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Les champs de pluie de TOPEX apportent de nouvelles informations sur l'épisode El Niño 1997-98

G. D. Quartly, M. A. Srokosz, T. H. Guymer (Southampton Oceanography Centre, UK)

Le développement du phénomène El Niño de 1997-98 a été suivi au travers de ses répercussions tant sur la température de surface des océans (données du radiomètre ATSR) que sur la hauteur de mer (données ERS-2 et TOPEX/POSEIDON). Par ailleurs, l'altimètre bifréquence de TOPEX permet de suivre l'évolution des précipitations, qui reflète la réponse de l'atmosphère dans l'ensemble de ce système complexe. Les analyses indiquent non seulement un déplacement vers le sud de la Zone de convergence intertropicale (ITCZ), mais aussi une augmentation de la pluviosité associée.

Quartly et al. ont récemment mis au point une technique qui permet de détecter les précipitations dans une empreinte altimétrique en utilisant l'atténuation des valeurs σ0 en bande Ku. Cette technique tire parti de la corrélation, généralement bonne, observée entre les valeurs σ0 de TOPEX dans les bandes Ku et C (Figure 1). Même si la rétrodiffusion de la surface varie pour chaque fréquence d'un ordre de grandeur en réaction aux changements de vent, il y a une forte corrélation entre la rugosité de la surface de la mer aux différentes échelles et les valeurs σ0 correspondantes. Farrow [1975] a montré qu'une colonne verticale de gouttes de pluie pouvait atténuer le signal de la bande Ku de plusieurs dB, mais que l'effet sur la bande C était nettement moins important. On remarque que de nombreux points qui se situent bien au-dessous de la ligne moyenne de la Figure 1 correspondent à des signaux de pluie détectés par le radiomètre micro-ondes embarqué sur TOPEX (TMR). Toutefois, comme l'empreinte de l'altimètre (environ 8 km de large) est plus petite que celle du TMR (environ 40 km), on peut détecter des zones de pluie plus petites. Nous conformant à l'approche de Quartly et al. [1996], nous retenons toutes les observations altimétriques bifréquence se situant à plus de 0.05 dB sous la courbe moyenne et calculons le taux précipitant correspondant, au moyen d'un algorithme simple basé sur un modèle physique [Quartly et al., 1999]. Les données sont ensuite regroupées par intervalles de 2 mois dans des mailles de 5° de longitude et 2.5° de latitude, ce qui permet d'effectuer des analyses géographiques.

 

 

Figure 1 : Nuage de points correspondant aux valeurs σ0 des bandes C et Ku. Les lignes noires représentent la moyenne et ± 1 écart-type dans des intervalles de 0.05 dB, pour 4 cycles TOPEX complets. Un petit sous-ensemble de points est restitué pour illustration, les cercles bleus indiquant les moments où le radiomètre TMR fonctionne.

Profil saisonnier

À partir de la période 1993-96 (sans épisode El Niño), nous avons calculé les champs moyens de précipitations par intervalle de 2 mois de l'année. Le CHAMP moyen pour mars-avril est représenté à la Figure 2. Il apparaît nettement un signal pour la Zone de Convergence Intertropicale (ITCZ) située juste au nord de l'équateur, et pour la Zone de Convergence du Sud Pacifique (SPCZ) qui s'étend de l'Indonésie jusqu'au détroit de Drake. Entre ces deux zones, dans le sud-est du Pacifique, se trouve un "désert marin" qui ne connaît qu'un centième des précipitations des régions de l'ITCZ voisines. L'ITCZ remonte vers le nord au cours de l'année, atteignant sa latitude la plus haute en septembre-octobre. Le niveau moyen des précipitations dans le Pacifique tropical oriental se situe en juillet-août, en partie à cause de la mousson américaine ; cette observation concorde avec l'analyse de Chen et al. [1997] sur une seule période de 12 mois. La division de l'ITCZ, donnant une bande plus faible juste au sud de l'équateur, ne se produit qu'en mars-avril.

