Mass balance of the Greenland Ice Sheet from 1992 to 2018

In recent decades, the Greenland Ice Sheet has been a major contributor to global sea-level rise1,2, and it is expected to be so in the future3. Although increases in glacier flow4–6 and surface melting7–9 have been driven by oceanic10–12 and atmospheric13,14 warming, the degree and trajectory of today’s imbalance remain uncertain. Here we compare and combine 26 individual satellite measurements of changes in the ice sheet’s volume, flow and gravitational potential to produce a reconciled estimate of its mass balance. Although the ice sheet was close to a state of balance in the 1990s, annual losses have risen since then, peaking at 335 ± 62 billion tonnes per year in 2011. In all, Greenland lost 3,800 ± 339 billion tonnes of ice between 1992 and 2018, causing the mean sea level to rise by 10.6 ± 0.9 millimetres. Using three regional climate models, we show that reduced surface mass balance has driven 1,971 ± 555 billion tonnes (52%) of the ice loss owing to increased meltwater runoff. The remaining 1,827 ± 538 billion tonnes (48%) of ice loss was due to increased glacier discharge, which rose from 41 ± 37 billion tonnes per year in the 1990s to 87 ± 25 billion tonnes per year since then. Between 2013 and 2017, the total rate of ice loss slowed to 217 ± 32 billion tonnes per year, on average, as atmospheric circulation favoured cooler conditions15 and as ocean temperatures fell at the terminus of Jakobshavn Isbræ16. Cumulative ice losses from Greenland as a whole have been close to the IPCC’s predicted rates for their high-end climate warming scenario17, which forecast an additional 50 to 120 millimetres of global sea-level rise by 2100 when compared to their central estimate

Simulations climatiques régionales couplées atmosphère - océan - glace de mer en Antarctique.

