Welt der Wissenschaft | Combien de neige a-t-il vraiment neigé ?

Comment mesurer la quantité de neige tombée ? Outre les mesures basées sur la taille du skieur (boot top, knee deep, hip deep, chest deep, etc) et le nombre de hashtags Instagram utilisés (#pow #powder #epic #deep #deepestdayever #chestdeep #faceshots, etc), il existe d'autres méthodes bien établies pour mesurer la hauteur de neige ou de neige fraîche. La méthode la plus simple et souvent la meilleure consiste à mesurer manuellement la quantité de neige à l'aide d'un mètre. Pour la hauteur totale de neige, il existe des perches de mesure fixes avec une échelle que l'on peut lire.

Pour ne mesurer que la quantité de neige fraîche, on installe ce que l'on appelle des planches à neige. Il s'agit en fait de planches sur lesquelles on laisse tomber de la neige. Après la chute de neige ou à des moments précis, on mesure la quantité de neige accumulée sur la planche. Ensuite, on nettoie la planche et on répète l'opération. En haute montagne notamment, il n'est pas possible d'aller voir partout et tout le temps et de poser des planches, c'est pourquoi les précipitations et la hauteur de neige sont également mesurées par des stations météorologiques automatiques. Il existe diverses variantes de pluviomètres chauffés qui recueillent la neige, la font fondre et pèsent l'eau périodiquement. On obtient ainsi l'équivalent en eau de la neige (SWE) - une grandeur qui, contrairement à la hauteur de neige fraîche, ne dépend pas de la densité de la neige et peut être comparée aux précipitations estivales. Si l'on ne faisait pas fondre la neige, les pluviomètres seraient pleins après la première chute de neige correcte et la mesure de la neige fraîche ne fonctionnerait plus.

La mesure automatique de la hauteur de neige fonctionne généralement à l'aide de capteurs à ultrasons ou à laser, qui mesurent la distance entre le capteur suspendu à un mât et le sol (ou la surface de la neige).

Mieux mesurer : pluSnow

Naturellement, des efforts intenses sont faits pour mieux mesurer les précipitations hivernales. La sous-estimation des précipitations par les pluviomètres se poursuit sous forme d'erreurs dans de nombreuses applications différentes, par exemple aussi dans le modèle INCA du ZAMG, auquel SNOWGRID fait appel. Le projet pluSnow, mené à l'Institut de recherche interdisciplinaire sur la montagne (IGF) d'Innsbruck en coopération avec le ZAMG, cherche actuellement des possibilités de saisir automatiquement les hauteurs de neige fraîche avec la plus grande précision possible, afin d'améliorer la mesure des précipitations. On espère ainsi obtenir de meilleures corrections du pluviomètre. Pour cela, il faut également des données précises sur la densité de la neige fraîche, car les corrections ne nécessitent pas seulement la hauteur de neige, mais aussi l'équivalent en eau de la neige fraîche. Ces deux éléments pourraient finalement améliorer encore la précision des applications d'analyse comme INCA et SNOWGRID.

Dans le cadre de pluSnow, on a d'abord étudié dans quelle mesure les pluviomètres sous-estiment effectivement les précipitations hivernales dans les Alpes autrichiennes. Jusqu'à présent, des études de ce type n'existaient que pour l'Allemagne et la Suisse. Il s'avère qu'en Autriche aussi, il faut compter avec une erreur moyenne de 20%, les mesures effectuées dans des stations très élevées et exposées au vent étant plus touchées que celles effectuées dans des endroits plus protégés, selon Kay Helfricht, chef de projet à l'IGF.

Si l'on compare maintenant les précipitations fondues dans le pluviomètre avec une mesure très précise de la hauteur de neige fraîche au même endroit, on pourrait ainsi corriger la première. Les hauteurs exactes de neige fraîche se déduisent assez facilement des variations des hauteurs totales de neige mesurées par les capteurs à ultrasons et laser.

En supposant que l'on ait maintenant calculé la quantité de neige fraîche à partir d'une variation assez précise de la hauteur totale de neige, il ne resterait plus qu'à convertir les centimètres de neige fraîche en millimètres d'équivalent eau (neige fondue dans le pluviomètre) et la comparaison serait terminée. Mais comment s'effectue exactement la conversion ? Un millimètre d'eau équivaut à un centimètre de neige ou quelque chose comme ça?

