Désagrégation du bilan de masse en surface de la calotte polaire Antarctique

1

Thèse dirigée par

Vincent FAVIER et Christophe GENTHON

12 Novembre 2009

Séminaire de 2ème année

Cécile AGOSTA

2 Futur :

➥ _{Quelle augmentation des flux de glace ?}

➥ _{Quelle évolution du Bilan de Masse de Surface (BMS) ?}

Krinner et al., 2007 2038 Gt/an [ 5,6 ] 2470 Gt/an [ 6,8 ] +432 Gt/an BMS 1980-2000 2080-2100 21ème _siècle Rignot et al., 2008 2055 ± 122 Gt/an [ 5,7 ± 0,3 ] 2193 ± 30 Gt/an [ 6,1 ± 0,1 ] -138 ± 92 Gt/an Année 2000 BMS Flux de glace Bilan net

[+0,4 ± 0,25 mm/an eq. océan ]

Incertitudes importantes sur le Bilan de Masse. Exemple :

BMS : contribution potentiellement importante au niveau des mers

& Niveau des mers

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Zones côtières enneigées et ventées Plateau froid et aride

1200 1000 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 mm eq.e. a-1 Arthern et al., 2006

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Antarctique

Importance de la zone côtière dans l’évolution du BMS

Évolution du BMS entre 1981-2000 et 2081-2100

Précipitations neigeuses (mm eq.e. an-1₎

Modèle LMDZ4

5 Champs grande échelle

Mesures de terrain Directes Précises Ponctuelles Éparses Mesures satellite Indirectes Grande échelle Modèles de climat Résolution 60 km Processus méso-échelle Circulation cyclonique Désagrégateur Résolution 15 km

Processus échelle locale

Topographie fine

Redistribution par le vent

Validation

7

8

L’Observatoire Glacioclim-SAMBA

Ligne de balise (depuis 2004)

 _{Mesures annuelles}

 _{émergence + densité}  _{91 balises sur 156 km}

Cap Prud’homme

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

9

Transect Glacioclim-SAMBA

10

Transect Glacioclim-SAMBA

1ère _{Composante Principale (mm eq.e. a}-1₎

km depuis la côte R = 0.96

11

Observations utilisées pour l’évaluation

km depuis la côte

Transect 2004-2008 reconstitué avec la 1ère _{Composante Principale}

Moyennes sur 20 km B M S , m m e q .e . a -1

12

Comparaison avec des mesures IPEV

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

Mesures d’émergence de l’IPEV : 1971 à 1991

0 33 km de la ligne actuelle➙

13

Transect vs IPEV : variabilité spatiale

 _{Variabilité spatiale stationnaire}

km depuis la côte IPEV 1971-1991 Transect 2004-2008 B M S ( m m e q .e . a -1 )

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Transect vs IPEV : variabilité temporelle

BMS moyen mm eq.e. a-1 B M S m o y en m m e q .e . a -1 E ca rt -t y p e m m e q .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}

IPEV Transect

Hypothèse

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Modèle Type Région Résolution

LMDZ4 Circulation Générale Global_{Zoomé aux pôles} 60 km ECMWF

ERA-40 Analyses météorologiques Global 60 km MAR* Régional (forcé ERA-40) Antarctique 40 km MM5 Régional (forcé ERA-40) Antarctique 60 km

Modèles évalués

Période considérée

1981-2000 * Neige soufflée prise en compte

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Variabilité spatiale en zone côtière

LMDZ4 ECMWF MM5 Transect MAR km depuis la côte BMS, mm eq.e. a-1 1981-2000 2004-2008

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Distribution spatiale du BMS

1981-2000

18

Variabilité temporelle en zone côtière

13 km 160 km LMDZ4 ECMWF MM5 MAR Transect IPEV Transect BMS, mm eq.e. a-1

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Variabilité temporelle en zone côtière

13 km 160 km LMDZ4 ECMWF MM5 MAR Transect IPEV Transect p = 0,05 p = 0,005 R IPEV 11 ans MAR 0,66 MM5 0,77 ECMWF 0,65

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côtière

Transect Glacioclim-SAMBA

Variabilité spatiale stationnaire

IPEV (20 ans) et Transect (5 ans) : caractéristiques du BMS inchangées

Évaluation des modèles en zone côtière

BMS moyen Variabilité _spatiale Amplitude _{temporelle interannuelle}Chronologie

LMDZ4

✗

✓

✓

ECMWF

✓

✗

✗

✓

MM5

✓

✓

✗

✓

21

côtière

Évaluation des modèles en zone côtière

MAR modifié

‣ _{Modification de l’assimilation des données aux bords}

‣ _{2 fois plus de précipitations en zone côtière}

‣ _{Simulation en cours}

BMS moyen Variabilité _spatiale Amplitude _{temporelle interannuelle}Chronologie

LMDZ4

✗

✓

✓

ECMWF

✓

✗

✗

✓

MM5

✓

✓

✗

✓

22

23

Climatologie de référence : Arthern et

al., 2006

Micro-ondes P-P_{0 Modèle d’ébauche}

Mesures de terrain

24

Contrôle du modèle d’ébauche

Modèle d’ébauche Climatologie d’Arthern

900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 mm eq.e. a-1

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Comparaison avec le Transect

