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Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement (DS0101)
Edition 2014


ASUMA


Amélioration de la précision de l'estimation de bilan de masse de surface en Antarctique

ASUMA / Amélioration de la précision de l'estimation du bilan de masse de surface (BMS) en Antarctique
Le projet ASUMA vise à quantifier les variations du bilan de masse de surface en Antarctique et leurs relations avec le climat, la circulation atmosphérique et l'origine des précipitations. Nos mesures seront effectuées sur 3 saisons d'été. Le principal chantier du projet sera la réalisation d’une traverse de grande envergure pour collecter des carottes et effectuer des mesures physiques de la neige de surface. Les mesures seront comparées aux données fournies par les modèles et les satellites.

Intérêt des traverses scientifiques pour l'obtention des valeurs de bilan de masse de surface en terrain inexploré
Le projet ASUMA propose d'obtenir des données de terrain au cours de trois missions prévues lors de trois étés austraux consécutifs. Deux traverses de courte distance sont prévues le long des 50 premiers kilomètres depuis la côte en 2015-16 et 2017-18, afin d'étudier les zones de fonte. Néanmoins, La principale action du projet sera la réalisation en 2016-17 d'une traverse de 1600 km depuis la station de Cap Prud'homme (CP) située sur la côte de la Terre Adélie. Au cours de cette traverse, nous réaliserons 20 carottes de névé (25-100m chacune), à partir desquelles nous obtiendrons une estimation robuste de la valeur moyenne et de la variabilité du BMS au cours des dernières décennies. La précision des mesures sera assurée par une datation absolue des carottes à l’aide d’analyses radiochimiques, et par l’analyse conjointe des isotopes de l’eau et de la chimie des aérosols présents dans le névé. L’interpolation des données de BMS sera effectuée à l’aide de mesures radar continues le long de la traverse et de l’exploitation de données issues des satellites. Pour interpréter les données des satellites, le lien avec les données de surface sera réalisé grâce à des mesures précises de la physique de la neige de surface, avec un focus particulier sur la rugosité de surface, la densité de la neige, la température, la stratigraphie et la surface spécifique (SSA) des cristaux dans les premiers mètres de névé. Le projet permettra également de former deux étudiants en doctorat qui seront co-encadrés par les trois partenaires du projet.

Méthode proposée pour établir une carte des valeurs de BMS à l’échelle de l’Antarctique basée sur des estimations de terrain
Nous proposons d'évaluer la valeur du BMS à l’échelle de l'Antarctique en effectuant une traverse de 1600 km en terrain inexploré pour combler le vide de données existant dans la zone de transition entre côte et plateau. Nous 1) collecterons de nouvelles carottes, 2) ferons des observations sur la physique de la neige en surface, 3) déduirons la relation existant entre mesures de terrain, données des satellites, et sorties des modèles climatiques régionaux. Ces 3 points sont développés ci-dessous:
1) La variabilité spatiale et temporelle du BMS sera obtenue par analyse croisée des isotopes de l'eau et de la chimie des aérosols contenus dans la neige. Outre leur utilisation pour dater les carottes, ces signaux fourniront des informations sur l'origine des masses d’air et les processus post-dépôt. Ces facteurs permettront de retrouver les variations du BMS liées au changement climatique. Ils fourniront aussi des contraintes pour évaluer la performance des modèles atmosphériques en Antarctique.
2) ASUMA vise à déterminer la relation existant entre physique de la neige de surface, variations du BMS et signaux enregistrés par les satellites (principalement l'altimétrie radar). Nous obtiendrons des informations sur la rugosité de surface, qui contrôle l'écho de surface, et sur la densité et la température de sub-surface, qui contrôlent l'écho de volume. Ces caractéristiques physiques sont contrôlées par le métamorphisme de la neige de surface.
3) Nous proposons une analyse combinée basée sur la modélisation du BMS, les valeurs distribuées issues des mesures de terrain, et celles produites à l’aide des données des satellites. Les informations sur la provenance des masses d'air permettront d'évaluer la capacité des modèles à reproduire les processus observés sur le terrain. L’approche de modélisation se concentrera sur le débiaisage des simulations globales (modèle LMDZ), et sur la représentation précise des processus contrôlant le BMS à l'échelle régionale (modèle MAR).

