Modélisation des régimes thermiques du sol dans les milieux ouverts d'altitude des Alpes françaises : influence du transport de neige par le vent et de la végétation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Modelling soil thermal regimes in high altitude open environments of the french Alps : effect of wind-induced snow transport and vegetation

Modélisation des régimes thermiques du sol dans les milieux ouverts d'altitude des Alpes françaises : influence du transport de neige par le vent et de la végétation

Matthieu Baron
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1346233
  • IdRef : 274159775

Résumé

Soil temperature in the root zone has a strong influence on ecosystem functioning and the distribution of biodiversity in high-altitude open environments (MOA). It is strongly influenced by the surface energy balance, which depends notably on vegetation cover, and by the insulating effect of the snowpack during the winter period. The topographical heterogeneity of MOA, combined with phenomena such as wind-induced snow transport, results in strong spatial heterogeneity of the snowpack, and thus influences the ground thermal regime. Various land surface models simulate the evolution of the physical parameters of the soil, vegetation and snowpack. The S2M chain, made up of the ISBA soil model coupled to the Crocus snow model and forced by the SAFRAN analysis system, has been widely used to model snow cover and soil thermal regimes on a mountain scale throughout the French Alps, with occasional applications to ecology. This thesis presents an evaluation of the soil thermal regimes simulated by this chain in the MOA, and attempts to improve these simulations by representing wind-induced snow transport in Crocus.Evaluation of soil temperature simulations in a variety of topographical and geographical situations reveals (i) an average cold bias of several degrees in summer (ii) a very poor representation of winter frost, with an absence of simulated strong frosts. A detailed statistical analysis of the summer cold bias was carried out, revealing an influence of vegetation and exposure on this bias, which is probably linked to the representation of vegetation in ISBA. In addition, the poor prediction of frost seems to be explained by an under-representation of the spatial variability of snow cover, partly linked to to the spatial scale of the reanalysis, preventing simulation of wind-induced snow transport. As things stand, therefore, it is not recommended to use S2M-simulated soil thermal regimes as explanatory factors for ecological processes at the local scale.To overcome these problems, we developed SnowPappus, a simple wind-induced snow transport model coupled to Crocus, at a resolution of 250 meters allowing large-scale simulations. The model simulates transported snow fluxes as a function of wind and snowpack surface characteristics, and redistributes snow between grid points according to the calculated fluxes. The model's development choices are described in detail, along with error corrections that had to be made in the representation of snow metamorphism in Crocus. The flows simulated by SnowPappus are evaluated by comparing them with point observations. The results of these studies show that the SnowPappus model simulates fair orders of magnitude for transported snow fluxes, on condition of adequate calibration of a parameter and good wind forcing.Finally, in order to assess the impact of SnowPappus on soil temperature simulaions, simulations were carried out on a small domain in which numerous measurements were available. Taking transport into account produces some consistent effects, such as increased ground freezing on ridge tops. However, the model does not improve simulations at observation points. This could be linked to the spatial resolution used, which remains too wide. To conclude, these simulations are still far from representing the spatial hererogeneity of snow cover and ground thermal regimes at a relevant scale for a better understanding of the structure, dynamics and functioning of MOAs.The last part of the manuscript describes a set of perspectives aimed at improving the performance of soil temperature models in MOAs, attempting to link scientific issues from climate sciences on the one hand and biodiversity sciences on the other.
La température du sol dans la zone racinaire a une forte influence sur le fonctionnement des écosystèmes et la distribution de la biodiversité dans les milieux ouverts d'altitude (MOA). Elle est fortement influencée par le bilan énergétique de surface, qui dépend notamment du couvert végétal, et par l'effet isolant du manteau neigeux pendant la période hivernale. L'hétérogénéité topographique des MOA, combinée à des phénomènes tels que le transport de neige par le vent, entraîne une forte hétérogénéité spatiale du manteau neigeux, et influence ainsi le régime thermique du sol. Divers modèles de surface continentale modélisent l'évolution de paramètres physiques du sol, de la végétation et du manteau neigeux. La chaîne S2M, composée du modèle de sol ISBA couplé au modèle de neige Crocus et forcés par le système d'analyse SAFRAN, a été largement utilisée pour la modélisation du manteau neigeux et des régimes thermiques du sol à l'échelle du massif montagneux dans toutes les Alpes françaises, avec parfois des applications à l'écologie. Cette thèse présente une évaluation des régimes thermiques des sols des MOA simulés par cette chaîne, et tente d'améliorer ces simulations en représentant le transport de neige par le vent dans Crocus.L'évaluation des simulations de température du sol dans des situations topographiques et géographiques variées révèle (i) un biais froid moyen de plusieurs degrés en période estivale (ii) une très mauvaise représentation du gel hivernal, avec une absence de forts gels simulés. Une analyse statistique détaillée du biais froid estival a été réalisée, révélant une influence de la végétation et de l'exposition sur ce biais, qui est probablement lié à la représentation de la végétation dans ISBA. De plus, la mauvaise prédiction du gel semble expliquée par une sous-estimation de la variabilité spatiale de l'enneigement, en partie liée à l'échelle spatiale de la réanalyse, empêchant notamment de simuler le transport de neige par le vent. En l'état, il n'est donc pas recommandé d'utiliser les régimes thermiques du sol simulés par S2M comme facteurs explicatifs des processus écologiques à l'échelle locale.Pour remédier à ces problèmes, nous avons développé SnowPappus, un modèle de transport de neige par le vent simple couplé à Crocus, à une résolution de 250 mètres permettant des simulations à grande échelle. Le modèle simule les flux de neige transportée en fonction du vent et des caractéristiques de surface du manteau neigeux, et redistribue la neige entre les points de grille en fonction de ces flux. Les choix de développement du modèle sont décrits en détail., ainsi que des corrections d'erreurs nécessaires dans la représentation du métamorphisme de la neige dans Crocus. Les flux simulés par SnowPappus sont évalués sur des observations ponctuelles. Le modèle SnowPappus simule de bons ordres de grandeurs pour les flux de neige transportée sous réserve d'une calibration adéquate d'un paramètre et d'un bon vent de forçage.Enfin, pour évaluer l’impact de SnowPappus sur les simulations de température du sol, des simulations sur un petit domaine avec de nombreuses observations disponibles ont été réalisées. La prise en compte du transport produit certains effets cohérents comme l'augmentation du gel du sol sur le sommet des crêtes. Cependant, le modèle n'améliore pas les simulations aux points d'observation. Cela semble lié à la résolution spatiale utilisée, qui reste trop large. Pour conclure, ces simulations restent loin de représenter l'hétérogénéité spatiale de l'enneigement et des régimes thermiques du sol à une échelle pertinente pour mieux comprendre la structure, la dynamique et le fonctionnement des MOA.La dernière partie du manuscrit décrit un ensemble de perspectives visant à améliorer la performance des modèles de température du sol dans les MOA, tentant de relier des enjeux scientifiques relevant des sciences du climat d'une part et des sciences de la biodiversité d'autre part.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04434521 , version 1 (02-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04434521 , version 1

Citer

Matthieu Baron. Modélisation des régimes thermiques du sol dans les milieux ouverts d'altitude des Alpes françaises : influence du transport de neige par le vent et de la végétation. Biodiversité et Ecologie. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALV054⟩. ⟨tel-04434521⟩
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