Modélisation hydrologique des bassins versants alimentés par des glaciers en général

Complexité des processus reproduits

La production d’eau par un glacier est essentiellement reliée a l’ablation de la neige et de la glace et au cheminement de l’eau de fonte a travers celui-ci. Ce dernier parametre influence grandement le temps que mettra l’eau de fonte a se rendre de la surface du glacier a son exutoire mais a peu d’influence sur les quantites produites (Flowers, 2008). L’essentiel de la complexite hydrologique se concentre donc dans l’estimation de la quantite de fonte produite a la surface du glacier (Hodgkins, 2001). Tres tot dans l’etude du retrait glaciaire, les chercheurs ont tente de relier l’evolution des glaciers aux conditions climatiques. Walcher fut le premier a suggerer cette relation des 1773. Depuis, de nombreuses etudes ont confirme les relations qui existent entre les conditions climatiques et la fonte des glaciers. Angstrom (1933) souligne l’importance de la temperature, des radiations solaires et du vent dans le phenomene de fonte. La temperature apparait rapidement comme le facteur de fonte dominant. Partant du principe que ≪ A grande echelle, la fonte des glaciers de montagne est controlee par l’augmentation des temperatures. ≫ (Kaser et al., 2006), le retrait glaciaire est tres souvent associe a l’unique augmentation des temperatures de l’atmosphere. Un grand nombre de modeles simulent la fonte a l’aide d’un seul parametre : la temperature de l’air (Ohmura, 2001).

On nomme ces modeles, les modeles a index de temperature, ≪ temperature-indexmodels ≫ (TIM) ou encore les modeles a degre-jours. Le fonctionnement des ces modeles est simple. Au dela d’une certaine temperature, on considere qu’il y a fonte a la surface du glacier et que la quantite produite est directement proportionnelle a la temperature de l’air. Parmi les nombreux exemples d’application de ce type de modele aux bassins alimentes par des glaciers on peut citer: Anderson (1972), Braun et Allen (1990), Oerlemans (2000), Konya et al. (2004), Wagnon (1999), Hock et Holmgren (1996). A l’oppose du spectre de la complexite des modeles de fonte, on retrouve les modeles qui prennent en compte la majorite des parametres du bilan thermique applique a la surface du glacier. En general, ces modeles calculent le bilan radiatif, les echanges turbulents (sensible et latent), les echanges par conduction et l’energie necessaire a la fonte (Dingman, 2002) . Par rapport aux modeles de type TIM, cette approche necessite plus de donnees et demande une plus grande capacite de calcul. On appelle ces modeles des modeles a bilan d’energie de surface, ≪ surface energy-balance ≫, ≪ EB ≫. Ce type de modele procure de tres bons resultats sur des glaciers temperes fortement equipes en instruments de mesure (Hock, 2005). Cependant, cette approche exige un grand nombre de donnees non disponibles pour les glaciers non equipes.

L’application a grande echelle est donc restreinte (Gabbi, 2014). Meme lorsqu’un glacier est equipe d’une station meteorologique autonome, l’application des modeles EB requiert une extrapolation des donnees a la grandeur du glacier ce qui peut engendrer une importante imprecision (Petersen et Pellicciotti, 2011). La parametrisation de ces modeles s’avere egalement etre tres specifique au site etudie et difficilement transferable a des sites connexes (MacDougall et Flowers, 2010). Ainsi pour garder la precision des EB tout en allegeant la quantite de donnees requise, les chercheurs se sont penches sur un type de modele dit ≪ hybride ≫ permettant de combiner les avantages pratiques des TIM avec la realite physique proposee par les EB. Dans cette categorie de modeles hybrides, on retrouve des modeles a index de temperature ameliores ≪ enhanced temperature index models ≫ ETI. Ce sont des modeles indexes a la temperature qui introduisent une autre variable dans le calcul de la quantite de fonte. Pellicciotti et al. (2005) et Vincent et Six (2013), par exemple, proposent un modele de type degre-jour qui inclut un terme dependant des radiations solaires. Dans cette categorie de modeles, on trouve egalement des modeles a bilan d’energie simplifies ≪ simplified energy balance ≫ SEB. Ces modeles calculent le bilan d’energie de la surface d’etude a l’aide d’equations simplifiees pour le calcul des flux turbulents (chaleur sensible et chaleur latente) (Oerlemans, 2001). Ces modeles ont montre une bonne performance pour des glaciers des Alpes. En effet, Gabbi (2014) a compare la performance de divers modeles sur une simulation a long terme (80 ans). Les resultats montrent que les ETI et les SEB offrent la meilleure reponse. Ainsi, le fait que ces modeles necessitent peu de donnees d’entree permet de les appliquer plus facilement a plus grande echelle (spatiale et temporelle).

