Etude de l’´etat de surface `a
Dˆome C pendant l’´et´e austral
2010 – 2011
4.1 Introduction & campagne de mesure. . . 97
4.2 Evolution de l’´´ etat de surface lors de la campagne de terrain . 98
4.2.1 Observation des conditions atmosph´eriques . . . . 99
4.2.2 Observation de l’´etat de surface. . . 100
4.2.3 Evolution de la surface de neige´ . . . 104
4.3 Influence de l’´etat de surface sur l’alb´edo . . . 105
4.3.1 Comparaison avec des observations satellite . . . 105
4.3.2 Comparaison avec des observations in situ . . . 106
4.4 Mod´elisation du rapport de polarisation . . . 108
4.4.1 Observation des propri´et´es physiques du manteau neigeux . . . . 108
4.4.2 Approche
≪statique
≫de mod´elisation . . . 111
4.4.3 Approche
≪dynamique
≫de mod´elisation. . . 113
4.5 Conclusion & perspectives . . . 116
4.1 - Introduction & campagne de mesure
4.1 Introduction & campagne de mesure
Durant l’´et´e austral 2010 – 2011, une campagne intensive de mesure a ´et´e effectu´ee `a
Dˆome C sur le Plateau Antarctique. Cette campagne ´etait destin´ee `a caract´eriser l’´etat de
surface et le haut du manteau neigeux (sur 30−50 cm environ).
La campagne de terrain s’est d´eroul´ee du 14 d´ecembre 2010 au 2 janvier 2011. Deux
sites d’´etudes d’environ 100 m
2ont ´et´e d´efinis pour r´ealiser les observations sur la neige
(voir les figures4.1aet4.1bet l’annexeBpour leurs emplacements) : (1) le premier proche
de la tour am´ericaine dans la zone propre (75
◦05
′56.9
′′S, 123
◦18
′12.6
′′E) et (2) le second
proche de la piste d’avion (75
◦06
′19.0
′′S, 123
◦21
′3.7
′′E), cependant assez ´eloign´e de
celle-ci, dans une zone a priori peu fr´equent´ee et donc avec une neige
≪naturelle
≫. Chaque
site a ´et´e observ´e environ tous les 3 jours. Compte tenu de la courte p´eriode de mesure
(20 jours environ), les deux sites sont ´etudi´es simultan´ement, c.-`a-d. que les ´evolutions
pr´esent´ees dans la suite de ce chapitre comprennent des mesures issues des deux sites
sans diff´erenciation. Cette fusion des donn´ees, issues des deux sites, pose a priori peu de
probl`emes puisqu’ils ne sont ´eloign´es que de 2 km. Les conditions atmosph´eriques sont donc
semblables et les donn´ees satellite poss`edent une r´esolution spatiale largement sup´erieure.
(a) Site (1) (b) Site (2)
Figure4.1 – Sites d’observation `a Dˆome C lors de la campagne de mesure.
Les mesures de subsurface
1, effectu´ees lors de chaque visite d’un site, sont les suivantes :
– Deux profils verticaux, distants d’un m`etre environ, de la SSA, de la densit´e et de la
temp´erature de la neige. Pour la SSA, les profils pr´esent´es sont la moyenne de deux
passages aller-retour de la sonde dans le trou de forage. Les passages qui montrent des
donn´ees incorrectes (par exemple, une mauvaise reproductibilit´e entre la descente et
la mont´ee ou une correction de l’effet de distance qui d´epasse les limites autoris´ees)
ne sont pas pris en comptes. Ces mauvais mesures sont cependant tr`es rares (un seul
profil).
– Deux transect, distants d’un m`etre environ, de la SSA de surface, et une mesure de
la densit´e proche de la surface et du givre s’il est pr´esent `a la surface. Les profils de
SSA pr´esent´es sont la moyenne de deux passages de la sonde et pour la densit´e, les
mesures pr´esent´ees sont la moyenne de trois mesures.
