Projet ANR-11-JS56-0005 – MONISNOW : Suivi temporel de la neige dans un climat changeant
Programme : JCJC - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (JCJC SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Ghislain Picard (UNIVERSITE GRENOBLE I [Joseph Fourier])
Partenaires : Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement
Montant : 263000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : MONISNOWSuivi temporel de la neige dans un climat en évolution
Contexte et objectifLe couvert neigeux et l’atmosphère interagissent fortement via les flux d’énergie et de matière qui se produisent à leur interface. L'extension et la distribution géographique du couvert neigeux a une influence notable sur l'albédo planétaire, et est la cause de la principale rétroaction neige-climat et la mieux connue. Cette extension est observée systématiquement à l'échelle de la Terre et elle est relativement bien prise en compte dans les modèles de prévision numérique du temps et du climat. Cependant, il n’en est pas de même des propriétés internes du manteau neigeux, telles que la taille des grains, l’albédo, la densité ou la conductivité thermique. Or ces propriétés évoluent amplement au cours du temps, et ces variations principalement induites par les conditions atmosphériques, ont en retour un impact sur l'atmosphère via le bilan radiatif. Du fait du manque d'observations à long-terme sur les propriétés interne du manteau neigeux ces boucles de rétroaction sont quantifiées. Ce projet a pour ambition de combler ce déficit en proposant 1) de développer une nouvelle génération d'instruments (MONISNOW) capables de caractériser les propriétés physiques du manteau neigeux et de suivre son évolution sous l'influence des changements climatiques du XXIe siècle, puis 2) d'exploiter ces nouvelles observations pour améliorer la modélisation des transferts d’énergie et de matière à l'interface atmosphère-neige et le métamorphisme de la neige. L’objectif final est de transférer ces améliorations dans les modèles de circulation générale, ce qui a terme permettra de mieux quantifier les rétroactions neige-climat.
ApprocheLes instruments MONISNOW permettront de mesurer en continu la taille de grain et la densité dans  le manteau, la rugosité de surface, l'albédo spectral, la profondeur de pénétration de l'énergie solaire dans le manteau, et le profil de température et de conductivité thermique. Ces grandeurs forment un ensemble cohérent qui permet de caractériser de façon exhaustive les flux d'énergie, les gradients de température, le métamorphisme de la neige, et les interactions réciproques entre ces trois composantes. Le principal enjeu de ce projet est de concevoir l'instrument de mesure in situ et  continue de l’évolution de la taille de grain et la densité à plusieurs niveaux dans le manteau. Cet instrument utilisera une méthode de sondage optique, et tirera parti de l'expérience récente mais reconnue de l'équipe. Ce développement nécessitera au préalable des expérimentations originales en laboratoire et des simulations avec un modèle optique existant mais qui sera amélioré. Les instruments MONISNOW seront déployés en Antarctique et dans l'Arctique, deux zones critiques concernant l’évolution actuelle du climat.
Résumé de la soumission : Le couvert neigeux et l’atmosphère interagissent fortement via les flux d’énergie et de matière qui se produisent à leur interface. La principale interaction, et la mieux connue, résulte du fort différentiel d'albédo entre les surfaces enneigées et les autres surfaces. Pour cette raison, l'extension du couvert neigeux fait l'objet d'une observation systématique à l'échelle de la Terre et les modèles de prévision numérique du temps et du climat tiennent compte explicitement de la présence de neige. Au contraire, les propriétés internes du manteau neigeux, telles que la taille des grains, l’albédo, la densité ou la conductivité thermique ne font pas l'objet d'autant d'attention. Or ces propriétés évoluent au cours du temps de façon conséquente sous l'influence des conditions atmosphériques, et en retour, elles ont un fort impact sur l'atmosphère via le bilan radiatif notamment. De nombreuses chaînes de processus constituent ainsi des boucles de rétroaction neige-climat. Si ces rétroactions sont connues dans le principe, elles sont mal quantifiées du fait du manque d'observations à long-terme sur les propriétés internes du manteau neigeux. Ce projet a pour ambition de combler ce déficit en proposant 1) de développer une nouvelle génération d'instruments (MONISNOW) capables d'observer les propriétés physiques du manteau neigeux et de suivre leur évolution sous l'influence des changements climatiques du XXIe siècle, puis 2) d'exploiter ces nouvelles observations pour améliorer la modélisation des flux d’énergie et de matière à l'interface atmosphère-neige et le métamorphisme de la neige. L’objectif final est d’intégrer ces améliorations dans les modèles de circulation générale, ce qui permettra de mieux quantifier certaines rétroactions neige-climat.Les instruments MONISNOW permettront de mesurer en continu la taille de grain, la densité, la rugosité de surface, l'albédo spectral, la profondeur de pénétration de l'énergie solaire, et le profil de température et de conductivité thermique. Ces grandeurs forment un ensemble cohérent pour caractériser les variables controlant les flux d'énergie et le métamorphisme de la neige. Le principal enjeu de ce projet est de concevoir l'instrument pour mesurer in situ l'évolution de la taille de grain et la densité à plusieurs niveaux dans le manteau. Cet instrument utilisera une méthode de sondage optique, et tirera parti de l'expérience récente mais reconnue de l'équipe. Ce développement nécessitera au préalable des expérimentations originales en laboratoire et des simulations avec un modèle optique qui sera amélioré au cours du projet. Les instruments seront déployés en Antarctique, dans les Alpes et au Canada pour couvrir une variété de conditions climatiques.Les données alimenteront les travaux d'amélioration du métamorphisme et des bilans d'énergie et de matière dans le modèle Crocus. Ce modèle développé il y a vingt ans par le Centre d’Étude de la Neige fait l’objet actuellement d'une refonte de son schéma de métamorphisme. Les données MONISNOW permettront de tester ce schéma avec une finesse inégalée car elles apporteront 1) un ensemble complet de variables et 2) l'évolution temporelle continue de ces variables. En parallèle, nous affinerons la modélisation du bilan radiatif et du métamorphisme proche de la surface, en prenant en compte l'influence de l'état de surface (rugosité, présence de givre), la pénétration de l'énergie solaire et les flux de vapeur d'eau. Ces processus qui se déroulent à l'interface neige-atmosphère interagissent fortement entre eux. Ils sont ainsi à la base de nombreuses rétroactions neige-climat.Ces améliorations du modèle de neige Crocus, maintenant partie intégrante du schéma de surface des modèles de Météo-France permettront à terme de conduire des simulations climatiques plus fines sur les régions enneigées.
Résultats : Les données alimenteront les travaux de modélisation sur le métamorphisme et les bilans d'énergie et de matière. Le modèle de neige Crocus développé il y a vingt ans par le Centre d’Étude la Neige fait l’objet actuellement d'une refonte de son schéma de métamorphisme. Les données MONISNOW permettront de tester ce schéma avec une finesse inégalée car elles apporteront 1) un ensemble complet de variables  et 2) l'évolution temporelle précise de ces variables. En parallèle, nous affineront la modélisation du bilan radiatif et du métamorphisme proche de la surface, en prenant en compte l'influence de l'état de surface (rugosité, présence de givre), la pénétration de l'énergie solaire et les flux de vapeur d'eau. Ces processus qui se déroulent à l'interface neige-atmosphère interagissent fortement entre eux et avec le métamorphisme. Ils sont à la base de nombreuses rétroactions neige-climat.
Perspectives : Ces améliorations du modèle de neige Crocus, maintenant partie intégrante du schéma de surface des modèles de Météo-France permettront à terme de conduire des simulations climatiques plus fines sur les régions enneigées.
Publications et brevets : aucune à présent