Estimation de la densit´e de la premi`ere couche de neige

entre une ´epaisseur de 1 et 10 cm. La temp´erature elle aussi poss`ede une influence faible sur

la relation densit´e de surface – rapport de polarisation. Elle est cependant non n´egligeable,

puisque pour des faibles densit´es, une variation extrˆeme de temp´erature, i.e. 60 K, peut

modifier le rapport de polarisation de 0.009. Autrement dit, la densit´e de la premi`ere

couche, permettant de mod´eliser une valeur de PR de 0.92, peut varier au maximum de

50 kg m

−3

en fonction de la temp´erature de la premi`ere couche de neige. Cette influence

est due `a la d´ependance de la constante di´electrique de la glace `a la temp´erature.

Enfin, la densit´e de la deuxi`eme couche de neige modifie la relation densit´e de surface

– rapport de polarisation. Son influence est cependant mod´er´ee pour la gamme de densit´e

g´en´eralement observ´ee sur le terrain, i.e. entre 200 et 400 kg m

−3

. La densit´e mesur´ee de

notre profil, correspondant `a la deuxi`eme couche de neige, est d’environ 330 kg m

−3

. Dans

la suite, nous ne prendrons pas en compte les variations de densit´e de la deuxi`eme couche,

son influence sur le rapport de polarisation ´etant de second ordre.

En conclusion, la densit´e de la neige proche de la surface est principalement responsable

des variations du rapport de polarisation et la temp´erature de la premi`ere couche modifient

l´eg`erement les valeurs simul´ees de PR, en particulier lorsque la 1

`ere

couche de neige est

peu dense.

6.6 Estimation de la densit´e de la premi`ere couche de neige

6.6.1 P´eriode avec mesures de temp´erature du manteau neigeux

(2007 – 2011)

Pr´eliminairement, la densit´e de surface a ´et´e optimis´ee sur la p´eriode de calibration

(2007 `a 2010), par la minimisation de l’´ecart entre le rapport de polarisation moyen observ´e

et mod´elis´e `a 37 GHz. La densit´e optimis´ee vaut 360 kg m

−3

, environ ´egale `a la densit´e

moyenne des 3 premiers m`etres de neige (Brucker et al.,2011).

La densit´e de la neige de la premi`ere couche de neige est estim´ee `a partir de la

mod´elisation du rapport de polarisation `a 37 GHz (´etape (4) de l’approche), par la

mini-misation de l’´ecart avec les observations, pendant la p´eriode de mesure de la temp´erature

du manteau neigeux, c.-`a-d. entre d´ecembre 2006 et juin 2011. La densit´e est donc choisie

comme le seul param`etre libre de la mod´elisation. L’´epaisseur de la premi`ere couche de

neige est fix´ee `a 2.5 cm et la SSA est fix´ee `a 60 m

²

kg

−1

(valeurs mesur´ees de la SSA de

surface). Les param`etresϕetSSA

_5m

sont ceux issus de l’optimisation (´etape 1).

La figure 6.7 montre l’´evolution de la densit´e de surface estim´ee, ainsi que l’´evolution

de la densit´e mesur´ee de subsurface (observation ponctuelle `a Dˆome C, repr´esentant les 5

premiers centim`etres du manteau neigeux, voir le chapitre3). La valeur absolue des deux

densit´es est du mˆeme ordre de grandeur. L’amplitude des variations est environ 20% plus

forte pour la densit´e estim´ee (l’´ecart-type de la densit´e estim´ee vaut 57.4 kg m

−3

, alors que

celui de la densit´e mesur´ee vaut 48.7 kg m

−3

). La neige la plus proche de la surface est en

effet la plus affect´ee par les conditions atmosph´eriques, et ´evolue donc probablement plus

rapidement et plus intens´ement (densit´e estim´ee sur 2.5 cm alors que la densit´e mesur´ee

int`egre 5 cm sans prendre en compte le givre, voir le chapitre 3). Enfin, les tendances

`

a la baisse de la densit´e estim´ee et mesur´ee `a partir de mars 2010 sont du mˆeme ordre

de grandeur (respectivement −50 kg m

−3

et −40 kg m

−3

par an), avec une probabilit´e

d’obtenir ces tendances sous l’hypoth`ese nulle (Storch and Zwiers, 1999) respectivement

de 12.2% et 4.9%. Les ´evolutions de densit´e montre cependant de grandes variations `a de

courtes ´echelles de temps.

