strong bassin-wide (SBW), se distinguent par leur intensité extraordinaire (maximum SST> 2,5 ° C). Le réchauffement commence dans le Pacifique ouest et se propage initialement vers l’est, suivi d’un développement distinctif à l’échelle du bassin au printemps de l’hémisphère nord, atteignant une amplitude maximale à l’est en décembre. Ces SBW se caractérisent par de forts coups de vent d’ouest, associés à des anomalies SST convectives et chaudes qui initient un déplacement vers l’est par des processus advectifs dans le Pacifique central. Ces coups de vent précèdent les anomalies positives de la thermocline et de SST dans l’extrême nord-ouest d’environ 2 à 3 mois, ce qui suggère que les vents d’ouest anormaux excitent des vagues de Kelvin se propageant vers l’est. Les événements marquants se caractérisent par un réchauffement omniprésent à l’échelle du bassin. En gros, STT, vent et thermocline agissent de concert pour faire des El Niños majeurs.

Les El Niños modérés du Pacifique Est (MEP, 12 événements recensés) sont précédés par des événements La Niña. Le réchauffement provient de l’extrême Pacifique oriental, puis se propage vers l’ouest et atteint une intensité maximale autour de 130 ° W en décembre. L’apparition survient vers juillet dans la région NINO 3, associée à des anomalies convectives dans le Pacifique central et des coups de vent d’ouest dans le Pacifique occidental. Le MEP a pour caractéristique notable la rétroaction de la thermocline.

En revanche, les El Niños modérés du Pacifique central (MCP, 8 événements recensés) commencent par un léger réchauffement prolongé dans le Pacifique occidental, se déplacent et s’étendent vers l’est, atteignant un maximum dans le Pacifique central. L’apparition se produit vers juillet avec un rôle accru de l’advection zonale liée aux gradients de pression et un moindre rôle de la thermocline que dans les MEP.

Le quatrième mode est celui des El Niños successifs, c’est à dire deux événements se produisant coup sur coup.

L’étude montre que les événements de Strong bassin-wide et modérés du Pacifique central partagent une origine commune dans le Pacifique Ouest et que 3 événements SBW se sont produits pendant la période au cours de laquelle les événements MCP ont prévalu.

Il est clair, d’après la répartition recensée ci-dessous que les El Niños modérés du Pacifique Est (MEP) sont la norme jusqu’aux années 70, puis qu’une transition se produit avec la récurrence d’El Niños modérés du Pacifique central (MCP) et Strong bassin-wide (SBW). Si les MEP et MCP affichent des SST similaires, les derniers événements majeurs (SBW) ont gagné en intensité, les trois derniers se distinguant du reste de l’archive :

Changement de types d’El Niño de 1901 à 2017. Les barres ONI représentent l’anomalie de SST moyenne dans la région NINO3.4 (5 ° S – 5 ° N, 120 ° W – 170 ° W) et pendant la saison d’hiver d’octobre àf évrier. Un événement El Niño est défini par ONI égal ou supérieur à 0,6 ° C (ligne pointillée). Les 33 événements El Niño sont représentés dans différentes barres de couleur: SWB (noir), MEP (bleu), MCP (rouge) et successifs (jaune). Les barres grises indiquent les dernières années neutres et chaudes. Source : Bin Wang et al (PNAS, 2019).

Tous les événements El Niños modérés du Pacifique Est sont survenus avant les années 80, sans exception, tandis que tous les événements modérés du Pacifique central se sont produits depuis. Trois événements Strong bassin-wide sur cinq, à savoir les trois événements extrêmes d’El Niño (1982-1983, 199-1998 et 2015- 2016) sont postérieurs aux années 1980. Les trois événements extrêmes se sont produits dans les années adjacentes aux MCP El Niños. Ainsi, depuis la fin des années 1970, l’apparition d’El Niño est passée d’une origine Pacifique Est à une origine Pacifique Ouest. C’est probablement une conséquence du partage de leur origine commune dans le Pacifique occidental, suggèrent Wang et ses collègues.

Le Pacifique occidental équatorial a connu une tendance significative au réchauffement qui coïncide avec le réchauffement climatique, mais pas le centre-est du Pacifique. En tant que tel, le gradient de SST zonal équatorial a été renforcé depuis 1980. Parallèlement à l’augmentation du gradient de température, les alizés d’est se sont également renforcés et la thermocline s’est effondrée au cours des quatre dernières décennies dans la région NINO 3.4.