Dans le cadre du réchauffement climatique, la prédiction de la hausse du niveau des mers est un défit majeur. La contribution du bilan de masse de surface de l'Antarctique constituerait la seule contribution négative à la hausse du niveau des mers. D'un autre côté, la dynamique de la calotte pourrait réagir de façon non linéaire au changement climatique, et entrainer une accélération et un amincissement de certains glaciers (Meehl et al. 2007). Pour ces deux raisons, il convient de connaître précisément le climat de l'Antarctique. Les Modèles de climat globaux reproduisent mal certain aspects du climat Antarctique : les précipitations sont surestimées à cause de la topographie côtière trop lisse ; le bilan d'énergie en surface est mal représenté car les processus physiques impliquant la neige sont représentés de façon trop grossière. C'est pourquoi nous nous intéressons à la modélisation régionale, qui offre une meilleure résolution et une meilleure représentation des processus physiques. Le climat de l'Antarctique implique la glace de mer, dont l'extension modifie par exemple l'humidité diponible pour l'atmosphère. Mais l'ensemble de l'océan joue également un rôle, car la formation d'eau dense près des côtes engendre des échanges relativement rapides entre la surface et l'océan profond. C'est pourquoi nous avons choisi de créer un modèle régional couplé atmosphère - glace de mer - océan. Le but de cette thèse est uniquement de développer et d'évaluer un tel modèle. Pour l'atmosphère, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Gallee et al. 2005). Ce modèle a été spécialement développé pour les régions polaires. Il se distingue des autres modèles climatiques régionaux par sa représentation élaborée de la neige, et par une représentation interactive de la neige soufflée par le vent. Pour l'océan et la glace de mer, nous utilisons NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), constitué de OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) et de LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). Le modèle d'océan utilise une paramétrisation élaborée de la diffusion turbulente le long des isopycnes et de la diffusion verticale. Le modèle de glace de mer utilise un modèle thermodynamique à trois couches, des équations dynamiques basées sur la rhéologie visco-plastique. Enfin, MAR et NEMO sont couplés grâce au logiciel OASIS-3 (Valcke et al. 2003). Le modèle résultant est appelé TANGO, pour Triade Atmosphère-Neige, Glace de mer, Océan. Avant d'analyser des simulations de TANGO, il convient de connaître précisément le comportement de chacun des modèles lorsqu'ils sont forcés par des données. Dans un premier temps, nous testons la sensibilité de MAR à la représentation de la rugosité orographique. En simulant un cas de la littérature, nous montrons que MAR est capable de simuler des cyclones de méso-échelle ; nous montrons ensuite que le rôle des vents catabatiques côtiers dans la cyclogenèse est faible devant le rôle de l'écoulement synoptique, contrairement à ce que conjecturaient les travaux précédents. Comme les vents catabatiques côtiers dépendent fortement de la rugosité orographique des Montagnes Transantarctiques, les polynies de TANGO pourraient en dépendre ; c'est pourquoi nous avons réglé ce paramètre de façon à avoir des vents côtiers en accord avec les relevés des stations météorologiques. Enfin, nous montrons que la fraction de glace de mer a peu d'influence sur la circulation atmosphérique, probablement parce que notre méthode ne modifie pas la position des fronts de glace. Estimer l'apport du couplage s'avère compliqué, car une partie du comportement de TANGO vient effectivement des rétroactions physiques permises par le couplage, mais une autre partie vient du changement de "forçages". En effet, MAR voit habituellement la glace de mer se SSM/I, et NEMO voit habituellement des champs atmosphériques issus des réanalyses ERA-40 ; dans TANGO, MAR voit donc les défauts de NEMO, et inversement. Pour évaluer la capacité de TANGO à représenter des rétroactions physiques, nous avons donc réalisé un jeu de simulations dans lequel MAR est forcé par les champs de surface de NEMO, et NEMO est forcé par les champs de surface de MAR. Les comparaisons entre ces simulations et les simulations couplées montrent que la couverture de glace de mer de TANGO diffère de celle de NEMO forcé par MAR, ce qui prouve que des rétroactions sont représentées. Dans le détail, nous identifions également une rétroaction impliquant la glace produite dans une polynie à l'automne, et une rétroaction impliquant les précipitations et la température de surface de l'océan. Finalement, l'ensemble des évaluations de MAR sur l'océan ont permis des améliorations très récentes de MAR : H. Gallée a ainsi amélioré la prise en compte des nuages aux frontières, et les flocons de neige ont été introduits dans le schéma radiatif de façon à mieux simuler les températures de la couche limite sur la calotte. Ceci améliore également le comportement de TANGO. Cette étude souligne également l'importance du couplage, puisque la solution couplée diffère de la solution forcée, toutes paramétrisations étant égales. Nous concluons donc qu'il est nécessaire de poursuivre l'utilisation de TANGO. Ces travaux ouvrent d'abord des perspectives à court terme, puisqu'il faudra analyser le détail des rétroactions mises en \oe uvre de façon à tenter de mieux comprendre le climat de l'Antarctique. Ensuite, TANGO pourra \^etre utilisé à petite échelle et haute résolution pour l'analyse des polynies et des formations des masses d'eau dense impliquées dans les circulations océaniques profondes. Une autre possibilité sera d'utiliser TANGO à l'échelle de la calotte, de façon à travailler sur la régionalisation du changement climatique en Antarctique. Enfin, à plus long terme, il sera nécessaire de travailler sur le représentation des cavités sous les plate-formes glaciaires dans TANGO.In th econtext of global warming, predicting sea level remains chalanging. The surface mass balance of Antarctica may be the only negative contribution. On the other hand, the ice sheet dynamics could exhibit a non-linear behaviour and it could therefore accelerate and thin some glaciers (Meehl et al. 2007). For these 2 reasons, climate of Antarctica needs a lot of onvestigations. Global climate models badly reproduce some important features of antarctic climate : precipitations are over-estimated because of the too smooth topography ; the surface energy balance is badly simulated because physical parametrizations are too poor. That is why the regional modelling is used in this work. It allows a better resolution and more detailed parametrizations. Sea ice has a key role in the antarctic climate for exemple because its extension modfies available humidity for the atmosphere. The whole ocean also play an important role since the coastal deep water formation increases exchanges netween surface and deep ocean. That is why the aim of the present work is to create and to evaluate a new ocean - sea ice - atmosphere coupled model. Regarding the atmospheric part, the model MAR (Modèle Atmosphérique Régional, Gallée et al. 2005) is used here. This model has been especially developped for polar regions. It differs from other polar regional models by its ellaborated snow representation, and an interactive representation of blowing snow. Ocean and sea-ice are simulated with NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), made of OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) and of LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). The ocean model uses an ellaborated representation of turbulent diffusion along isopycnes and of vertical diffusion. The sea ice model uses a 3 layers thermodynamical model, and a viscous-plastic rheology. MAR and NEMO are coupled via OASIS-3 (Valcke et al. 2003). The resulting model is called TANGO, it stands for Triade Atmosphere-Neige, Glace de mer, Océan. Before analysing TANGO simulations, one has to know the behaviour of each model separately. In a first step, MAR's sensitivity to orographic roughness representation. By simulating a case already analysed in some papers, it is shown that MAR is able to simulate mesocyclones. It is also shown that the role of katabatic winds is small compared to synoptic forcing, as opposed to the conclusions of precedent papers. As coastal katabatic winds strongly depend on the orographic roughness of the Transarctic Mountains, polynias in TANGO could be influenced by this parametrization ; that is why it is tunned with authomatic weather stations. It is eventually shown that the sea ice fraction does not strongly influence the atmospheric circulation. Estimating the role of coupling appears complicated since part of TANGO behaviour comes from phyyscial feedbacks whereas another part comes from a change in "forcing". MAR actually sees sea ice fraction from SSM/I and NEMO sees atmospheric fields from ERA-40. In TANGO, MAR receives the defaulf from NEMO and reversely. To evaluate the ability of TANGO to simulate feedbacks, a set of experiment is used. MAR is forced by fields from NEMO and reversely. Comparisons of these experiments to TANGO experiments show that physical feedbacks are simulated.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Modélisation du bilan de masse en surface de la calotte glaciaire antarctique