Figure 2 : Champs moyens des précipitations de la période mars-avril 1993-96 (en mm/mois).
Figure 3 : Anomalies des précipitations (en mm/mois) par rapport aux moyennes saisonnières pour les années sans phénomène El Niño

Les changements en 1997-98

En utilisant les données de la période 1993-96 comme base, nous avons calculé les anomalies de précipitations par rapport aux valeurs types pour chaque "saison" de 2 mois. Les résultats pour le Pacifique tropical sont représentés à la Figure 3, où les importantes anomalies positives et négatives situées parallèlement à l'équateur indiquent un déplacement de l'ITCZ vers le sud de plus de 5° par rapport à un profil saisonnier normal. Le déplacement de l'ITCZ vers le sud débute en mai-juin 97 et se retrouve encore un an plus tard, mais de façon plus prononcée entre novembre 97 et avril 98. Au cours de cette période, la jonction entre la SPCZ et l'ITCZ se déplace de plus de 30° vers l'est pour se situer plus près du milieu du bassin océanique. Le calcul des moyennes pour tout le bassin [Quartly et al., 1999] fait apparaître une pluviosité dans la zone du Pacifique tropical nettement plus élevée entre juillet 97 et avril 98. Or, dans l'Océan Indien tropical, elle a également été plus importante au début de 1998. La diminution nette des anomalies de précipitations entre mars-avril 1998 et mai-juin 1998 coïncide avec le changement soudain des vents zonaux et des anomalies de la température de surface des océans observés par McPhaden [1999].

Étendue géographique

La petite taille de l'empreinte de l'altimètre TOPEX lui permet non seulement de détecter des zones de pluie plus petites que celles détectées par des instruments passifs à micro-ondes comme le TMR, mais elle lui permet aussi d'analyser l'extension géographique du phénomène. Nous notons combien de valeurs successives sont supérieures au seuil de 0.05 dB, et nous les interprétons comme l'étendue géographique de la zone de pluie en multiples de 5.8 km (soit l'espacement des données 1 Hz). Considérant l'ensemble des données de la période de mai 1997 à avril 1998, nous construisons des histogrammes pour chaque maille de 10°×10° dans le Pacifique tropical (Figure 4) et nous calculons la longueur moyenne des zones de pluie dans chaque maille (le signal est un peu flou, car les bandes de pluie se déplacent durant cette période, mais ces valeurs sont plus stables si les statistiques sont calculées sur une période plus longue.) Les régions à forte pluviosité ont tendance à présenter des corrélations sur de plus grandes distances (environ 15 km), alors que les régions à pluviosité faible se situent manifestement en fin de parcours d'orages et sont faiblement arrosées dans les petites zones pluvieuses. Les échelles spatiales dans la SPCZ et l'ITCZ du Pacifique semblent un peu plus grandes que les années précédentes, mais le changement reste infime.

Figure 4 : Distribution relative de la durée des évènements pluvieux dans des mailles de 10°×10° de mai 97 à avril 98. Chaque unité de l'abscisse représente 5.8 km (1 s le long de la trace), et la hauteur totale de chaque carré correspond à l'unité. Les couleurs indiquent les échelles de longueur moyenne (en km).

Conclusions

L'altimètre TOPEX est un outil très utile pour surveiller les variations saisonnières et interannuelles des précipitations océaniques. L'épisode 1997-98 de El Niño est caractérisé par un déplacement et un renforcement de l'ITCZ Pacifique par rapport au comportement moyen observé lors de la période 1993-96. L'augmentation des précipitations est seulement indiquée par une légère augmentation des échelles spatiales par rapport aux années précédentes. Le passage réussi à l'altimètre TOPEX-B et les prochains lancements d'EnviSat et de Jason-1, nous permettront de réaliser des mesures de précipitations par altimétrie bifréquence au moins pendant les dix prochaines années.

Bibliographie :

  • Cazenave A., P. Bonnefond, K. Dominh, P. Schaeffer, 1997: Caspian sea level from TOPEX/POSEIDON altimetry : level now falling, Geophys. Res. Lett., 24, 881-884.
  • Chambers, D.P., B.D. Tapley, R.H. Stewart, 1997: Long-period heat storage rates and basin scale heat fluxes from TOPEX, J. Geophys. Res., 102, 10525-10533.
  • Chen, G., B. Chapron, J. Tournadre, K. Katsaros, D. Vandemark, 1997: Global oceanic precipitation : A joint view by TOPEX and the TOPEX microwave radiometer, J. Geophys. Res., 102, 10457-10471.
  • Farrow, J.B., 1975: The influence of the atmosphere on remote sensing. Vol. 3 : Microwave and radio wavelengths, Hawker Siddeley Dynamics Ltd, Hatfield, UK, Rept no. HSDP-TP-7400-VOL-3, 132pp.
  • McPhaden, M.J., 1999: Genesis and evolution of the 1997-98 El Niño, Science, 298, 950-954.
  • Quartly, G.D., T.H. Guymer, M.A. Srokosz, 1996: The effects of rain on TOPEX radar altimeter data, J. Atmos. Oceanic Technol., 13, 1209-1229.
  • Quartly, G.D., M.A. Srokosz, T.H. Guymer, 1999 : Global precipitation statistics from dual-frequency TOPEX altimeter, J. Geophys. Res, 104 (D24), 31489-31516.
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