1. Dans la suite du manuscrit, le terme subsurface sera employ´e pour d´esigner les 30 – 50 premiers
centim`etres du manteau neigeux. `A ne pas confondre avec la
≪densit´e de subsurface
≫pr´esent´ee dans la
section2.3.2
Chapitre 4 :Etude de l’´etat de surface `´ a Dˆome C pendant l’´et´e 2010 – 2011
L’´etat de surface a lui ´et´e observ´e manuellement et quotidiennement. Ces observations
de la surface comprennent notamment des photos
≪visibles
≫de la surface de neige,
prises `a 0.5 et 1 m de hauteur
2, des photos des cristaux de neige pr´esents sur la surface
et du ciel (pour la couverture nuageuse). Des observations et mesures compl´ementaires
ont ´et´e effectu´ees : la temp´erature de l’air et de la surface, la hauteur de neige, ainsi que
l’observation du givre sur la surface, de la micro-rugosit´e, c.-`a-d. de taille centim´etrique, et
du d´epˆot de neige fraˆıche. Les journ´ees entre les observations des sites ont elles permis de
calibrer les instruments de mesure, de les tester (comme la comparaison de deux protocoles
ou la reproductibilit´e de la mesure) et de traiter directement sur le terrain les observations,
afin de v´erifier leur validit´e. Enfin, un profil plus profond (environ 1.2 m de profondeur)
de SSA, densit´e, temp´erature et stratigraphie du manteau neigeux a ´et´e observ´e, afin
de comparer ces observations avec les r´esultats de la campagne de mesure de l’ann´ee
pr´ec´edente. En r´esum´e, une douzaine de profils verticaux de SSA et de densit´e ont ´et´e
mesur´es, ainsi qu’une douzaine de mesure de la SSA et de la densit´e de la neige en surface.
L’instrument utilis´e pendant cette campagne pour mesurer la SSA est ASSSAP, pour
la densit´e, une pelle d´edi´ee, et pour la hauteur de la surface de neige, un capteur `a
ul-trason SR-50 (voir les chapitres 2 et 3). Les donn´ees atmosph´eriques sont mesur´ees par
la station automatique situ´ee `a environ 2 km de la base Concordia (Dome C II, http:
//amrc.ssec.wisc.edu/aws/) et elles sont compl´et´ees par les r´eanalyses de l’European
Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF)ERA-Interim (Dee and al.,2011).
Les observations satellite sont issues du radiom`etre AMSR-E et du spectrom`etre MODIS
(voir le chapitre 1). Toutes les heures sont des heures GMT, soit 8 heures de moins que
l’heure locale de Dˆome C. Par cons´equent, l’angle z´enithal du soleil le plus ´elev´e (soleil le
plus bas dans le ciel) est `a 16h GMT.
L’objectif de ce chapitre est d’´etudier l’´evolution de l’´etat de surface et
la mod´elisation du rapport de polarisation micro-onde `a Dˆome C pendant la
campagne, `a l’aide des donn´ees d’observation de terrain.
La section 4.2pr´esente les r´esultats sur l’´evolution de l’´etat de surface, observ´e sur le
terrain et par satellite, en lien avec les conditions atmosph´eriques, pendant les 20 jours
de donn´ees. L’´etat de surface est notamment caract´eris´e par une diminution d’un facteur
deux de la SSA de surface vers le 25 d´ecembre 2010. La section 4.3´etudie par cons´equent
l’influence de la SSA sur l’alb´edo durant la campagne d’observation. Enfin, la section 4.4
´etudie la mod´elisation du rapport de polarisation au cours de la campagne, `a partir des
observations de l’´etat de surface et du manteau neigeux, afin d’essayer de quantifier les
liens entre la surface de neige et l’´emission micro-onde.
4.2 Evolution de l’´´ etat de surface lors de la campagne de
terrain
Cette section pr´esente en premier les conditions atmosph´eriques observ´ees durant la
campagne et en second les observations de l’´etat de surface. `A l’aide de l’ensemble de ces
donn´ees, la description et l’analyse de l’´etat de surface sont effectu´ees dans la derni`ere
partie de cette section.