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 polaireThe Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB, snow accumulation minus ablation) is sensitive to climate parameters and directly contributes to global mean sea level variations. Therefore, in the perspective of climate change, it is useful to develop tools that can simulate the physical processes involved in the Antarctic surface mass balance. The approach developed in this thesis consists in using a cascade of atmospheric models from large scale to local scale. Thus, a regional climate model (Modèle atmosphérique régional, hereinafter referred to as MAR), forced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis, provides a diagnostic physical-based rain- and snowfall disaggregation model with meteorological fields at the regional scale (typically 40-km resolution). In a first part, it is shown that the SMB calculated by MAR is in good agreement with observations in most regions. Nonetheless, runoff appears to be overestimated; the problem vanishes when introducing a dependency of albedo with solar zenithal distance. In a second part, it is shown that although the parameterizations invoked in the disaggregation model are fairly simple, the knowledge of small-scale topography (5-km resolution) is efficiently used to improve the spatial variability of precipitation - and therefore SMB - over coastal regions of Antarctica. Model validation is carried out with the help of snow height measurements provided by automatic weather stations. Over the coastal place of Law Dome, the net accumulation gradient is mostly due to orographic forcing of precipitation (rather than blowing snow). The disaggregation model dramatically underestimates precipitation over the Antarctic Plateau, where polar stratospheric clouds associated with radiative cooling could play a role in the formation of precipitation during the polar nightGRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Impacts des processus de surface sur le climat en Afrique de l'Ouest

