Expérience de la Dischma : Comment les échanges avec l’atmosphère pilotent-ils l’accumulation et la fonte de la neige ?

Les variations spatiales de quantités de neige sont importantes pour la formation des avalanches, mais pas seulement : elles déterminent également les réserves en eau disponibles. Il reste cependant difficile d’évaluer exactement les quantités d’eau stockées dans la neige, car les mécanismes qui déterminent la répartition et la fonte des neiges sont encore peu connus. Avec le projet « Expérience de la Dischma », les scientifiques cherchent à répondre aux questions suivantes :

Quels sont les processus atmosphériques qui pilotent l’accumulation de la neige en hiver dans les Alpes ?
Comment le bilan énergétique d’un manteau neigeux en cours de fonte évolue-t-il au printemps, et pourquoi certaines plaques de neige subsistent-elles plus longtemps que d’autres ?

Pour ceci, ils analysent dans un bassin-versant alpin d’altitude, la vallée de la Dischma (commune de Davos, photo 1), les champs de précipitations, la répartition de la neige et la dynamique de fonte du manteau à l’aide d’expériences de terrain et de modèles numériques. Ils étudient notamment les interactions entre la couche- limite atmosphérique et le manteau neigeux.

Détails du projet

Durée du projet

2014 - 2017

Comment s’explique la répartition spatiale du manteau neigeux hivernal ?

Les études montrent que les précipitations sont réparties beaucoup plus uniformément quelques centaines de mètres au-dessus du sol que les accumulations de neige sur le terrain. Pour étudier les processus de couche-limite qui expliquent ces différences, les scientifiques suivent pendant le projet Expérience de la Dischma le parcours d’un flocon de neige depuis sa formation jusqu’à son dépôt sur le terrain. Les questions qui se posent sont les suivantes :

Quel est l’effet de la topographie sur la genèse des précipitations (microphysique et dynamique des nuages) et sur la répartition de celles-ci dans un bassin-versant alpin ?
Quelle est la contribution à la variabilité des précipitations de l’accumulation préférentielle des précipitations sur les versants sous le vent ?
Quelle est la contribution à la variabilité des précipitations du transport de neige ?
Quelles sont les quantités de neige dans les versants rocheux raides, et quel est l’effet du champ de vent turbulent sur ces accumulations (photo 2) ?

Que se passe-t-il lorsque le manteau neigeux commence à se fragmenter, et pourquoi certaines plaques de neige « survivent »-elles plus longtemps que d’autres ?

Lorsque le manteau neigeux commence à fondre au printemps, et que le sol réapparait en certains endroits, le bilan énergétique se modifie fortement. Au-dessus des surfaces déneigées, les couches d’air proches du sol se réchauffent plus fortement qu’au-dessus de la neige. Le vent transporte cet air chaud au-dessus des surfaces couvertes de neige, et les réchauffe à leur tour. Des brises montantes se forment au-dessus des surfaces déneigées, tandis qu’au même moment, des brises descendent les grandes plaques de neige. Ceci contribue à installer un système complexe de brises, qui à son tour, peut influencer de manière déterminante les échanges de chaleur entre la neige et l’atmosphère. Par ailleurs, les variations locales de la micro-metéorologie laissent subsister nettement plus longtemps certaines plaques de neige que d’autres. Lors de l’« Expérience de la Dischma », les chercheurs analysent par l’intermédiaire de campagnes de mesures intensives ce bilan énergétique et la dynamique de fonte du manteau neigeux. Par ailleurs, ils étudient comment les processus agissent sur la durée de « survie » des différentes plaques, et quantifient l’hydrologie de l’ensemble du bassin versant. Les questions suivantes se posent alors :

Combien d’énergie est transportée sous forme de chaleur sensible depuis les surfaces libres vers les surfaces enneigées, et comment ceci évolue-t-il en fonction de la couverture neigeuse.
Comment le flux de chaleur turbulent au-dessus de la neige évolue-t-il en fonction de la stabilité atmosphérique (p. ex. découplage atmosphérique) ?
Quels sont les systèmes complexes de vent qui se créent par formation simultanée de brises montantes et descendantes, et comment influencent-ils le bilan énergétique du manteau neigeux ?

Quel est l’intérêt de ces études ?

L’objectif de ce projet de recherche consiste à mieux comprendre les processus de base pour pouvoir les paramétrer et les intégrer dans des modèles hydrologiques et météorologiques. Ainsi, la gestion des ressources alpines en eau, notamment pour la production d’hydroélectricité, ou encore les prévisions de crues peuvent être améliorées. Par ailleurs, les modèles donnent des indications sur l’évolution de ces ressources avec les changements climatiques.

Quels moyens sont mis en œuvre ?

Modèles numériques

Les chercheurs utilisent le modèle WRF pour analyser l’effet des courants atmosphériques et de la microphysique des nuages sur le champ de précipitations. Ils étudient la dynamique des particules à l’aide de la Large-Eddy-Simulation (LES). Celle-ci permet de simuler les interactions entre la turbulence atmosphérique de petite échelle et les mouvements de particules dans l’air. Pour l’analyse numérique de la dynamique de fonte, ils utilisent le modèle de processus du manteau neigeux et de surface ALPINE3D, dont les conditions aux limites sont données par des champs atmosphériques de haute définition (champs 3D de température, d’humidité et de vent) du modèle ARPS.

Expériences sur le terrain

En collaboration avec le groupe « Laboratoire de télédétection environnementale » (EPF Lausanne), les scientifiques mesurent le champ de précipitations au-dessus de la vallée de la Dischma grâce à un radar météorologique haute résolution (photo 3). Pour déterminer comment les précipitations se distribuent réellement sur le sol, ils mesurent également la répartition de la neige avant et après des périodes de précipitations importantes avec un scanner laser terrestre et aérien.

Pour déterminer les courants en couche limite et l’échange de chaleur au-dessus du manteau neigeux en cours de fonte, le vent et la température sont mesurés à différentes hauteurs avec une résolution temporelle élevée de 20 Herz (photo 4) afin de saisir leurs variations à haute fréquence. Ces variations donnent une indication sur les structures turbulentes au sein de la couche limite et sur l’échange turbulent de chaleur au-dessus de plaques de neige isolées. De nombreuses stations météorologiques mobiles mesurent le champ de vent et de température à grande échelle (www.sensorscope.ch).

Par ailleurs, les chercheurs mesurent la température de surface du sol avec une caméra infrarouge. Les champs de température à haute résolution doivent donner une idée de la dynamique de réchauffement/refroidissement des surfaces partiellement déneigées. Ils peuvent également identifier des lacs d’air froid permettant de prolonger la vie de certaines plaques de neige.