2. L’appareil photo automatique dans le proche infrarouge ne fonctionnait malheureusement pas
pen-dant la campagne. Il fut remplac´e le 3 janvier 2011.
4.2 - ´Evolution de l’´etat de surface lors de la campagne de terrain
4.2.1 Observation des conditions atmosph´eriques
La temp´erature de l’air. Outre le cycle journalier de temp´erature d’environ 10
◦C, la
temp´erature de l’air augmente progressivement entre le 17 – 18 d´ecembre et le 26 d´ecembre
d’environ 5
◦C, puis diminue ensuite progressivement jusqu’au 1 janvier de quelques degr´es
(voir la figure 4.2). La temp´erature moyenne durant la campagne de mesure est de 248 K
environ, soit −25
◦C.
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 240 244 248 252 256 260 Température (K)Figure4.2 – ´Evolution de la temp´erature de l’air `a 2 m pendant la campagne de mesure.
Les mesures sont issues de la station m´et´eorologique automatique.
L’humidit´e atmosph´erique et la couverture nuageuse. L’humidit´e sp´ecifique, qui
repr´esente la masse d’eau pr´esente dans l’air, suit les variations de temp´erature (voir la
figure4.3a), autant le cycle journalier que l’´evolution hebdomadaire pendant la campagne
de mesure. Les quantit´es de vapeur d’eau dans l’air sont cependant tr`es faibles. Les
maxi-mums de temp´erature de l’air et d’humidit´e sp´ecifique co¨ıncident et ont lieu entre le 26 et
27 d´ecembre.
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 2×10-4 4×10-4 6×10-4 8×10-4 1×10-3 Humidité spécifique (kg kg -1 )(a) Humidit´e sp´ecifique
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1.2 1 = couverture nuageuse nulle - 0 = couverture nuageuse totale
(b) Couverture nuageuse
Figure4.3 – ´Evolution de l’humidit´e sp´ecifique de l’air `a 2 m et de la couverture nuageuse
pendant la campagne de mesure. Les mesures sont issues de r´eanalyses atmosph´eriques.
Chapitre 4 :Etude de l’´etat de surface `´ a Dˆome C pendant l’´et´e 2010 – 2011
La couverture nuageuse montre deux p´eriodes, le 21 – 22 d´ecembre et le 27 – 28
d´ecembre, o`u le ciel ´etait couvert, le reste du temps le ciel ´etait clair (voir la figure 4.3b).
L’intensit´e et la direction du vent. L’´evolution de l’intensit´e du vent montre un
cycle journalier, avec un minimum en d´ebut d’apr`es midi heure locale. Trois ´episodes de
vent montrent une intensit´e sup´erieure `a 6 m s
−1: (A) le 15 – 16, (B) le 22 – 23 et (C) le
28 – 29 d´ecembre (voir la figure 4.4). L’origine du vent quant `a elle ne suit pas de cycle
journalier. Trois p´eriodes o`u la direction ´evolue progressivement sont identifiables, entre
le 15 et 19 d´ecembre, entre le 21 et 25 d´ecembre et entre le 27 d´ecembre et le 1
erjanvier.
Durant ces p´eriodes, la direction change du nord et de l’ouest (entre 270 et 360
◦) `a l’est
(90
◦). Les ´episodes intenses de vent (B) et (C) montrent une direction du vent provenant
du sud sud-ouest.
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02
0
4
8
12
16
Intensité du vent (m s
-1)
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02
0
4
8
12
16
Intensité du vent (m s
-1)
Intensité du vent
0
100
200
300
400
Origine du vent (°)
Origine du vent
sud
A
B
C
Figure4.4 – ´Evolution de l’intensit´e et de la direction du vent `a 2 m pendant la campagne
de mesure. Les mesures sont issues de la station m´et´eorologique automatique.
