L’oscillation nord-atlantique (ONA, plus connue sous le sigle anglais NAO) désigne un phénomène touchant le système climatique du nord de l'Océan Atlantique. L'ONA décrit les variations du régime océan-atmosphère sur la région et se mesure généralement comme la différence de pression atmosphérique entre l'Anticyclone des Açores et la dépression d'Islande. Elle est notamment corrélée à l’Oscillation arctique.

L’ONA a été découverte durant les années 1920 par Sir Gilbert Walker, qui avait découvert précédemment l’oscillation australe dans l'océan Pacifique et à laquelle est reliée le phénomène El Niño. Comme l’oscillation australe, l'ONA est un facteur climatique déterminant à l'échelle régionale car elle est reliée à la position et la trajectoire des perturbations météorologiques qui touchent l'Europe de l'Ouest ainsi qu'aux températures océaniques du bassin de l'Atlantique Nord.

La circulation atmosphérique au-dessus de l'Atlantique Nord montre une alternance rapide de dépressions et d'anticyclones, conformément aux instabilités de la zone barocline des latitudes moyennes. Cependant, on remarque qu'en moyenne on retrouve des dépressions dans la région islandaise et un anticyclone autour des Açores. Ces systèmes atmosphériques semi-permanents sont causés par l'équilibre général de la circulation atmosphérique à ces latitudes (courant-jet moyen d'ouest) et sont en équilibre avec la circulation assez stable des courants marins dans cet océan (Dérive Nord Atlantique, Courant du Labrador et Gulf Stream).

L'indice de l'oscillation nord-atlantique est donc calculé chaque année à partir de la différence de pression entre Lisbonne (Portugal) et Reykjavik (Islande), en prenant la variation de l'écart de pression entre ces deux points par rapport à la moyenne. Ce calcul s'effectue sur les données de janvier à mars dont on fait la moyenne et qu'on normalise, c'est-à-dire qu'on divise par l'écart-type de la pression calculé sur une longue période.

 

On parle d'oscillation parce que la position et l'intensité des systèmes météorologiques évolue constamment autour d'une valeur de référence, notamment suivant la direction nord-sud, en fonction du régime des courants-jets d'altitude. Cette oscillation a pour conséquences :

La variation de l'indice ONA est particulièrement importante de novembre à avril alors que la circulation atmosphérique est très variable aux latitudes moyennes, c'est pourquoi on calcule l'indice en hiver. L'oscillation peut être hebdomadaire ou mensuelle, indicatrice d'une variation dans la trajectoire des systèmes, de la force et de la direction des vents, ainsi que de la zone affectée par des précipitations.

Voici les indices hivernaux (Décembre / Janvier / Février) depuis l'année 1500 :

NOA 1500-1599NOA 1600-1699
NOA 1700-1799NOA 1800-1899
NOA 1900-1999NOA 2000-2017

Les variations de l'indice peuvent être grandes d'une année à l'autre mais on observe clairement sur le graphique des périodes de plusieurs années où l'indice moyen est plutôt positif (1980-1998), et d'autres où il est plutôt négatif (1955-1974). Ce cycle long de 20 à 25 ans donne un effet plus systématique sur le climat. En 2008, le cycle semble avoir montré une transition vers une nouvelle phase négative. Mais depuis 2012, l'indice est redevenu fortement positif.

NOA

Un indice ONA très positif est relié à une circulation zonale (d'ouest en est) plus prononcée, entre les deux entités car la différence de pression causant les vents est plus grande. De plus, l'anticyclone plus important sur les Açores fait remonter la circulation vers le nord. Les hivers sont alors doux mais pluvieux sur l'Europe du Nord mais plus secs autour de la Méditerranée.

Par contre, quand l'indice est négatif, la circulation d'ouest est plus faible ou plus au sud donnant des hivers froids et les dépressions se dirigent alors vers le bassin méditerranéen. Si l'indice est très négatif, les hivers sont particulièrement froids sur l'Europe du Nord et les précipitations sont déplacées vers la Mer Méditerranée et l'Afrique du Nord.

Voici une analyse entre l'indice NOA et les anomalies de température sur le Nord-Est de la France entre l'hiver 1951-1952 et l'hiver 2016-2017 :

NOA - hiver

Source : Christophe Cassou, Du changement climatique aux régimes de temps : l’oscillation nord-atlantique, La Météorologie - n° 45 - mai 2004

Les régimes NAO

L’oscillation nord-atlantique, par ses deux phases, représente typiquement deux régimes pour l’Atlantique nord (fig. a et b ). Sur la zone Atlantique nord - Europe, les régimes NAO sont dominants et représentent environ la moitié des situations d’hiver. Deux autres régimes existent dans cette zone : le régime de dorsale atlantique, caractérisé par un gonflement de l’anticyclone des Açores recouvrant tout le bassin atlantique (fig. c), et le régime de blocage, caractérisé par un anticyclone persistant sur le nord de l’Europe et la Scandinavie (fig. d). Le blocage est souvent responsable de vagues de froid en canalisant des coulées d’air sibérien sec et glacial vers l’Europe du centre et de l’Ouest (Walsh et al., 2001).

