La quantité d’eau disponible pour les centrales électriques et l’agri­culture dépend de la quantité de neige présente en haute montagne. Un projet de recherche dans la vallée de la Dischma, près de Davos, examine les processus qui jouent un rôle clé dans l’accumulation et la fonte de la neige.

Le prof. Michael Lehning et Rebecca Mott du SLF sur le terrain à la station météorologique dans la vallée de la Dischmatal à Davos.

Si le temps entre avril et juin le permet, un groupe de chercheurs se rend tôt le matin dans la vallée de la Dischma en quad. Le soir précédent, avec le responsable de la sécurité, ils auront étudié avec attention la météo, les données des stations météorologiques locales et l’enneigement. Ils se seront en outre assurés auprès du service de prévision des avalanches que le risque d’avalanche est assez faible pour permettre une opération dans la vallée de la Dischma. Aucun chercheur ne s’y rend toutefois seul: l’équipe de l’expérience de la Dischma, un projet de l’Institut fédéral pour l’étude de la neige et des avalanches du WSL (le SLF) et de l’EPFL, financé en partie par le Fonds national suisse (FNS), se compose d’une collaboratrice scientifique, d’un postdoctorant, de quatre doctorants ainsi que d’étudiants en master qui participent aussi au travail sur le terrain.

Le site expérimental est une colline située dans la vallée qui s’étend de Davos au sud-est, en direction de l’Engadine. «Il y a beaucoup moins d’activité ici que dans la vallée de la Flüela, par exemple», explique Rebecca Mott, collaboratrice scientifique au SLF, lorsqu’on l’interroge sur le choix de la Dischma pour l’expérience. Cette vallée présente en outre une forme simple de U presque parfait, ce qui en fait un site modèle idéal. Avec ses collègues, la scientifique installe ses instruments de mesure. Sur un trépied, elle monte la tête de mesure d’un scanner laser qui lui permettra d’observer en détail la répartition de la neige sur les versants alentour.

Ces mesures au scanner laser font partie d’un projet de recherche qui examine la façon dont les interactions avec l’atmosphère contrôlent l’accumulation et la fonte des neiges dans les Alpes. «Nous cherchons à savoir où la neige s’accumule en hiver et où elle fond», explique Michael Lehning, chef de l’unité de recherche «neige et pergélisol» du SLF et professeur de sciences cryosphériques à l’EPFL. En haute montagne, les stations de mesure de la neige sont peu nombreuses et les valeurs qu’elles fournissent ne sont guère révélatrices. Des études ont par exemple montré ces dernières années qu’il y a moins de neige que prévu sur les sommets. «Si on souhaite évaluer l’ensemble des ressources en eau présentes en haute montagne, il s’agit d’une lacune majeure au niveau de la compréhension», affirme le scientifique.

Des données fiables concernant les ressources en eau dans les Alpes sont importantes pour la production d’électricité dans les centrales hydroélectriques, l’irrigation des cultures et la prévention des inondations, car la haute montagne fournit une part importante de la quantité totale d’eau, notamment au printemps et en été. De plus, il n’y a qu’en sachant combien de neige se trouve actuellement sur les montagnes que l’on peut apprécier les conséquences du changement climatique. Les experts estiment que d’ici la fin du siècle, le niveau de neige à Davos, située à plus de 1500 mètres d’altitude, correspondra à celui que l’on recense aujourd’hui à Küblis, 700 mètres plus bas. Mais personne ne peut prédire actuellement les implications concrètes du réchauffement pour la haute montagne. «Notre projet vise à répondre à cette question», déclare Michael Lehning.

Répartition des précipitations et de la neige: différences extrêmes

Les chercheurs peuvent déterminer les variations dans la répartition de la neige au centimètre près grâce au rayon laser.

Le faisceau laser sur le site d’essai proche de Davos mesure la distance jusqu’à la destination. A partir des valeurs recensées avant et après une chute de neige, les chercheurs parviennent à déterminer à quelques centimètres près comment la répartition de la neige a changé. Sur une carte, les érosions de neige sont indiquées en bleu et les accumulations en rouge. «On observe parfois des différences extrêmes allant d’un mètre et demi de neige en plus à un demi-mètre de moins», explique la spécialiste Rebecca Mott. On voit également si une partie a glissé, comme lors d’avalanches. Un phénomène dénommé «accumulation préférentielle» intéresse particulièrement les experts. Pour l’étudier, ils comparent les données du scanner laser avec les niveaux de précipitations fournis par un radar météorologique à haute résolution au cours de l’année antérieure. Placé à Davos Parsenn, cet instrument est tourné vers le site expérimental et mesure la concentration de précipitations dans l’air. Les chercheurs ont constaté que les précipitations étaient réparties assez uniformément sur la vallée de la Dischma, mais que cela n’était pas le cas de la neige au sol. «La différence est relativement importante et nous souhaitons découvrir ce qui se passe entre les deux,» dit Michael Lehning.