4.2.2 Observation de l’´etat de surface
Durant la campagne, l’´etat de surface a ´et´e suivi par des observations manuelles, par
le rapport de polarisation micro-onde et par la hauteur de la surface, ainsi qu’`a travers la
mesure des propri´et´es physiques de la neige la plus proche de la surface.
Les observations manuelles de l’´etat de surface. Certains aspects de l’´etat de
surface ont ´et´e observ´es manuellement : le givre, avec une estimation conjointe de sa taille
et du pourcentage recouvrant la surface, repr´esent´ee par cinq niveaux (voir les marqueurs
triangulaires noirs sur la figure 4.5b, les grands triangles signifiant que la surface est
recouverte de givre de grande taille), la micro-rugosit´e de la surface (rugosit´e centim´etrique,
de l’ordre de la taille du givre), le d´epˆot de neige fraˆıche et enfin la prise de photo du ciel
4.2 - ´Evolution de l’´etat de surface lors de la campagne de terrain
et de la surface. Des mesures compl´ementaires de temp´erature de l’air `a un m`etre et de
la surface ont ´et´e effectu´ees. Ces observations sont journali`eres et ont g´en´eralement ´et´e
effectu´ees entre 17h et 18h, heure locale.
Les figures4.5a et4.5b montrent l’´evolution de ces observations pendant la campagne
de mesure. La temp´erature mesur´ee est proche de celle mesur´ee par la station automatique,
les petites diff´erences ´etant essentiellement dues `a l’impr´ecision sur l’heure de la mesure,
not´ee sur le terrain avec une pr´ecision horaire. La temp´erature de la surface est presque
tout le temps inf´erieure `a la temp´erature de l’air en fin d’apr`es-midi. De la condensation
solide de vapeur d’eau peut donc se produire sur la surface, le gradient de temp´erature
dans l’air ´etant n´egatif, condition n´ecessaire mais pas suffisante.
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 240 244 248 252 256 260 Température (K) Température de l’air à 2 m Température de l’air à 1 m Température de la surface
(a) Temp´erature de l’air `a 1 et 2 m de hauteur, et
temp´erature de la surface
240 244 248 252 256 260 Température (K) 2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 240 244 248 252 256 260 Température (K) Température de l’air à 2 m Givre de surface Micro-rugosité de la surface(b) Cristaux de givre, micro-rugosit´e associ´ees, et d´epˆot
de neige fraˆıche en surface (repr´esent´e par les zones
tur-quoises)
Figure 4.5 – Observations manuelles de l’´evolution de la surface de neige `a Dˆome C
pendant la campagne de mesure.
Le givre croˆıt sur la surface le 16 d´ecembre, puis disparaˆıt plus ou moins compl`etement
jusqu’au 22 d´ecembre. Entre le 22 et le 26 d´ecembre, la formation puis la croissance du
givre est importante. Enfin, pour la fin de la campagne, le givre est toujours pr´esent sur
la surface avec une taille importante, mis `a part une diminution de sa taille le 28 et 29
d´ecembre. La rugosit´e augmente avec la croissance des cristaux de givre. Elle est cependant
forte en d´ebut de campagne, malgr´e un givre peu d´evelopp´e, `a cause de la forme du givre
qui montrait alors de nombreuses excroissances dendritiques.
Enfin, le 15 – 16 et le 20 d´ecembre, de la neige fraˆıche a ´et´e observ´ee sur la surface. La
distinction entre aiguilles, colonnes etdiamond dust n’a pas ´et´e possible. La neige fraˆıche a
entraˆın´e une diminution de la micro-rugosit´e. De plus, la taille apparente du givre semblait
avoir diminu´e, recouvert par une fine couche de neige. Les r´eanalyses atmosph´eriques
confirment ces observations, avec une chute de neige estim´ee le 16, 20 et 21 d´ecembre. Le
disdrom`etre
3montre ´egalement des pr´ecipitations le 15 – 16, le 20 et le 22 d´ecembre.
3. Un disdrom`etre est un instrument de mesure optique des pr´ecipitations, http:
//www.biral.com/meteorological-sensors/visibility-and-present-weather/
hss-vpf-730-visibility-and-present-weather-sensor.
