Climatologie des rivières atmosphériques en Antarctique – ARCA

ARCA utilise des méthodologies numériques récentes pour identifier les RA appliquées aux modèles de circulation mondiaux et régionaux (respectivement GCM et RCM). L'algorithme de détection que nous avons développé est basé sur le calcul de la climatologie de variables décrivant l’intensité du contenu en humidité des masses d’air. Pour un pas de temps donné, la détection d’un événement est obtenue lorsque le contenu en humidité dépasse un valeur extrême de façon continue sur au moins 20° de latitude. Ces critères simples permettent de décrire la cohérence spatiale et le caractère extrême de l’événement. L’algorithme développé présente deux schémas de détection ; l'un basé sur la vapeur d'eau intégrée (IWV) et l'autre sur le transport de vapeur d’eau méridional intégré verticalement (vIVT)

En dehors des aspects liés à la détection des RA dans les simulations climatiques, un des défis du projet ARCA est de reconstituer l’intensité et la fréquence des rivières atmosphériques dans le passé en utilisant les archives que constituent les carottes de glace (analyses chimiques et des isotopes de l’eau). L’objectif est ambitieux car cela exige de s’assurer que 1) les masses d'air associées aux rivières atmosphériques présentent une signature isotopique et/ou chimique spécifique et 2) cette signature reste identifiable dans les carottes de glace malgré tous les processus affectant l’archivage d’événements de quelques jours seulement.
Pour ce faire, ARCA fournit des mesures originales sur le terrain des isotopes stables de l'eau et de la composition chimique des précipitations neigeuses et des masses d'air des terres d'Adélie et de Wilkes (Antarctique de l'Est). Pour comprendre les variations des signaux dans l'atmosphère et dans la neige déposée, ARCA développe et applique un modèle de circulation régionale comportant une représentation du cycle des isotopes stables de l'eau. Cela permet de décrire l'impact des RA sur le contenu isotopique et aérosol des masses d'air transportées à travers l'Antarctique oriental, puis d'analyser comment le signal peut être transmis dans les enregistrements des carottes de glace.

Enfin, ARCA vise à quantifier si les anomalies des signaux isotopiques et chimiques associés aux RA peuvent être retrouvés dans les enregistrements des carottes de névé et de glace de l’Antarctique. Ce point constitue un challenge dont la faisabilité reste à démontrer. Pour ce faire, ARCA revisitera les données des carottes de glace existantes (contenu en aérosols, en isotopes de l'eau) pour évaluer (qualitativement) la variabilité AR passée et le biais qui en résulte dans les estimations actuelles du climat du dernier millénaire en Antarctique.

