Le 11 décembre 2014, un train de marchandises d'une tempête a traversé une grande partie de la Californie, inondant la région de la baie de San Francisco de trois pouces de pluie en seulement une heure. La tempête a été alimentée par ce que les météorologues appellent le "Pineapple Express" - une rivière atmosphérique d'humidité qui est fouettée au-dessus des eaux tropicales du Pacifique et balayée vers le nord avec le courant-jet.

Le soir, des précipitations record avaient déclenché des coulées de boue, inondations, et des pannes de courant dans tout l'État. La tempête, qui a été appelé la "tempête de la décennie en Californie, " est l'un des événements de précipitation les plus extrêmes de l'histoire récente de l'État.

Maintenant, les scientifiques du MIT ont découvert que de tels événements de précipitations extrêmes en Californie devraient devenir plus fréquents à mesure que le climat de la Terre se réchauffera au cours de ce siècle. Les chercheurs ont développé une nouvelle technique qui prédit la fréquence des événements de précipitations extrêmes en identifiant des modèles révélateurs à grande échelle dans les données atmosphériques. Pour la Californie, ils ont calculé que, si les températures moyennes mondiales augmentent de 4 degrés Celsius d'ici 2100, l'État connaîtra trois événements de précipitations extrêmes de plus que la moyenne actuelle, par an.

Les chercheurs, qui ont publié leurs résultats dans le Journal du climat , disent que leur technique réduit considérablement l'incertitude des prévisions de tempêtes extrêmes faites par les modèles climatiques standard.

"L'une des luttes est, les modèles climatiques grossiers produisent un large éventail de résultats. [Les précipitations] peuvent augmenter ou diminuer, " dit Adam Schlosser, chercheur principal au programme conjoint du MIT sur la science et la politique du changement global. "Ce que nous dit notre méthode, pour la Californie, nous sommes très confiants que [les fortes précipitations] augmenteront d'ici la fin du siècle."

La recherche a été dirigée par Xiang Gao, chercheur au Programme conjoint sur la science et la politique du changement global. Les co-auteurs de l'article incluent Paul O'Gorman, professeur agrégé de terre, atmosphérique, et sciences planétaires; Erwan Monier, chercheur principal du programme conjoint ; et Dara Entekhabi, le professeur Bacardi Stockholm Water Foundations en génie civil et environnemental.

Connexion à grande échelle

Actuellement, les chercheurs estiment la fréquence des événements de fortes précipitations locales principalement en utilisant des informations sur les précipitations simulées à partir de modèles climatiques mondiaux. Mais ces modèles effectuent généralement des calculs complexes pour simuler des processus climatiques sur des centaines voire des milliers de kilomètres. A une résolution aussi grossière, il est extrêmement difficile pour de tels modèles de représenter adéquatement des caractéristiques à petite échelle telles que la convection d'humidité et la topographie, qui sont essentiels pour faire des prévisions précises des précipitations.

Pour avoir une meilleure idée de la façon dont les futurs événements de précipitation pourraient changer région par région, Gao a décidé de se concentrer non pas sur des précipitations simulées mais sur des modèles atmosphériques à grande échelle, que les modèles climatiques sont capables de simuler de manière beaucoup plus fiable.

"Nous avons en fait découvert qu'il existe un lien entre ce que les modèles climatiques font vraiment bien, qui consiste à simuler des mouvements à grande échelle de l'atmosphère, et local, événements de fortes précipitations, " Schlosser dit. "Nous pouvons utiliser cette association pour dire à quelle fréquence ces événements se produisent maintenant, et comment ils vont changer localement, comme en Nouvelle-Angleterre, ou la côte ouest."

Instantanés météo

Bien que les définitions varient pour ce qui est considéré comme un événement de précipitation extrême, dans ce cas, les chercheurs ont défini un tel événement comme étant dans les 5 % supérieurs des quantités de précipitations d'une région au cours d'une saison particulière, sur des périodes de près de trois décennies. Ils ont concentré leur analyse sur deux régions :la Californie et le Midwest, régions qui connaissent généralement des quantités relativement élevées de précipitations en hiver et en été, respectivement.

Pour les deux régions, l'équipe a analysé les caractéristiques atmosphériques à grande échelle telles que les courants de vent et la teneur en humidité, de 1979 à 2005, et noté leurs tendances chaque jour où des précipitations extrêmes se produisaient. Grâce à l'analyse statistique, les chercheurs ont identifié des modèles révélateurs dans les données atmosphériques qui étaient associés à de fortes tempêtes.

"Nous prenons essentiellement des instantanés de toutes les informations météorologiques pertinentes, et nous trouvons une image commune, qui est utilisé comme notre drapeau rouge, " explique Schlosser. " Lorsque nous examinons des simulations historiques à partir d'une série de modèles climatiques de pointe, nous fixons chaque fois que nous voyons ce modèle. "

En utilisant le nouveau schéma, l'équipe a pu reproduire collectivement la fréquence des événements extrêmes qui ont été observés au cours de la période de 27 ans. Plus important, les résultats sont beaucoup plus précis que ceux basés sur des précipitations simulées à partir des mêmes modèles climatiques.

"Aucun des modèles n'est même proche des observations, " dit Gao. " Et quelle que soit la combinaison de variables atmosphériques que nous avons utilisée, les nouveaux schémas étaient beaucoup plus proches des observations."

"Informations exploitables"

Forts de leurs résultats, l'équipe a appliqué sa technique à des modèles atmosphériques à grande échelle à partir de modèles climatiques pour prédire comment la fréquence des fortes tempêtes peut changer dans un climat en réchauffement en Californie et dans le Midwest au cours du prochain siècle. Ils ont analysé chaque région selon deux scénarios climatiques :un cas « business as usual », dans lequel le monde devrait se réchauffer de 4 degrés Celsius d'ici 2100, et un cas axé sur les politiques, dans lequel les politiques environnementales mondiales qui régulent les gaz à effet de serre devraient maintenir l'augmentation de la température à 2 degrés Celsius.

Pour chaque scénario, l'équipe a signalé les modèles atmosphériques à grande échelle modélisés qu'ils avaient déterminés comme étant associés à de fortes tempêtes. Dans le Midwest, les épisodes annuels de précipitations extrêmes estivales ont légèrement diminué dans les deux scénarios de réchauffement, bien que les chercheurs disent que les résultats ne sont pas sans incertitude.

Pour la Californie, l'image est beaucoup plus claire :dans le scénario plus intense du réchauffement climatique, l'État connaîtra trois autres événements de précipitations extrêmes par an, de l'ordre de la tempête de décembre 2014. Dans le scénario axé sur les politiques, Schlosser dit que "cette tendance est réduite de moitié".

L'équipe applique maintenant sa technique pour prédire les changements dans les vagues de chaleur dues au réchauffement climatique mondial. Les chercheurs recherchent des modèles dans les données atmosphériques qui sont en corrélation avec les vagues de chaleur passées. S'ils peuvent prédire de manière plus fiable la fréquence des vagues de chaleur à l'avenir, Schlosser dit que cela peut être extrêmement utile pour la maintenance à long terme des réseaux électriques et des transformateurs.

"Ce sont des informations exploitables, " dit Schlosser.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.