SURFEX/ISBA-Crocus

Crocus est un modèle de manteau neigeux implémenté et activable dans le module de surface externalisé SURFEX. Il a été implémenté dans ce module, notamment, de manière à être couplé au modèle de sol ISBA (Interactions sol-biosphère-atmosphère [Noilhan and Planton, 1989]) et, plus particulièrement, au modèle de diffusion explicite ISBA-DIF ([Boone et al., 2000]). C’est un modèle multicouche unidimensionnel qui per- met de simuler les propriétés physiques du manteau neigeux et son évolution. Pour cela, il prend en compte les différents échanges de masse et d’énergie qu’il peut y avoir avec l’atmosphère (e.g flux radiatifs, flux de chaleur latente et sensible, précipitations) et le sol (flux de chaleur par conduction). Crocus est discrétisé verticalement grâce à une grille unidimensionnelle d’éléments finis, basée sur plusieurs règles qui permettent d’avoir une stratification verticale réaliste. La première épaisseur est, par convention, la couche atmo- sphère/neige. Par ailleurs, en zone de montagne, elles sont empilées de manière parallèle à la pente. Cette structure nécessite des corrections des flux d’énergie et de masse afin de prendre en compte l’inclinaison de la surface. Chacune d’elles est décrite par différentes

propriétés : son enthalpie, sa température, son épaisseur, sa masse volumique et son âge. D’autre part, certaines propriétés des grains permettant de décrire leur évolution sont également prises en compte : la dendricité (propriété des cristaux de neige récemment tombés), la sphéricité (qui décrit le rapport entre le nombre de grains arrondis et les angu- leux), la taille des grains et une variable permettant de retracer leur historique (notam- ment lors d’une précédente humidification) ([Brun et al., 2012, Vionnet et al., 2012]). Tous ces processus sont résumés dans la figure 1.9.

Figure 1.9 – Schéma récapitulant le fonctionnement de Crocus, les principaux processus physiques représentés ainsi que les variables d’état. (Source [Vionnet et al., 2012])

Pour fonctionner, Crocus a besoin de certaines variables atmosphériques en entrée : — la température et l’humidité spécifique de l’air

— la vitesse du vent

— les rayonnements thermiques infra-rouge et solaire — les précipitations, sous forme de neige et de pluie — la pression atmosphérique

Architecture

Crocus fonctionne en appelant divers modules qui permettent de simuler, de la manière la plus réaliste possible, l’évolution du manteau neigeux ([Brun et al., 2012, Vionnet et al., 2012]). Durant cette thèse, les modules ont été utilisés par défaut, sauf pour la gestion de l’eau

liquide (percolation) où les 3 options disponibles ont été testées. Par souci de clarté, nous parlerons des modules de manière succincte mais nous détaillerons tout de même ces 3 options.

Tout d’abord, chaque chute de neige forme une nouvelle couche que l’on considère. Comme mentionné précédemment, les propriétés des grains de neige sont fonction des conditions atmosphériques, météorologiques en surface et du vent. Celui-ci a pour effet de briser les cristaux de neige fraîche et de réduire leur dendricité. Enfin, la température de la nouvelle couche de neige fraîche est supposée être égale à celle en surface du manteau neigeux où elle se dépose.

Une fois celle-ci déposée, une mise à jour de la stratification est réalisée afin de res- pecter d’une part, le réalisme des manteaux neigeux naturels, et d’autre part le nombre de couches imposées avant modélisation. Après cette mise à jour, ce sont les métamor- phoses des grains qui sont prises en compte, cette caractéristique étant essentielle dans la formation et l’évolution du manteau neigeux (c.f. 1.1.2), ainsi que le tassement des couches du fait de la métamorphose et du poids des couches. La vitesse de tassement est exprimée grâce au poids (contraintes des couches supérieures) et grâce à la viscosité de la neige. Une couche humide accélèrera le tassement tandis qu’une couche constituée de gobelets le limitera. Une fois ces processus appelés, l’effet du vent sur le manteau neigeux et plus particulièrement sur les couches (et les grains) de surface est pris en compte via une paramétrisation empirique. La sublimation des grains pendant le transport n’est pas retenue dans la version que nous avons utilisée. Un module rendant compte de l’albédo et de la transmission du rayonnement solaire (propriétés optiques) est également activé. L’albédo dans le visible est notamment exprimé en fonction de l’âge de la couche de surface afin de prendre en compte les dépôts d’impuretés diverses progressifs. Par la suite, un bilan d’énergie de surface est réalisé en considérant les rayonnements, solaire et thermique, ainsi que les flux de chaleur sensible et latente.