Peu de variabilité en région côtière

_{Le modèle d’ébauche peut-il reproduire la variabilité observée ?}

km depuis la côte B M S , m m e q .e . a -1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 mm eq.e. a-1 Climatologie d’Arthern Transect Arthern

26

Limites 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 ?}

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Limites du modèle d’ébauche

Reproduit les variations observées

_{Paramètres sortant des gammes usuelles}

km depuis la côte B M S , m m e q .e . a -1 900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 70 50 30 20 10 0 mm eq.e. a-1 Modèle d’ébauche Transect Modèle d’ébauche

28

Limites du modèle d’ébauche

29

Conclusions et perspectives

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Résolution actuelle : ~ 60 km Résolution désirée : ≤ 15 km

Domaine spatial

Antarctique (5600 km x 5600 km)

Estimation du BMS

Précipitation, Sublimation, Fonte, Neige soufflée

➙ Modèle à temps de calcul réduit Echelle de temps

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Sorties du modèle grande échelle

Vents/Pression/Température/Humidité/...

Pas de temps : 6H

Topographie fine

Désagrégation des précipitations

Désagrégation du bilan d’énergie Précipitations désagrégées

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précipitations

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Grille du modèle large échelle Grille stéréographique fine ➙

Champs interpolés Champs recalculés

• _{Vent horizontal U,V}

• _{Température potentielle θ}

• _{Humidité spécifique q}

Ps P

Topo fine

+ Hypothèse hydrostatique

+ Gradient de température constant

35

Désagrégation en sortie de n’importe quel modèle

➞ Maillages de types très différents

36

Méthode

Projection des points de la grille haute en stéréographique

37

Méthode

38

Méthode

Triangularisation «quelconque» de la grille haute

Triangularisation «optimale» de la grille haute

39

Méthode

Projection du point de grille dans le repère local Triangularisation «quelconque» de la grille haute

Triangularisation «optimale» de la grille haute

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WL : vitesse verticale grande échelle interpolée

En surface : vent tangent à la topographie ➙ nouvelle vitesse verticale en surface Ws

W = WL+WT

WT dépend de : Vent horizontal, Fréquence de Brunt-Vaisala

Équation de bilan de la quantité de mouvement + Equation de continuité

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précipitation

Ascendance Refroidissement adiabatique q➙ ➙ sat ↓

Intégration de Clausius-Clapeyron à saturation :

Δqsat = F×W avec F=fonction(qsat,T,P)

lorsque q≥qsat et W vers le haut

q=qsat(t1) q=qsat(t2) Δqsat z W ⇒ Δqsat×ρ = précipitation

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Temps de calcul : 1/2 H par mois 25 jours pour 100 ans➙ 5000₃₀₀₀

1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0 Précipitations interpolées 180 mm/an Précipitations désagrégées 130 mm/an

1987

43

précipitation

Précipitations désagrégées & interpolées 209 mm/an

La désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique

44

précipitation

La désagrégation n’est valable que pour des précipitations par ascendance et refroidissement adiabatique

Précipitations par refroidissement adiabatique Autres modes de précipitation

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

Différenciation

Stratégie :

45

précipitation

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)

➙ Peut être résolu par une discrétisation temporelle plus fine

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Apports

Inconvénient

• _{Discrétisation temporelle plus fine}

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d’énergie

48

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

×

z Var

49

désagrégées

Précipitations

désagrégées & interpolées Précipitations extrapolées Précipitations désagrégées

1987

50 5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 0.01 0 -15 BMS Sublimation Fonte

1987

51

Tests sur la méthode d’extrapolation

➙ Application à certaines variables lors de la désagrégation des précipitations ? (Vent horizontal par exemple)

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Décembre 2009 - Février 2010

Mesures glaciologiques Cap Prud’homme

Mars - Juin 2010

Masque désagrégateur de précipitation Implémentation advection

Couche limite MAR dans DSE

Juillet - Septembre 2010

Fin implémentation advection Faire tourner le désagrégateur

Octobre 2010 - Février 2011

Faire tourner le désagrégateur Climatologie du BMS : krigeage Mars - Août 2011 Rédaction thèse Papier Krigeage ? Papier Désagrégateur Corrections finales

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précipitation

Pas de dynamique (coûteux en temps de calculs)

• _{Pas de rétro-action de la physique sur la dynamique}

• _{Pas de contournement du relief}

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précipitation

Précipitations grande échelle

Précipitations désagrégées

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Variabilité temporelle en zone côtière

13 km 160 km LMDZ4 ECMWF MM5 MAR Transect IPEV Transect p = 0,05 p = 0,005 R ECMWF IPEV

11 ans 20 ans 11 ans

MAR 0,65 0,76 0,66

MM5 0,88 0,85 0,77