Tous les deux mois, ce cahier spécial vous permet de comprendre les enjeux de la recherche sur la prévision du temps et du climat. Il est réalisé avec le soutien des chercheurs de Météo-France.

ENJEUXLa neige doit être étudiée à toutes les échelles pour comprendre et prévoir les phénomènes qui lui sont associés.

FOCUS

Les chercheurs de Météo-France ont évalué l’impact du changement climatique sur l’enneigement en montagne.

6 - Surveiller le manteau neigeux

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Station automatique Le Joseray, Savoie.

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ATMOSPHÈRE

Rayonnement solaire

Rayonnement infrarouge

Pluie NeigeVentTempérature / Humidité de l’air

neige fraîche

particulesreconnaissables

grains ronds

gobelets

faces planes

grains �ns

accumulation

ruissellement

échanges thermiques

regeltassement

percolation

in�ltration

ruissellement

métamorphose

Modèle détaillé, Crocus

Nord

Sud

altitude

Relief conceptuel, nombre de couches variable, jusqu’à 50 en général,

prend en compte l'altitude, la pente et l’exposition.

Utilisé pour :- la prévision du risque d’avalanche- les études d’impact du changement climatique sur l’enneigement- les études hydrologiques en zones de relief

accumulation

ruissellement

échanges thermiques percolation

regel

tassement

in�ltration

Modèle de complexité intermédiaireEn général 3 couches,

résolution 8 km

Utilisé pour :- la prévision et la recherche hydrologiques à moyenne et grande échelles- les études d’impact du changement climatique sur l’enneigement

accumulation

ruissellement

in�ltration

Modèle monocoucheRésolution : quelques

dizaines de km (climat)ou 2,5 km (prévision numérique du temps)

Utilisé pour :- la prévision numérique du temps- les simulations climatiques

56 • Les Dossiers De La recherche | DÉCEMBRE 2012 • N° 52

la neige dans tous ses étatsMétéo-France étudie la neige sous toutes ses coutures, du flocon aux crues nivales. Les enjeux sont multiples : assurer la sécurité en montagne, améliorer la précision des bilans hydrologiques, affiner la prévision numérique du temps et les projections climatiques.

Albertville, février 1992. La neige est tombée et les médailles pleuvent. En coulisse, de tout nouveaux outils pour

la prévision du risque d’avalanche tournent pen-dant toute la durée des Jeux olympiques. Baptisés Safran, Crocus et Mepra, ces modèles ont été mis au point par Météo-France afin de veiller à la sécurité des sites où se déroulent les épreuves. Vingt ans plus tard, les recherches en nivologie ont encore progressé. Les trois logiciels ont été affinés dans le but d’améliorer continuellement la prévision de ce risque. « Ce sont les avalanches involontairement provoquées par l’homme qui sont les plus meurtrières », rappelle Pierre Etchevers, res-ponsable du Centre d’études de la neige (CEN), l’une des équipes du CNRM-GAME*.Si les scientifiques n’arrivent pas à prévoir leur déclenchement dans un couloir donné, ils peuvent en revanche évaluer les conditions propices au phénomène. Ils surveillent donc en continu les variables du manteau neigeux (profils de tempé-rature, types de grain et cohésion de la neige au sol, etc.) et celles de l’atmosphère (température,

humidité, vent, précipitations). Avec ces informa-tions et les prévisions météorologiques, la structure du manteau neigeux peut être modélisée, et le risque d’avalanche évalué. « Pour cela, nous devons connaître les propriétés physiques de la neige, de la manière la plus détaillée possible », souligne Samuel Morin, chercheur au CEN. Aussi les scientifiques travaillent-ils à différentes échelles, à commencer par la plus fine : le grain de neige.« Une des difficultés est d’estimer la taille de ces grains, explique Pierre Etchevers. Ils ont chacun des dimensions différentes ou des formes biscornues. Plusieurs méthodes de mesure ont été mises au point. Au CEN, nous avons été parmi les premiers à faire des images en 3D de grains par tomographie X, grâce à la proximité du synchrotron* de Grenoble . À l ’heure actuelle, la résolution des images est de l ’ordre de 10 microns, mais plusieurs projets visent à l ’augmenter dans les années à venir. » Un défi technique demeure : celui de conserver intact un échantillon de neige de la taille d’un sucre dans des conditions froides, alors que le laboratoire du synchrotron est à température ambiante.

enjeux Surveiller le manteau neigeux

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22 C’est le nombre de victimes d’avalanches durant la saison 2011-2012 (source AnenA : Association nationale pour les études de la neige et des avalanches).

