Thèse dirigée par Vincent FAVIER et Christophe GENTHON

1. Désagrégation du bilan de masse de surface de la calotte polaire Antarctique Séminaire de 2ème année Cécile AGOSTA Thèse dirigée par Vincent FAVIER et Christophe GENTHON 12 Novembre 2009

2. BMS Présent (1950-2000) : • Gamme : 1475 à 2331 Gt/an [Monaghan et al., 2006] Krinner et al., 2007 2038 Gt/an [ 5,6 ] 2470 Gt/an [ 6,8 ] +432 Gt/an 1980-2000 2080-2100 BMS Rignot et al., 2008 BMS Flux de glace Bilan net 2055 ± 122 Gt/an [ 5,7 ± 0,3 ] 2193 ± 30 Gt/an [ 6,1 ± 0,1 ] -138 ± 92 Gt/an 21ème siècle [ - 1,2 mm/an eq. océan ] Année 2000 [+0,4 ± 0,25 mm/an eq. océan ] Bilan de Masse Antarctique & Niveau des mers Futur : • Quelle augmentation des flux de glace ? • Quelle évolution du Bilan de Masse de Surface (BMS) ? Incertitudes importantes sur le Bilan de Masse. Exemple : BMS : contribution potentiellement importante au niveau des mers

3. mm eq.e. a-1 1200 1000 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 Bilan de Masse de Surface Antarctique Arthern et al., 2006 • Zones côtières enneigées et ventées • Plateau froid et aride

4. 200 150 100 50 20 0 -50 Prévision de changements du BMS Antarctique Évolution du BMS entre 1981-2000 et 2081-2100 Précipitations neigeuses (mm eq.e. an-1) Modèle LMDZ4 Krinner et al., 2007 • Importance de la zone côtière dans l’évolution du BMS

5. Mesures de terrain Directes Précises Ponctuelles Éparses Processus méso-échelle Circulation cyclonique Processus échelle locale Topographie fine Redistribution par le vent Mesures satellite Indirectes Grande échelle Champs grande échelle Modèles de climat Résolution 60 km Désagrégateur Résolution 15 km Validation Validation Observation et Modélisation du BMS

6. Plan Introduction Évaluationdes modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

7. Évaluation des modèles en zone côtière Introduction Évaluationdes modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

8. 200 km Évaluation des modèles de climat en zone côtièreL’Observatoire Glacioclim-SAMBA Glacioclim-SAMBA : Service d’Observation du BMS Antarctique Altitude (m) 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 • Ligne de balise (depuis 2004) • Mesures annuelles • émergence + densité • 91 balises sur 156 km Dôme C Cap Prud’homme

9. 1000 1000 1000 1400 1000 1000 600 600 600 600 600 200 200 200 200 200 -200 -200 -200 -200 -200 Évaluation des modèles de climat en zone côtièreTransect Glacioclim-SAMBA 2004 2005 BMS (mm eq.e. a-1) 2006 2007 2008 km depuis la côte

10. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreTransect Glacioclim-SAMBA 1ère Composante Principale (mm eq.e. a-1) R = 0.96 72 % 76 % km depuis la côte

11. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreObservations utilisées pour l’évaluation Transect 2004-2008 reconstitué avec la 1ère Composante Principale Moyennes sur 20 km BMS, mm eq.e. a-1 km depuis la côte SMB (mm w.e. a-1) km from the coast

12. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreComparaison avec des mesures IPEV Juste donner une densité moyenne et l’écart (faible) à cette densité Mesures d’émergence de l’IPEV : 1971 à 1991 0 ➙ 33 km de la ligne actuelle Pas de mesures de densité Avant 3,5 km : zones de fonte ➞ densité variable Après 16,5 km : pas de localisation précise des balises ⇒ Zone 3,5 ➙ 16,5 km comparable avec le transect (15 balises) avec densités moyennes mesurées sur le transect

13. Rupture de pente Transparent annexe avec année 2004 Évaluation des modèles de climat en zone côtièreTransect vs IPEV : variabilité spatiale IPEV 1971-1991 Transect 2004-2008 BMS (mm eq.e. a-1) km depuis la côte • Variabilité spatiale stationnaire

14. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreTransect vs IPEV : variabilité temporelle points transect : au milieu du nuage. Dispersion du nuage IPEV peut être du à des différences de densité IPEV Transect Ecart-type mm eq.e. a-1 BMS moyen mm eq.e. a-1 BMS moyen mm eq.e. a-1 • Pas d’évolution significative de la variabilité temporelle et spatiale • 2004-2008 représentatif de la climatologie du BMS (40 ans) sur 13 km Hypothèse 2004-2008 représentatif de la climatologie du BMS (40 ans) sur 160 km

15. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreModèles évalués * Neige soufflée prise en compte Période considérée 1981-2000 Calcul du BMS Précipitation - Sublimation MAR : (Précipitations+Neige soufflée) - Sublimation

16. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreVariabilité spatiale en zone côtière 1981-2000 2004-2008 BMS, mm eq.e. a-1 LMDZ4 ECMWF Transect MM5 MAR km depuis la côte

17. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreDistribution spatiale du BMS 1981-2000 mm eq.e. a-1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 MAR LMDZ4

18. Évaluation des modèles de climat en zone côtièreVariabilité temporelle en zone côtière BMS, mm eq.e. a-1 IPEV Transect Transect LMDZ4 ECMWF MM5 MAR 13 km 160 km 15 km

19. p = 0,05 p = 0,005 Évaluation des modèles de climat en zone côtièreVariabilité temporelle en zone côtière IPEV Transect Transect LMDZ4 ECMWF MM5 MAR 13 km 160 km 15 km

20. Évaluation des modèles en zone côtière Évaluation des modèles de climat en zone côtièreConclusions de l’évaluation en zone côtière • Transect Glacioclim-SAMBA • Variabilité spatiale stationnaire • IPEV (20 ans) et Transect (5 ans) : caractéristiques du BMS inchangées

21. Évaluation des modèles en zone côtière Évaluation des modèles de climat en zone côtièreConclusions de l’évaluation en zone côtière • MAR modifié • Modification de l’assimilation des données aux bords • 2 fois plus de précipitations en zone côtière • Simulation en cours

22. Contribution des données satellites Introduction Évaluationdes modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

23. mm eq.e. a-1 1200 1000 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 -100 Infrarouge T Micro-ondes P-P0 Modèle d’ébauche Évaluation des modèles : contribution des données satellitesClimatologie de référence : Arthern et al., 2006 Mesures de terrain Assimilation de données NE PAS OUBLIER CLAUSIUS CLAPEYRON 1950 – 1990 Paramètres κ,θ,n

24. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesContrôle du modèle d’ébauche mm eq.e. a-1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 Modèle d’ébauche Climatologie d’Arthern

25. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesComparaison avec le Transect mm eq.e. a-1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 Transect Arthern BMS, mm eq.e. a-1 km depuis la côte Climatologie d’Arthern • Peu de variabilité en région côtière • Le modèle d’ébauche peut-il reproduire la variabilité observée ?

26. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesLimites du modèle d’ébauche • Climatologie d’Arthern : peu de variabilité spatiale en zone côtière • Empreinte micro-onde : 60 km • Le BMS devrait être plus haut • Fonte ? • Pas de fonte à partir de 20 km de la côte

27. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesLimites du modèle d’ébauche mm eq.e. a-1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 Transect Modèle d’ébauche BMS, mm eq.e. a-1 km depuis la côte Modèle d’ébauche • Reproduit les variations observées • Paramètres sortant des gammes usuelles

28. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesLimites du modèle d’ébauche • Climatologie d’Arthern : peu de variabilité spatiale en zone côtière • Empreinte micro-onde : 60 km • Le BMS devrait être plus haut • Fonte ? • Pas de fonte à partir de 20 km de la côte • Précipitations orographiques ? • Paramétrisation complémentaire dans le modèle d’ébauche ?

29. Évaluation des modèles : contribution des données satellitesConclusions et perspectives • Modèle d’ébauche d’Arthern pas valable en zone côtière : • Fonte • Pas de prise en compte des précipitations orographiques • Nouvelle climatologie de BMS à réaliser : • Nouvelle paramétrisation en zone côtière (pente) • Base de donnée de BMS de qualité (Magand et al., 2007) • Estimation de la variabilité du BMS perpendiculairement au Transect • Ground Penetrating Radar + Carottes ➲ Validation des modèles

30. Désagrégation : Principe Introduction Évaluation des modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

31. DésagrégationCaractéristiques des simulations Estimation du BMS Précipitation, Sublimation, Fonte, Neige soufflée Domaine spatial Antarctique (5600 km x 5600 km) Echelle de temps 100 ans (2000-2100) Résolution actuelle : ~ 60 km Résolution désirée : ≤15 km ➙ Modèle à temps de calcul réduit

32. DésagrégationMéthode Sorties du modèle grande échelle Vents/Pression/Température/Humidité/... Pas de temps : 6H Topographie fine Désagrégation des précipitations Précipitations désagrégées Désagrégation du bilan d’énergie Sublimation, Fonte

33. Désagrégation des précipitations Introduction Évaluation des modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

34. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale Grille du modèle large échelle ➙ Grille stéréographique fine Champs interpolés Champs recalculés Topo fine + Hypothèse hydrostatique + Gradient de température constant • Vent horizontalU,V • Température potentielleθ • Humidité spécifique q Ps P θ , P T

35. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle Désagrégation en sortie de n’importe quel modèle ➞ Maillages de types très différents ➞ Variables à projeter sur une grille stéréographique

36. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle Méthode Projection des points de la grille haute en stéréographique × Triangularisation «quelconque» de la grille haute Triangularisation «optimale» de la grille haute Projection du point de grille dans le repère local

37. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle Méthode Triangularisation «quelconque» de la grille haute Triangularisation «optimale» de la grille haute Projection du point de grille dans le repère local

38. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle Méthode Triangularisation «quelconque» de la grille haute Triangularisation «optimale» de la grille haute Algo Projection du point de grille dans le repère local

39. Désagrégation des précipitationsInterpolation horizontale universelle Méthode Triangularisation «quelconque» de la grille haute Triangularisation «optimale» de la grille haute Projection du point de grille dans le repère local ×

40. Équation de bilan de la quantité de mouvement + Equation de continuité ➙ Ondes de gravité (sinusoïdales) WT W = WL+WT WT dépend de : Vent horizontal, Fréquence de Brunt-Vaisala Désagrégation des précipitationsVent vertical W WL : vitesse verticale grande échelle interpolée W : nouvelle vitesse verticale En surface : vent tangent à la topographie ➙ nouvelle vitesse verticale en surface Ws

41. Δqsat Δqsat×ρ = précipitation lorsque q≥qsat et W vers le haut q=qsat(t2) Désagrégation des précipitationsTaux de condensation & Taux de précipitation Ascendance ➙ Refroidissement adiabatique ➙ qsat ↓ Intégration de Clausius-Clapeyron à saturation : Δqsat = F×W avec F=fonction(qsat,T,P) lorsque q≥qsat et W vers le haut z q=qsat(t1) ⇒ W

42. Désagrégation des précipitationsApplication au GCM LMDZ4 5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0 Temps de calcul : 1/2 H par mois ➙ 25 jours pour 100 ans 1987 Précipitations interpolées 180 mm/an Précipitations désagrégées 130 mm/an

43. Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitation 5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0 La désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique 1987 Précipitations interpolées 180 mm/an Précipitations désagrégées 133 mm/an Précipitations désagrégées & interpolées 209 mm/an

44. Précipitations par refroidissement adiabatique • Autres modes de précipitation Stratégie : Désagrégation à la même résolution que le modèle hôte Différenciation Vérification qu’en zone côtière Précipitations du modèle ≈ Précipitations désagrégées Carte de précipitations désagrégées+interpolées Zones dans lesquelles la désagrégation est/n’est pas adaptées DIRE QQCH SUR LA CONSERVATION PAR RAPPORT AU MODELE INITIAL Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitation La désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique

45. Taux de condensation F(qsat,T,P) constant sur 6H ➙ Suppose qsat, T et P proches de leurs valeurs initiales pendant 6H Δzs grand➙ondes générées de grande amplitude ➙ modification de W localement importantes ➙ F×W localement important (voir > qsat) Désagrégation des précipitationsLimites du désagrégateur de précipitation ➙ Surestimation du taux de condensation ➙ Peut être résolu par une discrétisation temporelle plus fine

46. Désagrégation des précipitationsSchéma d’advection conservatif Apports • Conservation de la quantité d’eau totale • Diffusion du champs d’humidité • Assèchement de l’air par la précipitation • F recalculé à chaque sous-pas de temps • Inconvénient • Discrétisation temporelle plus fine • ➙ Temps de calculs plus élevés

47. Désagrégation du bilan d’énergie Introduction Évaluation des modèles de climat Zone côtière : mesures Glacioclim-SAMBA Antarctique : contribution des données satellites Désagrégation du Bilan Masse de Surface Principe Désagrégation des Précipitations Désagrégation du Bilan d’énergie Calendrier prévisionnel

48. Var × × z Désagrégation du bilan d’énergieInterpolation horizontale Routine de couche limite du modèle LMDZ4 Ne nécessite que les premiers niveaux de surface des variables d’entrée Extrapolation des champs avec la topographie

49. Désagrégation du bilan d’énergieIntégration des précipitations désagrégées 1987 5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0 Précipitations désagrégées Précipitations extrapolées Précipitations désagrégées & interpolées

50. Désagrégation du bilan d’énergieBilan de Masse de Surface 5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0.01 0 -15 1987 Fonte Sublimation BMS