Modelling the thermal regime of glaciers : application to the study of glacial risks and to the quantification of high altitude climate changes
Modélisation du régime thermique des glaciers : applications à l’étude du risque glaciaire et à la quantification des changements climatiques à haute altitude
Résumé
This thesis focuses on the numerical modeling of the thermal response of glaciers to climate changes. The change in surface conditions related to climate forcing is one of the key point of this study. We point out the crucial role of the meltwater refreezing in cold accumulation zone and the thickness of the snow and firn cover around the equilibrium line. The models are developed from the study of specific cases of three glaciers in Mont Blanc range ( French Alps). These studies allow us to analyze the risk related to hanging glaciers and to reconstruct the past temperaures at high altitude from observede nglacial temperatures. The very extensive dataset obtained at the site of the Col du Dôme (4250 m) includes measurements of deep temperatures and density profiles as well as measurements of snow accumulation and surface velocities. These observations allow us to develop and validate a three-dimensional thermal regime model coupled with a flow model and forced by meteorological data. This model is used to perform a thorough study of the thermal response of cold accumulation zone to climate change. It can also be used for the prediction of future glacial hazard related to hanging glaciers warming. A preliminary analysis has been carried out on the hanging glacier of Taconnaz. The warming could have a major impact on the stability of this kind of glaciers frozen to their beds if the melting point is reached. The study performed on Tête Rousse glacier (about 3200 m) shows clearly the influence of the snowpack and firn cover on the thermal regime of glaciers around the equilibrium line. The results obtained from coupling of a snow model (CROCUS) with a model of thermal regime reveal a very good agreement with the observed ice temperatures. This study provides insights into the thermal processes responsible for water storage inside a small almost static glacier, which can lead to catastrophic outburst floods. In the future, according to atmospheric temperature increase scenarios for the coming century, most of the glacier will become cold which will reduce the risk of water filled cavity formation. Finally, a new inverse method has been developed to reconstruct temperatures in the past from observed englacial temperatures. The method is based on the simultaneous inversion of several temperature profiles coming from different drilling sites with the same climate forcing. The method overcomes the impact of refreezing meltwater to reconstruct past air temperatures variations. This is similar to the observed regional low altitude trend. The results obtained on the Col du Dome shows that climate warming on the site at 4250 m is similar to the observed regional low altitude trend in the northwestern Alps, suggesting that air temperature trends are not altitude dependent.
Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation numérique de la réponse thermique des glaciers froids aux variations climatiques. La prise en compte du forçage climatique par la modification des conditions de surface des glaciers est l'un des points clefs de cette étude. On montre l'importance des processus de fusion/regel en zone d'accumulation froide ainsi que de l'épaisseur de la couverture de neige et névé autour de la ligne d'équilibre. Les modèles développés dans cette thèse s'appliquent à des cas concrets sur trois glaciers du massif du Mont Blanc (Alpes françaises). Ces études permettent d'analyser des situations à risque et de reconstituer le climat passé à haute altitude. Le jeu de données très complet acquis sur le site du Col du Dôme (4250 m) comprend des mesures profondes de températures et de densités ainsi que des mesures d'accumulation et de vitesses de surface. Il a permis de valider et développer un modèle à trois dimensions de régime thermique couplé à un modèle d'écoulement et forcé par des données climatiques. Ce modèle permet d'étudier en détail la réponse thermique des zones d'accumulation froides aux changements climatiques. Il peut aussi être utilisé pour la prédiction du réchauffement futur des glaciers suspendus présentant un risque comme le glacier de Taconnaz dont une analyse préliminaire est effectuée ici. Le réchauffement basal jusqu'au point de fusion pourrait conduire à la déstabilisation de ce type de glacier. Le site du glacier de Tête Rousse ( environ 3200 m) a permis d'établir clairement l'influence de la couverture de neige et de névé sur le régime thermique des glaciers autour de la ligne d'équilibre. Les résultats obtenus à partir du couplage d'un modèle de neige (CROCUS) avec un modèle de régime thermique sont en excellent accord avec les observations de températures réalisées dans le glacier. On explique ainsi les causes de la structure thermique particulière du glacier de Tête Rousse responsable de la formation d'une poche présentant un risque pour la commune à l'aval. Dans le futur, les simulations indiquent que le glacier va continuer de se refroidir, limitant ainsi le risque de formation de poche d'eau. Dans le dernier chapitre, nous avons développé une nouvelle méthode inverse pour reconstituer les températures du passé à partir de profils de températures observées dans la glace. Elle est basée sur l'inversion simultanée de plusieurs profils de températures provenant de différents sites de forage ayant subi le même forçage climatique. La méthode permet de s'affranchir de l'impact des processus de fonte/regel en surface pour reconstruire les variations passées des températures de l'air. Les résultats obtenus sur le Col du Dôme montrent que le réchauffement climatique sur le site à 4250 m est similaire à celui observé à basse altitude. Ces résultats tendent à montrer que le réchauffement climatique n'est pas amplifié avec l'altitude.
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Sciences de la Terre
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