Chapitre 6 :_{Evolution de la densit´e de la neige proche de la surface `}´ _{a Dˆome C}

2009-12-15 2010-03-16 2010-06-15 2010-09-14 2010-12-14

100

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

)

Mesure in situ

Estimation satellite

Tendance mesure in-situ (p = 0.122)

Tendance estimation satellite (p = 0.049)

(a) De d´ecembre 2009 `a janvier 2011

2010-12-14 2011-03-15 2011-06-14 2011-09-13

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

)

Mesure in situ

Estimation satellite

Tendance mesure in-situ (p = 0.122)

Tendance estimation satellite (p = 0.049)

(b) De d´ecembre 2010 `a octobre 2011

Figure6.7 – ´Evolution de la densit´e de la premi`ere couche de neige, estim´ee `a partir de la

mod´elisation deP R

₃₇

, et de la densit´e mesur´ee du haut du manteau neigeux. L’enveloppe

grise correspond `a la variabilit´e spatiale associ´ee `a la mesure de la densit´e.

Les mesures de densit´e montrent visuellement un d´ecalage temporel de deux mois avec

l’estimation satellite. En effet, les mesures de densit´e faible durant le mois de f´evrier 2010,

ainsi que les mesures faibles et variables du mois de juin – juillet 2010, du mois d’octobre

2010 et du mois de juin 2011, correspondent aux estimations satellite deux mois plus tˆot, en

6.6 - Estimation de la densit´e de la premi`ere couche de neige

particulier les tr`es faibles valeurs du mois de d´ecembre 2009. Ce d´ecalage peut s’expliquer

par la hauteur sur laquelle la densit´e est mesur´ee. En effet, comme les mesures int`egrent

5 cm de neige sans prendre en compte les cristaux de givre, les changements de densit´e

affectant les 2.5 premiers centim`etres de neige modifient la mesure de la densit´e avec un

d´ecalage temporel, le temps que de la neige s’accumule en surface. L’erreur quadratique

moyenne, entre les mesures de densit´e et les estimations satellite, diminue en effet de

presque 20% si les dates des mesures sont d´ecal´ees de 39 jours, passant de 135 K `a 113 K.

En conclusion, la mesure ind´ependante de la densit´e montre la coh´erence de la densit´e

estim´ee par satellite, bien qu’elle ne permette pas sa validation, en particulier pour les

variations rapides observ´ees par satellite, puisque `a la fois la r´esolution temporelle et la

repr´esentativit´e spatiale des mesures au sol ne sont pas suffisantes.

La figure 6.8 repr´esente la pr´esence de givre sur la surface et l’´evolution de la densit´e

estim´ee par satellite. La pr´esence de givre, qui tend `a diminuer la densit´e proche de la

surface, permet une deuxi`eme confirmation de la coh´erence de l’estimation de densit´e.

De mani`ere g´en´erale, la densit´e estim´ee est faible lorsque le givre recouvre la surface.

Cependant, cette observation est difficile `a quantifier tout au long de l’ann´ee. La densit´e

des 3 premiers centim`etres de neige ne d´epend en effet pas uniquement de la pr´esence de

givre sur la surface. De plus, la densit´e du givre est variable. En effet, une fine couche

compact´ee par le vent, puis recouverte par des cristaux ´eparses de givre, peut avoir la

mˆeme densit´e qu’une couche de petits grains fins non recouverte de givre. Il est alors plus

significatif de regarder les changements de densit´e estim´ee associ´es aux changements de

l’´etat de surface.

Pour 14 ´episodes de formation de givre, la densit´e estim´ee par satellite diminue pour 10

d’entre eux, avec en moyenne une diminution de−49 kg m

−3

. Les 4 ´episodes de formation

de givre co¨ıncident avec une augmentation mod´er´ee de + 15 kg m

−3

.

Pour 15 ´ev´enements de disparition des cristaux de givre, la densit´e estim´ee augmente

pour 14 d’entre eux, avec une augmentation moyenne de + 47 kg m

−3

. Seul un ´episode

montre une diminution de −10 kg m

−3

.

La corr´elation entre les changements d’´etat de surface et l’´evolution de la densit´e de la

neige proche de la surface valide donc l’´evolution de la densit´e retrouv´ee, mˆeme si elle ne

permet pas non plus de valider les valeurs estim´ees.

6.6.2 Dix ann´ees d’´evolution de la densit´e proche de la surface

Les mesures de temp´erature du manteau neigeux commencent fin 2006, si bien que

la m´ethode pr´ec´edente pour estimer la densit´e proche de la surface ne peut ˆetre utilis´ee

pour les observations satellite ant´erieures `a cette date. Afin d’estimer cette grandeur sur

l’ensemble de la p´eriode d’observation satellite (´etape (5) de l’approche), une

approxi-mation suppl´ementaire sur la temp´erature du manteau neigeux est faite : elle est ´egale

`

a la temp´erature moyenne annuelle, soit 218.4 K (mesure de la temp´erature `a 20 m de

profondeur).

