Analyser les contributions de la fonte de la neige et des glaciers aux débits des rivières des hauts bassins versants montagne, basée sur des simulations à base physique

Résumé du projet de thèse

Dans les bassins versants alpins, la fonte nivale et glaciaire constitue un élément fondamental du régime hydrologique et contribue de manière significative à l’approvisionnement en eau en aval, en particulier au printemps et en été. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, la réduction de la cryosphère entraînera des modifications profondes du cycle hydrologique dans ces régions. Cependant, quantifier la contribution des la neige et des glaciers aux débits des bassins versants demeure un défi en raison des limites des données disponibles et des incertitudes liées à la modélisation.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’étudier la contribution de la fonte nivale et glaciaire aux débits avec une haute résolution spatio-temporelle en utilisant des simulations issues d’une chaîne de modélisation physique dédiée. Les modèles hydrologiques classiques ne prennent en compte que des représentations simplifiées de la fonte nivale et glaciaire. Toutefois, les avancées récentes en matière de descente d’échelle météorologique et de modélisation spatialisée de la neige et des glaciers permettent aujourd’hui d’envisager une évaluation plus précise des apports en eau de ces composantes cryosphériques et de leur évolution temporelle. Afin de combler cette lacune, la chaîne de modélisation envisagée intégrera des représentations détaillées de la neige saisonnière ainsi que du bilan de masse des glaciers. Les Alpes françaises constituent un terrain d’étude idéal pour développer, tester et appliquer cette méthodologie, grâce à un suivi cryosphérique de longue date (notamment via l’observatoire GLACIOCLIM), des projets de recherche récents et des mesures de débit réalisées par des acteurs publics et privés.
Le projet de thèse s’articulera autour de trois axes principaux. Tout d’abord, des bases de données seront constituées pour alimenter et évaluer les modèles sur 3 à 5 bassins versants dans les Alpes françaises. À cette fin, des données météorologiques seront compilées en collaboration avec Météo-France, tandis que des mesures opérationnelles du bilan de masse glaciaire et des débits des cours d’eau seront exploitées pour valider et affiner les simulations. Des données complémentaires sur la distribution spatiale de la neige seront également acquises, notamment via la photogrammétrie par drone. Dans un second temps, le modèle à base physique FSM2trans sera mis en place sur ces sites d’étude afin de simuler l’évolution spatiale du manteau neigeux et le bilan de masse des glaciers. Enfin, les sorties de FSM2trans serviront d’entrée au modèle hydrologique J2000, qui sera adapté en collaboration avec l’équipe RiverLy de l’INRAE pour simuler la contribution de la fonte nivale et glaciaire aux écoulements à l’échelle infra-saisonnière.
Ce travail permettra ainsi de : 1) explorer les facteurs contrôlant l’accumulation et la fonte de la neige dans l’espace et le temps ; 2) évaluer la capacité du modèle à représenter ces dynamiques observées ; 3) analyser l’importance des processus nivaux et glaciaires dans le régime hydrologique des bassins versants à différentes échelles spatio-temporelles ; 4) comprendre comment les caractéristiques des bassins et les conditions météorologiques influencent ces contributions cryosphèriques à l’hydrologie. Ce projet de recherche se situe à l’interface entre climatologie, hydrologie, nivologie et glaciologie. Il sera mené au sein de l’Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE), un laboratoire regroupant des experts issus de ces différentes disciplines, et bénéficiera d’un réseau solide de collaborations nationales et internationales.

 

