Th

1
Désagrégation du bilan de masse de surface de la
calotte polaire Antarctique
Séminaire de 2ème année
Cécile AGOSTA

• Thèse dirigée par
• Vincent FAVIER et Christophe GENTHON

12 Novembre 2009
2
Bilan de Masse Antarctique Niveau des mers
Futur

• Quelle augmentation des flux de glace ?
• Quelle évolution du Bilan de Masse de Surface
  (BMS) ?

Incertitudes importantes sur le Bilan de Masse.
Exemple
BMS contribution potentiellement importante au
niveau des mers
3
Bilan de Masse de Surface Antarctique
Arthern et al., 2006

• Zones côtières enneigées et ventées
• Plateau froid et aride

4
Prévision de changements du BMS Antarctique
Évolution du BMS entre 1981-2000 et 2081-2100
Précipitations neigeuses (mm eq.e. an-1)
Modèle LMDZ4
Krinner et al., 2007

• Importance de la zone côtière dans lévolution
  du BMS

5
Observation et Modélisation du BMS
6
Plan
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
7
Évaluation des modèles en zone côtière
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
8
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreLObservatoire Glacioclim-SAMBA
Glacioclim-SAMBA Service dObservation 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

• Ligne de balise (depuis 2004)
• Mesures annuelles
• émergence densité
• 91 balises sur 156 km

Dôme C
Cap Prudhomme
9
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreTransect Glacioclim-SAMBA
2004
2005
BMS (mm eq.e. a-1)
2006
2007
2008
km depuis la côte
10
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreTransect Glacioclim-SAMBA
1ère Composante Principale (mm eq.e. a-1)
R 0.96
72
76
km depuis la côte
11
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreObservations utilisées pour lévaluation
Transect 2004-2008 reconstitué avec la 1ère
Composante Principale Moyennes sur 20 km
BMS, mm eq.e. a-1
km depuis la côte
SMB (mm w.e. a-1)
km from the coast
12
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreComparaison avec des mesures IPEV
Juste donner une densité moyenne et lécart
(faible) à cette densité
Mesures démergence de lIPEV 1971 à 1991 0 ?
33 km de la ligne actuelle Pas de mesures de
densité
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
13
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreTransect vs IPEV variabilité spatiale
Rupture de pente Transparent annexe avec année
2004
IPEV 1971-1991 Transect 2004-2008
BMS (mm eq.e. a-1)
km depuis la côte

• Variabilité spatiale stationnaire

14
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreTransect vs IPEV variabilité temporelle
points transect au milieu du nuage. Dispersion
du nuage IPEV peut être du à des différences de
densité
IPEV Transect
Ecart-type mm eq.e. a-1
BMS moyen mm eq.e. a-1
BMS moyen mm eq.e. a-1

• Pas dévolution significative de la variabilité
  temporelle et spatiale
• 2004-2008 représentatif de la climatologie du
  BMS (40 ans) sur 13 km

Hypothèse 2004-2008 représentatif de la
climatologie du BMS (40 ans) sur 160 km
15
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreModèles évalués
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
Neige soufflée prise en compte
Période considérée 1981-2000
Calcul du BMS Précipitation - Sublimation MAR
(PrécipitationsNeige soufflée) - Sublimation
16
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreVariabilité spatiale en zone côtière
1981-2000
2004-2008
BMS, mm eq.e. a-1
LMDZ4
ECMWF
Transect
MM5
MAR
km depuis la côte
17
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreDistribution spatiale du BMS
1981-2000
mm eq.e. a-1
900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 15
0 100 70 50 30 20 10 0
MAR
LMDZ4
18
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreVariabilité temporelle en zone côtière
BMS, mm eq.e. a-1
Transect
IPEV
Transect
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
13 km
160 km
15 km
19
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreVariabilité temporelle en zone côtière
Transect
IPEV
Transect
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
13 km
160 km
R IPEV
R 11 ans
MAR 0,66
MM5 0,77
ECMWF 0,65
15 km
20
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreConclusions de lévaluation en zone
côtière

• Transect Glacioclim-SAMBA
• Variabilité spatiale stationnaire
• IPEV (20 ans) et Transect (5 ans)
  caractéristiques du BMS inchangées

BMS moyen Variabilité spatiale Amplitude temporelle Chronologie interannuelle
LMDZ4 ? (?) ? ?
ECMWF ? ? ? ?
MM5 ? ? ? ?
MAR ? (??) ? ? ?
21
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreConclusions de lévaluation en zone
côtière
BMS moyen Variabilité spatiale Amplitude temporelle Chronologie interannuelle
LMDZ4 ? (?) ? ?
ECMWF ? ? ? ?
MM5 ? ? ? ?
MAR ? (??) ? ? ?