CnRM-GAMeCentre national de recherches météorologiques- Groupe d’études de l’atmosphère météorologique

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Des puits dans la neige. Sur le terrain, les chercheurs collectent depuis 1961 des données météorologiques et nivologiques au site expé-rimental du col de Porte, à 1 325 m d’altitude, dans le massif de la Chartreuse. « Sur ce site, ainsi qu’à d’autres endroits dans les Alpes, nous creusons des puits afin d’étudier in situ les propriétés de la neige au niveau de chacune des couches du manteau neigeux », poursuit Pierre Etchevers. Ces mesures ont servi à mettre au point le modèle Crocus, qui simule l’évolution des différentes couches de neige en fonction des conditions météorologiques. En 2010, un projet a aussi été lancé afin de moderni-ser l’instrumentation utilisée pour l’observation de la neige (voir « Trois questions à… » page suivante).Car le manteau neigeux change continuelle-ment : l’eau qu’il contient passe sans cesse de l’un à l’autre de ses trois états : solide, liquide, gazeux. Les processus liés à ces transformations ont été intégrés dans le modèle Crocus. Plusieurs propriétés importantes en sont déduites, parmi lesquelles l’albédo* et la conductivité thermique*. « Les grains de neige se transforment en permanence selon le bilan énergétique à la surface et le transfert interne d’énergie, continue Samuel Morin. Une neige fraîche réfléchit par exemple près de 90 % de l’énergie solaire visible car les cristaux, qui ont alors des formes plutôt dendritiques, possèdent un fort pou-

voir diffusant. Quand ils évoluent, ils s’arrondissent et des impuretés se déposent à la surface de la neige, ce qui fait que l’albédo d’une neige ancienne est plus faible. » Au sein du manteau neigeux, la tempé-rature varie suivant la verticale, ce qui influe sur les transformations morphologiques des grains et donc sur la cohésion des couches de neige. À cela s’ajoute l’effet de la pente. « Pour comprendre le comportement mécanique du manteau neigeux, il faut imaginer que l’on superpose du papier de verre, qui représente le sol, du sucre et de la farine, qui représen-tent des couches de neige de comportements mécaniques différents, compare Samuel Morin. On tasse puis on incline le tout, et on observe alors la façon dont les éléments se comportent. »

Des bulletins pour 36 massifs. Aux si-mulations de Crocus sont intégrées les prévisions météorologiques fournies par le système Safran. En complément, la stabilité mécanique de la neige par rapport à une pente donnée est évaluée par le modèle Mepra. Cette chaîne de systèmes, baptisée Safran-Crocus-Mepra, estime les risques d’ava-lanche dans les trois principaux ensembles mon-tagneux français. « Les modèles divisent les Alpes, les Pyrénées et la Corse en zones dont le climat est considéré comme homogène, explique Daniel Goetz, chercheur au CEN. Ce sont des régions d’une

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en route pour mieux prévoir la neige en plaineLa neige en hiver ne surprend pas les automobilistes qui vivent dans les massifs montagneux. Mais en plaine, l’or blanc des sommets devient souvent une peste noire. Comment faire pour mieux prévoir les chutes de neige là où elles restent des événements rares, mais où leur impact est plus grand ? « En plaine, où les températures sont souvent proches de 0° C, une erreur de prévision de quelques dixièmes de degré peut être suffisante pour générer une erreur sur la prévision de pluie ou de neige », explique Ludovic Bouilloud, chercheur à la Direction de la prévision de Météo-France. Lorsque cette dernière arrive sur la chaussée, les échanges thermiques et hydriques entre la route et les cristaux vont être importants pour déterminer si elle va fondre, tenir, se transformer en verglas, etc. « Afin d’améliorer nos prévisions, nous avons développé le modèle Isba-Route-Crocus, poursuit Ludovic Bouilloud. Il modélise les transferts d’eau et d’énergie entre la route et la neige et simule avec précision le comportement de la neige sur la chaussée. Il sera expérimenté au cours de l’hiver 2012-2013. »

Prévoir la neige en plaine

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ALBÉDOQuantité d’énergie provenant du Soleil réfléchie par une surface.

COnDuCTIvITÉ TheRMIQue Capacité plus ou moins grande d’une substance à transporter de la chaleur.