Ce "quelque chose comme ça"" englobe une fourchette assez large qui peut faire la différence entre de la poudreuse de champagne et de la mauvaise neige en carton. La densité de la neige fraîche est soumise à des variations spatiales et temporelles. Chez pluSnow, une analyse approfondie des données permet de comprendre les raisons de ces variations de densité et de développer de meilleures formules de conversion. Chaque skieur suppose intuitivement que la température et le vent influencent la densité de la neige fraîche. Cette dépendance se retrouve certes dans les données, mais elle est difficile à chiffrer et varie selon les stations. Il y a donc encore beaucoup de recherches et d'améliorations à faire dans ce domaine.

Des mesures ponctuelles à la carte des hauteurs de neige

Toutes les difficultés mentionnées se rapportent à des sites de mesure où il existe effectivement des mesures de quelque nature que ce soit, que ce soit des mesures manuelles, des pluviomètres, des ultrasons ou des radars. Les personnes qui font souvent des randonnées à ski ne rencontreront pourtant guère de stations météo, d'antennes radar ou de météorologues fouillant dans la neige. Il n'y a donc pas de données de mesure partout. Les sites de mesure ne sont pas non plus répartis de manière uniforme et, pour des raisons logistiques, ils se trouvent plus souvent en vallée qu'en haute montagne, difficile d'accès. En outre, la question se pose de savoir quelle mesure de la hauteur de neige est représentative d'un site - celle de la taupinière exposée au vent ou celle du fossé de la route à deux mètres de là?

Si l'on veut une carte, il faut donc convertir les données disponibles en une répartition surfacique à l'aide d'un modèle et d'algorithmes intégrés dans ce modèle. Plus il y a de données pour une zone donnée, mieux cela fonctionne. Le facteur limitant pour la conversion en surface est le terrain. En raison d'une puissance de calcul limitée, il est impossible de résoudre dans le modèle des structures de terrain à petite échelle telles que nous les percevons en skiant.

SNOWGRID a un point de grille de modèle tous les 100 m, pour lequel une valeur est calculée. En combinaison avec le modèle de terrain à haute résolution utilisé par SNOWGRID, c'est comparativement très précis. Mais si, en ski, nous considérions toujours le terrain comme la moyenne d'un carré de 100mx100m, nous échouerions rapidement en montagne. Il faut donc ici garder à l'esprit les différentes échelles : Le modèle ne voit pas la situation dans les pentes isolées, qui est pourtant l'une des plus importantes pour le skieur. Il ne voit pas non plus les effets locaux du vent. La redistribution de la neige par le vent est parfois plus importante pour le ski que la quantité exacte de précipitations, mais d'un point de vue météorologique, ce sont deux questions totalement différentes. La dérive du vent est très complexe à modéliser et n'a pas encore été implémentée dans SNOWGRID. Il en va donc de même pour la conversion des mesures ponctuelles en surface : tout n'est pas si simple.

Il existe des situations où le ski est à peine possible dans une région en raison d'une répartition très inégale de la neige, mais où il y a déjà un mètre de neige dans une station météorologique proche. D'autre part, il se peut qu'une station soit totalement fermée, mais qu'il soit possible de skier dans les environs. Cela entraîne alors des divergences entre la perception personnelle et la couleur de la carte SNOWGRID. Alors que les cartes de la hauteur totale de neige entraînent des erreurs cumulatives sur tout l'hiver, ce n'est pas le cas pour la carte de la différence de neige fraîche sur 24 heures. En conséquence, les cartes des différences sont nettement plus précises que celles de la hauteur totale de neige, à l'exception des zones où des erreurs systématiques se produisent, par exemple à cause de l'ombrage des radars.

Comme pour toutes les autres cartes, prévisions et données de stations météorologiques, il faut toujours garder à l'esprit, avec SNOWGRID, d'où proviennent les données, comment elles sont générées et quelles sont les incertitudes et les limites liées au système. Les valeurs inhabituelles doivent être remises en question et comparées aux valeurs des environs (webcams, stations de mesure), mais il est également possible de remettre en question sa propre perception de temps à autre. Il est également très utile de se souvenir des hivers précédents, de la quantité de neige nécessaire pour qu'une région soit intéressante à skier et de ce qui est affiché aux stations de mesure correspondantes. Les membres de la rédaction de la PG affirment par exemple que l'on ne peut vraiment skier sur le Krippenstein que lorsque la station indique une hauteur de neige d'au moins 2 mètres. En revanche, bien moins suffit pour balayer les prairies alpines.

Conclusion : les stations et les modèles météorologiques ne sont, d'une certaine manière, que des êtres humains.

Littérature : Helfricht K., Koch R., Hartl L., Olefs M. 2016. Potentiel et défis d'une utilisation opérationnelle extensive de capteurs optiques de profondeur de neige de haute précision pour minimiser les sous-capacités de précipitation solide. Proceedings, International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, 2016.