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OpenEdition Books

Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Quatrième partie. Données, traitement et réanalyses

2. L’analyse des données climatiques

Pascal Yiou

Texte intégral

1Les séries de données du quaternaire ont permis de faire des avancées importantes dans la compréhension des paléoclimats, et en particulier sur les interactions entre les forçages et la dynamique interne du climat. Cette compréhension passe par l’analyse spectrale* des séries temporelles et la mise en relation de ses caractéristiques avec celles des forçages climatiques.

2L’analyse des séries temporelles a demandé le développement de méthodologies ad hoc afin d’estimer les caractéristiques périodiques et continues des spectres climatiques, en particulier à cause de la difficulté liée à la faible taille des enregistrements. Ces travaux ont conduit à la diffusion de logiciels libres pour l’analyse de séries temporelles.

Paléoclimats et derniers siècles

3L’exemple pionnier et emblématique est celui de la signature du forçage orbital* (dit de « Milanković »), déduit d’une analyse de Fourier* de séries isotopiques longues. Dans cette étude, le spectre de Fourier d’une série temporelle est mis en relation avec celui de l’insolation d’été à 65°N, qui répond au forçage orbital aux fréquences de 19, 23 et 41 kg-années. De ces caractéristiques spectrales, semblables par l’emplacement des maxima mais pas par celui des pentes ni des amplitudes relatives, est né un des grands mystères de la paléoclimatologie : qu’est-ce qui contrôle l’espacement d’une centaine de milliers d’années entre deux âges glaciaires ? La plupart des théories pour modéliser la relation entre forçage orbital et réponse climatique font appel à la théorie des systèmes dynamiques* et les accrochages de fréquences et/ou de phases et les possibilités de résonances. L’analyse spectrale de séries temporelles a permis de construire le lien statistique entre observations et modèles conceptuels.

Quatre régimes de temps d’été autour de l’Atlantique Nord (a-d). Panneau (e) : fréquence de ces régimes de temps pendant des étés chauds en France (HW rouge), froids (CW bleu) ou humides (WW vert). Le régime de blocage (4) est plus probable pendant un été chaud. Le régime de dorsale (1) est plus probable pendant un été froid en France. Yiou et al., 2008

4Les variations climatiques au cours du dernier âge glaciaire ont aussi connu des variations quasipériodiques, caractérisées par des débâcles d’icebergs ou des fluctuations de la circulation thermohaline*. Les analyses spectrales de séries temporelles issues d’enregistrements marins et glaciologiques ont permis de quantifier les rythmes de ces oscillations et de proposer des mécanismes physiques (impliquant des spectres comparables) pour les expliquer.

5Récemment, le spectre d’un collage de séries paléoclimatiques de longueurs et résolutions variables couvrant le quaternaire à une échelle globale a mis en évidence des ruptures de pentes caractérisant des dynamiques climatiques très différentes selon la gamme d’échelles de temps considérées.

6Les séries instrumentales ou expérimentales couvrant les derniers siècles sont relativement rares et ne couvrent pas tout le globe. La plupart de ces données sont donc représentatives de régions, comme le Pacifique ou l’Atlantique Nord, qui disposent d’un plus grand nombre de séries continues. Les séries coralliennes du Pacifique peuvent remonter à quelques siècles avant le présent et sont principalement sensibles à l’ENSO* (El Niño*/Oscillation Australe) (cf. III-17). Les analyses spectrales de ces données révèlent des comportements quasi-périodiques avec des groupes de maxima entre 2 et 7 ans, et permettent de proposer des scénarios de dynamique idéalisée, pour la période contemporaine.

7Les fluctuations au cours du temps des séries du Pacifique du dernier millénaire ont été mises en relation avec des forçages solaires et volcaniques grâce à l’analyse spectrale croisée des séries climatiques et des forçages, et à l’évolution au cours du temps de cette analyse.

Régimes et extrêmes

8La description de la variabilité climatique* des dernières décennies a vu naître le paradigme des « régimes de temps » de l’atmosphère. Au lieu de représenter les fluctuations climatiques par des oscillations (quasipériodiques ou non), on modélise des sauts entre des états quasi-stationnaires* de l’atmosphère. Cette description a plusieurs justifications théoriques dans les extra-tropiques* de l’hémisphère Nord. Plusieurs approches statistiques ont été proposées pour décomposer des champs atmosphériques en régimes, à partir de techniques de classification. On calcule généralement quatre régimes de temps dont les fréquences sont assez comparables : les deux phases de l’oscillation nord Atlantique (NAO*), un blocage scandinave, avec un anticyclone stationné au nord de l’Europe et une dorsale nord Atlantique, avec un anticyclone au sud du Groenland. Ces régimes de temps ont des signatures très contrastées sur la température de surface et les précipitations (figure).

9Il y a eu un débat sur la contribution des fluctuations de la circulation atmosphérique des moyennes latitudes dans la tendance des températures : un changement de fréquence des régimes de temps peut-il expliquer l’augmentation des températures ? Par des techniques statistiques reliant circulation à grande échelle et variables locales, il a été prouvé que des réorganisations de la circulation ne peuvent pas expliquer les tendances de température en Europe.

10En plus d’un intérêt scientifique fondamental, l’étude des événements extrêmes climatiques a un écho dans la société en raison de leurs impacts sur l’économie, la santé et les écosystèmes. Née de la modélisation en hydrologie, puis reprise par les statistiques financières, la théorie des valeurs extrêmes* (cf. IV-3) fournit un cadre pratique pour décrire les extrêmes de séries temporelles climatiques. Alors que la plupart des techniques d’analyses de données climatiques sont basées sur une modélisation de la variance*, l’idée est de modéliser la queue des distributions* des données. Cette méthode est appliquée de manière routinière sur des séries (ou des ensembles de séries) climatiques pour déterminer des niveaux de retour associés à de grandes périodes de retour.

11Un des problèmes scientifiques, qui intéresse une partie de la communauté en statistiques climatiques, est de relier les extrêmes climatiques régionaux (à des échelles de quelques kilomètres) à des variables de grande échelle (quelques centaines ou milliers de kilomètres) que l’on peut calculer à partir de modèles climatiques globaux. Plusieurs méthodes permettant de spatialiser les extrêmes donnent des outils performants de représentation des extrêmes locaux en fonction de variables à grande échelle.

Bibliographie

Références bibliographiques

• S. CORTI, F. MOLTENI and T. N. PALMER - « Signature of recent climate change in frequencies of natural atmospheric circulation regimes », Nature, 1999.

• P. HUYBERS and W. CURRY - « Links between annual, Milanković and continuum temperature variability », Nature, 2006.

Table des illustrations

Légende Quatre régimes de temps d’été autour de l’Atlantique Nord (a-d). Panneau (e) : fréquence de ces régimes de temps pendant des étés chauds en France (HW rouge), froids (CW bleu) ou humides (WW vert). Le régime de blocage (4) est plus probable pendant un été chaud. Le régime de dorsale (1) est plus probable pendant un été froid en France. Yiou et al., 2008
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