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Prévision du temps ou du risque d’avalanche, études climatiques et

hydrologiques : selon les cas, les chercheurs utilisent des modèles de

complexités différentes pour simuler l’évolution du manteau neigeux.

eSRFeuropean SynchrotronRadiation Facility

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jusqu’à 50 couches peuvent être représentées dans le modèle Crocus pour simuler finement un manteau neigeux épais d’un ou deux mètres.

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surface comprise entre 400 et 1 000 km². Les Alpes sont ainsi découpées en 23 massifs, les Pyrénées en 11, et la Corse en 2. Au sein de ces massifs, le risque d’avalanche est calculé par palier d’altitude de 300 mètres et pour chaque exposition de pente. » La phase opérationnelle au cours de laquelle sont émis les bulletins d’estimation du risque d’avalanche (BRA) dure de novembre à mi-juin. Ce travail est fait en étroite collaboration avec les centres montagne de Météo-France, responsables des prévisions opérationnelles du risque d’avalanche. Le CEN forme les prévisionnistes avalanche, coordonne leur travail quotidien et recueille leur expérience, ce qui contribue à l’amélioration des systèmes de simulation et des connaissances sur ce phénomène.Un autre facteur est à prendre en compte dans la prévision du risque d’avalanche : le transport de la neige par le vent. Il est à l’origine de la formation de la majorité des plaques, ces mêmes plaques dont le déclenchement accidentel est la cause de la plupart des victimes d’avalanche. En collaboration avec IRSTEA, le CNRM-GAME étudie ce phénomène au col du Lac blanc, non loin de l’Alpe-d’Huez. À 2 720 m d’altitude, des capteurs mesurent les hauteurs de neige qui diminuent ou augmentent de part et d’autre de la station balayée par les vents. « Les données nous servent à mettre au point des modèles qui calculent les quantités de neige transportées selon les conditions météorologiques et la nature des grains en surface du manteau neigeux », détaille Pierre Etchevers. Cette nouvelle approche a été inté-grée à Safran et Crocus, et est expérimentée cet hiver sur quelques massifs en Isère.

Quand la neige fond. En aval de ces études, les chercheurs établissent le bilan d’eau correspondant à la quantité de neige fondue. C’est notamment le travail d’Éric Martin, du CNRM-GAME, à Toulouse : « Nous cherchons à prévoir l’apport d’eau lié à la fonte de la neige au printemps, mais aussi les crues nivales qui peuvent se produire durant cette période. » Pour simuler les bilans d’eau et d’énergie de surface, un outil de modélisation a été développé : la chaîne Safran-Isba-Modcou. Safran analyse les conditions météorologiques à l’échelle de la France. Isba représente les échanges entre l’atmosphère et la surface à la résolution de 8 km, en incluant le manteau neigeux via un modèle de complexité intermédiaire (voir info-graphie p.56), le ruissellement de surface et le drainage profond. Ses données sont reprises par Modcou, qui calcule le débit des rivières. « C’est une modélisation dont les enjeux économiques sont importants, souligne Éric Martin. L’agriculture, l’industrie, les villes sont concernées par la dispo-nibilité de la ressource en eau. Nous continuons à développer les actions de recherche dans ce sens, la dernière en date étant Scampei. » (voir focus) •

à retenir• Des études à l’échelle du grain sont nécessaires pour améliorer la compréhension des transformations de la neige.

• La chaîne de modèles de Météo-France donne une estimation de plus en plus fine du risque d’avalanche dans les Alpes, les Pyrénées et en Corse.

• Les scientifiques tiennent compte de l’effet de la neige et de sa fonte pour calculer les bilans hydrologiques.

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at Quel type de données est important

pour faire avancer les recherches sur les propriétés physiques de la neige ?Il nous manque des mesures objectives sur la forme des cristaux et sur leur taille. nous avons voulu documenter ces variables et les intégrer dans une nouvelle version du modèle détaillé Crocus dans le cadre du projet Quaspper* (Quantitative Assess-ment and modelling of the Snow Physical PropeRties), que nous avons commencé en 2010. Le modèle décrira alors de façon plus objective l’évolution des propriétés physiques des couches de neige sous l’effet des conditions météorologiques de surface.

À l’aide de quels instruments allez-vous faire les études de terrain ? en parallèle avec les approches convention-nelles utilisées de longue date au Cen, nous utilisons des outils issus de la recherche menée en amont sur les propriétés optiques ou mécaniques de la neige, par exemple

le SnowMicroPen (développé au WSL-SLF, Davos, Suisse) et plusieurs instruments déve-loppés à Grenoble, qui mesurent la réflec-tance de la neige dans le proche infrarouge jusqu’à un ou deux mètres de profondeur. Le travail de terrain est complémentaire d’études en chambre froide pour lesquelles plus de variables peuvent être contrôlées.

