Sensibilité du bilan de masse des glaciers alpins aux variables atmosphériques et topographiques : Observations et simulations

Surface mass balance sensitivity of alpine glaciers to climatic and topographic variables : Observations and simulations

• Auteur / Autrice : Marion Réveillet
• Direction : Christian Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 02/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble, Isère, France ; 1958-2016)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gagliardini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Rabatel, Valérie Masson-Delmotte, Pierre Ribstein, Delphine Six
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin Funk, Matthias Huss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan hydrologique

Alpes (France)

Dégel

Mots clés libres

Glaciologie

Nivologie

Bilan de masse

Bilan d'énergie

Climat

Atmosphère

Glaciology

Nivology

Mass balance

Energy balance

Climate

Atmosphere

Résumé

Les glaciers intègrent naturellement des informations hydrologiques et énergétiques dans des régions climatiques variées du globe et sont sensibles à des changements minimes de bilan d’énergie de surface. Parmi les paramètres mesurés in-situ traduisant les variations climatiques, le bilan de masse de surface est la variable directement reliée aux conditions atmosphériques qui contrôlent les processus d’accumulation et d’ablation. Un grand nombre de modèles, de complexités diverses, existent pour simuler l’évolution du bilan de masse. Cependant, des questions perdurent quant à l’utilisation de l’approche la plus appropriée, notamment sur de longues périodes de temps. Basés sur de longues séries de mesures réalisées sur quatre glaciers des Alpes françaises (issues du service d’observation GLACIOCLIM), ces travaux de thèse ont pour but d’étudier la sensibilité du bilan de masse aux variables atmosphériques et topographiques, afin d’identifier celles essentielles pour contraindre les modèles.En s’appuyant tout d’abord sur une approche empirique, nos résultats indiquent que pour chaque glacier, la variabilité temporelle de l’ablation s’explique principalement par la variabilité de la température tandis que la variabilité spatiale de la fonte de la neige et de la glace est largement gouvernée par l’insolation. Néanmoins, à l’échelle du glacier, considérer l’insolation en plus de la température ne conduit pas à une amélioration de la performance des modèles empiriques et un modèle type degré-jour apparaît suffisant pour simuler son bilan de masse. L’utilisation du modèle à base physique SURFEX/ISBA-Crocus a permis d’étudier la sensibilité du bilan de masse estival à chacune des variables du bilan d’énergie de surface. Le modèle s’avère très performant pour la simulation des bilans spatialisés, mais nécessite un forçage météorologique précis et distribué spatialement. En particulier, le vent, souvent complexe à représenter dans les modèles atmosphériques,apparaît comme un facteur prépondérant pour modéliser correctement les processus de fonte. Avec des forçages météorologiques bien contraints, ces deux approches (empirique et physique) se révèlent très performantes quant à la modélisation du bilan de masse estival. Toutefois, nos résultats montrent que les bilans annuels restent très conditionnés par les bilans hivernaux du fait de la rétroaction de l’albédo de surface. Une attention particulière a donc été portée sur la simulation de l’accumulation.A partir des données de l’observatoire GLACIOCLIM, notre étude n’a pas permis d’établir de relation significative entre la variabilité spatio-temporelle des bilans hivernaux et les variables morpho-topographiques.Pour cette raison, une campagne spécifique basée sur des mesures LiDAR a été mise en œuvre au Col du Midi (Massif du Mont-Blanc) afin d’affiner le réseau de mesures et d’améliorer la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la couverture neigeuse. Nos résultats montrent la complexité d’obtenir des mesures d’accumulation par différence de MNT, du fait des vitesses d’émergence/submergence.

Glaciers naturally record hydrological and energetic information into varied climatic regions of the world, and are sensitive to small changes in their surface energy balance. The glacier surface mass balance is directly linked to the atmospheric variables which control accumulation and ablation processes. Many models, with different complexities, enable simulations of mass balance evolution, but some questions arise about the best approach to use, especially over long time periods. Based on long measurement series on four glaciers in the French Alps (GLACIOCLIM observatory), this thesis aims at studying the mass balance sensitivity to climatic variations, to identify relevant meteorological variables for modelling. Based on an empirical approach performed on each glacier, temperature was found to be the main driver of temporal ice/snow ablation variability while solar radiations strongly influence the spatial distribution of summer mass balance. However, at glacier scale, to include solar radiation in melt models does not improvethe performances and a classical degree-day model is sufficient to simulate glacier-wide mass balance.The snowpack model SURFEX-ISBA-Crocus was then used to study summer mass balance sensitivity to all surface energy balance fluxes. Results indicate good performances of the model to simulate mass balance at each stake, but it requires accurate meteorological forcing. In particular wind, generally difficult to assessby atmospheric models, appears as a key factor for an accurate ablation modelling. Our work emphasizes that both physical and empirical approaches are very efficient for ablation modeling when forced with accurate meteorological data. Yet, annual mass balances remain very sensitive to wintermass balance due to the surface albedo feedback. For this reason, simulating accumulation processes remainsas important as ablation modelling. Using GLACIOCLIM data measurements, our study failed to find relevant relationship between winter mass balance and topographical variables such as slope, aspect, elevation, due to insufficient spatio-temporal resolution. To fill this gap of measurements, we set up a dedicated field campaign to improve our understanding of the spatio-temporal variability of the snow depth distribution on Alpineglaciers. This year-round campaign was performed using LiDAR acquisitions at Col du Midi (Mont Blancmassif). Results underline the complexity of accurate accumulation measurements from DEM differences due to submergence/emergence velocities.