L'analyse des impacts des rivières atmosphériques en Antarctique est récente et s'est appuyée sur le développement d'algorithmes de détection systématique des rivières atmosphériques adaptés aux régions polaires. Ces outils ont été développés lors de la rédaction du projet ARCA (Wille et al., 2019) et ont été utilisés ici pour analyser la contribution des rivières atmosphériques au bilan de masse de surface de l'Antarctique. Les RA contribuent positivement et négativement au bilan de masse de l'Antarctique en provoquant à la fois de fortes chutes de neige (Wille et al., 2021 ; Maclennan et al., 2022) et la fonte dans les différentes régions affectées (Wille et al., 2022 ; Turner et al., 2022). Les RA sont responsables d'une part importante de l'accumulation annuelle de neige sur le continent (jusqu'à 25 % du total dans certaines régions). Les événements de précipitations quotidiennes les plus intenses sont associés à l'arrivée des rivières atmosphériques (Wille et al., 2021). En effet, 70 % des événements de précipitations dépassant le 99e percentile de l'intensité des précipitations quotidiennes étaient associés à des RA. Les variations interannuelles et décennales de l'accumulation en Antarctique depuis 1980 étaient également largement contrôlées par l'activité des rivières atmosphériques (Wille et al., 2021). Wille et al. (2021) ont démontré que l'activité des RA est significativement corrélée aux variations du mode annulaire austral (SAM). Les effets du SAM sur la température de l'océan de subsurface et la fonte des glaces sous les plate-formes de glace ont également été analysés par Verfaillie et al. (2022).
Wille et al. (2022) ont également démontré que les rivières atmosphériques causent la majorité des extrêmes de température le long de la péninsule Antarctique. C'était le cas pour le record de température à l'échelle du continent Antarctique (18,3°C établi à la station Esperanza le 6 février 2020). C'était également le cas pour la vague de chaleur de l'Antarctique de l'Est qui s'est produite le 18 mars 2022 (anomalie allant jusqu'à 35°C). Wille et al. (2022) ont décrit que ces extrêmes de température conduisaient à la génération d'une fonte extrême et d'autres conditions propices à la déstabilisation des plateformes de la péninsule Antarctique. En effet, après avoir saturé la neige de surface des plateformes de glace, l'eau de fonte peut s'accumuler dans des lacs et finir par remplir des crevasses, contribuant à l'instabilité des plateformes de glace par des processus de fracturation hydraulique. Les rivières atmosphériques provoquent également la dispersion de la glace de mer autour des plateformes de glace de la péninsule Antarctique. Les houles océaniques peuvent alors frapper la plateforme de glace et générer une flexion, ce qui l'affaiblit. Ces effets de rivières atmosphériques ont été observés lors de l'effondrement des plateformes de glace Larsen A et B, et dans 60 % des événements de vêlage de grands icebergs après 2000.

Personne ne sait aujourd’hui si les rivières atmosphériques seront plus fréquentes ou non à l'avenir en Antarctique. Cela dépendra des variations futures de la variabilité climatique contrôlant l'activité finale des rivières atmosphériques. L'Antarctique est connu pour présenter une variabilité climatique naturelle particulièrement forte à différentes échelles de temps (interannuelle à multi-décennale). Le signal du changement climatique anthropique ne devrait émerger de la variabilité naturelle qu'aux alentours de 2020-50 en Antarctique. Dès lors, des variations du mode annulaire austral, qui contrôle l'emplacement et la force des dépressions semi permanentes (par exemple, en mer d’Amundsen, ou ASL en anglais) sont à prévoir. Cela produira vraisemblablement des changements dans la fréquence des rivières atmosphériques touchant le continent. D’autres configurations de large échelle peuvent aussi jouer sur ces événements (par exemple la variabilité associée à l’ENSO (El Niño Southern Oscillation)). Sans compréhension précise des processus contrôlant les conditions de blocage au large du continent, les tendances d’évolution de fréquence et d’intensité des rivières atmosphériques resteront de pures spéculations.
ARCA s'attachera donc maintenant à mieux définir les facteurs à grande échelle contrôlant l'évolution et la variabilité des AR, pour le passé, le présent et le futur. L’analyse des processus atmosphériques mis en jeu lors des événements de rivières atmosphériques est déjà effectuée à partir d’un large ensemble de simulations des climats préindustriels, actuels et futurs. La fréquence et l’intensité des rivières atmosphériques sont analysées sous différentes conditions climatiques, incluant ou non les forçages anthropiques et internes du climat. Nous nous concentrons sur la variabilité associée au SAM mais aussi sur les impacts potentiels de l’ENSO.
Pour savoir dans quelle mesure la variabilité future proposée par les modèles est réaliste, nous travaillons à établir l'activité des RA sur le dernier millénaire, afin d'évaluer la variabilité naturelle des rivières atmosphériques en Antarctique. Aussi, un défi supplémentaire du projet ARCA sera de reconstituer l’intensité et la fréquence des rivières atmosphériques dans le passé en utilisant les archives que constituent les carottes de glace (analyses chimiques et des isotopes de l’eau). L’objectif est ambitieux car cela exige de s’assurer que 1) les masses d'air associées aux rivières atmosphériques présentent une signature isotopique et/ou chimique spécifique et 2) cette signature reste identifiable dans les carottes de glace malgré tous les processus affectant l’archivage et malgré le besoin de mesures très précises et à haute résolution permettant de retrouver des événements qui ne durent que quelques jours.

