Le transport éolien de la neige a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Le transport de la neige par le vent joue un rôle important dans l’interaction entre la cryosphère et l’atmosphère.
La neige : de sa formation à son transport
Formation dans l’atmosphère
Accumulation et évolution dans le manteau neigeux
La taille et la forme des flocons de neige dans ces couches changeront. La densité de la couche de neige exposée au vent augmente et la granulométrie diminue.
Physique du phénomène de transport
- Mise en mouvement des particules
- Trois modes principaux de transport
- Transport en saltation
- Transport en suspension turbulente
Le transport de neige est observé lorsque la vitesse du vent est supérieure à la vitesse limite de transport décrite dans la section précédente. Saltation : Les grains arrachés à la surface du manteau neigeux suivent des trajectoires de type balistique.
Des conséquences à des échelles variables
Impact sur les infrastructures
Un bâtiment peut donc être partiellement enseveli sous la neige, limitant son accès et potentiellement engendrant des coûts d'exploitation supplémentaires.
Redistribution de la neige en zone de relief complexe
Figure 1.8 – Différence d'épaisseur de neige mesurée par laser terrestre sur le site de Wannengrat (Alpes suisses) pour deux épisodes de transport. Prédire la formation de ces accumulations typiques nécessite une bonne connaissance des conditions de vent et de neige en altitude.
Bilan de masse des régions enneigées
La modélisation du transport de la neige par le vent
Classification des modèles selon leur application
Ils visent à représenter la redistribution de la neige avec le vent, mais n'utilisent pas la topographie réelle. Les modèles atmosphériques, incluant le transport éolien de la neige, permettent de simuler directement ce phénomène et les rétroactions existantes sur la couche limite superficielle.
La modélisation distribuée en zone de relief alpin
Lors d'une simulation, le champ de vent correspondant à la situation météorologique observée est extrait de la bibliothèque puis utilisé pour forcer le modèle de transport SnowTran3D (Liston et al., 2007). L'utilisation du modèle ARPS par Lehning et al. 2010) s’appuie également sur une bibliothèque de champs éoliens.
L’apport potentiel des modèles atmosphériques en zone de relief alpin
Seuls deux modèles de transport utilisés en conditions alpines incluent un modèle détaillé du manteau neigeux : Crocus (Brun et al. Il est donc désormais possible d'intégrer un module de transport neige-vent dans un modèle atmosphérique à échelle fine et de l'utiliser pour simuler de manière interactive la redistribution de la neige entre épisode de transport dans la ceinture alpine.
Objectif général et plan de la thèse
- Objectif général et déroulement de la thèse
- Plan du manuscrit
- Présentation générale
- Principales paramétrisations
- Utilisation en relief complexe
Leur connexion à une simulation intégrée du transport de neige par le vent est présentée plus loin (Chap. 5). Il est donc possible de simuler explicitement le transport de la neige par le vent dans le domaine alpin avec Meso-NH.
Le modèle de manteau neigeux Crocus
Présentation générale
La simulation explicite du type de grain de neige et la stratigraphie détaillée du manteau neigeux font de Crocus un outil intéressant pour étudier le transport de la neige par le vent. Les paramètres utilisés dans Crocus pour simuler le transport de la neige par le vent sont détaillés en 5.3.
Introduction de Crocus dans la plateforme SURFEX
Une description complète de la dernière version de Crocus est donnée dans Vionnet et al. Cette version a été développée au cours de cette thèse en collaboration avec le groupe climat du CNRM de Toulouse et du CEN de Grenoble sur la base des versions précédentes de Crocus.
Synthèse du chapitre
Localisation et géographie
Le Col du Lac Blanc est situé à 2720 m d'altitude dans le massif des Grandes Rousses à proximité de la station de ski de l'Alpe d'Huez (Fig. Le site expérimental d'orientation particulière du Col du Lac Blanc est un des points forts du Col.
Dispositif expérimental de long terme
Figure 3.1– Cartes montrant la localisation du site expérimental du Col du Lac Blanc et le système en place avant l'hiver 2010/2011. L'effet du Dôme des Petits Rousses sur les vents locaux au Col est observé par l'absence de vents d'ouest à la station du Lac Blanc, alors que de tels vents sont observés à la station du Dôme.
Occurrence du transport de neige par le vent sur un site alpin
Résumé de l’article
La fréquence d'apparition des épisodes de transport est contrôlée par l'intensité du vent et l'âge de la neige. Ainsi, 85 % des épisodes de transport sont observés lors des chutes de neige ou moins d’un jour après la fin des précipitations.
Article
We investigated the occurrence of blowing snow events for given wind speed and snow age. 6. Distribution of the duration of blowing snow events: with (light gray) and without (dark gray) simultaneously falling snow.
