Etude de la sensibilité des modèles de neige à la simulation des flux d’énergie à l’interface sol-neige

Titre : Etude de la sensibilité des modèles de neige à la simulation des flux d’énergie à l’interface sol-neige.

Laboratoire de rattachement : CNRM-UMR3589/CEN, Grenoble

Encadrant : Matthieu Lafaysse

Téléphone : 0476637928

Co-Encadrant : Marie Dumont

Téléphone : 0476637907

Mots clés : neige, sol, modélisation

Contexte et objectifs de la mission de stage :
La modélisation numérique de la neige a longtemps ignoré les flux d’énergie à l’interface sol-neige considérant que l’évolution du manteau neigeux saisonnier est souvent dirigée par les échanges énergétiques avec l’atmosphère à la surface du manteau neigeux (e.g. Brun et al, 1989 ; Bartelt et Lehning, 2002). Plusieurs études suggèrent toutefois que les échanges à l’interface sol-neige sont particulièrement importants sur les manteaux neigeux transitoires avec des exemples sur les moraines des glaciers tropicaux (Lejeune et al, 2007 ; Wagnon et al, 2009) ou sur la tenue de neige sur chaussée routière (Bouilloud et Martin, 2006). Les échanges sol-neige peuvent également avoir un impact sur le régime hydrologique de bassins versants enneigés (Habets et al, 2003). Les versions les plus récentes des modèles de neige les plus détaillés sont maintenant couplées à des schémas physiques représentant les échanges d’eau et d’énergie dans le sol pour autoriser ces diverses applications. Par exemple, les modèles de neige Crocus (Vionnet et al, 2012) et ISBA-ES (Decharme et al, 2016) sont couplés au schéma de sol ISBA-DIF (Decharme et al, 2011, 2013) au sein de la plateforme SURFEX. Pourtant, la sensibilité des manteaux neigeux saisonniers à la simulation explicite des flux d’énergie entre le sol et la neige est encore peu documentée et mal comprise. Des résultats préliminaires montrent une grande variabilité de cette sensibilité selon les sites et les saisons.

L’objectif de ce stage sera de mener plusieurs expériences numériques pour mieux comprendre les situations (spécificités des sites ou des conditions météorologiques de la saison) dans lesquelles l’évolution du manteau neigeux est sensiblement affectée par un flux différent d’un flux moyen ou d’un flux climatologique. Pour cela, des simulations seront réalisées avec les deux schémas de neige Crocus et ISBA-ES en dégradant plus ou moins leur couplage avec le schéma de sol (remplacement du schéma ISBA-DIF par un flux constant, un flux climatologique, une version force-restore du schéma ISBA) et en faisant varier les variables décrivant la texture du sol et/ou les fonctions de pédotransfert. Pour prendre en compte la variabilité entre sites tout en s’affranchissant autant que possible des incertitudes liées au forçage météorologique des modèles, les simulations seront réalisées sur les sites fortement instrumentés du Col de Porte (Isère, Morin et al, 2012), de Sodankylä (Finlande, Essery et al, 2016), et du Weissfluhjoch (Suisse, WSL, 2015). On s’attachera en particulier à évaluer l’impact de la qualité de la simulation du profil de température dans le sol sur la qualité globale de la simulation du manteau neigeux (en termes de hauteur de neige, densité, écoulement à la base, profil de température et propriétés de surface).

La thématique de ce stage étant de la modélisation numérique pure, elle nécessite un goût et des compétences en programmation informatique.

Bibliographie :
Bartelt, P. and Lehning, M. : A physical SNOWPACK model for the Swiss avalanche warning : Part I : numerical model, Cold Reg. Sci. Technol., 35, 123–145, 2002.
Bouilloud, L. and E. Martin, A coupled model to simulate snow behavior on roads, J. Appl. Met., 45(3), 500-516, 2006.
Brun, E., Martin, E., Simon, V., Gendre, C., and Col ́eou, C. : An energy and mass model of snow cover suitable for operational avalanche forecasting, J. Glaciol., 35, 333–342, 1989.
Decharme B., A. Boone, C. Delire, and J. Noilhan, Local evaluation of the Interaction between Soil Biosphere Atmosphere soil multilayer diffusion scheme using four pedotransfer functions, 2011, J. Geophys. Res., 116, D20126, doi:10.1029/2011JD016002.
Decharme B., E. Martin, and S. Faroux (2013), Reconciling soil thermal and hydrological lower boundary conditions in land surface models, J. Geophys. Res. Atmos., 118, doi:10.1002/jgrd.50631.
Decharme, B., Brun, E., Boone, A., Delire, C., Le Moigne, P., and Morin, S. : Impacts of snow and organic soils parameterization on northern Eurasian soil temperature profiles simulated by the ISBA land surface model, The Cryosphere, 10, 853-877, doi:10.5194/tc-10-853-2016, 2016.
Essery, R., Kontu, A., Lemmetyinen J., Dumont M. and Ménard C., A 7-year dataset for driving and evaluating snow models at an Arctic site (Sodankylä, Finland), Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 5, 219–227, doi:10.5194/gi-5-219-2016, 2016
Habets, F., Boone, A., Noilhan, J., 2003. Simulation of a Scandinavian basin using the diffusion transfer version of ISBA. Glob. Planet. Change 38, 137–149.
Lejeune, Y., P. Wagnon, L. Bouilloud, P. Chevallier, P. Etchevers, E. Martin, E. Sicart and F. Habets : Melting of snow cover in a tropical mountain environment in Bolivia : Processes and modeling, J. Hydromet., 8(4), 922-937, 2007.
Morin, S., Lejeune, Y., Lesaffre, B., Panel, J.-M., Poncet, D., David, P., and Sudul, M. : An 18-yr long (1993–2011) snow and meteorological dataset from a mid-altitude mountain site (Col de Porte, France, 1325 m alt.) for driving and evaluating snowpack models, Earth Syst. Sci. Data, 4, 13–21, doi : 10.5194/essd-4-13-2012, 2012
Vionnet, V., Brun, E., Morin, S., Boone, A., Martin, E., Faroux, S., Le-Moigne, P., Willemet, J.M., 2012. The detailed snowpack scheme Crocus and its implementation in SURFEX v7.2. Geosci. Model Dev. 5, 773–791. http://dx.doi.org/10.5194/gmd-5-773-2012.
Wagnon, P., M. Lafaysse, Y. Lejeune, L. Maisincho, M. Rojas, and J. P. Chazarin, Understanding and modeling the physical processes that govern the melting of snow cover in a tropical mountain environment in Ecuador. J. Geophys. Res., 114, D19113, doi:10.1029/2009JD012292, 2009.
WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF : Meteorological and snowpack measurements from Weissfluhjoch, Davos, Switzerland, Dataset, doi:10.16904/1 , 2015.