Variabilité atmosphérique en Antarctique de l'Ouest : Impact sur la circulation océanique et sur le bilan de masse de surface de la calotte

par Marion Donat-Magnin

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Hubert Gallee et de Nicolas Jourdain.

Le président du jury était Catherine Ritz.

Le jury était composé de David Salas y Mélia, Christophe Genthon.

Les rapporteurs étaient Masa Kageyama, Hugues Goosse.


  • Résumé

    Depuis les années 90, l’Antarctique de l’Ouest, dont le secteur d’Amundsen, affiche une importante perte de masse provenant principalement de l’accélération des glaciers côtiers en réponse à une fonte océanique plus conséquente sous les plateformes de glace. Ces plateformes sont généralement confinées est agissent comme un verrou pour l’écoulement. En subissant davantage de fonte basale, les plateformes deviennent fragiles et les glaciers en amont s’accélèrent, contribuant ainsi à augmenter le niveau des mers. L’avenir de l’Antarctique de l’Ouest est particulièrement préoccupant car sa configuration rend la calotte sujette à une instabilité marine. Par ailleurs, ces plateformes pourraient s’affaiblir sous l’effet d’une augmentation de la fonte de surface dans un climat plus chaud (hydrofracturation), rendant là aussi une instabilité possible. L’arrivée de ces instabilités pourrait être freinée ou compensée par l’évolution du bilan de masse de surface qui se compose majoritairement de précipitations neigeuses, sporadiquement augmenté par la pluie, et légèrement amoindri par la sublimation et le runoff. Cette thèse porte sur la modélisation de l’ensemble des processus atmosphériques et océaniques pouvant faire évoluer la contribution de l’Antarctique de l’Ouest au niveau des mers.Pour cela une projection océanique représentant les cavités sous-glaciaires a d’abord été réalisée avec le modèle NEMO. La circulation induite par la fonte océanique modifie la réponse de l’océan côtier à un futur changement de circulation atmosphérique, si bien qu’utiliser des modèles de climat ne représentant pas les cavités donne une indication faussée du réchauffement de l’océan autour de la calotte. Nous avons également mis en évidence une rétroaction positive entre la fonte sous-glaciaire et le retrait de la ligne d’échouage, entraînant une augmentation de la fonte jusqu’à 2.5 fois. Ces résultats indiquent la nécessité de coupler des modèles de calotte et d’océan pour établir des projections futures, même si les projections envisagées dans cette thèse restent relativement idéalisées.Pour établir des projections de bilan de masse de surface, il est nécessaire d’utiliser un modèle atmosphérique avec une représentation fine des processus polaires, notamment ceux liés au manteau neigeux. Ainsi nous avons utilisé le modèle atmosphérique régional MAR pour établir des projections dans le secteur d’Amundsen. Nous avons d’abord montré que MAR est approprié pour représenter le climat de surface observé en Antarctique de l’Ouest. Nous avons trouvé qu’aucun des modes climatiques (ASL, SAM, ENSO) n’expliquent plus de 50% de la variance de la fonte et du SMB en été à l’échelle interannuelle, et il est donc difficile d’utiliser des projections des modes climatiques comme indication de l’évolution du climat de surface.Forcé par le signal multi-modèle CMIP5 dans le scénario rcp85, MAR prévoit une augmentation du bilan de masse de surface de 30-40% d’ici 2100. Cette augmentation est équivalente à une baisse de 0.33 mm/an de niveau des mers, ce qui compenserait l’effet de la dynamique si celle-ci restait à son niveau actuel (0.26 mm/an). Ces projections indiquent également 5 à 15 fois plus de fonte de surface sur les plateformes du secteur Amundsen, mais la quasi-totalité de la fonte produite chaque année continue à regeler dans la couche de neige annuelle, et ne devrait donc contribuer de manière importante ni au bilan de masse de surface ni à l’hydrofracturation.Il ressort de ces travaux qu’un couplage océan/calotte dans les modèles de climat est primordial pour simuler le futur de l’Antarctique et de l’océan Austral. Une représentation fine des processus liés à la fonte de surface et au regel dans le névé est également essentielle car la possibilité d’hydrofracturation des plateformes dans un climat plus chaud relève d’un équilibre subtil entre l’augmentation de l’accumulation, de la température, et les rétroactions liées à l’albédo et à l’humidité.

  • Titre traduit

    Atmospheric variability in West Antarctica : impact on the ocean circulation and on theice-sheet surface mass balance


  • Résumé

    West Antarctica, and particularly the Amundsen sector, has shown since the 1990s a large increase of mass loss related to coastal glacier acceleration in response to an increase of oceanic melt underneath ice shelves. Ice shelves play a buttressing role for ice-stream and increased oceanic melt therefore lead to ice shelves thinning and glacier acceleration, which contributes to sea level rise. West Antarctica is of particular concern because its configuration is prone to marine ice-sheet instability. It has been suggested that ice shelves weaken under large surface melt in a warmer climate (hydrofracturing), possibly leading to another kind of instability. Instabilities could be slowed down or compensated by future Surface Mass Balance (SMB) that consists mainly of snowfall, sporadic rainfall, and is slightly reduced by sublimation and runoff. The main objective of this PhD work is to model the atmospheric and oceanic processes that will most likely affect the future West Antarctic contribution to sea level rise.First, oceanic projections have been developed using the NEMO ocean model. The ocean circulation induced by ice-shelf basal melting affects the ocean response to future changes in surface winds. Therefore, models that do not represent ice-shelf cavities produce wrong warming patterns around Antarctica. A positive feedback between oceanic melting and grounding-line retreat has been identified and can increase melt rates by a factor of 2.5. These results are strong incentive to couple ocean and ice sheet models, although the projections proposed here are relatively idealized.To run SMB and surface melting projections, an atmospheric model with a fine representation of polar processes, including those related to the snowpack, is needed. MAR is found to be an appropriate tool to simulate the present-day surface climate in the Amundsen region. We find that none of the large climate modes of variability (ASL, SAM, ENSO) explains more than 50% of surface melt and SMB summer variance at the interannual timescale. The use of climate mode variability projections to estimate the future surface climate of West Antarctica is therefore not trivial.Forced by the CMIP5 multi-model mean under the RCP8.5 scenario, MAR predicts an increase of SMB by 30-40% for the end of the 21st century. This increase corresponds to 0.33 mm yr-1 of sea level drop down, which is higher than the current West Antarctic contribution of ~0.26 mm yr-1 from ice dynamics. Surface melt is also projected to increase by a factor of 5 to 15 over the Amundsen ice shelves, but most of it is projected to refreeze in the annual snow layer, so future melting should not have a strong contribution to SMB or hydrofracturing.To conclude we show that coupled ocean and ice sheet climate models are essential to simulate the future of Antarctica and Southern Ocean. A fine representation of surface melt and refreezing processes within the snowpack is also crucial as possible hydrofracturing is threatening in a warmer climate and it comes within a delicate equilibrium between snowfall, air temperature, and feedback related to albedo and humidity.


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