Les modules liés à la fonte sont ensuite activés. Pour cela, il est nécessaire de résoudre le profil de température dans le manteau neigeux en fonction des conditions limites. En- suite, plusieurs étapes sont possibles. Premièrement, si le flux d’énergie permet de faire fondre intégralement la couverture neigeuse, celui-ci disparait avec la redistribution des flux aux interfaces. Puis, si cela n’est pas suffisant, ce même processus est mené pour l’ensemble des couches simulées. Dans le cas où le flux d’énergie permet de faire fondre la couche, celle ci fusionne avec la couche adjacente qui possède les propriétés morpholo- giques les plus proches. Pour la gestion de l’eau liquide, 3 options de percolation basées sur le même processus de réservoir sont disponibles ([Lafaysse et al., 2017]). Chaque épaisseur est considérée comme un réservoir d’eau liquide et lorsque le seuil maximum

Figure 1.10 – Architecture d’appel des modules de formation et d’évolution du manteau neigeux dans Crocus (d’après [Brun et al., 2012, Vionnet et al., 2012]).

de rétention est dépassé, l’excès d’eau est transféré à la couche sous-jacente. L’option B92 est utilisée par défaut ([Brun et al., 1992]), et pour cette option le volume des pores est fixé à un pourcentage maximal ([Pahaut, 1975]) tel que :

avec wliq,max la capacité de rétention maximale de l’eau de la couche,φ = ρ−wliq

ρi la

porosité de la neige, ρw la densité de l’eau liquide et ρi la densité de la glace pure.

Cette relation décrit une décroissance de la capacité de rétention maximale avec l’aug- mentation de la densité. L’option SPK utilisée dans le modèle de neige SNOWPACK ([Bartelt and Lehning, 2002]) basée sur les résultats de [Coléou and Lesaffre, 1998] est

aussi implémentée. Sa capacité de rétention maximale s’exprime comme suit ([Wever et al., 2014, Lafaysse et al., 2017]) : wliq,max=      ρw× (0.08 − 0.1023(0.97 − φ)) siφ ≥ 0.77 ρw×  0.0264 + 0.0099_1−φφ  sinon (1.14)

L’option du modèle de neige ISBA-ES (B02 [Boone, 2002]) y est également incluse. Cette option fournit une capacité de rétention maximale définie par une fraction massique d’eau liquide maximale. Sa formulation est :

wliq,max=

ρ ρw

rmin+ (rmax− rmin)max 0,

ρr− ρ

ρr

!!

(1.15)

avec rmax = 0.1 et rmin = 0.03 pour des valeurs de densité supérieures à ρr =

200kg.m−3 et pouvant aller jusqu’à 0.05 pour les plus faibles densités.

Pour les trois options, le contenu en eau est mis à jour afin d’inclure les chutes de pluie, la condensation ou l’évaporation de surface. Le calcul du déficit énergétique est réalisé et, en cas de regel, le contenu en eau liquide est réduit. Pour ce qui est de l’écoulement à la base du manteau neigeux, les ruissellements se feront en fonction de la qualité du sol sous-jacent. Enfin, le dernier module appelé est celui qui calcule la sublimation de la neige ainsi que le dépôt de givre en surface. Dans Crocus, l’épaisseur de la couche en surface est modifiée et non sa masse volumique.