Le modèle climatique régional MAR (Modèle Atmosphérique Régional) est utilisé pour la simulation du climat en Afrique de l'Ouest. Le MAR reproduit favorablement les principales caractéristiques du régime pluviométrique en Afrique de l'Ouest. Deux déficiences sont soulignées : une sous-estimation des précipitations en zone sahélienne et une mauvaise représentation des précipitations journalières. Une comparaison des sorties du MAR avec les données pluviométriques journalières de l'IRD a mis en évidence le fait que le MAR se comporte de manière satisfaisante pour des échelles temporelles supérieures à 3-5 jours. La sensibilité du modèle à la prescription des états de surface est également étudiée à travers la simulation de l'année 1992. Enfin le MAR est utilisé dans une étude de processus afin d'analyser les mécanismes de la progression de la mousson ouest-africaine. Une explication, basée sur des considérations thermiques et sur la distribution spatiale de l'albédo, est proposée.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Modélisation du climat de l'Afrique de l'Ouest avec le modèle régional MAR

GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Couplage des composantes continentale et atmosphérique du cycle de l'eau aux échelles régionale et climatique (application à l'Afrique de l'Ouest)

Le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Dx=40 km) est mis en œuvre sur l'Afrique de l'Ouest pour souligner la sensibilité du régime pluviométrique et de la dynamique simulée à la température de surface océanique du Golf de Guinée durant l'année sèche 1984. Cette influence est très marquée au sud de 12N. Au-delà, il semble que les précipitations soient plus influencées par les interactions avec la surface continentale et les structures synoptiques. La zone Sahélienne apparaît donc pertinente pour étudier le couplage entre la surface continentale et l'atmosphère. Ainsi, une architecture originale fondée sur l'utilisation des codes patrimoines permettant modularité, portabilité, extensibilité et intenopérabilité a été développée et utilisée en premier lieu en mode forcé de l'atmosphère vers le bassin versant de la Sirba (39000 km2) modélisé par le modèle hydrologique ABC (Dx environ 1.8 km). Un algorithme de désagrégation des pluies convectives basé sur la prise en compte de plusieurs maximums convectifs pour un même évènement a ainsi été testé avec succès. La prépondérance de la sensibilité de l'échantillonnage temporel sur le spatial est ainsi soulignée. Enfin, une expérience de couplage entre les modèles MAR et ABC interfacés à l'aide de modèles SVAT (Surface Vegetation Atmosphere Transfer) est réalisée sur le bassin de la Sirba. La haute résolution du SVAT sur la Sirba entraîne alors des modifications dans le traitement des flux, de la température de surface, et dans le bilan en eau. La partie hydrologique montre, pour sa part, sa capacité à moduler les variations apportées par le SVAT haute résolution en modifiant le bilan en eau et par là même l'albedo et le bilan d'énergie.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Influence du forçage atmosphérique sur la représentation de la glace de mer et des eaux de plateau en Antarctique dans une étude de modélisation numérique