Conclusion du chapitre
- Description générale
- Mesures de flux de particules
- Mât de mesures INEV
- Laser terrestre
Les mesures de l'épaisseur de la neige avant et après les épisodes de transport ont été effectuées à l'aide d'un laser au sol (Riegl LPM 321) par Alexander Prokop (Université BOKU). 1Une valeur approximative, car la hauteur varie en fonction de la hauteur de la neige sous le mât.
Présentation des campagnes de mesure
Campagne 2011
Campagne 2012
WNWNNEESESSWW Période de mesures nettes. Période de mesures nettes. moyenne) et un récapitulatif des mesures prises.
Analyse des données collectées sur le mât INEV
- Données disponibles
- Méthode d’analyse des profils
- Estimation des conditions de stabilité de l’atmosphère
- Comparaison aux mesures d’un anémomètre sonique
- Estimation des longueurs de rugosité
Effets de la poussée thermique La figure 4.9 montre l'évolution de l'indice de Monin-Obukh ζM O en fonction de la vitesse de frottement obtenue par Fit M.O. L'analyse des données recueillies sur le mât de l'INEV (1964) a montré que la rugosité longitudinale est proportionnelle à la hauteur de la couche de bacon par rapport à.
Analyse des mesures de flux de particules
- Données disponibles
- Méthode d’analyse des données
- Variabilité spatiale des flux
- Comparaison de deux techniques de mesure : filet et SPC
- Profil vertical de concentration et type de particule transportée
Il explique cette différence par l'influence de la forme des particules de neige en suspension. Conclusion Les profils de concentration verticale des particules de neige transportées et collectées au Col du Lac Blanc ont été analysés.
Suivi de hauteur de neige : Laser terrestre
- Données disponibles
- Hauteur de neige autour du Col du Lac Blanc
- Évolution au cours de la campagne 2011
- Transect dans l’axe du Col du Lac Blanc
L'évolution de la moyenne et de l'écart type de l'épaisseur de neige pour les parties nord et sud du Col du Lac Blanc est illustrée sur la figure 4.23. Une coupe verticale selon l'axe du Col du Lac Blanc montre l'évolution de l'épaisseur de neige au cours de la campagne.
Conclusion du chapitre
Des mesures régulières entre les épisodes de transport ont permis de réaliser des cartes des différences d'épaisseur de neige. Les données collectées au cours de ces deux campagnes constituent un outil d'évaluation complet des modèles de transport de neige par le vent.
Présentation générale
La simulation du transport de neige par le vent nécessite de connaître à la fois l'état de la neige au sol et les conditions atmosphériques près de la surface à une échelle spatiale suffisamment fine. La modélisation de la neige de surface et de son transport en saltation est ensuite détaillée.
Transport en suspension turbulente
Distribution en taille des particules
De nombreux modèles de transport de neige incluant une description de la distribution granulométrique (Mann, 1998; Bintanja, 2000a; Déry et Yau, 2001; Yang et Yau, 2008) supposent que les grains de neige ont une forme sphérique. Par exemple, le rapport de mélange de la neige en suspension, qs (kg kg−1), peut être calculé : il est proportionnel au moment d'ordre 3 de la distribution suivante.
Représentation de cette distribution
L'étude des profils de concentration verticaux collectés en Terre Adélie et au Col du Lac Blanc lors de la campagne INEV (section 4.4.5) tend à démontrer que la forme asphérique des particules a une influence sur la forme des profils de concentration. . Cette dernière a tendance à évoluer au cours d'un épisode de transport, traduisant une évolution de la forme des particules et donc de leurs propriétés aérodynamiques.
Equations d’évolution
La sublimation de la neige entraîne une réduction du nombre et de la masse des particules en suspension. Le module de transport de neige avec le vent 101 de diffusion moléculaire de la vapeur d'eau dans l'air (m2 s−1), Kair la conductivité thermique de l'air (J m−1 s−1 K−1) et Ls la chaleur latente de sublimation de glace (J kg−1).
Neige en surface et transport en saltation
Occurrence du transport
Guyomarc'h et Mérindol (1998) ont quantifié l'intensité de l'érosion neigeuse avec l'indice de transport (SI), qui est positif lorsque la neige s'érode. Nous dérivons l'expression de la vitesse limite de transport à 5 m, U5t, en supposant que SI est égal à 0 au seuil de transport.
Transport en saltation
Le module de transport vent-neige 103 Flux de neige Doorschot et Lehning (2002) ont montré que la formulation de Sørensen (1991) pour le flux total de sable transporté lors de la formation du sel peut être appliquée à la neige. Il serait cependant intéressant de le tester en relation avec d’autres mesures de débit de neige salée.
