Les courants-jets de la Terre jouent un rôle fondamental dans la vitesse et la direction des systèmes météorologiques à travers le monde.
Ils sont donc essentiels pour comprendre les phénomènes météorologiques extrêmes et leur évolution à mesure que la planète se réchauffe.
Les recherches indiquent que les vents du courant-jet de haute altitude s'accéléreront en moyenne avec l'augmentation des températures mondiales, mais on sait peu de choses sur l'évolution des vents les plus rapides, connus sous le nom de "jet streaks".
Dans une étude inédite, publiée dans Nature Climate Change, mon coauteur et moi-même montrons que les vents rapides du courant-jet deviendront de plus en plus rapides - d'environ 2 % pour chaque degré Celsius de réchauffement de la planète. Cela signifie que les vents rapides vont s'accélérer environ 2,5 fois plus que les vents moyens du courant-jet.
En outre, cela signifie que nous devrions nous attendre à observer des records pour les courant-jets à mesure que le réchauffement se poursuit.
Nos recherches révèlent également que cette accélération est due à l'augmentation de la différence de densité entre l'air des tropiques et l'air des pôles.
Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour comprendre l'impact complet de nos résultats, nous nous attendons à ce qu'ils incluent des tempêtes plus violentes et une augmentation des turbulences dans l'air libre pour les passagers des avions.
Un écoulement rapide
Les courants-jets de la Terre sont d'étroites bandes de vent qui circulent rapidement dans l'atmosphère. Les vents les plus rapides soufflent d'ouest en est et se produisent dans la haute troposphère, à environ 10-12 km au-dessus de la surface.
Les courants-jets sont importants parce qu'ils façonnent le climat de la surface de la Terre en orientant les systèmes météorologiques, et ils peuvent donc influer sur l'endroit où se produisent les phénomènes météorologiques violents. Par exemple, les régions entourant les vents rapides du courant-jet de haute altitude - appelées "jet streaks" - ont été associées à l'apparition de tempêtes, de tornades, de grêle et de vents violents.
Les courants-jets sont également essentiels pour les voyages aériens, car ils fournissent un vent arrière idéal pour les avions. Des recherches antérieures ont établi que la vitesse moyenne du vent du courant-jet de niveau supérieur augmente sous l'effet du changement climatique. Ce phénomène pourrait avoir pour effet de provoquer davantage de turbulences dans l'air libre pour les passagers des avions.
Notre recherche a été inspirée par les rapports de 2019 sur les vols transatlantiques battant des records de vitesse. Nous avons donc cherché à savoir comment le changement climatique affectera les vents rapides du courant-jet.
On sait peu de choses sur la façon dont les vents rapides du courant-jet de niveau supérieur - classés comme ceux au-dessus du 99e percentile - pourraient changer avec le réchauffement de la planète. En outre, aucun mécanisme n'a été proposé pour expliquer pourquoi les vents rapides du courant-jet changeraient.
Une réponse de plus en plus rapide
Nous avons commencé par examiner comment les modèles climatiques basés sur la physique prévoient l'évolution des vents rapides du courant-jet. Nous avons utilisé les modèles du sixième projet de comparaison de modèles couplés (CMIP6), qui ont été développés pour la dernière évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).
Dans ces projections de modèles, nous comparons les vents quotidiens du courant-jet qui dépassent le 99e percentile à la fin du 20e (1980-2000) et du 21e (2080-2100) siècle dans le cadre d'un scénario d'émissions très élevées (SSP5-8.5). Nous comparons également les vitesses du vent à court terme dans un scénario intermédiaire (SSP2-4.5), qui correspond globalement à la trajectoire des émissions mondiales actuelles.
Notre analyse montre que le changement climatique accélère les vents les plus rapides du courant-jet de haute altitude, d'environ 2 % pour chaque degré Celsius de réchauffement de la planète. Cela signifie que les vents rapides s'accéléreront environ 2,5 fois plus que les vents moyens du courant-jet.
C'est ce que nous appelons la réponse "de plus en plus rapide" et nous constatons cet effet à toutes les saisons de l'année.
Le graphique ci-dessous illustre la variation en pourcentage des vents les plus rapides à environ 12 km d'altitude par degré de réchauffement à différentes latitudes (de 80 degrés sud sur la gauche à 80 degrés nord sur la droite).
Si les vents rapides augmentent à toutes les latitudes, ceux des "extratropiques" - c'est-à-dire entre 20 et 60 degrés environ, où se trouvent les courants-jets - sont les plus rapides au départ et bénéficient donc de la plus forte augmentation dans le cadre du changement climatique.
