Température du sol sous la couverture neigeuse

Auteur : Tyler Herrington

Figure 1. Relation entre le décalage moyen sur trois mois (décembre-janvier-février) entre les températures du sol à proximité de la surface et les températures de l'air en fonction de l'épaisseur de la neige, sur la base d'observations satellitaires et pour huit produits de réanalyse différents.

Les modifications du pergélisol font partie des impacts les plus importants du changement climatique dans l'Arctique. La fonte du pergélisol devrait non seulement libérer de grandes quantités de carbone stocké, mais le gel et le dégel du sol ont également un impact important sur ses propriétés hydrauliques et sa stabilité, entraînant d'autres changements dans le cycle hydrologique et menaçant les infrastructures. Pour prévoir ces changements à l'aide de modèles climatiques, il est nécessaire de comprendre comment la température du sol, et donc le gel du sol, est représentée dans les modèles climatiques, et si cette représentation correspond à la réalité.

La couverture neigeuse joue un rôle important dans le contrôle des températures du sol dans les régions froides, en isolant les sols des processus atmosphériques en hiver. Cela peut signifier qu'en présence de neige, le sol est souvent beaucoup plus chaud que l'air au-dessus ; la différence peut atteindre 20 degrés centigrades aux latitudes élevées(Zhang, 2005).

La végétation, la couverture neigeuse et les propriétés du sol peuvent varier considérablement sur quelques kilomètres seulement. La prise en compte de la variabilité géographique de ces facteurs et de leur impact sur le climat de surface constitue un défi important pour l'initiative de modélisation du C1W. Les mesures sur le terrain dans l'Arctique canadien sont rares et ne représentent que les conditions locales, de sorte qu'elles ne peuvent pas être facilement extrapolées. Les données satellitaires, idéalement contraintes ou calibrées par des mesures sur le terrain, peuvent atténuer ce problème dans une certaine mesure, mais les données satellitaires sont limitées à ce que le satellite peut voir à la surface. Des modèles physiques sont nécessaires pour extrapoler les informations à ce que le satellite ne peut pas voir. Pour ce faire, on utilise des produits dits de réanalyse, qui intègrent (ou assimilent) les observations sur le terrain et les données des satellites dans un modèle physique, qui estime ensuite une série de paramètres physiques (y compris la température du sol) là où ils ne sont pas directement observés. Il existe au moins sept produits de réanalyse qui fournissent des estimations globales de la couverture neigeuse et peuvent être utilisés pour estimer la température du sol. Chaque produit de réanalyse est contraint par un ensemble différent de données d'observation, et les modèles auxquels ils sont couplés varient également d'un produit à l'autre. Par conséquent, des produits différents produiront des estimations différentes de la couverture neigeuse et de la température du sol.

La figure 1 montre (pour les trois mois de décembre-janvier-février) le décalage moyen entre la température du sol et la température de l'air sous différentes épaisseurs de couverture neigeuse à partir d'observations par satellite (observées), pour huit produits de réanalyse différents. La relation montre que les décalages de température sont beaucoup plus importants en présence de neige, bien qu'au-delà d'une épaisseur de neige d'environ 0,3 m - 0,4 m, l'effet commence à diminuer. Certains produits sont généralement capables de capturer la relation observée de l'isolation de la neige, mais d'autres sous-estiment grandement l'isolation de la neige.

En raison des variations de l'épaisseur de la couverture neigeuse dans les différents produits de réanalyse, la force du couplage entre la couverture neigeuse et les températures du sol varie également. Dans de nombreux cas, les produits de réanalyse ne représentent pas suffisamment les effets d'isolation du sol par la couverture neigeuse, ce qui peut contribuer à des erreurs substantielles dans les estimations modélisées de la température du sol aux latitudes élevées.

Des travaux antérieurs ont montré que les températures du sol dans de nombreux produits de réanalyse sont trop froides, et ces résultats peuvent expliquer une partie de cette erreur. Ces résultats peuvent également avoir des implications pour les modèles climatiques utilisés pour générer des projections futures, étant donné que les représentations physiques sous-jacentes sont très similaires ; si l'effet isolant de la neige est sous-estimé, l'impact du recul de la couverture neigeuse sur le pergélisol sera également sous-estimé. D'autres travaux permettront de déterminer si les produits qui sous-estiment la force d'isolation de la neige observée sont plus susceptibles de présenter des biais dus au froid dans la température du sol.