Érosion et accumulation
Contribution de la formation de sel À chaque point de la grille où l'occurrence du transport est simulée, Meso-NH/Crocus calcule un flux de particules de neige salée, QSalt (équation 5.16). Dans la version actuelle du modèle, les propriétés de la neige déposée lors du transport ont été corrigées (Tab. 5.1).
Couplage surface-atmosphère
Motivations
Ses propriétés (densité, sphéricité, dendricité) correspondent à une valeur moyenne entre les propriétés de la neige dues aux précipitations et celles dues au transport. Une méthode envisagée consiste à introduire une variable supplémentaire dans Meso-NH qui caractérise les propriétés de la neige éjectée et évolue dans le temps.
Le module de Couche Limite de Surface Canopy
Canopy est introduit dans SURFEX et permet d'ajouter des niveaux atmosphériques supplémentaires entre le premier niveau du modèle atmosphérique et la surface. Canopy permet donc d'augmenter la résolution verticale proche de la surface dans le modèle de surface sans appliquer cette contrainte au modèle atmosphérique.
Introduction des variables de neige dans Canopy
Le schéma de turbulence utilisé dans Canopy est identique au schéma Meso-NH (Cuxart et al., 2000). Le calcul d'advection n'est pas effectué à chaque niveau de canopée, mais doit être effectué en Méso-NH (Figure 5.4).
Synthèse du chapitre
- Configuration du modèle
- Influence du paramètre de forme α
- Influence du rayon moyen r msalt dans la couche de saltation
- Conclusion
Il s'agit par exemple du paramètre de forme de la répartition granulométrique (α) ou de leur rayon dans la couche de saltation (rmsalt). Ainsi, la distribution granulométrique est contrôlée par le paramètre de forme α de la loi gamma et le rayon moyen dans la couche de saltation du sel rmsel.
Influence de la sublimation
Ainsi, pour une concentration donnée de neige dans la couche de sel, une augmentation du paramètre de forme α s'accompagne d'une augmentation des concentrations en nombre et en masse de particules en suspension près de la surface (entre 0,15 et 10 m). Ces simulations montrent que les concentrations en masse et en nombre sont faiblement affectées par la sublimation près de la surface.
Influence du terme de diffusion turbulente
- Motivations
- Données disponibles
- Configuration du modèle
- Épisode de transport du 18/03/2011
- Épisode de transport du 23/02/2011 : données SPC
- Comparaison aux études précédentes et discussion
Une valeur de ζ > 1 correspond à une diminution de la diffusion turbulente des particules de neige par rapport à celle des scalaires passifs en Méso-NH. La réduction de la diffusion turbulente des particules de neige proposée dans cette section permet de reproduire de manière satisfaisante les profils verticaux de concentration et d'écoulement observés au Col du Lac Blanc.
Conclusion du chapitre
Choix d’une résolution horizontale
Les défis de la modélisation distribuée du transport de neige par le vent dans les zones montagneuses ont été abordés dans la section 1.4.2. Pour reproduire ces interactions, une résolution horizontale de 50 m a été choisie pour simuler la redistribution de la neige par le vent autour du Col du Lac Blanc avec le modèle Meso-NH/Crocus.
Descente d’échelle sur le Col du Lac Blanc
Initialisation et forçage de l'atmosphère Mott et Lehning (2010) ont montré qu'augmenter la résolution horizontale de 50 à 5 m améliore la représentation du champ de vent et des mécanismes de redistribution de la neige qui en résultent (pour plus de détails sur les résolutions horizontales adaptées à la simulation du transport de neige, voir 1.4.2). La résolution horizontale de 50 m offre donc un compromis entre la finesse du forçage météorologique et la possibilité de simuler les épisodes de transport dans leur intégralité.
Initialisation par un radio-sondage
Amory (2012) a récemment utilisé le Meso-NH à de telles résolutions (4 m) à proximité immédiate du Col du Lac Blanc, mais la durée des simulations réalisées n'a pas dépassé une heure, ce qui est insuffisamment long pour un épisode de transport dans son intégralité. La case en pointillé indique les zones sur lesquelles les simulations du transport de la neige par le vent seront effectuées.
Initialisation du manteau neigeux et du sol sous-jacent
Manteau neigeux uniforme
Initialisation du manteau neigeux et du sous-sol, puis ce profil pour construire des champs atmosphériques cohérents. Par conséquent, une méthode est nécessaire pour déterminer la couverture neigeuse initiale qui représente la variabilité de l’altitude, de la pente et de l’exposition au sein du massif.