Chapitre 6 :_{Evolution de la densit´e de la neige proche de la surface `}´ _{a Dˆome C}

2009-12-15 2010-03-16 2010-06-15 2010-09-14 2010-12-14

100

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

) _{Givre à la surface}

Estimation satellite

(a) De d´ecembre 2009 `a janvier 2011

2010-12-14 2011-03-15 2011-06-14 2011-09-13

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

) _{Givre à la surface}

Estimation satellite

(b) De d´ecembre 2010 `a octobre 2011

Figure 6.8 – ´Evolution de la densit´e de la premi`ere couche de neige, estim´ee `a partir de

la mod´elisation deP R

₃₇

, et de la la pr´esence de givre, observ´ee `a l’aide des photographies

infrarouges.

6.6 - Estimation de la densit´e de la premi`ere couche de neige

Les param`etres du manteau neigeux sont identiques `a ceux de l’´etape (4). Afin de

prendre en compte l’effet du profil de temp´erature, ainsi que l’effet de la temp´erature de

la couche de surface sur la relation entre densit´e et rapport de polarisation, une relation

moyenne est d´eduite des figures 6.5a et6.6b. Ce choix entraˆıne une l´eg`ere augmentation

de l’amplitude des densit´es estim´ees, `a cause de la perte d’information de temp´erature

(l’´ecart-type, sur les cinq de mesures de la temp´erature, des valeurs de densit´e estim´ee

avec une temp´erature constante est de 59.5 kg m

−3

alors qu’il ´etait de 57.4 kg m

−3

avec

les donn´ees de temp´erature). En ´et´e par exemple, la temp´erature r´eelle sera sup´erieure `a

celle utilis´ee pour inverser la densit´e, entraˆınant que la densit´e estim´ee sera inf´erieure `a la

densit´e r´eelle (diff´erence maximale de 37 kg m

−3

le 5 janvier 2009, voir les courbes verte et

rouge sur la figure6.6b). L’inverse se produira pour les estimations hivernales de densit´e,

avec cependant une diff´erence plus faible, puisque l’effet de temp´erature sur la relation

densit´e de surface – rapport de polarisation diminue avec la temp´erature (voir les courbes

rouge et noir sur la figure6.6b).

2002-06-102003-06-102004-06-092005-06-092006-06-092007-06-092008-06-082009-06-082010-06-082011-06-08

100

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

)

Sans profil de température

Avec profil de température

Figure6.9 – Estimation de la densit´e de la neige proche de la surface pendant l’ensemble

de la p´eriode d’observation satellite.

La figure 6.9montre l’´evolution de la densit´e estim´ee sur les dix ann´ees d’observation

du satellite, en rouge lorsque les donn´ees de profil de temp´erature sont disponibles. Les

´evolutions avec ou sans les informations de temp´erature sont proches, avec une

augmen-tation de l’amplitude lorsque le profil de temp´erature n’est pas disponible, essentiellement

pour les faibles densit´es. Les variations de densit´e sont comprises entre 200 et 500 kg m

−3

avec deux p´eriodes, le mois de d´ecembre 2008 et les mois de d´ecembre 2009 – janvier

2010, qui montrent des tr`es faibles densit´es comprises entre 150 et 200 kg m

−3

, proches

des mesures de densit´e du givre pr´esent sur la surface.

L’´evolution de la densit´e estim´ee de la neige proche de la surface est la combinaison

de variations rapides, allant de la journ´ee `a la semaine, d’un cycle saisonnier montrant

des densit´es plus fortes en hiver qu’en ´et´e, et d’une tendance lin´eaire `a la diminution de

Chapitre 6 :_{Evolution de la densit´e de la neige proche de la surface `}´ _{a Dˆome C}

la densit´e. De plus, des paliers o`u la densit´e augmente sont visibles, en janvier – f´evrier

2007 et en janvier – f´evrier 2010. Le cycle saisonnier pourrait ˆetre li´e `a la pr´esence plus

importante de cristaux de givre pendant l’´et´e (voir le chapitre5). Ce cycle n’est pas caus´e

par une augmentation de la taille des grains proche de la surface au d´ebut de l’´et´e (Picard

et al., 2012b), puisque la taille des grains influencent peu le rapport de polarisation. La

fin de ce chapitre discute uniquement de la tendance pluriannuelle, les variations rapides

ayant ´et´e ´etudi´ees dans le chapitre 5.

2002-06-102003-06-102004-06-092005-06-092006-06-092007-06-092008-06-082009-06-082010-06-082011-06-08

100

200

300

400

500

Densité de la neige proche de la surface (kg m

-3

)

Densité estimée

Moyenne glissante annuelle

Moyenne glissante semi-annuelle

Régression linéaire: ρ = - 13.2 kg m

^-3

a

^-1

(r = -0.55)

Figure6.10 – ´Evolution de la densit´e de la neige proche de la surface et tendance sur dix

ann´ees d’observation satellite.

