Aeolian erosion and roughness of the snow surface in Adélie Land : observations and numerical approach

Le bilan de masse en surface de l’Antarctique (noté BMS ; résultante de l’équilibre entres les termes d’accumulation et d’ablation) contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Dans le contexte du changement climatique, sa détermination par les modèles atmosphériques est nécessaire pour affiner son estimation présente et future.Les vents violents en périphérie de l’Antarctique de l’Est sont responsables d’un entraînement aérodynamique de la neige en surface qui influence de façon significative le BMS. Le transport de neige par le vent est également à l’origine du développement de formes d’érosion éolienne orientées parallèlement au vent moyen au moment de leur formation et dont la distribution spatiale est un déterminant majeur de la rugosité de surface. Ces éléments de rugosité exercent en retour un effet d’obstacle à l’écoulement qui affecte directement le champ de vent en surface et, par extension, le transport éolien de la neige.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’observation et la modélisation numérique de l’érosion éolienne de la neige au niveau d’une région côtière de l’Antarctique de l’Est, la Terre Adélie. Dans un premier temps, le modèle atmosphérique régional MAR, qui contient une représentation détaillée des processus de transport éolien, est mis en œuvre à une résolution spatiale de 5 km sur un domaine couvrant la Terre Adélie et comparé sur un mois d’été à des observations météorologiques incluant des mesures continues du vent et du flux éolien massique de neige aérotransportée. Il est montré que les flux éoliens de neige produits par le MAR sont hautement sensibles à la paramétrisation de la rugosité de surface, et qu’une calibration unique de ce paramètre ne permet pas de simuler avec une qualité équivalente le champ de vent en deux points de mesure distants d’à peine 100 km. À partir des observations, les interactions rugosité-érosion sont ensuite étudiées à l’échelle d’évènements individuels d’érosion éolienne. Il est mis en évidence i) que l’effet d’obstacle généré par les formes d’érosion éolienne a un impact inhibiteur sur le flux éolien de neige et ii) que cet effet d’obstacle peut être fortement diminué par l’aptitude des formes d’érosion éolienne à se réorienter parallèlement au vent dominant pendant un événement de transport. L’examen des observations sur une année révèle que ce processus d’ajustement aérodynamique est sujet à des variations temporelles majoritairement reliées à l’historique de la température. Enfin, on montre qu’une reconfiguration du modèle comprenant notamment l’introduction d’une dépendance à la température dans la paramétrisation de la rugosité de surface améliore considérablement la représentation des flux éoliens de neige par le MAR sur l’année considérée. Ces résultats suggèrent qu’une distribution spatiale et temporelle de la rugosité de surface doit être prise en compte dans les modèles atmosphériques pour une simulation réaliste du transport éolien de la neige à l’échelle de l’Antarctique.The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB; the result of the balance between accumulation and ablation terms) has a direct influence on variations in the global mean sea level. In the context of climate change, atmospheric models are needed to improve its current and future estimation.Intense surface winds over the coastal slopes of East Antarctica are responsible for aerodynamic entrainment of snow at the surface, which has a significant influence on the BMS. Transport of snow by the wind also produces aeolian erosion features aligned parallel to the prevailing winds at the time of their formation. The spatial distribution of these features is a major determinant of surface roughness. On the other hand, surface roughness is an obstacle to flow and directly affects the surface wind field and, by extension, aeolian snow transport.The work presented here is based on observations and numerical modeling of aeolian snow erosion in a coastal stretch of Adélie Land, East Antarctica. First, the regional atmospheric model MAR, which includes a detailed representation of aeolian transport processes, was run at a spatial resolution of 5 km over a zone including Adélie Land and model results were compared with meteorological observations made over one month in summer, including continuous measurements of the wind and the aeolian snow mass flux. Aeolian snow mass fluxes modeled by MAR were highly sensitive to parameterization of surface roughness, and a single calibration of this parameter was not enough to simulate the surface wind field at two measurement points located only 100 km apart with the same accuracy. Consequently, roughness-erosion interactions were analyzed at the scale of individual aeolian erosion events using observations. The results of this analysis underlined that (i) the barrier effect generated by aeolian erosion features had an inhibiting impact on the aeolian snow mass flux and (ii) that the barrier effect can be strongly reduced by the ability of aeolian erosion features to realign with the dominant wind during a transport event. Examination of observations made over a period of one year revealed that this adjustment process is prone to temporal variations mainly linked to past temperatures. Finally, we showed that reconfiguring the model, including introducing temperature dependence in the parameterization of surface roughness considerably improved the representation of aeolian snow mass fluxes by the MAR model for the year concerned. These results suggest that spatial and temporal distribution of surface roughness should be included in atmospheric models for realistic simulations of aeolian snow transport over Antarctica