Simulation Crocus distribuée
Cette méthode est basée sur une simulation distribuée de Crocus en mode hors ligne et est présentée dans la section suivante. Pour les deux hivers, les simulations démarrent le 1er août et durent au moins jusqu'à la fin des campagnes de mesures.
Hiver 2010/2011 : massif des Grandes Rousses
Figure 7.3 – Carte d'épaisseur de neige simulée par Crocus sur le massif des Grandes Rousses pour deux dates au cours de l'hiver 2010/2011. Les observations montrent néanmoins que les chutes de neige observées sont généralement bien représentées par le modèle et fournissent une estimation réaliste des quantités de neige mobilisables lors d'un épisode de transport.
Synthèse du chapitre
Les méthodes présentées dans ce chapitre sont utilisées dans la suite de ce manuscrit pour simuler des épisodes de transport de neige par le vent (chapitre. Le massif des Grandes Rousses a été le théâtre d'un épisode de transport de neige par le vent dans la journée du 18 mars 2011.
Cadre de modélisation
Résultats de la simulation sans sublimation
Forçage atmosphérique au Col du Lac Blanc
Profil vertical du vent La section de vitesse verticale du vent dans la figure 8.4 montre l'augmentation de la vitesse du vent au Col du Lac Blanc dans une direction nord-sud. La méthode d'initialisation du radiosondage permet une simulation correcte de l'évolution de la vitesse du vent au Col du Lac Blanc le 18.3.2011.
Quantités de neige transportée
Le modèle reproduit bien la pente du profil vertical du flux de particules de neige entre 0,15 et 3,5 m. Une comparaison avec les observations du Col du Lac Blanc montre que le modèle reproduit bien l'évolution temporelle des flux de neige mesurés à deux niveaux lors de l'épisode du 18/03/11.
Redistribution de la neige
La carte des dénivelés de neige a ensuite été calculée et fusionnée à une résolution de 50 m (Fig. Cette carte facilite l'analyse de l'emplacement des zones d'érosion et d'accumulation que la carte des dénivelés de neige (Fig. 8.9).
Influence de la sublimation
- Conséquences ponctuelles au Col du Lac Blanc
- Effets distribués de la sublimation
- Conséquences pour le manteau neigeux
- Conclusion
La réduction de la sublimation de surface dans les situations de transport de neige par le vent a été observée par Wever et al. La comparaison des résultats des deux simulations permet ainsi de discuter de l'influence de la sublimation des particules de neige en suspension.
Conclusion du chapitre
Au Col du Lac Blanc, le transport de la neige par le vent se produit simultanément aux chutes de neige dans près de 40 % des cas (chapitre 3). Cette situation météorologique a entraîné la survenance d'un épisode de transport de neige par le vent avec précipitations neigeuses sur le massif des Grandes Rousses.
Cadre de modélisation
La valeur de la longueur de rugosité du manteau neigeux, z0 = 3 10−3 m, est choisie à partir des mesures collectées par vent de sud au Col du Lac Blanc (section 4.3.5). Le modèle prend également en compte la traînée induite par le relief sous-maille via la longueur de rugosité orographique de Beljaars et al.
Descente d’échelle et forçage météorologique en zone de montagne
Champ de vent près de la surface
A la station glaciaire de Sarennes (altitude 3090 m), le modèle présente un biais systématique en direction du vent et tend à surestimer sa vitesse (surestimation plus prononcée à 150 m qu'à 450 m). La station du Dôme des Petits Rousses illustre l'augmentation de la vitesse du vent avec une résolution horizontale à l'échelle locale (Fig.
Précipitations
Cette comparaison fournit une évaluation indirecte de la qualité du champ de précipitations solides simulé (Fig. En effet, la profondeur de neige est calculée par Crocus à partir des précipitations solides fournies par Meso-NH et de la densité de neige fraîche (Pahaut, 1976).
Transport de la neige par le vent
Redistribution de la neige à l’échelle du massif
Les zones en bleu définissent les zones de suraccumulation de neige créées par les transports tandis que celles en rouge correspondent aux zones où les chutes de neige ne se sont pas accumulées et ont été captées par le vent. CL Indique la position du lac du Col du Blanc.
Transport de la neige à l’échelle locale
Le transport de neige par le vent simulé par le modèle a été ajouté aux flux de particules en suspension lors du calcul du profil vertical moyen. De plus, Meso-NH/Crocus surestime les flux de particules de neige près de la surface pour cet épisode de transport (Fig. 9.12).
Conclusion du chapitre
Autour du Col du Lac Blanc, l'élévation explique 90% de la variance du champ des précipitations cumulées. Si l’on prend en compte le transport de la neige par le vent, la répartition spatiale du manteau neigeux change.