Ces changements dans les conditions de base au cours des quatre dernières décennies sont sans doute favorables à la survenue d’événements MCP et SBW.

Pour le futur, Wang et ses collègues ont étudié les projections du modèle CMIP5. Les huit modèles CMIP5 retenus projettent différents changements dans les gradients de SST zonaux équatoriaux. Sous réchauffement anthropique, lorsque le gradient de température augmente, la fréquence d’occurrence et l’intensité des événements El Niño SBW augmente de manière significative. Cela implique que si le forçage anthropique accentue les gradients de SST dans le Pacifique, comme nous l’avons observé au cours du siècle dernier, les événements extrêmes El Niño se produiront plus fréquemment. Cette configuration n’est cependant pas certaine.

Les auteurs de l’étude suggèrent également que la variabilité naturelle peut avoir contribué de manière significative au réchauffement récent dans le Pacifique ouest. Ils n’étudient pas d’ailleurs les cycles naturels comme l’oscillation interdécennale du Pacifique (IPO). C’est un mode majeur de variabilité naturelle dans le Pacifique avec une phase positive qui favorise des températures élevées à la surface du Pacifique, et une phase négative, qui promeut des périodes de refroidissement. L’IPO présente des caractéristiques similaires à celles d’El Niño ou de l’Oscillation décennale du Pacifique (PDO), à ceci près qu’elle s’exerce sur une échelle d’une quinzaine d’années contre quelques mois pour El Niño, et qu’elle concerne une zone plus grande que la PDO. Un point faible de l’étude pourrait être qu’elle n’examine pas vraiment les implications de ce type de variation naturelle, qui a été maintes fois évoqué pour expliquer la « pause » des années 2000 dans l’augmentation de la température globale.

Le débat est donc loin d’être clos. L’impact du changement climatique sur le gradient est-ouest de SST reste incertain. L’une des sources d’incertitude concerne la circulation de Walker, un sujet actif de recherche.

Circulation de Walker en configuration neutre. Source : NOAA.

La théorie de la «circulation de Walker faible» suggère un ralentissement de la circulation de Walker avec le réchauffement induit par les gaz à effet de serre. En théorie, l’amplification de effet de serre devrait affaiblir la circulation de Walker. Lorsque la température augmente et que l’eau s’évapore de l’océan, la quantité de vapeur d’eau dans la basse atmosphère augmente rapidement. Mais les processus physiques empêchent les précipitations d’augmenter aussi rapidement que la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère tropicale. Puisque, avec le temps, la quantité de vapeur d’eau transportée vers la haute atmosphère doit rester en équilibre avec les précipitations, la vitesse à laquelle l’air humide augmente ralentit pour compenser. Cela entraîne un ralentissement de la circulation générale de Walker. La circulation de Walker affaiblie, à son tour, réduit le gradient de température est-ouest par un mécanisme connu sous le nom de «rétroaction de Bjerknes».

Des analyses des changements de pression au niveau de la mer indiquent que la circulation de Walker a ralenti de 3,5% depuis le milieu 19ème siècle (Vecchi, et al. 2006). Les modélisations climatiques menées par la NOAA annoncent un ralentissement similaire à celui observé et suggèrent que la circulation de Walker pourrait encore ralentir de 10 à 15% au cours du 21e siècle.

La circulation de Walker s’est cependant intensifiée depuis les années 1990. Le réchauffement de l’Océan Atlantique pourrait expliquer cette tendance récente. Certains scientifiques jugent possible que le réchauffement dans l’ouest soit compensé par une remontée d’eau froide à l’est. L’augmentation du gradient de SST induirait ainsi un gradient de pression accru et donc une circulation de Walker plus forte, ce qui augmenterait d’autant plus le gradient de SST.

Ces incertitudes entourant les gradients SST zonaux équatoriaux empêchent actuellement de prédire avec confiance le changement futur du phénomène El Niño. L’étude montre cependant que si la configuration est-ouest observée depuis les années  70 se maintient, les chances de voir des El Niño intenses plus fréquents sont plus importantes.