Changements en pourcentage des vents rapides (>99e percentile) à 200 hectopascal (hPa), normalisés par le changement moyen mondial de la température de l'air en surface pour chaque modèle climatique entre 80 degrés de latitude sud et 80 degrés de latitude nord. Les simulations utilisent SSP5-8.5. La ligne noire indique la moyenne multi-modèle et l'ombrage indique un écart-type de la réponse pour tous les modèles. Source : Shaw & Miyawaki (2023)
Air humide
En plus de quantifier le "signal" du changement à long terme, nous fournissons également une explication physique de son origine.
Combler le fossé entre la simulation de la réponse au changement climatique à l'aide de modèles et la compréhension des causes nous aide à justifier le fait qu'il s'agit d'un signal à prendre au sérieux.
La première étape consiste à simplifier le modèle afin d'isoler la physique qui sous-tend le signal. Lorsque le modèle est exécuté sans les courants océaniques et sans les terres, le signal est toujours présent.
Cela suggère que le signal d'accélération émerge dans un monde entièrement constitué d'eau. Ce résultat implique que la physique d'une atmosphère humide est essentielle pour expliquer la réponse rapide.
La deuxième étape consiste à utiliser notre compréhension physique du courant-jet pour quantifier le lien entre l'humidité et le signal.
Le courant-jet existe en raison du contraste de densité entre l'air à l'équateur, qui est chaud et léger, et l'air au pôle, qui est froid et dense. Nous établissons un lien entre ce contraste et la réaction de l'humidité au changement climatique.
En particulier, dans le climat actuel, l'air tropical contient plus d'humidité que l'air des pôles parce qu'il est plus chaud. Le changement climatique exacerbe ce contraste car l'air chaud peut contenir beaucoup plus d'humidité que l'air froid.
Alors que l'air des pôles se réchauffe plus rapidement que l'air des tropiques, l'air chaud peut contenir tellement plus d'humidité que l'air froid que la différence de densité globale continue d'augmenter.
Cet effet augmente le contraste de densité dans le cadre du changement climatique, ce qui accélère les vents du courant-jet. Il est important de noter que l'effet est multiplicatif, c'est-à-dire que les vents rapides du courant-jet d'aujourd'hui qui impliquent un fort contraste de densité seront beaucoup plus stimulés à l'avenir que les vents lents du courant-jet qui impliquent un contraste de densité moins important.
Ainsi, nos résultats prévoient des vents de jet record.
Signal émergent
Lorsque nous examinons le passé récent (1980-2022) à l'aide des données de réanalyse - qui combinent des observations physiques et des simulations de modèles - nous ne constatons pas que le signal de l'accélération de la vitesse ait encore émergé du bruit de la variabilité naturelle.
Cependant, tous les modèles climatiques de notre étude suggèrent qu'un signal d'accélération statistiquement significatif émergera pour les régions extratropicales des hémisphères sud et nord d'ici le milieu de ce siècle.
Plus précisément, dans le cadre du SSP2-4,5, tous les modèles climatiques prévoient l'apparition du signal dans les zones extratropicales de l'hémisphère sud et de l'hémisphère nord d'ici 2038 et 2048, respectivement. Dans le cadre du SSP5-8.5, ce signal est légèrement plus précoce - en 2035 et 2045, respectivement.
C'est ce qu'illustrent les figures ci-dessous, qui montrent l'évolution en pourcentage des vents rapides du courant-jet, par rapport à 1980-2000, de 1980 à 2050 dans les hémisphères sud (en haut) et nord (en bas), à l'exclusion des tropiques. Les lignes indiquent les données de la réanalyse (en noir) et les projections des modèles climatiques selon les scénarios SSP2-4.5 (en vert) et SSP5-8.5 (en orange).
Les graphiques de droite montrent la tendance, par degré de réchauffement, pour chaque modèle (vert et orange) et pour les données de la réanalyse (noir). Les cercles fermés et ouverts indiquent respectivement les résultats statistiquement significatifs et non significatifs.
Série chronologique des changements en pourcentage (par rapport à 1980-2000) des vents rapides du courant-jet à 200 hPa dans les modèles de réanalyse et de climat pour différents scénarios d'émissions pour les extratropiques de l'hémisphère sud (en haut) et de l'hémisphère nord (en bas) de 1980 à 2050. Les données sont présentées sous forme de moyenne multi-modèle (ligne épaisse) avec un écart-type de la réponse entre les modèles (ombrage). Les graphiques de droite montrent les tendances linéaires de ces changements par degré de réchauffement global, les tendances statistiquement significatives étant indiquées par des cercles fermés. Source : Shaw & Miyawaki (2023)
Nous nous efforçons à présent de mieux comprendre les répercussions de ces changements du courant-jet sur les phénomènes météorologiques violents.
De nouveaux modèles climatiques permettent aux scientifiques d'étudier plus en détail la manière dont les phénomènes météorologiques extrêmes évoluent et évolueront. En fin de compte, l'élucidation des effets du changement climatique sur les vents à l'échelle régionale aidera la société à mieux se préparer aux conséquences d'un monde qui se réchauffe.