Modeling of the Antarctic Ice Sheet Surface Mass Balance
Modélisation du bilan de masse en surface de la calotte glaciaire antarctique
Résumé
The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB, snow accumulation minus ablation) is sensitive to climate parameters and directly contributes to global mean sea level variations. Therefore, in the perspective of climate change, it is useful to develop tools that can simulate the physical processes involved in the Antarctic surface mass balance. The approach developed in this thesis consists in using a cascade of atmospheric models from large scale to local scale. Thus, a regional climate model (Modèle atmosphérique régional, hereinafter referred to as MAR), forced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis, provides a diagnostic physical-based rain- and snowfall disaggregation model with meteorological fields at the regional scale (typically 40-km resolution). In a first part, it is shown that the SMB calculated by MAR is in good agreement with observations in most regions. Nonetheless, runoff appears to be overestimated; the problem vanishes when introducing a dependency of albedo with solar zenithal distance. In a second part, it is shown that although the parameterizations invoked in the disaggregation model are fairly simple, the knowledge of small-scale topography (5-km resolution) is efficiently used to improve the spatial variability of precipitation - and therefore SMB - over coastal regions of Antarctica. Model validation is carried out with the help of snow height measurements provided by automatic weather stations. Over the coastal place of Law Dome, the net accumulation gradient is mostly due to orographic forcing of precipitation (rather than blowing snow). The disaggregation model dramatically underestimates precipitation over the Antarctic Plateau, where polar stratospheric clouds associated with radiative cooling could play a role in the formation of precipitation during the polar night.
Le bilan de masse en surface (noté BMS ; l'accumulation de neige diminuée de l'ablation) de la calotte glaciaire antarctique est sensible aux paramètres climatiques et contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Il est donc important, dans le cadre de la prévision du changement climatique, de développer des outils capables de simuler les processus physiques régissant le bilan de masse en surface antarctique. L'approche développée dans cette thèse consiste à utiliser une cascade de modèles atmosphériques allant de la grande échelle vers l'échelle locale. Ainsi, un modèle climatique régional (Modèle atmosphérique régional, MAR), forcé par des réanalyses du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), fournit à un modèle diagnostique de désagrégation physique des précipitations les champs météorologiques nécessaires calculés à l'échelle régionale (typiquement, de résolution 40 km). Dans un premier temps, il est montré que le bilan de masse en surface généré par le MAR est conforme aux observations dans la plupart des régions. Toutefois, le ruissellement est surestimé ; ce problème disparaît en introduisant une dépendance de l'albédo avec la distance zénithale de l'astre solaire. Dans un second temps, il est montré que malgré la relative simplicité des paramétrisations physiques du désagrégateur, la connaissance du relief de fine échelle (de résolution 5 km) permet d'améliorer la variabilité spatiale de la précipitation, et, par conséquent, du BMS, sur les régions côtières de l'Antarctique. La validation est menée à l'aide, notamment, de mesures de hauteurs de neige délivrées par des stations météorologiques automatiques. Sur le site côtier de Law Dome, le gradient d'accumulation nette est davantage dû au forage orographique subi par la précipitation qu'au processus de chasse-neige. Le modèle de désagrégation sous-estime fortement la précipitation sur le plateau Antarctique, où les nuages stratosphériques polaires associés au refroidissement radiatif pourraient jouer un rôle dans la génération de la précipitation pendant la nuit polaire.
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