Caractérisation géographique des transferts d’eau liquide à l’aide du champ de gravité

Vendredi, 13 septembre 2013

Plusieurs études récentes suggérant qu’aux échelles interannuelles, les composantes du système climatique (atmosphère, océan, cryosphère et continents) échangent d’importantes quantités d’eau, en particulier durant les évènements El Niño et La Niña, des chercheurs du Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS/OMP ,CNES / CNRS / IRD / UPS), du laboratoire Géosciences environnement Toulouse (GET/OMP, CNES / CNRS / IRD / UPS) et du Center for space research (CSR, Université du Texas) ont analysé la signature de ces transferts d’eau à grande échelle sur le champ de gravité de la Terre. Ils montrent qu’aux échelles interannuelles, les variations du niveau de la mer sont dues essentiellement à des échanges d’eau liquide avec les continents, ces échanges se traduisant durant El Niño 1997/1998 par une augmentation de la masse océanique dans le Pacifique tropical et du stock d’eau dans le bassin du Congo et par une diminution du stock d’eau dans le bassin Amazonien.

Plusieurs études récentes(1) ont montré que les variations interannuelles du niveau global de la mer étaient anti-corrélées aux variations du stock continental d’eau, en particulier durant les évènements El Niño et La Niña : durant les évènements El Niño, le stock d’eau liquide sur les continents diminue en moyenne globale tandis que le niveau de la mer augmente et vice versa durant les événements La Niña. Ceci est en accord avec les observations de précipitations qui montrent que les précipitations diminuent sur les continents et augmentent sur les océans durant El Niño et inversement durant La Niña. Ces résultats suggèrent que les principaux modes de variabilité climatique interannuelle (en particulier El Niño et La Niña) génèrent des redistributions importantes de masses d’eau à la surface de la Terre.

Des chercheurs du LEGOS, du GET et du CSR ont analysé la signature de ces redistributions grande échelle sur le champ de gravité de la Terre.
Pour cela, ils ont analysé les coefficients en harmonique sphérique de degré 2 et d’ordre 0 (C2,0) et de degré 2 et d’ordre 2 (C2,2 et S2,2) du champ de gravité terrestre. Le coefficient C2,0 représente l’aplatissement de la Terre aux pôles et révèle de ce fait d’éventuels transferts de masse entre hautes (> 35.3°) et basses latitudes (< 35.3°), tandis que les coefficients C2,2 et S2,2 représentent l’ellipticité de la Terre à l’équateur et révèlent des transferts de masse longitudinaux. Les chercheurs ont estimé les variations interannuelles(2) de ces coefficients entre 1993 et 2012 en utilisant les mesures de télémétrie laser réalisées depuis plusieurs décennies à l’aide des satellites géodésiques LAGEOS1-2, Starlette, Stella et Etalon1-2. Or, ces variations sont fortes, ce qui confirme l’existence de redistributions de masses importantes en latitude et longitude dans le système Terre à l’échelle interannuelle.
Les chercheurs ont ensuite calculé de manière indépendante la contribution, aux variations de ces coefficients, de la variation de masse de l’océan(3) et de la variation de masse d’eau liquide des continents(4) et montré que ces redistributions de masse s’expliquent essentiellement par des transferts de masse d’eau liquide.

Variations interannuelles de C2,0 (courbe rouge) et contributions à ces variations des variations de masse d’eau liquide des continents (courbes vertes), de l’océan (courbes bleues) et de leur somme (courbe noire). Ces résultats montrent que si, aux longues échelles de temps (décennal à séculaire), la hausse du niveau de la mer s’explique par le réchauffement de l’océan et les échanges avec la cryosphère (perte de masse des glaces continentales), aux échelles interannuelles et au niveau global, les variations du niveau de la mer sont essentiellement dues aux échanges d’eau avec le réservoir continental d’eau liquide.

Les chercheurs se sont ensuite intéressés au cas de l’événement El Niño 1997/1998, lequel est particulièrement intéressant. Entre janvier 1997 et décembre 1998, le C2,0 présente en effet une forte diminution qui s’interprète par un important transfert de masse d’eau liquide des hautes latitudes vers les tropiques. L’analyse des contributions de l’océan et des continents aux variations de C2,0 leur a permis de montrer que cette redistribution de la masse d’eau liquide s’était plutôt produite dans l’océan en 1997, mais sur les continents en 1998. À cela s’ajoute une anti-corrélation entre ces deux contributions sur toute la période 1997-1998 : en 1997, quand la contribution de l’océan diminue, celle des continents augmente légèrement et vice versa en 1998. Cette anti-corrélation suggère des transferts de masse d’eau liquide entre océan et continents à même latitude durant El Niño 1997/1998.

Les variations interannuelles de C2,2 et S2,2 confirment cette hypothèse, à savoir que d’importants transferts longitudinaux de masses d’eau liquide ont eu lieu durant El Niño 1997/1998. L’analyse des contributions de l’océan et des continents aux variations de ces coefficients a permis aux chercheurs de montrer que ces échanges de masse longitudinaux se produisent essentiellement dans les tropiques et sont dus à une augmentation de la masse du Pacifique tropical et du stock d’eau dans le bassin du Congo et à une diminution du stock d’eau dans le bassin Amazonien.

(a et b) Variations interannuelles de l’amplitude √(C2,22+S2,22) de l’harmonique sphérique de degrés 2 et d’ordre 2 (courbe noire), contributions de la masse océanique tropicale (courbe bleue) et de la masse d’eau liquide continentale tropicale (courbe verte) à ces variations et (c) projection de cette harmonique en janvier 1998 sur le plan équatorial (la phase de l’harmonique sphérique est respectée mais l’amplitude a été multipliée par 109 pour faciliter la visualisation).

Ces résultats montrent que les variations du champ de gravité permettent de caractériser géographiquement les transferts d’eau liquide à la surface de la Terre qui expliquent les variations interannuelles du niveau du niveau de la mer.

Note(s): 
  1. Ces études étaient basées sur des observations du niveau de la mer et de la masse de l'océan (par combinaison de l'altimétrie spatiale et des données de température) et sur le calcul de la masse des eaux liquides continentales à l’aide des mesures de gravimétrie spatiale et de modèles hydrologiques.
  2. La tendance multidécennale a été retirée.
  3. Cette contribution a été calculée à l’aide de mesures d’altimétrie satellitaire (AVISO) corrigées de l’expansion thermique de l’océan à l’aide de 2 sources de données hydrographiques in situ différentes (de Levitus et al. 2012 et Ishii et Kimoto 2009).
  4. Cette contribution a été calculée à l’aide de 2 modèles hydrologiques globaux (WGHM et LaD).
Source(s): 

Meyssignac, B., J.M. Lemoine, M. Cheng, A. Cazenave, P. Gégout and P. Maisongrande, Interannual variations in degree-two Earth’s gravity coefficients C2,0, C2,2 and S2,2 reveal large-scale mass transfers of climatic origin, Geophysical Research Letters, Volume 40, Issue 15, DOI: 10.1002/grl.50772.

Contact(s):
  • Benoit Meyssignac, LEGOS/OMP
    benoit [dot] meyssignac [at] legos [dot] obs-mip [dot] fr, 05 61 33 29 90

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