Sur quelle autre expertise vous appuyez-vous ?nous collaborons étroitement sur ces aspects avec la communauté de recherche locale (Observatoire des sciences de l’univers de Grenoble – OSuG). Le LGGe (Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement) a apporté une contribu-tion importante à ce projet en développant un profileur de « rayon optique » des grains de neige.* Le projet a associé le CNRM-GAME/CEN et le LGGE, et a été financé par l’Institut national des sciences de l’Univers (INSU-LEFE).

troiS QueStionS À Samuel morin

chercheur et responsable de l’équipe manteau neigeux au Centre d’études de la neige du Cnrm-game depuis 2009

• Thèse au LGGe, Grenoble, université Paris-est (2005-2008) • Magistère de sciences de la Terre à l’enS Paris - université Paris vI (2002-2005)

« Décrire et modéliser de façon plus objective l’évolution des propriétés physiques des couches de neige. »

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Les températures de l’atmosphère ont un impact important sur l’enneigement, et vice versa.

hAuTeuRS De neIGe SIMuLÉeS POuR LeS hIveRS De LA FIn Du xxIe SIèCLeSimulations effectuées dans le cadre du projet Scampei.

Le scénario A2 est associé aux concentrations de gaz à effet de serre les plus élevées.

La question taraude les esprits à l’heure du changement clima-

tique : y aura-t-il encore de la neige à Noël (et pas seule-ment) en France dans les décennies à venir ? Pour y répondre avec des perspectives chiffrées, l’Agence nationale de la recherche a financé le projet Scampei (Scénarios clima-tiques adaptés aux zones de montagnes), lancé en 2009 et coordonné par le CNRM-GAME*. L’objectif était de faire des simulations à des résolutions beaucoup plus fines que celles des modèles clima-tiques. Les tailles de maille actuelles, de l’ordre de la centaine de kilomètres, sont trop grandes pour donner des détails sur les massifs monta-gneux – à cette échelle, les

Alpes et les Pyrénées ne font figure que de collines sur les plateaux continentaux. Les chercheurs ont donc mis au point dans le cadre du projet Scampei plusieurs méthodes qui s’appuient sur des scénarios de changement climatique à grande échelle. En utilisant des techniques de descente d’échelle (régionalisation), ils ont obtenu des scénarios à la résolution très fine de 8 kilomètres. La chaîne de modèles Safran-Crocus-Mepra a apporté sa contribu-tion en affinant ces informations en fonction de l’altitude et de l’exposition dans les Alpes françaises. Une tendance générale a été dégagée : les projections indiquent qu’en dessous de 2 000 m d’altitude l’enneige-

ment va diminuer significati-vement d’ici à la fin du siècle. « Nous ne pouvons pas encore quantifier précisément l’impact versant par versant, mais ces scénarios à 8 km sont une réelle avancée car c’est la première fois que l’ensemble des massifs français est étudié », commente Éric Martin, du CNRM-GAME. Une diminution globale de l’enneigement aurait des conséquences à l’échelle de la planète, comme le rappelle Samuel Morin, du CEN : « La neige est une des composantes du système climatique, avec des effets rétroactifs sur l’atmosphère. En effet, la présence de neige au sol modifie les échanges d’énergie entre l’atmosphère et la surface. Si la couverture neigeuse dimi-nuait en Amérique du Nord et en Eurasie, toutes autres compo-

santes du système climatique demeurant égales par ailleurs, nous n’aurions plus d’hivers aussi froids. » Les cartes établies lors du projet Scampei sont disponibles sur le site www.cnrm.meteo.fr/scampei/ •* Le projet a associé les chercheurs du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD), du Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique (Cerfacs), du Laboratoire de géographie phy-sique (LGP) et du Laboratoire de glaciologie et de géophysique de l’environnement (LGGE).

Des degrés en plus, de la neige en moins

• Comité éditorial : Directions de la Recherche et de la Communication de Météo-France • Rédaction : Myriam Détruy• Conception graphique et réalisation : A noir,

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FOCuS enneigement et changement climatique

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Modèle Aladin scénario de gaz à effet de serre A1B

Modèle Aladin scénario de gaz à effet de serre A2