La modélisation des glaciers tropicaux

Les glaciers tempères ont fait l’objet de recherche depuis très longtemps. Les modèles numériques ont donc ete d’abord developpes pour ce type de glaciers. C’est donc naturellement que, lorsque les glaciologues ont commence a s’interesser aux glaciers tropicaux, la tendance a ete d’appliquer les modeles numeriques deja existants. Ces tentatives ont donne des resultats tres contrastes, selon les types de modeles utilises. Bien que Kaser (2001) suggerait que l’approche de type degre-jour etait mal adaptee aux realites de glaciers tropicaux, plusieurs tentatives ont ete realisees, faute d’alternatives. Les modeles de type index de temperature, (TIM) ont ete utilises a plusieurs echelles. Les performances de ces tentatives a l’echelle de petits bassins glaciaires tels que le bassin de Llanganuco ou de l’Artesonraju au Perou (Pouyaud et al., 2005; Chevallier et al., 2010) n’ont malheureusement pas pu etre verifiees de par l’absence de donnees suffisantes pour la validation du modeles. Cela dit, Suarez et al. (2008) ont utilise une approche similaire a ces etudes pour des glaciers de la meme zone geographique. Si les resultats de la calibration sur 5 ans furent acceptables (Nash compris entre 0.657 et 0.882), la validation sur une periode de 12 ans montre une tendance a systematiquement surestimer les debits de pointe.

La mauvaise adaptabilite des modeles TIM aux glaciers tropicaux a ete confirmee par Sicart et al. (2008). Dans une etude comparative, sur plusieurs regions du globe, de la correlation qui existe entre les temperatures de l’air et les volumes de fonte, l’auteur conclut : ≪ Pour le glacier tropical Zongo, le modele degre-jour n’est pas adapte aux simulations a court pas de temps. Sur une base annuelle, une telle application donne des performance plus acceptables ≫. A plus grande echelle, Condom et al. (2012) ont applique un modele TIM a la Cordillere Blanche dans son ensemble en utilisant un pas de temps mensuel. Cette etude montre egalement les limites de ce type de modele dans le cas des glaciers tropicaux. En effet, le modele montre des difficultes a reproduire les donnees observees ainsi que des biais dans les previsions mensuelles moyennes. Quelques modeles de type SEB ou ETI ont ete testes sur des glaciers tropicaux. C’est le cas par exemple de Juen et al. (2007) qui utilisent un modele de type SEB pour quatre bassins versants fortement recouverts de glace ou Winkler et al. (2009) qui utilisent un modele similaire sur un glacier unique. Les resultats sont satisfaisants mais, encore une fois, ces etudes ont ete limitees a des bassins de petites tailles, proche de celles pour lesquelles les modeles EB sont utilises dans les regions temperees.

