Analyse de sensibilité de l’énergie solaire absorbée par une surface enneigée en fonction de la topographie du terrain, au Col du Lautaret (Alpes)

Laboratoire(s) de rattachement : IGE, équipe GLACE

Encadrant : Fanny Larue

Co-encadrant : Ghislain Picard

Niveau de formation & pré-requis : - Stage de fin d’études bac +5 (niveau M2)
- Autonome et intérêt pour l’étude de la physique et de la neige.
- Compétences de base en programmation informatique (langage Python). Une connaissance de Linux est un plus.

Mots-clés : couverts neigeux, énergie solaire, rugosités, topographie, Alpes

Les surfaces enneigées (neige saisonnière, glaciers, calottes polaires, etc.) contribuent à refroidir les basses couches de l’atmosphère en réfléchissant une importante part du rayonnement solaire incident. Mieux comprendre les effets de réflexion et d’absorption du rayonnement sur ces surfaces couvertes de neige est nécessaire pour prédire l’évolution du climat. Ces surfaces sont souvent difficiles d’accès et l’utilisation des observations satellitaires (dans le domaine de l’optique) offre l’avantage d’une bonne résolution spatiale et temporelle pour étudier l’évolution des surfaces enneigées.
La quantité d’énergie solaire absorbée par le couvert neigeux dépend principalement des caractéristiques de surface du manteau neigeux, du relief (pente) et de l’angle solaire. Des modèles ont été développés pour simuler cette réflexion et absorption en fonction des caractéristiques du manteau neigeux (taille des grains de neige, impuretés, densité) et de l’angle solaire. Toutefois, ces modèles ne prennent pas en compte l’effet des rugosités de surface. Or, à l’échelle du centimètre au mètre, il a été démontré que la présence de rugosités à la surface du manteau neigeux peut augmenter l’effet d’absorption dans les creux, et donc accélérer la fonte des neiges à certains endroits par rapport à une surface lisse. Cette augmentation de l’absorption dépend également de la taille et de l’orientation des rugosités. A plus grande échelle, en région montagneuse, la pente a un impact similaire et important sur la quantité d’énergie absorbée, selon l’exposition de la zone (face ou dos au soleil) ou la concavité (creux/crête). Mieux comprendre l’impact de ces rugosités à différentes échelles et des pentes sur le manteau neigeux est primordial pour améliorer notre quantification du bilan d’énergie et prévoir la fonte.
L’objectif principal de ce stage est d’étudier les variations d’énergie solaire absorbée en fonction des rugosités (taille, orientation, pente), et de quantifier l’impact de ces variations sur l’évolution du manteau neigeux (microstructure et température de la neige à la surface). Pour cela, une campagne de mesures terrain sera effectuée durant le stage (printemps 2018/2019) au Col du Lautaret ou au Col du Lac Blanc, dans les Alpes françaises. Des mesures de températures de neige, d’albédo (énergie solaire réfléchie) et de microstructures de la neige (taille/forme des grains de neige, rugosités macroscopiques de surface à partir de photogrammétrie, etc.) seront récoltées sur tout le site et à plusieurs dates pour avoir un jeu de données avec une bonne variabilité temporelle (de février à mars) et spatiale (en pente, en surface plate, lisse, etc.). Un modèle a récemment été développé à l’IGE pour simuler l’albédo en fonction des rugosités. Les images satellitaires et les mesures terrain acquises permettront d’évaluer la qualité des simulations à petite et grande échelle.

Objectifs spécifiques et méthodes :
- Participation à une campagne de mesures terrains et élaboration d’un protocole expérimental.
- Traitement sous Python des données terrains et étude de sensibilité d’une base de données.
- Prise en main d’un modèle à partir d’une interface Python et bonne compréhension des processus physique.
- Traitement de modèles numériques de terrain (MNT) couvrant la zone. Ces données MNT serviront d’intrants au modèle pour simuler l’albédo en fonction de la topographie.

Références :
M. Dumont, L. Arnaud, G. Picard, Q. Libois, Y. Lejeune, P. Nabat, D. Voisin, S. Morin, In situ continuous visible and near-infrared spectroscopy of an alpine snowpack, The Cryosphere, 11, 1091-1110, doi:10.5194/tc-11-1091-2017 2017
Warren, S. G., Brandt, R. E., and O’Rawe Hinton, P. : Effect of surface roughness on bidirectional reflectance of Antarctic snow, J. Geophys. Res., 103, 25789–25807, doi:10.1029/98JE01898,1998

Pour candidater : Adresser un CV et lettre de motivation à fanny.larue univ-grenoble-alpes.fr