1. Collow, A.B.M., Shields, C.A., Guan, B., Kim, S., Lora, J.M., McClenny, E.E., Nardi, K., Payne, A., Reid, K., Shearer, E.J., Tomé, R., Wille, J.D., Ramos, A.M., Gorodetskaya, I.V., Leung, L.R., O’Brien, T.A., Ralph, F.M., Rutz, J., Ullrich, P.A., Wehner, M. (2022). An Overview of ARTMIP’s Tier 2 Reanalysis Intercomparison : Uncertainty in the Detection of Atmospheric Rivers and Their Associated Precipitation. Journal of Geophysical Research : Atmospheres 127, e2021JD036155. doi.org/10.1029/2021JD036155
2. Pohl, B., V. Favier, J. Wille, D.G. Udy, T. R. Vance ; J. Pergaud ; N. Dutrievoz, J. Blanchet, C. Kittel ; C. Amory, G. Krinner, F. Codron (2021). Relationship between weather regimes and atmospheric rivers in East Antarctica, Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 126, e2021JD035294. doi.org/10.1029/2021JD035294
3. Verfaillie, D., C. Pelletier, H. Goosse, N. C. Jourdain, C. Y. S. Bull, Q. Dalaiden, V. Favier, T. Fichefet, and J. Wille, How does the Southern Annular Mode impactice-shelf basal melt in Antarctica ? Communications Earth & Environment, 3, 139 (2022). doi.org/10.1038/s43247-022-00458-x
4. Wille, J.D., V. Favier, N.C Jourdain, C. Kittel, J. V Turton, C. Agosta, I. V Gorodetskaya, G. Picard, F. Codron, C. Leroy-Dos Santos, C. Amory, X. Fettweis, J. Blanchet, V. Jomelli, A. Berchet, Intense atmospheric rivers can weaken ice shelf stability at the Antarctic Peninsula. Commun Earth Environ 3, 90 (2022). doi.org/10.1038/s43247-022-00422-9
5. Wille, J.D., Favier, V., Gorodetskaya, I. V., Agosta, C., Kittel, C., Chowdhry Beeman, J., Jourdain, N., Lenaerts, J.T.M., Codron, F. (2021) Antarctic atmospheric river climatology and precipitation impacts, Journal geophysical Research-Atmosphere, 126 (8), e2020JD033788
6. Shields, C. A., Wille, J. D., Marquardt Collow, A. B., Maclennan, M., & Gorodetskaya, I. V. (2022). Evaluating uncertainty and modes of variability for Antarctic atmospheric rivers. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099577. doi.org/10.1029/2022GL099577
7. Turner, J., Lu, H., King, J. C., Carpentier, S., Lazzara, M., Phillips, T., & Wille, J. (2022). An extreme high temperature event in coastal East Antarctica associated with an atmospheric river and record summer downslope winds. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL097108. doi.org/10.1029/2021GL097108
8. Maclennan, M. L., Lenaerts, J. T. M., Shields, C. A., Hoffman, A. O., Wever, N., Thompson-Munson, M., Winters, A. C., Pettit, E. C., Scambos, T. A., and Wille, J. D. (2022). Climatology and Surface Impacts of Atmospheric Rivers on West Antarctica, The Cryosphere Discuss. [preprint], doi.org/10.5194/tc-2022-101, in review.

Vulgarisation:
1. Favier, V., J. Wille, C. Agosta, C. Amory, L. Barthélémy, F. Codron, E. Fourré, I. Gorodetskaya, C. Kittel, G. Krinner, B. Pohl (2022) Des rivières dans le ciel de l’Antarctique. La Météorologie, Météo et Climat, 2022, 117, pp.19-23. ?10.37053/lameteorologie-2022-0032?.

