Measuring and modelling of Greenland firn hydrology

L'Inlandsis du Groenland, qui stocke environ un dixième de l'eau douce de la planète sous forme de neige et glace, est susceptible de faire monter le niveau global des océans de 7,4~mètres. Depuis le début du XXe siècle, l'inlandsis a contribué 40 mm, soit 15%, à l'augmentation du niveau moyen de la mer à l'échelle mondiale, et son influence s'accroît à cause de la hausse des températures de l'air dans Arctique plus rapide que la moyenne mondiale. Les projections d'élévation du niveau de la mer d'ici 2100, dues à l'Inlandsis du Groenland seul, varient de 4~cm à 27~cm, ce qui souligne la nécessité de projections précises sur la réaction de l'Inlandsis du Groenland aux changements climatiques à venir.

Plus de 30% de la perte de masse de l'Inlandsis du Groenland résulte de l'augmentation de la production d'eau de fonte et de son ruissellement de surface. En aval de la limite de ruissellement, ces eaux contribuent à la perte de masse, tandis qu'en amont, elles s'infiltrent dans le névé poreux et regèlent sur place. Cette percolation n'influe pas directement sur la perte de masse, mais elle a un effet important sur la structure du névé, entraînant la formation d'épaisses couches de glace imperméables (dalles de glace) qui forcent l'écoulement latéral de l'eau de fonte. Les projections de la perte de masse future de l'Inlandsis du Groenland varient en fonction de la représentation des processus hydrologiques dans la zone d'accumulation. Les représentations des modèles climatiques régionaux simplifient généralement l'écoulement des eaux de fonte, principalement en raison de l'intensité de calcul computationnel. Malgré les progrès de la télédétection, la disponibilité de données sur le terrain, et donc notre capacité de calibrage des modèles hydrologiques de l'Inlandsis du Groenland, reste limitée. Cette thèse présente des observations ainsi qu'un modèle d'écoulement latéral des eaux de fonte, qui améliorent notre compréhension des processus hydrologiques autour de la limite de ruissellement.

D'abord, nous décrivons des mesures in situ de la percolation verticale dans le névé et de l'écoulement latéral à la surface des dalles de glace de l'eau de fonte autour de 1750 m.s.m. dans la zone d'accumulation du sud-ouest de l'Inlandsis du Groenland. La conductivité hydraulique du névé verglacé, évaluée dans des conditions précédant la fonte à l'aide d'un lysimètre portable, varie de 0,17 à 12,8 m/h, avec un flux principalement concentré dans des voies d'écoulement préférentielles. Les vitesses d'écoulement latéral de l'eau de fonte sur une dalle de glace, mesurées au pic de la saison de fonte par des expériences de traçage utilisant des colorants et des sels, vont de 1,3 à 15,1 m/h. En considérant de telles vitesses d'écoulement latéral, la distance entre l'altitude la plus élevée où l'eau liquide est visible à la surface de l'Inlandsis et la limite du ruissellement pourrait être d'environ 4 km dans les régions où des dalles de glace sont présentes.

Le modèle physique présenté dans cette thèse simule l'écoulement latéral des eaux de fonte et la formation de glace superposée sur les dalles de glace selon un schéma Darcy eulérien, prédisant l'émergence des eaux de fonte à la surface. Le sommet de la nappe d'eau et la limite d'eau liquide visible à la surface dépendent de l'évolution de la saison de fonte et des variations de pente en surface de la dalle de glace. La diminution de la fonte en altitude peut retarder l'apparition de l'eau de fonte, mais même pendant les saisons de fonte plus tempérées, l'eau peut se manifester à la surface en raison d'événements de fonte brefs mais intenses. Les résultats soulignent l'efficacité de l'écoulement latéral comme mécanisme de ruissellement, l'écoulement latéral dépassant jusqu'à 30~fois l'eau de fonte générée localement. La formation de glace superposée peut retenir jusqu'à 40\% de l'eau de fonte disponible, retardant ainsi le ruissellement visible.

L'extension du modèle pour intégrer le réchauffement du manteau neigeux et le ruissellement des eaux de fonte de surface au cours de la saison de fonte, imitant l'évacuation d'eau par des rivières, montre que le réchauffement du manteau neigeux retarde le début de la fonte, mettant en évidence la sensibilité du modèle à la quantité et à la temporalité de l'apport d'eau de fonte. Lors des années de forte fonte, le ruissellement de surface évacue jusqu'à 99\% de l'eau de font due à des taux de recongélation insuffisants. La formation de glace superposée retient jusqu'à 33\% de l'eau au cours des années de faibles fontes, mais le ruissellement de surface dépasse quand même la rétention dans tous les ans modélisés sauf un. Malgré des performances variables lorsque la fonte se produit en impulsions courtes et intenses, le modèle s'avère un outil précieux pour quantifier l'augmentation du ruissellement des eaux de fonte liée aux futurs changements dans la névé. Il contribue ainsi à combler certaines lacunes et jette les bases pour améliorer des projections futures du bilan de masse de la surface de l'Inlandsis du Groenland.

Certains défis persistent, concernant la quantification des flux d'eau de fonte dans la zone d'accumulation afin d'améliorer les projections du bilan de masse de surface et l'intégration des connaissances récentes sur la formation des dalles de glace dans les modèles pour permettre des évaluations précises de leur impact sur le ruissellement de surface. Les résultats de cette thèse mettent en évidence l'importance de décrire le flux latéral d'eau de fonte à l'aide d'une approche globale, qui combine les observations sur le terrain et la modélisation, avec le support de données de télédétection afin de faire progresser notre compréhension des futurs changements de masse de l'Inlandsis du Groenland dans le contexte des changement climatiques en cours, et futurs.