Chapitre 4 :Etude de l’´etat de surface `´ a Dˆome C pendant l’´et´e 2010 – 2011
Le rapport de polarisation micro-onde. Le rapport de polarisation montre, pour
les deux fr´equences 19 et 37 GHz, une p´eriode relativement constante entre le 14 et le 22
d´ecembre, suivi par une p´eriode d’augmentation jusqu’au 28 d´ecembre (voir la figure4.6).
La derni`ere p´eriode, entre le 28 d´ecembre et le 2 janvier, montre une ´evolution diff´erente
selon la fr´equence. Le rapport de polarisation `a 19 GHz reste en effet relativement constant
alors qu’`a 37 GHz, il diminue jusqu’au 31 d´ecembre avant d’augmenter l´eg`erement le 1
eret 2 janvier. PR
37montre de plus des oscillations journali`eres durant la premi`ere p´eriode.
15-12-2010 18-12-2010 21-12-2010 24-12-2010 27-12-2010 30-12-2010 02-01-2011
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
Rapport de polarisation
PR
19PR
37Figure 4.6 – ´Evolution des rapports de polarisation micro-onde `a 19 et 37 GHz `a Dˆome
C en d´ecembre 2010. Les mesures sont issues du radiom`etre AMSR-E.
Ces observations satellite indiquent une augmentation de la densit´e proche de la surface
entre le 22 et le 28 d´ecembre
4. Plus pr´ecis´ement, la densit´e de la neige dans le premier
centim`etre (ordre de grandeur de la longueur d’onde ´equivalente `a 37 GHz) subi sans doute
une ´evolution plus marqu´ee que les quelques centim`etres sous la surface (la longueur d’onde
´equivalente `a 19 GHz est de l’ordre de 2 cm), puisque PR
37augmente plus que PR
19.
La hauteur de la surface. La figure4.7montre l’´evolution de la hauteur de la surface
de neige pendant la campagne de mesure. Celle-ci est constante en moyenne journali`ere
entre le 15 et le 22 d´ecembre, avec des variations horaires d’un demi-centim`etre, sachant
que la pr´ecision de la SR-50 est centim´etrique. Entre le 22 et le 2 janvier, la hauteur semble
l´eg`erement et r´eguli`erement diminuer d’environ 1.5 cm en 10 jours, diminution cependant
plus marqu´ee entre le 22 et 25 d´ecembre. Les variations horaires sont aussi de l’ordre du
demi-centim`etre, except´e le 31 d´ecembre et le 1
erjanvier o`u une variation de la hauteur
de 1.5 cm environ est observ´ee.
4. PR d´epend principalement de la densit´e de la neige proche de la surface, voir le chapitre1.
4.2 - ´Evolution de l’´etat de surface lors de la campagne de terrain
2010-12-15 2010-12-18 2010-12-21 2010-12-24 2010-12-27 2010-12-30 2011-01-02 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28Hauteur relative de la surface (m)
Hauteur de neige
Moyenne glissante journalière
Figure4.7 – ´Evolution de la hauteur de la surface de neige `a Dˆome C pendant la campagne
de mesure. Les mesures sont effectu´ees par un capteur `a ultrason install´e par L. Arnaud,
LGGE. La tendance estim´ee est repr´esent´ee en vert.