L’´evolution, durant la p´eriode o`u le profil de temp´erature est mesur´e, montre une

ten-dance de −11.2 kg m

−3

a

−1

. Cette ´evolution est de−10.2 kg m

−3

a

−1

sur la mˆeme p´eriode

sans l’utilisation des profils de temp´erature. Ainsi, la tendance observ´ee sur les dix ans

n’est pas biais´ee par le manque d’information de temp´erature du manteau neigeux.

Finalement, la tendance de la densit´e proche de la surface est de −13.2 kg m

−3

a

−1

pour l’ensemble de la p´eriode observ´ee par le satellite. Cette baisse de la densit´e n’est

pas due `a une ´evolution sur 10 ans de la temp´erature de l’air pour deux raisons : (1) la

temp´erature de brillance aux 6 fr´equences du radiom`etre AMSR-E en polarisation verticale

ne montre aucune tendance significative ; (2) l’influence de la temp´erature sur le rapport

de polarisation est trop faible pour expliquer la tendance observ´ee (une augmentation de

10 K en dix ans entraˆınerait une baisse de la densit´e de moins de 10 kg m

−37

).

7. La temp´erature peut cependant ˆetre en partie responsable du cycle saisonnier.

6.6 - Estimation de la densit´e de la premi`ere couche de neige

La diminution du rapport de polarisation (donc de la densit´e de surface estim´ee)

est aussi visible pour toutes les fr´equences de AMSR-E. Cette observation implique que

l’´evolution observ´ee est effectivement un changement de la neige proche de la surface,

puis-qu’une ´evolution du manteau neigeux profond provoquerait des changements diff´erenci´es

du rapport de polarisation en fonction de la fr´equence. Enfin, le changement observ´e de

densit´e des premi`eres ann´ees n’est pas pris en compte, le profil de densit´e restant constant

sauf pour la premi`ere couche. Ainsi, l’´evolution sur les dix ann´ees pourrait ˆetre l´eg`erement

att´enu´ee par la diminution de la densit´e des couches inf´erieures (voir la figure6.6c).

Rugosit´e de la surface. L’influence de la rugosit´e de surface sur le rapport de

polari-sation est peu connue. Elle est estim´ee faible parM¨atzler(2005) et augmente le rapport de

polarisation selon Shuman et al. (1993). Une rapide discussion th´eorique m`ene au mˆeme

conclusion (voir le chapitre5). Cependant, la quantification de son influence sur PR sera

n´ecessaire dans le futur, notamment l’influence de la rugosit´e de petite ´echelle

⁸

.

Finalement, malgr´e des processus non pris en comptes et les hypoth`eses de mod´elisation

pour l’estimer, la tendance `a la baisse de la densit´e est significative, son intensit´e ´etant

par contre vraisemblablement surestim´ee. Cette tendance est probablement la signature

d’une ´evolution de certaines conditions atmosph´eriques. Le paragraphe suivant discute

bri`evement des causes possibles du changement de l’´etat de surface observ´e lors de ces dix

derni`eres ann´ees.

Les causes possibles. Les principaux processus physiques qui affectent la surface de

neige sont les pr´ecipitations, le vent et le m´etamorphisme. Une ´evolution d’un de ces trois

ph´enom`enes (ou une combinaison des trois) peut expliquer une diminution de la densit´e

de surface :

– Une augmentation des pr´ecipitations. La neige fraˆıche poss`ede en effet une

faible densit´e (Domine et al., 2008). Ainsi, le d´epˆot plus important et/ou plus

fr´equent de pr´ecipitations sur la surface peut entraˆıner une diminution de la densit´e

des premiers centim`etres de neige. Les pr´evisions climatiques pour la fin du si`ecle

pr´evoient par ailleurs une augmentation des pr´ecipitations en Antarctique, li´ee au

r´echauffement de la temp´erature de l’air (Krinner et al., 2007; Meehl et al., 2007).

Cependant, aucune ´evolution des pr´ecipitations au cours des dix derni`eres ann´ees

n’est observ´ee avec les r´eanalyses du centre Europ´een.

– Une diminution de l’intensit´e du vent. Une baisse de l’intensit´e moyenne et/ou

moins d’´episodes de vent fort entraˆıneraient en effet une compaction de la neige du

haut du manteau neigeux moins importante.

– Une augmentation du givre sur la surface. Un temps de pr´esence plus long

des cristaux de givre, ainsi que des cristaux plus d´evelopp´es, peuvent diminuer la

densit´e de la neige proche de la surface.

8. Elle n’a cependant pas pu ˆetre ´etudi´ee lors de ces travaux de th`ese.

Dans le document Evolution de la surface de neige sur le plateau Antarctique : observation in situ et satellite (Page 194-200)