Régime NAO

Les régimes climatiques et l’océan

Les quatre régimes sont liés à des anomalies de température de surface de la mer (ou SST pour Sea Surface Temperature) en hiver :

• Des SST froides au large de Terre-Neuve et chaudes en mer de Norvège sont présentes lorsque le régime de blocage est préférentiellement excité (Namias, 1964).
• Le régime de dorsale est plutôt lié à des événements La Niña dans le Pacifique
(Cassou et Terray, 2001). Ceux-ci se réfèrent à la phase froide de l’oscillation australe – ou Enso pour El Niño Southern Oscillation – (Neelin et al., 1998) et se caractérisent par un renforcement de la langue d’eau froide équatoriale sur le bassin pacifique. L’Enso est connu pour être le phénomène climatique ayant le plus d’influence à l’échelle planétaire. Il est intéressant de souligner ici que l’approche en régimes extrait une connexion vers l’Atlantique nord pour la phase froide de l’Enso, mais pas pour la phase chaude (ou El Niño) qui est pourtant bien plus populaire et médiatisée…
• Les régimes NAO, quant à eux, sont liés à des anomalies de SST dans l’Atlantique nord (Deser et Blackmon, 1993). En première approximation, les anomalies océaniques sont opposées entre les deux phases. Si l’on corrèle ou régresse l’indice NAO avec les SST de l’Atlantique nord, on obtient une structure zonale à trois étages des subtropiques au bassin arctique.

Régime d'hiver Régime d'été
Régime hiver Régime été

Perspective de prévision saisonnière de la NAO d’hiver

L’essentiel de cet article est consacré aux relations « simultanées » entre l’oscillation nord-atlantique d’hiver et les températures de surface de l’Atlantique en hiver. Il existe aussi des relations « déphasées » entre les anomalies de SST de la fin de l’été sur l’Atlantique et les phases de la NAO de l’hiver suivant. Ces anomalies océaniques peuvent donc être considérées comme des précurseurs pour l’apparition des régimes NAO. On présente ici un exercice de prévision simple construit dans ce cadre.

Une structure océanique de fin d’été est extraite pour le régime NAO- en sélectionnant dans l’historique observé les hivers dominés par le régime NAO- (le critère de sélection est d’avoir au minimum deux mois sur les trois mois d’hiver occupés par le régime NAO-) et en moyennant les anomalies océaniques des fins d’été précédentes correspondantes (mois de juillet, août et septembre). On répète l’exercice pour le régime NAO+.

• La structure océanique associée au régime NAO- est dite « en fer à cheval » et se caractérise par un noyau froid au sud-est de Terre-Neuve ceinturé par des SST plus chaudes dans les subtropiques et l’est du bassin atlantique (fig. a) [Czaja et Frankignoul, 1999].


• La structure océanique associée au régime NAO+ se caractérise par une sorte de « tripôle » en latitude, avec des anomalies froides au sud du Groenland et dans le bassin subtropical ouest et des anomalies chaudes le long du Gulf Stream.
http://la.climatologie.free.fr/nao/NAO%2B.gif
Les mécanismes physiques qui expliquent cette relation déphasée sont complexes et sont détaillés dans Cassou et al. (2004). L’exercice de prévision saisonnière repose sur l’hypothèse que, plus les anomalies de SST de la fin de l’été sont proches de la structure en fer à cheval (resp. en tripôle), plus les chances sont grandes que l’hiver suivant soit dominé par les régimes NAO- (resp. NAO+). La ressemblance des anomalies de la fin de l’été est déterminée par leurs projections spatiales sur les deux structures des figures a et b, projections que l’on reporte dans l’espace réduit représenté par la figure suivante.


Prenons la prévision de l’hiver 1989 comme exemple. Les anomalies de SST observées pour la fin de l’été 1988 sont projetées sur la structure en fer à cheval (resp. en tripôle) et la valeur de cette projection est indiquée par l’abscisse (resp. l’ordonnée) du rond 89 de la figure précédente. Plus la projection est positive (resp. négative), plus la structure observée à la fin de l’été est proche (resp. proche de l’inverse) du précurseur. Dans le cas 1989, il apparaît que les anomalies d’été se rapprochent très fortement du mode tripôle (+1,8) et se rapprochent en même temps de l’inverse du mode fer à cheval (-1,8). On prévoit ainsi dès la fin de l’été qu’il est probable que l’hiver 1989 soit dominé par les régimes NAO+. De manière plus générale, si le rond tombe dans l’espace blanc (resp. gris), une phase positive (resp. négative) de la NAO est prévue. De plus, en première approximation, plus le rond s’écarte de la ligne de séparation entre le blanc et le gris, plus la NAO de l’hiver suivant sera intense. On répète cet exercice pour chaque hiver de la période 1949-2003. La vérification à posteriori de la prévision est indiquée ici par le code couleur des ronds. Les ronds bleus correspondent aux hivers dominés par les régimes NAO+ (deux mois sur trois pour les bleu clair, trois sur trois pour les bleu sombre), les ronds jaunes et orange aux hivers dominés par les régimes NAO- (deux mois sur trois pour les jaunes, trois sur trois pour les orange). Les ronds blancs représentent les hivers où les régimes NAO ne sont pas prédominants. L’exercice est prometteur, puisque le signe de la NAO est prévu avec succès dans 22 cas sur les 26 hivers dominés par les régimes NAO. Schématiquement, une prévision est bonne si les ronds bleus (resp. jaunes-orange) se situent dans l’espace blanc (resp. gris). Des mauvaises prévisions existent pour les hivers 1975 et 1983, où une NAO négative est faussement prévue, et les années 1985 et 1986, où une NAO positive est faussement prévue.

Par ailleurs, il semblerait que le régime NOA suive un cycle d'environ 60 ans.