Dans ce projet de thèse, nous proposons d'étudier la contribution de la fonte nivale et glaciaire aux débits des bassins versants à fine résolution spatiotemporelle, basée sur des simulations obtenues avec une chaîne de modélisation dédiée et fondée sur les processus. Les modèles hydrologiques incluent traditionnellement des représentations simples de la fonte fonte nivale et glaciaire, basées souvent sur des approches degré-jour, qui négligent de nombreux processus complexes moteurs. L'une des raisons de cela réside dans la difficulté de fournir une forçage météorologique de haute qualité à haute altitude, nécessaire pour que les modèles distribués et basés sur le bilan d’énergie produisent des résultats significatifs (Réveillet et al., 2018). Les avancées récentes des approches de descente d’échelle météorologique et des modèles distribués de neige et de glaciers permettent maintenant de réévaluer leur potentiel pour mieux quantifier les apports en eau de surface provenant des composants cryosphériques, ainsi que leur évolution temporelle (Berg et al., 2024). Pour combler cette lacune de recherche, la chaîne de modélisation envisagée pour ce projet intégrera des représentations détaillées du bilan de masse saisonnier du manteau neigeux et des glaciers. Les Alpes françaises offrent un cadre idéal pour développer, tester et appliquer cette méthodologie, grâce à des efforts de surveillance cryosphérique de longue date dans le cadre de l'observatoire GLACIOCLIM (https://www.glacioclim.osug.fr) et de divers projets de recherche récents, ainsi que des mesures de débit opérées par l'État et divers acteurs du secteur privé (par exemple EDF, CNR).

 

Le projet de thèse comprendra trois activités principales :
1. Compilation et acquisition de jeux de données de forçage et d'évaluation du modèle :
Des champs de forçage météorologique à résolution horaire et pour une période d'étude d'environ 5 ans seront rassemblés pour 3-5 zones d'étude, y compris des bassins versants partiellement glacés et des sites d'observation (GLACIOCLIM, Jardin du Lautaret). Pour le calage et l'évaluation du modèle, les données de distribution de la neige sont particulièrement intéressantes et seront acquis dans le cadre de ce projet pour étendre l'ensemble de données existant. Les mesures opérationnelles du bilan de masse des glaciers et du débit des rivières seront également prises en compte.
2. Modélisation du bilan de masse saisonnier de la neige et des glaciers :
Le modèle de neige dédié FSM2trans sera configuré pour les sites d'étude et évalué par rapport aux observations. FSM2trans a récemment subi de nombreuses ajouts, tels que la mise en œuvre du transport latéral de la neige et de la fonte des glaces. Ce projet représentera l'une des premières applications à un terrain haute montagne, permettant ainsi un calage plus précis pour de tels cas d'utilisation, et produira des simulations spatiales distribuées de la fonte nivale et glaciaire à l’échelle quotidienne.
3. Modélisation hydrologique et analyse :
En dernière étape, les résultats du modèle FSM2trans seront utilisés comme entrée en eau de surface pour le modèle hydrologique J2000. Les simulations hydrologiques résultantes serviront de base pour évaluer la contribution de la fonte nivale et glaciaire aux débits à l’échelle sous-saisonnière.


Dans de nombreuses régions montagneuses, y compris les Alpes françaises, une partie des précipitations est stockée temporairement (ou de façon permanente) dans la cryosphère alpine, principalement sous forme de neige saisonnière et de glaciers. L'hydrologie de ces bassins versants est donc fortement influencée par les processus cryosphériques qui dictent quand et combien d'eau est libéré par la fonte. Les bassins versants alimentés par la neige et les glaciers présentent ainsi des régimes hydrologiques spécifiques, qui sont essentiels pour soutenir les usages de l'eau en aval, en particulier pendant les périodes chaudes et sèches du printemps et de l'été (Van Tiel et al., 2021). Le réchauffement climatique actuel modifie de manière drastique la cryosphère alpine, entraînant des saisons de neige plus courtes, des événements plus fréquents de pluie sur neige et un recul accéléré des glaciers (Matiu et al., 2021 ; Sommer et al., 2020). Combinées à l'augmentation de la fréquence et de la durée des vagues de chaleur estivales, les conséquences de ces changements sur l'hydrologie alpine seront profondes. Une meilleure compréhension du rôle de la neige et des glaciers dans le cycle de l'eau alpin aujourd'hui peut aider à plaider pour la nécessité fondamentale de limiter le réchauffement climatique, ainsi qu'à atténuer l'impact des changements futurs. Cependant, quantifier la contribution de la neige et des glaciers au ruissellement des bassins versants fait face à de multiples défis liés à la disponibilité des données, à l'adéquation des modèles et à la méthodologie (Mimeau et al., 2019 ; Weiler et al., 2018).