Les régions polaires représentent actuellement les régions mondiales où les changements liés au réchauffement climatique se manifestent de manière particulière et souvent spectaculaire. Notre capacité actuelle à comprendre les modes naturels de la variabilité climatique dans ces zones, ainsi que les impacts directs ou indirects de l'activité anthropique sur ces modes, reste encore relativement limitée. Ainsi, la nappe glaciaire Antarctique et ses composantes (atmosphère, océan, glace de mer) restent encore mal représentées dans les modèles climatiques actuels, contribuant notamment à de fortes incertitudes sur les projections climatiques futures et l'évolution associée du niveau des océans. La poursuite des études sur l'équilibre ou non (et l'évolution future) du bilan de masse (surface et total) des différents secteurs du continent Antarctique, par rapport au réchauffement climatique actuel, s'avère donc primordiale. Dans le cadre de ce manuscrit, je propose de contribuer à réduire les incertitudes du Bilan de Masse de Surface (BMS) Antarctique, permettant d'aborder une optimisation de la cartographie actuelle de ce dernier que ce soit avec les modèles climatiques ou les cartes d'interpolation de BMS.

Résumé : La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression de ses marges, sur les dernières décennies. Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant, afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le niveau des mers, il est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes. Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface. Pour pallier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives sont d'un grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique. Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période 1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période). Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation. Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte. // Abstract : Significant climate change is curently monitored in the Arctic, and especially in the region of the canadian arctic archipellago. This climate warming leads to recession of seaice extent and seasonnal snow cover, and also to large mass loss of the archipellago’s ice caps. One of the most southern ice cap, the Barnes Ice Cap, located on the Baffin Island, is no exception to significant mass loss and margins recession as satellite observations exhibited over the last decades. Despite the relative low sea level potential of the small ice caps located in the canadian arctic achipellago in regards to major ice sheets, Antarctica and Greenland, their contribution to the current sea level rise is significant. Climate projections show that this contribution could accelerate significant over the next decades. However, to estimate the future evolution of these ice caps and their impact on climate or sea level rise, a better characterisation of the surface processes such as the evolution of the surface mass balance is needed. This knowledge is currently very limited, mainly due to the sparse covering of automatic weather stations or in-situ measurements over the Arctic. Furthermore, several ice caps, among with the Barnes Ice Cap, present a superimposed ice accumulation area which particularities have to be taken into account in the surface processes studies. Given the lack of in-situ data, the approach choosen in this work is to use remote sensing data, that have the advantage to offer a good spatial and temporal coverage. In particular, passive microwave data are very suitable for snowy surfaces studies. To complement these data, physical and electromagnetic snowpack modeling provide a fine characterisation of surface processes such as snow accumulation. The whole work presented in this manuscript thus consisted in developping specific tools to improve the understanding of surface processes of small arctic ice caps. This methodological development was performed and applied on the Barnes Ice Cap using the surface scheme SURFEX-CROCUS and the electromagnetic model DMRT-ML. First results highlight a significant increase in surface melt duration over the past 3 decades on the Barnes Ice Cap (increase of more than 30% over 1979-2010 period). A similar trend is also monitored over the Penny Ice Cap, located in the south part of the Baffin Island (increase of more than 50% over the same period). Then, the surface mass balance over the last decade was modeled by using a physical based modeling chain constrained by remote sensing data. The results give a mean net accumulation of +6,8 cm y−1 on the summit area of the ice cap. Finaly, sensitivity tests, performed to investigate the climatic sensitivity of the surface mass balance, highlight a threshold effect that may lead to a complete disapearence of the accumulation area of the Barnes Ice Cap. With a temperature increase less than 1°C, modeling results suggest it is likely that the threshold will be reached rapidly leading to an increase in mass loss from the ice cap.

Ce travail se concentre essentiellement sur le glaciation de la fin du Saalien (160 -140 ka) en Eurasie. Les résultats du projet Quaternary Environment of the Eurasian North montrent que durant cette période, la calotte Eurasienne était plus grosse que durant le Dernier Maximum Glaciaire (LGM, 21 ka). Les paramètres orbitaux de ces deux périodes étaient différents alors que les concentration de gaz à effet de serre étaient identiques. Afin de comprendre comment cette calotte a pu atteindre cette taille en Eurasie durant la fin du Saalien, nous avons utilisé un modèle de circulation générale atmosphérique (AGCM), un AGCM couplé à une couche mixte océanique ainsi qu'un modèle de végétation pour explorer l'influence des paramètres régionaux, des températures de surface océaniques et des paramètres orbitaux sur le bilan de masse en surface (SMB) de cette calotte Saalienne.<br /> A 140 ka, les lacs proglaciaires, la végétation et les températures océaniques simulées refroidissent le climat régional, diminuant l'ablation le long des marges Sud. Les dépôt de poussière au contraire, réchauffent le climat. La présence d'un ice-shelf dans l'Océan Arctique durant le MIS 6 n'affecte pas le SMB de la calotte eurasienne. Selon les données géologiques, la calotte Saalienne avait atteint sa taille maximale avant 160 ka. L'insolation d'été dans les hautes latitudes montre un pic très net vers 150 ka. La climat simulé avant 140 ka est plus humide et l'ablation le long des marges sud est plus importante bien que le SMB reste positif. La calotte Saalienne semble avoir été suffisamment grosse pour générer son propre refroidissement régional et se maintenir en Eurasie jusqu'à la Terminaison II (130 ka).