A l’oppose des modeles simples de type TIM, quelques applications de modeles hydrologiques a base physique ont ete effectuees sur des glaciers tropicaux. Rigaudiere et al. (1995) sont parmi les premiers a avoir applique un modele a bilan d’energie de surface complet a un glacier tropical, a savoir le glacier Zongo en Bolivie. Les resultats furent juges satisfaisants mais l’etude ne portant que sur deux annees au total, un certain manque de perspective a rendu l’evaluation du modele peu representative. Les modeles de type EB ont par contre ete largement employes pour des etudes de processus d’ablation sur les glaciers tropicaux. Sicart et al. (2005) ont utilise un modele de type EB afin d’analyser le bilan d’energie a la surface du meme glacier Zongo. Seul deux points du glacier ont ete consideres, ceux ou etaient installes deux stations meteorologiques. Dans le modele utilise, la sublimation est calculee de facon independante de l’energie disponible mais dans l’equation de calcul de l’energie latente les parametres de rugosite ete cales par rapport a des mesures de sublimation realisees sur le glacier a l’aide de lysimetres manuels. Le modele ne comprenait pas de module d’ombre. Le flux de chaleur dans la glace est pris en compte de facon partielle sous la forme d’un modele de reservoir de deux couches uniquement. Le meme type d’etude a ete realise par Molg et Hardy (2004) pour le glacier du Kilimandjaro. Un meme principe de temperature de glace a 2 niveaux fut utilise, les valeurs de rugosites furent elles empruntees a la litterature puis validees sur des mesures de sublimation et des approximations de quantites de fonte. Des biais de plus de 100% de quantites de sublimation furent observes durant la saison seche. Cette etude souligne l’importance de la prise en compte de la temperature de glace, notamment parce qu’elle affecte grandement le bilan radiatif.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
Préambule
1.1Modélisation hydrologique des bassins versants alimentés par des glaciers en général
1.1.1 Résolution spatiale
1.1.2 Résolution temporelle
1.1.3 Complexité des processus reproduits
1.1.4 Application aux régions tempérées
1.2 Glaciers tropicaux
1.2.1 Climat tropical
1.2.2 Différences principales entre les glaciers tropicaux et les glaciers tempérés
1.2.2.1 Le rythme d’ablation et d’accumulation
1.2.2.2 L’importance négligeable de manteau neigeux saisonnier
1.2.2.3 Sublimation
1.2.2.4 Ombre persistante
1.2.2.5 Température de glace
1.3 La modélisation des glaciers tropicaux
1.3.1 La sublimation
1.3.2 La gestion de l’ombre
1.3.3 La température de glace
1.3.4 Opportunités d’amélioration en modélisation des basins versants tropicaux alimentés par des glaciers
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Résumé de la recherche
2.2 Données utilisées
2.2.1 Site étudié
2.2.2 Données de modélisation
2.3 Modèle traditionnel
2.3.1 Structure du modèle
2.3.2 Répartition des données
2.3.3 Bilan d’énergie
2.3.3.1 Bilan radiatif net RNET
2.3.3.2 Flux de chaleur turbulents
2.3.4 Quantité de fonte et de sublimation
2.4 Module d’ombre
2.4.1 Principe
2.4.2 Méthode de calcul
2.4.3 Paramétrage
2.5 Module de température de glace
2.5.1 Détail du calcul
2.5.2 Initialisation
2.5.3 Évolution
2.6 Module de sublimation
2.7 Modèle complet
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Volumes de fonte horaires cumulés
3.1.1 Comparaison des volumes simulés avec le débit de fonte théorique pour l’année 2013
3.1.2 Comparaison des volumes simulés avec le débit de fonte théorique pour l’année 2014
3.1.3 Volumes de fonte cumulés calculés sur 400 heures
3.2 Répartition de l’ablation entre la fonte et la sublimation
3.3 Localisation de la fonte et de la sublimation
3.4 Paramètres spécifiques au module d’ombre
3.5 Paramètres spécifiques au module de glace
3.6 Paramètres spécifiques au module de sublimation
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1 Limites des modèles à base physiques appliqués aux glaciers tropicaux
4.2 Module d’ombre
4.3 Module de température de glace
4.4 Effets comparables entre les modules de température de glace et d’ombre
4.5 Module de sublimation
4.6 Modèle complet
CONCLUSION
ANNEXE I DONNÉES TECHNIQUES SUR LA STATION MÉTÉOROLOGIQUE
ANNEXE II DÉMONSTRATION DE L’ÉQUATION 2.8
ANNEXE III SCHÉMA DE FONCTIONNEMENT DES MODULES
ANNEXE IV TABLEAU RÉCAPITULATIF DES ÉQUATIONS UTILISÉES
ANNEXE V SCHÉMA DE PRINCIPE DU MODULE DE TEMPÉRATURE DE GLACE
ANNEXE VI TABLEAU DE CALCUL DE LA PROPORTION DE SUBLIMATION
ANNEXE VII CODE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet