Understanding ENSO asymmetry with a reduced stochastic model: deterministic nonlinearity and multiplicative noise
Cette étude emploie un modèle stochastique réduit dérivé d'observations quotidiennes pour démontrer que la dérive déterministe non linéaire, plutôt que le bruit dépendant de l'état, est le mécanisme principal pilotant l'asymétrie de l'ENSO, une conclusion qui explique également les différences inter-modèles dans les simulations du CMIP6 à travers des variations de l'amortissement effectif de la SST.
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L'El Niño-Oscillation australe, ou ENSO, est un motif climatique naturel massif qui oscille d'avant en arrière à travers l'océan Pacifique tropical. C'est le moteur des variations météorologiques annuelles les plus significatives au monde, déplaçant les régimes de précipitations, les températures et les trajectoires de tempêtes de l'Amérique vers l'Asie. Au cœur de ce système se trouve une boucle de rétroaction simple mais puissante : lorsque l'eau de surface dans l'est du Pacifique se réchauffe, elle affaiblit les alizés constants qui soufflent habituellement de l'est vers l'ouest. Ces vents qui faiblissent permettent en retour à l'eau chaude de se propager encore plus loin vers l'est, créant un cycle auto-entretenu qui peut se transformer en un événement El Niño majeur. Inversement, lorsque l'eau se refroidit, les vents se renforcent, repoussant l'eau chaude et accentuant le froid. Bien que ce cycle soit bien compris, un mystère persistant plane depuis des décennies : les oscillations ne sont pas égales. Les événements El Niño chauds ont tendance à être beaucoup plus intenses et spectaculaires que les événements La Niña froids. La distribution de ces événements est disproportionnée, l'océan étant capable de chauffer à des degrés extrêmes mais rarement de se refroidir avec la même férocité. Les scientifiques débattent depuis longtemps de ce qui provoque cette asymétrie. Est-ce dû aux rafales de vent chaotiques et imprévisibles qui frappent l'océan, ou est-ce quelque chose d'inscrit dans la physique fondamentale de l'interaction entre l'océan et l'atmosphère ?
Une équipe de chercheurs a maintenant levé le voile sur ce mystère en observant le système avec une lentille beaucoup plus nette et rapide que jamais auparavant. Au lieu d'étudier l'océan et l'atmosphère par clichés mensuels, ce qui lisse les changements rapides et chaotiques, ils ont analysé des données quotidiennes de 1982 à 2019. Ils ont construit un modèle mathématique simplifié qui suit seulement deux variables clés : la température de la surface de la mer dans l'est du Pacifique et la force des vents dans le Pacifique central. En alimentant ce modèle avec des observations quotidiennes réelles, ils ont pu séparer les forces prévisibles et déterministes du système climatique des chocs aléatoires et bruyants de la météo atmosphérique. Leur objectif était de voir lequel de ces deux ingrédients — les règles constantes du système ou le bruit aléatoire — était responsable de la nature disproportionnée d'El Niño.
Les chercheurs ont découvert que la réponse réside principalement dans les règles constantes, et non dans le bruit aléatoire. Lorsqu'ils ont réduit le système à son essence, ils ont trouvé que la partie déterministe du modèle — la partie qui décrit comment l'océan et le vent s'influencent naturellement — contenait déjà les germes de l'asymétrie. Dans leur modèle à résolution quotidienne, la physique du système favorise naturellement la croissance des événements chauds par rapport aux événements froids. Plus précisément, la manière dont le vent réagit à l'eau chaude et la manière dont l'eau réagit au vent créent une situation où les conditions de vent d'ouest chaudes s'amplifient mutuellement plus efficacement que leurs homologues d'est froides. Ce biais intrinsèque signifie que même si les rafales de vent aléatoires frappant l'océan étaient parfaitement symétriques, le système produirait toujours des El Niño plus forts que des La Niña. Les chercheurs ont démontré que cette non-linéarité déterministe est le moteur dominant de l'asymétrie, générant à elle seule la distribution disproportionnée observée.
Cette découverte remet en question une théorie populaire qui avait gagné du terrain dans des études précédentes utilisant des données mensuelles. Dans ces modèles plus grossiers, les rafales de vent rapides et chaotiques étaient souvent considérées comme le principal coupable, les scientifiques suggérant que c'était l'aspect aléatoire de l'atmosphère elle-même qui rendait les El Niño si extrêmes. Cependant, en résolvant les données à une échelle quotidienne, cette nouvelle étude révèle que le « caractère aléatoire » masquait en réalité une vérité déterministe plus profonde. L'analyse quotidienne a montré que l'asymétrie est encodée dans la structure même du système couplé océan-atmosphère. Le bruit atmosphérique aléatoire joue un rôle, mais il est secondaire. Il agit plutôt comme un modificateur, augmentant légèrement les chances des événements chauds les plus extrêmes et records, mais il n'est pas la raison principale pour laquelle le système est disproportionné. Le déséquilibre central est une caractéristique du dérive déterministe, le courant sous-jacent du système qui pousse les événements chauds à croître plus vite et plus fort.
Pour confirmer que ce mécanisme tient la route au-delà de leur modèle spécifique, l'équipe a appliqué ses conclusions à une suite de vingt-trois modèles climatiques différents utilisés dans les dernières projections climatiques mondiales. Ils ont examiné comment ces simulations informatiques complexes gèrent les interactions quotidiennes entre la température de la mer et le vent. Ils ont constaté que les modèles qui produisaient une distribution disproportionnée plus réaliste des événements El Niño étaient ceux où l'amortissement effectif de la température de surface de la mer se comportait d'une manière non linéaire spécifique. En d'autres termes, les modèles qui réussissaient à reproduire l'asymétrie étaient ceux où les « freins » du système fonctionnaient différemment selon que l'océan se réchauffait ou se refroidissait. Cette connexion suggère que la capacité d'un modèle climatique à reproduire l'asymétrie du monde réel dépend fortement de la façon dont il capture ces interactions non linéaires subtiles dans l'interaction quotidienne entre l'océan et l'atmosphère.
L'étude ne prétend pas avoir résolu tous les aspects de l'ENSO, car le monde réel implique de nombreux autres facteurs comme les ondes océaniques et les interactions avec d'autres modèles climatiques qui n'étaient pas inclus dans ce modèle minimal. Cependant, elle fournit une explication mécaniste claire pour un puzzle de longue date. En passant d'une vue mensuelle à une vue quotidienne, les chercheurs ont été capables de voir que la tendance de l'océan à favoriser une chaleur extrême n'est pas un coup de chance de la météo aléatoire, mais une propriété fondamentale de la dynamique du système. L'asymétrie est intégrée dans le moteur lui-même. Cette perspective offre une nouvelle façon d'évaluer les modèles climatiques, suggérant que pour prédire les changements futurs de l'intensité d'El Niño, les scientifiques doivent se concentrer sur la façon dont leurs modèles représentent ces interactions quotidiennes non linéaires, plutôt que de simplement essayer de régler le bruit aléatoire. La nature disproportionnée d'El Niño n'est pas un mystère de chaos, mais une signature de la propre logique interne du système.
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