Thèse Quantification et Paramétrisation de la Longueur de Rugosité Aérodynamique de la Neige H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)
Direction de la thèse : Florence NAAIM ORCID 0000000271755270
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-03T23:59:59

La longueur de rugosité aérodynamique z est un paramètre de surface défini comme la hauteur virtuelle pour laquelle la vitesse moyenne du vent s'annule par extrapolation logarithmique du profil de vitesse de la couche limite atmosphérique. Elle caractérise l'effet intégré des éléments de rugosité sur le cisaillement turbulent et joue un rôle central dans la représentation des échanges turbulents de quantité de mouvement, de chaleur et d'humidité entre la surface et l'atmosphère, et par extension, du bilan d'énergie de surface. Dans les régions polaires et de haute montagne, ces échanges conditionnent directement la fonte et le bilan de masse des glaciers et calottes de glace (e.g., Favier et al., 2011). Pourtant, z demeure un paramètre hautement incertain des modèles, où il est le plus souvent prescrit comme constant ou ajusté empiriquement, faute de contraintes observationnelles suffisantes (Van Tiggelen et al., 2023). Sur les surfaces enneigées soumises à des vents soutenus, la neige est continuellement remodelée par l'érosion et l'accumulation éoliennes, formant des microreliefs anisotropes tels que les sastrugi et les dunes de neige. La géométrie, l'organisation spatiale et l'orientation de ces microreliefs contrôlent directement z et induisent une forte dépendance directionnelle de z. De plus, ces microreliefs évoluent dans le temps sous l'effet de la variabilité du vent, de l'accumulation de neige, ou des processus de métamorphisme et de réajustement aérodynamique, rendant z intrinsèquement variable dans l'espace et le temps. Cette thèse vise à établir un lien quantitatif entre la rugosité géométrique de la surface neigeuse et z, afin de proposer une paramétrisation générique et dynamique de z adaptée aux modèles de climat. Elle s'appuiera sur une approche intégrée combinant observations de terrain (laserscans de surface et profils de vent), expériences contrôlées en soufflerie et modélisation analytique de z. Les travaux seront menés sur des sites aux régimes de vent contrastés, dans les Alpes françaises et en Antarctique de l'Est, afin de couvrir un large éventail de conditions morphodynamiques.

La variabilité spatiale de z à l'échelle du continent antarctique reflète les différences de type et de morphologie des microreliefs (Amory et al., 2015), principalement contrôlées par les régimes locaux de vent et d'accumulation ainsi que par la redistribution éolienne de la neige . Dans les régions soumises à des vents intenses, les microreliefs tels que les sastrugi peuvent conduire à des valeurs de z plusieurs ordres de grandeur plus élevées que celles observées au-dessus de surfaces lisses de glace bleue. À l'échelle temporelle, la morphologie des microreliefs évolue en réponse aux conditions météorologiques changeantes, à travers des processus tels que le réajustement aérodynamique (Amory et al., 2016), l'enfouissement par l'accumulation, ou encore l'ablation de surface consécutive à des épisodes de pluie ou de fonte. Par ailleurs, l'augmentation de la cohésion de la neige liée au frittage et au durcissement par le vent peut limiter l'érosion et freiner le lissage aérodynamique de la surface (Amory et al., 2017). L'ensemble de ces processus induit une forte variabilité spatio-temporelle de z, encore insuffisamment contrainte par les observations.
En conséquence, les modèles de climat et de bilan d'énergie recourent le plus souvent à des valeurs constantes de z ou à des formulations empiriques simplifiées, qui ne rendent pas compte de cette dynamique. S'appuyant sur un jeu de données météorologiques unique couvrant plusieurs années dans les Alpes françaises et sur plusieurs sites de l'Antarctique de l'Est, et combiné à des observations détaillées de la rugosité géométrique de surface (e.g. Picard et al., 2019), cette thèse ambitionne d'identifier les mécanismes physiques reliant les microreliefs de surface à z, et de proposer une paramétrisation dynamique de z fondée sur des variables morphologiques observables et sur des processus physiques robustes.

La thèse s'articule autour de cinq objectifs principaux :
- Estimer z à partir de profils de vent in situ mesurés sur un site alpin et plusieurs sites antarctiques.
- Évaluer la sensibilité méthodologique des estimations de z aux choix de traitement des données (hauteur minimale de mesure, nombre et position des capteurs, corrections de stabilité atmosphérique).
- Quantifier la dépendance directionnelle de z et la relier à l'orientation préférentielle et à la morphologie des microreliefs de surface.
- Caractériser la variabilité spatiale et temporelle de z et l'interpréter au regard des régimes locaux de vent, d'accumulation et de redistribution de la neige.
- Développer une paramétrisation dynamique de z reliant rugosité géométrique et aérodynamique, intégrant les processus de réajustement aérodynamique et adaptée aux modèles de climat.

La démarche reposera sur une approche multi-échelle et multi-méthodes :
Observations de terrain :
- Analyse d'images et de données de laserscan au Col du Lac Blanc afin de constituer une base de données de paramètres morphologiques des microreliefs (hauteur, longueur d'onde, anisotropie).
- Exploitation de profils de vent multi-annuels mesurés au Col du Lac Blanc et sur plusieurs sites en Antarctique de l'Est pour estimer z et sa dépendance directionnelle.
Expériences en soufflerie :
- Conception de microreliefs idéalisés (sastrugi théoriques) dimensionnés à partir des paramètres morphologiques observés.
- Mesure de leur impact sur z dans des conditions contrôlées.
Modélisation analytique :
- Confrontation d'un modèle analytique de z aux observations de profils de vent.
- Identification des jeux de paramètres morphologiques permettant de reproduire les valeurs observées de z.
-Analyse de la cohérence entre paramètres morphologiques mesurés par laserscan et paramètres optimaux du modèle analytique.