Résultats

1) Un rapport signal sur bruit élevé dans les enregistrements des carottes empêche toute interprétation du signal en terme climatique. Ce rapport a été analysé à partir de carottes prélevées en zone côtière. L'analyse conjointe des variations de d18O, du contenu en espèces chimiques et de l'accumulation annuelle montre qu'une seule carotte permet de retrouver les principales anomalies annuelles et décennales du d18O (Goursaud et al., soumis). De plus, les enregistrements de composition et de taille des aérosols prélevés à Dumont d'Urville et Concordia ont permis de documenter la charge en aérosols marins et leur composition sur le continent (Legrand et al., 2015). Cette information est indispensable pour retrouver l'origine des masses d'air à partir des enregistrements des carottes.
2) Pour l'étude de la physique de la neige, nous avons développé les instruments qui seront utilisés lors de la traverse. Il s’agit d’appareils de mesure de la rugosité, de la SSA, de l'albédo et de l'atténuation du rayonnement dans le névé. Ces capteurs permettront de valider un modèle de transfert radiatif utilisé pour interpréter le signal de rétrodiffusion radar (altimètre Altika) et les données micro-ondes passives des satellites.
3) A l'exception de l'augmentation du mode annulaire austral (SAM), les tendances climatiques en Antarctique restent indiscernables de la variabilité interne, et sont mal reproduites par les modèles (Jones et al., 2016). Dans l'océan Indien sud, le SAM a provoqué un déplacement du rail des dépressions de la région de Kerguelen vers celle de Law Dome en Antarctique (Favier et al., 2016). Parallèlement, le modèle atmosphérique régional (MAR) et sa routine de transport de neige par le vent ont été testés, montrant que les températures élevées (effet de frittage) contrôlent le coefficient de traînée des sastrugis. En intégrant ce processus, il est maintenant possible de reproduire le flux de neige transporté sur un site en Antarctique (Amory et al., 2016).

Perspectives

L'objectif principal de ce projet est la réalisation d'une traverse scientifique sur une longue distance en région côtière de Terre Adélie. Cette traverse permettra d’obtenir des observations originales dans une région inexplorée de l'Antarctique. Cette campagne de terrain n'a pas encore été effectuée.

Les résultats les plus importants seront donc obtenus après la campagne de terrain de 2016-17 (Décembre 2016). Les principaux médias de communication seront contactés et utilisés pour effectuer la promotion des travaux réalisés et informer les publics scientifiques et non scientifiques de l’avancée de cette aventure de terrain. Cela inclut la mise à jour quotidienne du site web du projet, l'interaction avec les élèves des écoles, l’intervention dans des programmes radiophoniques et la réalisation de films.

Cependant, un objectif important a déjà été atteint au cours des deux premières années. En effet, nous avons testé de nombreux appareils de mesure de la rugosité (laserscan), de la SSA (POSSSUM), de l'albédo (Multiband et solalb) et de l'atténuation du rayonnement dans le névé (Solex), qui seront utilisés sur la traverse mais aussi dans le cadre d'autres programmes ultérieurs. De plus, nous avons testé un système d'analyse en flux continu (CFA) des isotopes de l'eau, spécifique à l’étude des carottes de névé. Cet équipement sera appliqué sur les carottes collectées au cours de la traverse. Ce système permettra de réduire considérablement le temps de préparation et la charge analytique sur les instruments de mesure.

Productions scientifiques et brevets

Articles de rang A

1. Legrand, M., X. Yang, S. Preunkert, and N. Theys (2016) Year-round records of sea salt, gaseous, and particulate inorganic bromine in the atmospheric boundary layer at coastal (Dumont d'Urville) and central (Concordia) East Antarctic sites, Journal of geophysical research-atmospheres, 121, 997 – 1023. [doi:10.1002/2015JD024066].
2. V. Favier, et al. (2016) Atmospheric drying as the main driver of dramatic glacier wastage in the southern Indian Ocean, Scientific reports, 6, 32396. [doi:10.1038/srep32396]
3. Amory, C., et al. (2016) Seasonal variations in drag coefficients over a sastrugi-covered snowfield of coastal East Antarctica, Boundary Layer Meteorology, in press.
4. Jones, J.M., et al. (2016) Assessing recent trends in high-latitude Southern Hemisphere surface climate, Nature Climate Change, 6, 917–926, doi:10.1038/nclimate3103
5. Goursaud, S., et al., A sixty year ice-core record of regional climate from Adélie Land, coastal Antarctica, The Cryosphere Discussion, submitted