Le bilan de masse de surface (BMS) d'une grande partie de l'Antarctique est contrôlé par quelques événements extrêmes, ce qui entraîne une forte variabilité naturelle de ce paramètre. Les intrusions d'humidité extrêmes liées aux rivières atmosphériques arrivant de l'océan Austral conduisent à la fois à des accumulations de neige intenses, et à la fonte en surface sous l’effet du fort réchauffement et de l'augmentation du rayonnement infra-rouge. Pourtant, ces rivières atmosphériques sont actuellement négligées dans les études des changements climatique passés et futurs en Antarctique et de leurs impacts sur le BMS.
Le projet ARCA vise à décrire les rivières atmosphériques dans les régions polaires et leurs impacts en appliquant des algorithmes récents de détection des rivières atmosphériques à des sorties de simulations des climats passés, présents et futurs. ARCA évaluera l'impact des rivières atmosphériques sur le bilan de masse de surface de l'Antarctique et explorera dans quelle mesure l'activité passée des rivières atmosphériques peut être reconstituée grâce aux enregistrements des carottes de glace.

Pour atteindre cet objectif, ARCA est organisé en 4 Axes. 1) ARCA utilisera des méthodes récentes d’identification des rivières atmosphériques, que nous appliquerons aux modèles de circulation globale et régionale. 2) ARCA collectera des données météorologiques, d’isotopes de l’eau et d'aérosols dans l’atmosphère et la neige de surface en Terre Adélie et de Wilkes (Antarctique de l’Est) pour définir la signature isotopique et en aérosols des rivières atmosphériques, puis 3) appliquera une modélisation des isotopes stables dans l'eau à l'échelle régionale pour mieux interpréter ces données. Enfin, 4) ARCA examinera les données des carottes de glace existantes. Ces axes permettront :
1) d'évaluer la variabilité naturelle des rivières atmosphériques et leur réponse aux forçages externes,
2) de quantifier les transports d'humidité et de chaleur vers l'Antarctique et les impacts sur les BMS,
3) de décrire l'impact des rivières atmosphériques sur le contenu isotopique et en aérosols des masses d'air transportées vers ces régions,
4) d'analyser les processus particuliers (ex. : origine de l’humidité, sublimation des hydrométéores) produisant la particularité des signaux observés dans les masses d'air lors de ces événements,
5) d'estimer le biais induit dans les enregistrements des carottes de glace, et l'impact sur les reconstructions des températures passées,
6) de reconstituer la variabilité passée des rivières atmosphériques et le biais qui en résulte dans les estimations du climat du dernier millénaire en Antarctique.

ARCA fournira des produits qui décrivent la climatologie et la variabilité actuelle et future des rivières atmosphériques (cartes d'occurrence, statistiques), et des séries chronologiques sur le terrain. ARCA définira une approche multi-traceurs pour estimer l’activité passée des rivières atmosphériques à partir des enregistrements des carottes de glace. Cette métrique basée sur la composition isotopique de l'eau et la charge en aérosols dans les carottes de glace permettra de définir qualitativement les périodes d'activité plus ou moins élevée des rivières atmosphériques au cours du dernier millénaire. Enfin, ARCA définira les zones de Terre Adélie et de Wilkes les plus impactées par les RA, et donc les régions à privilégier pour la collecte de carottes de glace en vue de l'amélioration de notre connaissance des événements extrêmes en Antarctique.

Le consortium ARCA est composé de membres de l'IGE, du LSCE et du LOCEAN ayant des compétences reconnues en matière de modélisation atmosphérique (globale et régionale) et du BMS en région polaire, de développement d'algorithmes de détection des rivières atmosphériques, et d'interprétation des isotopes de l'eau et du contenu en aérosols dans l'atmosphère dans les échantillons de neige et de glace.