Le système climatique terrestre est forme de plusieurs composantes qui interagissent étroitement (océans, atmosphère, calottes de glace, biosphère et lithosphère). La modélisation numérique permet d' étudier ces interactions. Dans ce travail, nous avons modélisé l' évolution de la calotte de glace Antarctique, le plus grand réservoir d'eau douce sur Terre. Nous avons utilisé le modèle 3D développé au LGGE. Il tient compte du couplage thermomécanique entre les vitesses et les températures dans la glace et de l' écoulement spécifique de la glace flottante. Le modèle a été amélioré sur plusieurs points : la loi de déformation de la glace, la loi de frottement sous les fleuves de glace, le calcul de la chaleur de déformation et la paramétrisation de la fusion sous les plates-formes de glace flottante. De plus, des modifications numériques ont été apportées. Différentes expériences ont montré une grande asymétrie de comportement de la calotte en englacement et déglacement. Une simulation des quatre derniers cycles glaciaires-interglaciaires a permis de valider les modifications effectuées sur le modèle. Les résultats indiquent que, dans le futur, la contribution de l'Antarctique à l'augmentation du niveau des mers pour les prochains siècles devrait être négligeable, puis s'accentuer ensuite. Nous avons aussi montré la forte sensibilité des résultats à la carte de socle utilisée en entrée du modèle. Enfin, la résolution du modèle a été augment ée en passant d'une maille de 40 km à 20 km, ce qui permet de mieux prendre en compte les structures fines de la topographie.

Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers.

Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers. / The Antarctic Surface Mass Balance (SMB, i.e. the snow accumulation from which we subtract ablation by sublimation, run-off or erosion) is a major yet badly known contribution to changes in the present-day sea level. Water storage by snow accumulation on the Antarctic continent is expected to increase in the 21st century, which would moderate the rise in sea level and impact the ice dynamic response of the ice sheet. Three-quarters of the Antarctic SMB are concentrated below 2000 m above sea level whereas this area represents only 40% of the grounded ice sheet area. Orographic precipitation is a major contributor to snow accumulation in this region, which is why a better estimation of this term is important. The representation of this process by models depends to a great extent on the resolution of the model, since precipitation amounts depend on the ice sheet slopes. Sublimation and snowmelt also depend on elevation, and although they are presently minor contributors to the Antarctic SMB, their role is expected to become more important in the coming centuries. Global and regional atmospheric climate models are unable to achieve a 40-km resolution over Antarctica at a century time scale, due to their computing cost. At this resolution, the Antarctic coastal area is still badly represented. This is why we developed the downscaling model SMHiL (Surface mass balance high-resolution downscaling) to estimate the Antarctic SMB components at a high resolution (~15 km) from large-scale atmospheric forcings. We computed the impact of the high-resolution topography on orographic precipitation amounts and the boundary layer processes that lead to sublimation, melting and refreezing. SMHiL has been validated for the present period with a dataset composed of more than 2700 quality-controlled observations. However, very few of these observations are representative of the Antarctic coastal area. In this context, we show that the GLACIOCLIM-SAMBA stake lines located on the ice sheet coast-to-plateau area is an appropriate reference to evaluate model performance. Finally, we used SMHiL to estimate the SMB changes during the 21st and 22nd centuries, by downscaling the atmospheric global climate model LMDZ4. The high-resolution SMB is significantly different from the SMB given by LMDZ4 and is closer to the observed one for the present period. Our results suggest that previous studies using the LMDZ4 models underestimated the future increase in SMB in Antarctica by about 30%. Future changes in the Antarctic SMB at low elevations will result from the conflict between higher snow accumulation and runoff. The downscaling model is a powerful tool that can be applied to climate models for a better assessment of a future rise in sea level.

Le bilan de masse en surface (noté BMS ; l'accumulation de neige diminuée de l'ablation) de la calotte glaciaire antarctique est sensible aux paramètres climatiques et contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Il est donc important, dans le cadre de la prévision du changement climatique, de développer des outils capables de simuler les processus physiques régissant le bilan de masse en surface antarctique. L'approche développée dans cette thèse consiste à utiliser une cascade de modèles atmosphériques allant de la grande échelle vers l'échelle locale. Ainsi, un modèle climatique régional (Modèle atmosphérique régional, MAR), forcé par des réanalyses du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), fournit à un modèle diagnostique de désagrégation physique des précipitations les champs météorologiques nécessaires calculés à l'échelle régionale (typiquement, de résolution 40 km). Dans un premier temps, il est montré que le bilan de masse en surface généré par le MAR est conforme aux observations dans la plupart des régions. Toutefois, le ruissellement est surestimé ; ce problème disparaît en introduisant une dépendance de l'albédo avec la distance zénithale de l'astre solaire. Dans un second temps, il est montré que malgré la relative simplicité des paramétrisations physiques du désagrégateur, la connaissance du relief de fine échelle (de résolution 5 km) permet d'améliorer la variabilité spatiale de la précipitation, et, par conséquent, du BMS, sur les régions côtières de l'Antarctique. La validation est menée à l'aide, notamment, de mesures de hauteurs de neige délivrées par des stations météorologiques automatiques. Sur le site côtier de Law Dome, le gradient d'accumulation nette est davantage dû au forage orographique subi par la précipitation qu'au processus de chasse-neige. Le modèle de désagrégation sous-estime fortement la précipitation sur le plateau Antarctique, où les nuages stratosphériques polaires associés au refroidissement radiatif pourraient jouer un rôle dans la génération de la précipitation pendant la nuit polaire.