Observation et modélisation des flux d’énergie en surface de neige sous canopée

Encadrement 
Jean-Emmanuel Sicart (jean-emmanuel.sicart ird.fr), IGE – Grenoble (Bât OSUG-B - 460 rue de la piscine - Domaine universitaire 38 400 St Martin d’Hères)
Isabelle Gouttevin (isabelle.gouttevin irstea.fr), IRSTEA – Grenoble (2 Rue de la Papeterie, 38402 Saint-Martin-d’Hères)

Contexte
Le couvert forestier joue un rôle important dans la modulation de la neige au sol : alors qu’une part de la précipitation neigeuse est interceptée par les branches et partiellement sublimée, la présence de forêt impacte également fortement le bilan d’énergie de surface via l’ombrage, le rayonnement thermique des arbres, l’atténuation du vent modifiant les échanges turbulents… Ces modifications ont des conséquences importantes pour l’évolution de la neige au sol et notamment sa fonte. La forêt recouvrant environ 20% des zones saisonnièrement enneigées dans l’hémisphère nord, il est important de comprendre et modéliser les interactions neige-forêt, tant pour des raisons climatiques qu’hydrologiques.
Au cours de l’hiver 2016-2017, à l’occasion du projet SNOUF (SNOw Under Forest, Labex OSUG 2020), de nombreuses données d’observation du couvert nival et des rayonnements sous forêt ont été collectées sur une parcelle de conifères sur le site du Col de Portes, proche de Grenoble. Elles sont complémentées par des observations météorologiques, de températures et/ou flux thermique à différentes profondeur dans le sol, et d’une caractérisation fine de la canopée et de sa variabilité spatiale (photos hémisphériques, vols lidar).

Objectifs et méthodes

Ces données offrent une opportunité d’évaluer les performances et limites des modélisations actuelles de la neige sous forêt. En particulier, le modèle de neige détaillé SNOWPACK, développé au Snow and Avalanche Research Institute (Davos, Suisse), a été récemment amélioré dans sa représentation des interactions neige-forêt, via la prise en compte de l’inertie thermique des arbres et une formulation bi-couche des canopées (Gouttevin et al., 2015). La qualité de cette modélisation n’a pu être estimée que dans un nombre limité de contextes forestiers. La variabilité spatiale du couvert forestier au Col de Porte, et les observations radiométriques distribuées de l’hiver 2016-2017, permettent de combler ces lacunes. Par ailleurs, les observations de température des sols au Col de Portes permettent d’étayer la représentation des flux thermiques dans la neige et dans le sol, souvent peu validés dans de ce type de modèles.

Ce stage aura 3 objectifs :
• Evaluer la qualité de la modélisation de la neige sous forêt dans le modèle SNOWPACK sur le jeu de données SNOUF 2016-2017. On s’intéressera en particulier aux paramétrisations des variabilités spatiales et temporelles des transferts radiatifs dans la canopée : transmissivité du rayonnement solaire et émissivité en rayonnement infrarouge
• Participer à la campagne d’observation de la neige sous forêt 2017-2018 (installation, maintenance et suivi des radiomètres, mesures de neige).
• Caractériser les flux de conduction de chaleur dans le sol par analyse des variations temporelles des températures à différentes profondeurs, et les comparer aux sorties de modèles.
Qualités requises :
Ce stage suppose des compétences de base en traitement de données (logiciel R ou Matlab) et en modélisation (le langage du modèle SNOWPACK est le C++ mais des connaissances de base dans un autre langage conviendront), ainsi qu’un intérêt pour la micro-météorologie, les flux d’énergie, l’observation et les processus de fusion de la neige.
Il suppose également une bonne capacité d’interaction et coordination avec les équipes techniques et scientifiques impliquées dans le projet SNOUF à l’IGE, l’IRSTEA et au CEN.

Références
Gouttevin, I., Lehning, M., Jonas, T., Gustafsson, D, Moelder, M. (2015). A two-layer canopy model with thermal inertia for an improved snowpack energy balance below needleleaf forest (model SNOWPACK, version 3.2.1, revision 741). Geoscientific Model Development, 8, 2379-2398, doi:10.5194/gmd-8-2379-2015.
Lejeune, Y. et l’équipe du projet SNOUF (2016). Dispositif expérimental déployé dans le cadre du projet Snow Under Forest (SnoUF). Document technique, 21p.
Ramseyer, V (2017). Étude des variabilités spatiale et temporelle des rayonnements solaire et infrarouge sous la canopée (Col de Porte, France). Rapport de stage de Master 2 de l’Université Grenoble Alpes, 34p.
Rutter, N., et al. (2009), Evaluation of forest snow processes models (SnowMIP2), J. Geophys. Res., 114, D06111, doi:10.1029/2008JD011063.