Conférences Internationales

1. V. Favier, et al. (2015) Climatic information from unexplored areas of East Antarctica: The French ITASE Contribution, “Our Common Future under Climate Change” Conference, 7-10 July 2015, Paris, France.
2. V. Favier, et al. (2016) The French ITASE Contribution - Recent results, XXXIV SCAR Biennial Meetings and the 2016 Open Science Conference, 19-28 August 2016, Kuala Lumpur, Malaysia
3. Amory, C. et al.(2016) Modelling aeolian transport of snow at a coastal location of East Antarctica using a temperature-dependent parameterization for surface roughness, XXXIV SCAR Biennial Meetings and the 2016 Open Science Conference, 19-28 August 2016, Kuala Lumpur, Malaysia

Partenaires

LEGOS Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales

LGGE Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement

LSCE Laboratoire de Sciences du Climat et de l'Environnement

Aide de l'ANR 599 784 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

L'Antarctique constitue la plus grande réserve de glace stockée sur Terre. Dans un contexte de changement climatique, cette quantité de glace est susceptible de jouer un rôle majeur pour l'évolution du niveau des mers. La connaissance des variations actuelles du bilan de masse de surface (BMS) de l'Antarctique est donc un enjeu global. Actuellement, la valeur intégrée du BMS reste extrêmement mal contrainte, ce qui a conduit le GIEC à placer l’étude quantitative du BMS parmi les priorités d'étude du système climatique lors de son dernier rapport.

Le projet ASUMA propose d'évaluer le BMS intégré à l’échelle de l'Antarctique en documentant la région de transition entre la côte et le plateau, région sur laquelle le BMS est très mal contraint et où les variations spatiales sont les plus fortes. Ces variations sont aujourd’hui encore impossibles à évaluer malgré l’existence des satellites. En effet, les relations entre SMB et données satellitaires sont actuellement calibrées à partir des mesures et d’une connaissance représentative du plateau uniquement. Nous proposons ici de mieux calibrer ces relations grâce à une méthode alternative basée sur une large palette de mesures originales effectuées dans la zone de transition, combinées à des analyses de rétro-trajectoires et de modélisation globale et régionale pour évaluer les variations récentes et future de BMS et les relier au climat.

Au cours de trois campagnes de terrain, nous effectuerons des mesures spécifiques en zone de fonte, et un raid scientifique sur 1600 km afin de prélever 8 carottes (de 25 à 100 m) et des échantillons de névé dans une dizaine de puits de neige. Une attention particulière sera portée à la datation des carottes afin d’obtenir des informations précises sur la moyenne et la variabilité du BMS. Ces données ponctuelles seront interpolées à l'aide de données radar (terrestre) et de données satellitaires. Pour ce faire, nous effectuerons 1) une analyse précise des caractéristiques physique de la neige et de leur évolution spatiale et temporelle, 2 ) la mise en relation des caractéristiques physiques de surface avec le signal obtenu par télédétection, 3) la validation de modèles de circulation atmosphérique à partir des données de BMS de terrain interpolées à l'aide des données satellitaires. Ces informations permettront de répondre aux questions suivantes :
1. Comment varie le BMS dans la zone de transition entre côte et plateau ?
2. Quels sont les processus responsables de ces différences et dans quelle mesure l’origine des apports en humidité en est la cause?
3. Les modèles de circulation atmosphériques sont-ils capables de reproduire les processus et la distribution du BMS?
3. Peut-on relier les caractéristiques physiques des couches de neige proche de la surface avec les variations locales du BMS?
4. Peut-on retrouver caractériser l'état du manteau neigeux à partir des données de télédétection, et par suite, offrir des données pour interpoler les valeurs de BMS disponibles?

Ce projet combine différentes approches. D'abord, d'importants développements seront effectués pour le suivi dans le temps de la rugosité (par photographie, avec un laserscan), de la taille des grains (mesures infrarouges), de la réflectance (radiomètre multispectral). Ensuite, les analyses chimiques, isotopiques et physiques de la neige permettront de contraindre les modèles climatiques utilisés pour l'Antarctique pour évaluer le BMS et son évolution future. Le projet offrira la coordination de deux thèses de doctorat entre les 3 principaux laboratoires français engagés dans des recherches sur la cryosphère (LGGE, LSCE, LEGOS), renforçant ainsi les collaborations déjà existantes. Finalement, le projet ASUMA représente la partie glaciologique d’un objectif scientifique plus large de la communauté scientifique française visant à réduire les incertitudes d'estimation du bilan de masse des grandes calottes pour une meilleure évaluation de l’augmentation future du niveau des mers.

 

Programme ANR : Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement (DS0101) 2014

Référence projet : ANR-14-CE01-0001

Coordinateur du projet :
Monsieur Vincent Favier (Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement)

Site internet du projet : http://asuma.osug.fr/?lang=en

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.