• MAR modifié
• Modification de lassimilation des données aux
  bords
• 2 fois plus de précipitations en zone côtière
• Simulation en cours

22
Contribution des données satellites
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
23
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesClimatologie de référence Arthern et
al., 2006
Mesures de terrain
Assimilation de données
NE PAS OUBLIER CLAUSIUS CLAPEYRON
1950 1990
Paramètres ?,?,n
24
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesContrôle du modèle débauche
mm eq.e. a-1
900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 15
0 100 70 50 30 20 10 0
Modèle débauche
Climatologie dArthern
25
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesComparaison avec le Transect
mm eq.e. a-1
900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 15
0 100 70 50 30 20 10 0
Transect
Arthern
BMS, mm eq.e. a-1
km depuis la côte
Climatologie dArthern

• Peu de variabilité en région côtière
• Le modèle débauche peut-il reproduire la
  variabilité observée ?

26
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesLimites du modèle débauche

• Climatologie dArthern peu de variabilité
  spatiale en zone côtière
• Empreinte micro-onde 60 km
• Le BMS devrait être plus haut
• Fonte ?
• Pas de fonte à partir de 20 km de la côte

27
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesLimites du modèle débauche
mm eq.e. a-1
900 800 700 600 550 500 450 400 350 300 250 200 15
0 100 70 50 30 20 10 0
Transect
Modèle débauche
BMS, mm eq.e. a-1
km depuis la côte
Modèle débauche

• Reproduit les variations observées
• Paramètres sortant des gammes usuelles

28
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesLimites du modèle débauche

• Climatologie dArthern peu de variabilité
  spatiale en zone côtière
• Empreinte micro-onde 60 km
• Le BMS devrait être plus haut
• Fonte ?
• Pas de fonte à partir de 20 km de la côte
• Précipitations orographiques ?
• Paramétrisation complémentaire dans le modèle
  débauche ?

29
Évaluation des modèles contribution des données
satellitesConclusions et perspectives

• Modèle débauche dArthern pas valable en zone
  côtière
• Fonte
• Pas de prise en compte des précipitations
  orographiques
• Nouvelle climatologie de BMS à réaliser
• Nouvelle paramétrisation en zone côtière (pente)
• Base de donnée de BMS de qualité (Magand et al.,
  2007)
• Estimation de la variabilité du BMS
  perpendiculairement au Transect
• Ground Penetrating Radar Carottes

? Validation des modèles
30
Désagrégation Principe
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
31
DésagrégationCaractéristiques des simulations
Estimation du BMS Précipitation, Sublimation,
Fonte, Neige soufflée
Domaine spatial Antarctique (5600 km x 5600 km)
Echelle de temps 100 ans (2000-2100)
Résolution actuelle 60 km
Résolution désirée 15 km
? Modèle à temps de calcul réduit
32
DésagrégationMéthode
Sorties du modèle grande échelle Vents/Pression/Te
mpérature/Humidité/... Pas de temps 6H
Topographie fine
Désagrégation des précipitations
Précipitations désagrégées
Désagrégation du bilan dénergie
Sublimation, Fonte
33
Désagrégation des précipitations
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
34
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale
Grille du modèle large échelle ? Grille
stéréographique fine
Champs interpolés
Champs recalculés
Topo fine Hypothèse hydrostatique Gradient
de température constant

• Vent horizontal U,V
• Température potentielle ?
• Humidité spécifique q

Ps
P
? , P
T
35
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale universelle
Désagrégation en sortie de nimporte quel modèle
? Maillages de types très différents ? Variables
à projeter sur une grille stéréographique
36
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale universelle
Méthode
Projection des points de la grille haute en
stéréographique

Triangularisation quelconque de la grille haute
Triangularisation optimale de la grille haute
Projection du point de grille dans le repère local
37
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale universelle
Méthode
Triangularisation quelconque de la grille haute
Triangularisation optimale de la grille haute
Projection du point de grille dans le repère local
38
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale universelle
Méthode
Triangularisation quelconque de la grille haute
Triangularisation optimale de la grille haute
Algo
Projection du point de grille dans le repère local
39
Désagrégation des précipitationsInterpolation
horizontale universelle
Méthode
Triangularisation quelconque de la grille haute
Triangularisation optimale de la grille haute
Projection du point de grille dans le repère local

