Climatologie et impacts des rivières atmosphériques en Antarctique

Antarctic atmospheric river climatology and impacts

• Auteur / Autrice : Jonathan Wille
• Direction : Vincent Favier, Francis Codron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/01/2021
• 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 : Sandrine Anquetin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John Christopher King, Masa Kageyama

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antarctique

Précipitations (météorologie)

Bilan hydrologique

Mots clés libres

Bilan de masse de surface

Antarctique

Rivières atmosphériques

Atmospheric rivers

Antarctica

Surface mass balance

Résumé

En raison de l’augmentation de la pression de vapeur saturante avec la température, les précipitations en Antarctique sont censées augmenter au cours du prochain siècle. Cela conduirait à un accroissement de l’accumulation de neige sur le continent, atténuant ainsi en partie l’augmentation future du niveau des mers. Les tendances récentes de température et d’accumulation de neige en Antarctique ne reflète pas clairement ce processus. Le rôle joué par les intrusions d’humidité dans la variabilité des températures et des précipitations pourrait expliquer en partie ce paradoxe. Jusqu’à présent, seuls des événements épars de très forte intensité avaient été analysés. Une étude de 2014 portant sur la région de Dronning Maud Land avait montré la concordance des intrusions intenses avec l’occurrence de rivières atmosphériques (RA). Dans cette thèse, nous développons un algorithme de détection des rivières atmosphériques adapté aux régions polaires et créons une climatologie de ces événements à l’échelle de l’Antarctique. En utilisant les sorties du modèle à aire limitée MAR (Modèle Atmosphérique Régional), nous évaluons les impacts de rivières atmosphériques sur la fonte, la stabilité des plateformes de glace de la Péninsule Antarctique et sur les précipitations neigeuses en surface de la calotte.Chaque point de la calotte est concerné par des rivières trois jours par an en moyenne. Cette valeur est plus faible encore à l’intérieur du continent. Pourtant, les rivières contrôlent les processus de fonte de surface sur l’Antarctique de l’ouest et la variabilité des précipitations sur l'Antarctique de l’Est. A l’ouest, les RA qui pénètrent à l’intérieur du continent provoquent des anomalies positives du rayonnement de grande longueur d’onde incident et de vent, accompagné d’effet foehn marqué le long des pentes situées sous le vent. Entre 1979 et 2017, les rivières provoqué 40% de la fonte estivale sur la plateforme de Ross (près de 100% à plus haute altitude sur Marie Byrd Land) et 40 à 80% de la fonte hivernale le long des plateformes de la péninsule Antarctique. En été, ces RA contribuent aussi à la fonte des plateformes de glace de Larsen situées à l’est de la Péninsule. Les RA provoquent 60 à 80% des événements de fonte/ruissellement les plus intenses ainsi que les extrêmes de chaleur. Cette fonte est amplifiée par l’effet Foehn et par les anomalies positives des flux radiatifs incidents provoqués à l’Est de la Péninsule. L’eau de fonte s’accumule alors dans des lacs et des crevasses en surface des plateformes, étape préliminaire à la désintégration d’une plateforme par phénomène de fracturation hydraulique. Les RA repoussent aussi la glace de mer loin de la côte permettant à la houle d’abîmer les marges des plateformes de glace, permettant de déclencher leur désintégration. En particulier, la présence de RA a été découverte lors de la désintégration des plateformes de Larsen A fin janvier 1995 et de Larsen B fin février/début mars 2002. Dans l’ensemble, depuis 2000, 12 des 20 derniers événements de vêlage ou d’effondrement le long des plateformes de Larsen ont été précédés (dans la limite de 5 jours) par l’arrivée d’une RA. Enfin, les RA sont responsables de la majorité des précipitations les plus intenses en Antarctique. A l’Est, elles provoquent 20 à 30% de l’accumulation de neige et contrôlent les tendances et la variabilité interannuelle précipitations neigeuses sur cette partie du continent. Ce contrôle s’étend même à la majeure partie de la calotte glaciaire entre 1980 et 2018.En définitive, les RA jouent un rôle important du climat de l’Antarctique. Une évolution des conditions de blocage atmosphérique autour de l’Antarctique au cours du 21ème siècle engendrerait des changements du bilan de masse de surface de l’Antarctique. De telles évolutions sont actuellement ignorées dans le cadre des projections d’impact du changement climatique.

Due to the increased ability of the air to hold moisture with temperature, precipitation in Antarctica is expected to increase significantly over the next century. This process will undoubtedly lead to an increase in snow accumulation on the continent, thereby partially mitigating future sea level rise. However, recent observed trends in temperature and snow accumulation in Antarctica are insignificant and paradoxical. The role played by moisture intrusions in temperature and precipitation variability could partly explain this phenomenon. These events are known to transport warm air masses from the oceans to the Antarctic continent, but only individual and unrelated intrusion events have been described so far. In an earlier study of the Dronning Maud Land region, the description of atmospheric rivers (ARs) provided an innovative view to describe high intensity moisture intrusions. In this thesis, we develop an atmospheric river detection algorithm adapted to the polar regions, in order to create a climatology of these events at the Antarctic scale. Using the outputs of the regional climate model, MAR (Regional Atmospheric Model), we evaluate the impacts of atmospheric rivers on the melting in West Antarctic, ice-shelf stability on the Antarctic Peninsula ice shelves, and on snowfall across the Antarctic ice sheet.Atmospheric rivers are infrequent events with coastal areas of Antarctica experiencing AR conditions around only three days per year on average and this value is even lower in Antarctic interior. However, ARs control surface melting processes on West Antarctica and precipitation variability on East Antarctica. In the west, ARs entering the interior of the continent cause positive anomalies in downward longwave radiation via highly liquid-laden clouds and wind, resulting in a marked foehn effect along leeward slopes. Between 1979 and 2017, rivers were thus associated with about 40% of the summer melt on the Ross Ice Shelf (nearly 100% at higher altitudes on Marie Byrd Land) and 40-80% of the winter melt along the ice shelves of the Antarctic Peninsula. In summer, these rivers also contribute to the melting of the Larsen ice shelves located east of the Peninsula. Their direct contribution to cumulative melting is more limited than in winter because the intense solar radiation in summer allows daily melting to occur. However, ARs caused 60-80% of the most intense melt/runoff events as well as high temperature extremes. This melting is linked to the Foehn effect and the positive longwave radiative fluxes anomalies over the eastern Peninsula during AR passages. The melt water accumulates in lakes and crevasses on the ice shelf surface, a preliminary step in ice shelf disintegration by hydraulic fracturing. ARs also push sea ice away from the coast, allowing swells to hit and apply strain to the ice-shelf margins. ARs can thus trigger the final disintegration of ice shelves. In particular, ARs were present during the disintegration of the Larsen A ice shelf in late January 1995 and the Larsen B ice shelf in late February/early March 2002. Overall, since 2000, 12 of the last 20 calving or collapse events along the Larsen Ice Shelves have been preceded (within 5 days) by the arrival of an AR. Finally, atmospheric rivers are responsible for the majority of the most intense precipitation in Antarctica. In eastern Antarctica, 20-30% of the snow accumulation occurred during of AR landfalls. Although this value remains modest, we observe that AR activity controls the trends and interannual variability of snowfall in this part of the continent. This control even extends to most of the ice sheet between 1980 and 2018.Ultimately, ARs play an important role in the Antarctic surface mass balance. Therefore, a change in atmospheric blocking conditions around Antarctica during the 21st century would lead to changes in the Antarctic surface mass balance. Such changes are currently ignored in climate change impact projections.