Analyse des facteurs climatiques contrôlant le bilan de masse d’un glacier tropical et étude de sensibilité aux changements climatiques lors du Petit Age Glaciaire par application d’un modèle de bilan d’énergie distribué

Analysis of the climate controls of the surface mass balance of Zongo glacier (Bolivia) and Little Ice Age climate reconstruction by application of a distributed surface energy balance model

• Auteur / Autrice : Philémon Autin
• Direction : Jean-Emmanuel Sicart, Antoine Rabatel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
• Date : Soutenance le 10/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gagliardini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugues Goosse, Ben Marzeion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathias Vuille, Valentina Radic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Petit âge glaciaire

Mots clés libres

Modélisation de bilan d’énergie

Glacier tropical

Petit Age de Glace

Energy balance modeling

Tropical glacier

Little Ice Age

Résumé

Cette thèse de doctorat est consacrée à la compréhension des processus qui contrôlent la variabilité temporelle du bilan de masse de surface d'un glacier tropical : le glacier Zongo, en Bolivie. Sur le glacier, l'année peut être divisée en trois saisons : une saison humide (été austral) pendant laquelle la plupart de l'accumulation a lieu, une saison sèche (hiver austral) où la fonte est faible et une saison de transition (septembre-novembre) caractérisée par une fonte croissante. La fin de la saison de transition est la période où l'on observe les débits de fonte annuels les plus élevés.La première partie de cette étude a consisté à évaluer les contrôles atmosphériques du bilan de masse de surface par l'application d'un modèle de bilan énergétique de surface distribué (DEBAM, Hock et Holmgren, 2005). Le modèle a été appliqué sur neuf ans au pas de temps horaire sur un modèle numérique de terrain de la surface du glacier d’une résolution de 20 x 20 m. Le modèle a été validé en comparant le débit mesuré et simulé à la sortie du bassin versant, l'albédo à la station météorologique, le type de surface (neige/glace), le bilan de masse annuel et le bilan de masse par altitude. L'analyse des flux d'énergie mensuels moyens a révélé l'importance des conditions météorologiques pendant la saison de transition sur la variabilité interannuelle du bilan de masse de surface. Deux analyses de sensibilité sur cette période ont été réalisées. La première a porté sur l'impact de la distribution temporelle des événements de précipitations sur le bilan de masse. Pour cette étude, afin de maintenir une cohérence physique entre les variables mesurées, les scénarios ont été obtenus en mélangeant les jours afin d‘obtenir les changements de précipitation souhaités. La deuxième analyse de sensibilité a étudié l'impact d'une couverture nuageuse prolongée sur le bilan de masse en surface. Pour ce faire, la présence de nuages a été imitée en diminuant le rayonnement solaire incident et en augmentant le rayonnement thermique incident. Ces analyses de sensibilité ont montré que, à travers un effet de rétroaction de l'albédo, la distribution temporelle des précipitations et les quantités associées étaient les principaux moteurs de la variabilité interannuelle du bilan de masse en surface. En outre, les périodes prolongées de couverture nuageuse, en particulier pendant le mois de novembre, ont eu une forte capacité à réduire la fonte.La dernière partie de cette thèse analyse les conditions climatiques qui ont permis au glacier d'atteindre son extension maximale du Petit ge Glaciaire (PAG, fin du 17ème siècle). En considérant un modèle d'élévation numérique de l'étendue maximale du glacier pendant le PAG, le modèle de bilan énergétique de surface a été utilisé pour effectuer une analyse de sensibilité du bilan de masse annuel à différents scénarios paléoclimatiques. L'accent a été mis sur les changements saisonniers des précipitations et de la couverture nuageuse qui ont pu se produire pendant le PAG via la génération de quatre scénarios paléoclimatiques. Pour assurer la cohérence physique entre les variables météorologiques, les scénarios ont été construits en mélangeant les mesures effectuées sur le glacier entre 1999 et 2017. Les scénarios ont été considérés comme plausibles si des conditions proches de l'équilibre étaient obtenues (c'est-à-dire un bilan de masse annuel proche de 0 m eq. eau). Les résultats ont montré qu'un refroidissement de 1,1°C et une augmentation de ~20% des précipitations annuelles par rapport aux conditions actuelles étaient nécessaires. En outre, deux changements dans la saisonnalité des précipitations ont permis d'obtenir des conditions proches de l'équilibre : une augmentation des précipitations entre septembre et novembre ou un début précoce de la saison humide.

This PhD thesis was dedicated to the understanding of processes that control the temporal variability of the surface mass balance of a tropical glacier: Zongo Glacier, Bolivia. Over the glacier, the year can be split into three seasons: a wet season (austral summer) during which most of the accumulation occurs, a dry season (austral winter) where limited melt rates are observed and a transition season (September-November) characterized by increasing melt rates. The end of the transition season is the period where the highest annual melt rates occur.The first part of this study consisted in evaluating the atmospheric controls of the surface mass balance through the application of a distributed surface energy balance model (DEBAM, Hock and Holmgren, 2005). The model was applied to nine years at the hourly time step over a digital elevation model of the glacier surface with a 20 x 20 m resolution. The model was validated by comparing measured and simulated discharge at the catchment outlet, albedo at the weather station, surface type (snow/ice), annual glacier-wide surface mass balance and surface mass balance by altitude. Analysis of the mean monthly energy fluxes revealed the importance of the meteorological conditions during the transition season on the interannual variability of the surface mass balance. Two sensitivity analyses over this period were carried out. The first looked at the impact of the temporal distribution of precipitation events on the surface mass balance. For this study, in order to maintain physical consistency between the measured variables, the scenarios were obtained by shuffling days to obtain the desired changes in temporal precipitation distribution. The second sensitivity analysis investigated the impact of a prolonged cloud cover on the surface mass balance. To do this, the presence of clouds was mimicked by lowering the incoming shortwave radiation and increasing the incoming longwave radiation. These sensitivity analyses showed that, via an albedo feedback effect, the temporal distribution of precipitation and its associated amounts were the main drivers of the interannual surface mass balance variability. Besides, extended periods of sustained cloud cover, particularly during November, had a strong ability to reduce melt.The last part of this thesis looked at the climate conditions that allowed the glacier to reach its Little Ice Age maximum extent (LIA, late 17th century). Considering a digital elevation model of the glacier LIA maximum extent, the surface energy balance model was used to perform a sensitivity analysis of the annual surface mass balance to different paleoclimate scenarios. Emphasis was put on the seasonal changes in precipitation and cloud cover which may have occurred during the LIA via the generation of four paleoclimate scenarios. To ensure physical consistency between the meteorological variables, the scenarios were built by shuffling measurements carried out over the glacier between 1999 and 2017. The scenarios were considered plausible if near equilibrium conditions were obtained (ie., an annual glacier-wide surface mass balance close to 0 m w.e.). Results showed that both a 1.1°C cooling and a ~20% increase in annual precipitation relative to current conditions were required. In addition, two changes in precipitation seasonality provided near-equilibrium conditions: an increase in precipitation between September and November or an early wet season onset.