40
Désagrégation des précipitationsVent vertical W
WL vitesse verticale grande échelle interpolée
W nouvelle vitesse verticale
En surface vent tangent à la topographie ?
nouvelle vitesse verticale en surface Ws
41
Désagrégation des précipitationsTaux de
condensation Taux de précipitation
Ascendance ? Refroidissement adiabatique ? qsat ?
Intégration de Clausius-Clapeyron à saturation
?qsat FW avec Ffonction(qsat,T,P) lorsque
qqsat et W vers le haut
z
qqsat(t1)
?
W
42
Désagrégation des précipitationsApplication au
GCM LMDZ4
5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10
0
Temps de calcul 1/2 H par mois ? 25 jours pour
100 ans
1987
Précipitations interpolées 180 mm/an
Précipitations désagrégées 130 mm/an
43
Désagrégation des précipitationsLimites du
désagrégateur de précipitation
5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10
0
La désagrégation nest valable que pour des
précipitations par ascendance et refroidissement
adiabatique
1987
Précipitations interpolées 180 mm/an
Précipitations désagrégées 133 mm/an
Précipitations désagrégées interpolées 209 mm/an
44
Désagrégation des précipitationsLimites du
désagrégateur de précipitation
DIRE QQCH SUR LA CONSERVATION PAR RAPPORT AU
MODELE INITIAL
La désagrégation nest valable que pour des
précipitations par ascendance et refroidissement
adiabatique
45
Désagrégation des précipitationsLimites du
désagrégateur de précipitation
? Surestimation du taux de condensation
? Peut être résolu par une discrétisation
temporelle plus fine
46
Désagrégation des précipitationsSchéma
dadvection conservatif
Apports

• Conservation de la quantité deau totale
• Diffusion du champs dhumidité
• Assèchement de lair par la précipitation
• F recalculé à chaque sous-pas de temps

• Inconvénient
• Discrétisation temporelle plus fine
• ? Temps de calculs plus élevés

47
Désagrégation du bilan dénergie
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
48
Désagrégation du bilan dénergieInterpolation
horizontale
Routine de couche limite du modèle LMDZ4 Ne
nécessite que les premiers niveaux de surface des
variables dentrée Extrapolation des champs avec
la topographie












49
Désagrégation du bilan dénergieIntégration des
précipitations désagrégées
1987
5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10
0
Précipitations désagrégées
Précipitations extrapolées
Précipitations désagrégées interpolées
50
Désagrégation du bilan dénergieBilan de Masse
de Surface
5000 3000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10
0.01 0 -15
1987
Fonte
Sublimation
BMS
51
Désagrégation du bilan dénergiePerspectives
Tests sur la méthode dextrapolation ?
Application à certaines variables lors de la
désagrégation des précipitations ? (Vent
horizontal par exemple)
Utilisation du modèle de couche limite de MAR
52
Calendrier prévisionnel
Introduction Évaluation des modèles de
climat Zone côtière mesures Glacioclim-SAMBA Ant
arctique contribution des données
satellites Désagrégation du Bilan Masse de
Surface Principe Désagrégation des
Précipitations Désagrégation du Bilan
dénergie Calendrier prévisionnel
53
Vacations (cartographie-statistiques à lUPMF)
DSG faire tourner avec topo modèle grande
échelle, à la résolution grande échelle
Papier Évaluation modèles
Décembre 2009 - Février 2010 Mesures
glaciologiques Cap Prudhomme Mars - Juin
2010 Masque désagrégateur de précipitation Impléme
ntation 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
54
(No Transcript)
55
Désagrégateur de précipitationLimites du
désagrégateur de précipitation

• Pas de dynamique (coûteux en temps de calculs)
• Pas de rétro-action de la physique sur la
  dynamique
• Pas de contournement du relief
• Pas deffet de blocage

56
Désagrégateur de précipitationLimites du
désagrégateur de précipitation
Précipitations grande échelle Précipitations
désagrégées
57
Évaluation des modèles de climat en zone
côtièreVariabilité temporelle en zone côtière
Transect
IPEV
Transect
LMDZ4
ECMWF
MM5
MAR
13 km
160 km
R ECMWF ECMWF IPEV
R 11 ans 20 ans 11 ans
MAR 0,65 0,76 0,66
MM5 0,88 0,85 0,77
ECMWF 0,65
15 km