Premières conclusions: visiblement, les flocons de neige sont pris dans des tourbillons d’air avant même d’atteindre le sol, puis déposés ainsi à certains endroits plutôt que d’autres. De plus, différents processus à l’œuvre à l’intérieur du nuage de neige semblent concentrer les précipitations sur les collines ou les crêtes. «On supposait jusqu’à présent que la neige tombait de manière relativement uniforme et qu’elle était ensuite transportée des crêtes montagneuses au côté sous le vent», explique Rebecca Mott. Cela signifie qu’en plus des procédés traditionnels au cours desquels la neige se trouvant déjà au sol est soufflée et emportée ailleurs, certains vents peuvent aussi influencer les particules fines auparavant, de sorte que celles-ci s’accumulent à des emplacements préférentiels.

Depuis lors, le radar météorologique mis à disposition par l’EPFL a été démantelé et envoyé en Antarctique pour une autre campagne de mesure, mais à partir de 2016, le nouveau radar météorologique de MétéoSuisse sur le Weissfluh deviendra opérationnel et les chercheurs du SLF espèrent pouvoir étayer leurs hypothèses à l’aide de ses données.

L’expérience de la Dischma a non seulement permis d’étudier l’accumulation de la neige, mais aussi comment celle-ci fond. Pour ce faire, Rebecca Mott et ses collègues ont installé une caméra infrarouge à côté du scanner laser sur la colline du site d’essai. La caméra est orientée vers une surface en contrebas dont la neige est en train de fondre, sur laquelle on distingue des trous et des restes de neige. Elle photographie la scène toutes les quelques secondes, ce qui permet d’observer en haute résolution les changements de température au sol sur plusieurs heures. «On voit ainsi la dynamique des couches de neige irrégulières», indique la chercheuse.

Le rôle du vent

Au-dessus des surfaces déneigées, l’air se réchauffe davantage que sur les surfaces enneigées, c’est pourquoi des courants ascendants peuvent s’y former, alors que l’on observe des courants descendants au-dessus des plaques de neige. Ce système de vent complexe affecte à son tour fortement l’échange de chaleur entre le sol et l’atmosphère, et donc la fonte du reste du manteau neigeux. «Grâce à la caméra infrarouge, nous voyons comment se forment des flux d’air froid», explique Rebecca Mott.

Pour observer la circulation du vent encore plus en détail, les chercheurs ont transporté à l’automne 2015 dans la vallée de la Dischma un dispositif de double lidar (Light detection and ranging), lui aussi propriété de l’EPFL, et installé cette boîte de 2 mètres de long sur 1,5 mètres de large sur un conteneur. Rebecca Mott a accompagné et aidé les experts du double lidar, venus spécialement des États-Unis pour procéder à des mesures complexes durant deux semaines. Les lidars fonctionnent comme les radars, si ce n’est qu’au lieu d’ondes radio, ils émettent des faisceaux laser. Les rayons sont réfléchis par les particules flottant dans l’atmosphère, ce qui permet de déterminer la vitesse et la direction du vent le long du rayon laser. Cette technique est principalement utilisée pour sélectionner l’emplacement des éoliennes.

«Avec le lidar, on obtient quasiment une image en trois dimensions de la circulation de l’air», résume Michael Lehning. On peut ainsi recenser les vents thermiques locaux causés par la topographie qui influencent considérablement la fonte des neiges. A partir de l’analyse des données et de plus amples informations concernant les courants responsables, les chercheurs espèrent comprendre comment la neige s’accumule à certains endroits privilégiés. «Pour appréhender l’accumulation préférentielle, il est important de connaître précisément le champ du vent», révèle le scientifique. «C’est pourquoi de telles mesures sont très utiles.»

Un dense réseau de stations météorologiques automatiques vient compléter les mesures effectuées par les chercheurs avec le lidar, le scanner laser et la caméra infrarouge sur le site d’essai. Michael Lehning garde un bon souvenir du jour où il s’est rendu dans la vallée en skis de fond afin de creuser quelques trous pour les stations météorologiques au début du projet. Le malaise a cependant saisi les chercheurs lorsqu’une des stations a été ensevelie par une avalanche au durant l’hiver 2015. «Nous avions jugé cet emplacement comme relativement sûr, mais nous avons dû reconnaître que nous nous étions trompés», se remémore l’expert.

Financée en partie par le FNS, l’expérience de la Dischma a débuté en 2014 et s’achèvera en 2017. Les données recueillies vont désormais être introduites dans des modèles grâce auxquels les chercheurs visent à comprendre les interactions entre l’atmosphère et la neige. Durant cette phase, les chercheurs du SLF travailleront en étroite collaboration avec leurs homologues de l’EPFL pour parvenir à mieux évaluer les ressources alpines en eau.