Les propri´et´es physiques de la neige de surface. L’´evolution de la SSA de surface,
ainsi que de la densit´e de la neige proche de la surface, de la densit´e de la neige la plus
proche de la surface et de la densit´e du givre, respectivement les densit´es D
2, D
1et D
gd´efinies dans le chapitre 3, est repr´esent´ee sur la figure 4.8. La SSA montre des valeurs
relativement constante tout au long de la campagne, de l’ordre de 80 m
2kg
−1, except´e le
27 et 28 d´ecembre o`u elle est de 50 et 40 m
2kg
−1environ. Ces valeurs sont tr`es ´elev´ees
et ne sont pas dans la gamme de valeurs de SSA du givre de surface mesur´ee dans les
manteaux neigeux Arctique ou Alpin (Domine et al., 2007; Fierz et al., 2009; Slaughter
et al.,2011). Elles sont aussi environ deux fois plus ´elev´ees que les mesures issues deGallet
et al. (2011). Par cons´equent, les cristaux de givre qui recouvrent la surface et qui sont
pr´esents la majorit´e du temps pendant la campagne ne sont sans doute pas du
≪givre de
surface
≫(Fierz et al.,2009), ou du moins avec une forme et une taille diff´erente de celui
classiquement observ´e. Les seuls cristaux de neige qui poss`edent une SSA aussi ´elev´ee sont
les particules pr´ecipitantes, comme les flocons dendritiques ou les petites colonnes et
ai-guilles ainsi que lediamond dust (Domine et al.,2008,2011). Les rares flocons pr´ecipitants
observ´es `a Dˆome C sont des petites aiguilles ou colonnes, ainsi que tr`es fr´equemment du
diamond dust (Schwerdtfeger, 1969; Walden et al., 2003). Ainsi, nous pouvons supposer
que la surface est r´eguli`erement recouverte par du diamond dust, quelque fois par des
aiguilles ou colonnes, entraˆınant ces valeurs aussi ´elev´ees de SSA.
Une erreur de mesure pourrait aussi ˆetre `a l’origine de ces valeurs. Cependant, la
repro-ductibilit´e de la mesure ainsi que la validation de la mesure de ASSSAP par comparaison
avec d’autres instruments, les tests effectu´es sur les diff´erentes ´etapes du protocole
(cali-bration, correction de l’effet de distance, variation de la forme des grains de neige pour la
conversion de la r´eflectance infrarouge en SSA, ...), qui n’ont pas montr´e de biais et dont
les incertitudes ne permettent pas d’expliquer les valeurs mesur´ees deux fois plus ´elev´ees
que celle de Gallet et al. (2011), et enfin les mesures similaires effectu´ees `a Summit au
Groenland permettent d’avoir une bonne confiance dans les mesures. Les diff´erences avec
les mesures deGallet et al.(2011) peuvent ˆetre induites par l’´echantillonnage des cristaux
de givre et / ou par l’int´egration de la SSA sur 3 cm (hauteur de la coupelle de DUFISSS,
Gallet et al., 2011) pour la mesure avec DUFISSS. De nouvelles mesures de la SSA de
surface sont actuellement en cours, afin de valider d´efinitivement ces valeurs ´elev´ees.
103
Chapitre 4 :Etude de l’´etat de surface `´ a Dˆome C pendant l’´et´e 2010 – 2011
L’´evolution de la densit´e de la neige proche de la surface (D
2) durant la campagne
est faible, les valeurs de densit´e restant comprises entre 300 et 350 kg m
−3. Une l´eg`ere
augmentation de la densit´e entre le 20 et le 29 d´ecembre peut ˆetre not´ee. Par ailleurs,
l’´evolution de cette densit´e ne montre pas de corr´elation avec l’´evolution de la SSA.
2010-12-14 2010-12-17 2010-12-20 2010-12-23 2010-12-26 2010-12-29 2011-01-01 100 150 200 250 300 350 400 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Densité de la neige proche de la surface (kg m-3)
Densité de la neige la plus proche de la surface (kg m-3)
Densité du givre de surface (kg m-3) Surface spécifique de la surface de neige (m2 kg-1)
D en si té S ur fa ce sp éc ifi qu e
D
2D
1D
gFigure4.8 – ´Evolution de la SSA et de la densit´e de la neige proche de la surface `a Dˆome
C pendant la campagne de mesure. Les mesures de SSA sont effectu´ees avec ASSSAP et
celles de densit´e avec une pelle d´edi´ee.
Enfin, la densit´e de la neige la plus proche de la surface (D
1, incluant donc le givre)
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Evolution de la surface de neige sur le plateau Antarctique : observation in situ et satellite
(Page 114-138)