Les pièces du ciel hivernal : comment l'atmosphère choisit son temps ✛
En hiver, au-dessus de l'hémisphère Nord, l'air ne circule pas au hasard : il passe plusieurs jours dans le même schéma avant de se réorganiser. Ces schémas ressemblent aux pièces d'un labyrinthe : le système entre, s'attarde, puis trouve une porte vers une autre pièce. Chaque pièce a son propre temps : quelque part au-dessus de l'Europe, il fait doux et humide ; quelque part au-dessus de la Sibérie, il fait glacial et clair.
Pour trouver ces pièces, les scientifiques ont utilisé des données sur l'altitude où la pression de l'air est environ la moitié de celle au sol, sur plus de 70 hivers. Ils ont appliqué une méthode mathématique qui comprime d'abord l'énorme volume de données en trois axes principaux, puis recherche les états récurrents en tenant compte de leur séquence temporelle. C'est important : si l'on regroupe simplement des images similaires, on peut prendre une coïncidence pour un régime, alors que la connexion temporelle aide à éliminer le bruit.
Les transitions entre les pièces ne sont pas aléatoires. Le système préfère circuler en boucle : de la première à la deuxième, de la deuxième à la première, puis à la quatrième et à la troisième, et de nouveau à la première. La durée moyenne de séjour dans une pièce est d'environ une semaine, mais la troisième pièce retient parfois l'atmosphère pendant un mois, comme lors de l'hiver anormalement froid de 2009-2010 en Europe.
La découverte la plus surprenante concerne l'océan Pacifique. La fréquence d'apparition de la deuxième pièce s'est avérée liée aux lentes oscillations de la température de surface de l'océan, qui durent des décennies. Le coefficient de corrélation atteint 0,8 avec un an d'avance. Cela signifie que l'état du Pacifique permet de prédire à quelle fréquence l'atmosphère entrera dans telle ou telle pièce l'hiver suivant.
Auparavant, on ne savait pas comment distinguer strictement les vrais régimes des amas aléatoires d'images similaires. Désormais, il est démontré que les régimes ne sont pas de simples grappes statistiques, mais des structures dynamiques avec des transitions prévisibles. Cette approche peut être appliquée aux modèles climatiques pour vérifier s'ils savent reproduire les pièces de l'atmosphère réelle, ainsi qu'aux prévisions sur plusieurs semaines, où règnent encore de nombreuses incertitudes. Le labyrinthe du ciel hivernal est devenu un peu plus compréhensible, et l'on peut maintenant apprendre à prédire dans quelle pièce il entrera demain.
Le régime 3, correspondant à la phase négative de l'oscillation nord-atlantique, dure parfois jusqu'à un mois, provoquant des hivers anormalement froids en Europe, comme en 2009-2010.