La représentation dans un modèle numérique de la circulation générale océanique de la formation des eaux denses de plateau et des intéractions entre la glace de mer, l'océan et l'atmosphère en Antarctique est indispensable pour une simulation réaliste des masses d'eau profonde et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, j'ai cherché à améliorer la modélisation des phénomènes importants pour la formation et la modification des eaux denses présentes sur le plateau continental antarctique (glace de mer, ice shelves, forçage atmosphérique) dans le code d'océan/glace de mer NEMO. J'ai montré, avec des simulations régionales réalistes, que les réglages fins proposés pour le modèle de glace, l'implémentation de la paramétrisation des ice shelves, ainsi qu'une meilleure représentation des vents catabatiques ont chacun des impacts positifs sur les propriétés de la glace de mer, des polynies et des eaux de plateau. Cependant, les défauts initiaux ne sont pas totalement corrigés. Afin de rectifier les problèmes restants, des simulations sont effectuées avec un forçage atmosphérique adapté au continent Antarctique par un downscaling des réanalyses atmosphériques globales ERA40 réalisé par un modèle atmosphérique de mésoechelle. Ces simulations montrent que des améliorations bien plus importantes que celles réalisées précédemment peuvent être obtenues en changeant la température, l'humidité et le vent de surface, autant en terme de glace de mer que de densité de masses d'eau présentes sur le plateau continental. Malgré ces perfectionnements, des efforts importants restent à faire au niveau du forçage atmosphérique, du modèle de glace et des ice shelvesThe representation in numerical models of dense shelf water formation and interaction between sea ice, ocean, and atmosphere are essential for realistic simulation of bottom water mass and thermohaline circulation. The purpose of this work is to improve the representation of basic processes controling the formation and modification of shelf dense water in Antarctic like sea ice, ice shelves and forcing fields in NEMO ocean/sea-ice model. Series of realistic simulations show that fine tuning for the sea ice model, ice shelf parametrization, and katabatic winds correction have a positive impact on simulated sea ice, polynya and shelf water properties. However, these improvements are not able to correct all initial flaws. Other simulations are carried out, to test the effect of adifferent atmospheric forcing obtained from a regional downscaling of global reanalysis ERA40 in Antarctic area, performed with a regional mesoscale atmospheric model. This work shows that turbulent atmospheric variables (temperature, humidity and wind) have a strong positive impacts on sea ice and shelf water properties. This impact is greater that the tuning, parametrization and correction performed previously. Nevertheless, great effort are yet necessary to produce the regional forcing fields that sea-ice and ice shelves require.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Modelling past and present distributions of tropical African biomes and species using a dynamic vegetation model.

In the framework of the AFRIFORD project (Genetic and paleoecological signatures of African rainforest dynamics: pre-adapted to change?, http://www.ulb.ac.be/facs/sciences/afriford/), we used the CARAIB dynamic vegetation model to simulate past and present distributions of tropical African vegetation at the biome and species levels to better project and understand future dynamics. We studied individual species (e.g., Afzelia africana, Pericopsis elata, etc) for which we determined climatic requirements and gathered specific traits. To perform palaeovegetation reconstructions, we used outputs of snapshot climate simulations (e.g., CNRM-CM5, FGOALS-g2 and MRI-CGCM5 global climatic models) from the PaleoModelling Intercomparison Project (PMIP3, https://pmip3.lsce.ipsl.fr/) for the mid-Holocene (6 ka) and the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka). These global climatic outputs were downscaled at a 0.45° spatial resolution over Equatorial Africa using the MAR regional climate model (RCM). For current conditions, the RCM was nested in different historical climate datasets. We compared modelled species distributions with species occurrences from different databases for present and with palaeorecords for past periods. MAR regional climate simulations notably allow CARAIB to reproduce the Dahomey Gap separating the Upper and Lower Guinean forests in West Africa in present biome distribution. The vegetation model also simulates LGM rainforest distribution in agreement with hypothetical glacial rainforest refuge areas inferred from palaeorecords.AFRIFORD (Genetic and paleoecological signature of African rainforest dynamics: pre-adapted to change?

Where to find 1.5 million year old ice for the IPICS “Oldest Ice” ice core

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Mass balance of the Antarctic Ice Sheet from 1992 to 2017

The Antarctic Ice Sheet is an important indicator of climate change and driver of sea-level rise. Here we combine satellite observations of its changing volume, flow and gravitational attraction with modelling of its surface mass balance to show that it lost 2,720 ± 1,390 billion tonnes of ice between 1992 and 2017, which corresponds to an increase in mean sea level of 7.6 ± 3.9 millimetres (errors are one standard deviation). Over this period, ocean-driven melting has caused rates of ice loss from West Antarctica to increase from 53 ± 29 billion to 159 ± 26 billion tonnes per year; ice-shelf collapse has increased the rate of ice loss from the Antarctic Peninsula from 7 ± 13 billion to 33 ± 16 billion tonnes per year. We find large variations in and among model estimates of surface mass balance and glacial isostatic adjustment for East Antarctica, with its average rate of mass gain over the period 1992–2017 (5 ± 46 billion tonnes per year) being the least certain