Modelling surface temperature and radiation budget of snow-covered complex terrain

International audience Abstract. The surface temperature controls the temporal evolution of the snowpack, playing a key role in metamorphism and snowmelt. It shows large spatial variations in mountainous areas because the surface energy budget is affected by the topography, for instance because of t...

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Bibliographic Details
Published in:The Cryosphere
Main Authors: Robledano, Alvaro, Picard, Ghislain, Arnaud, Laurent, Larue, Fanny, Ollivier, Inès
Other Authors: Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Centre d'Etudes de la Neige (CEN), Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG ), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Météo-France-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF), University of Sheffield Sheffield, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Format: Article in Journal/Newspaper
Language:English
Published: HAL CCSD 2022
Subjects:
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Robledano, Alvaro
Picard, Ghislain
Arnaud, Laurent
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Modelling surface temperature and radiation budget of snow-covered complex terrain
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description International audience Abstract. The surface temperature controls the temporal evolution of the snowpack, playing a key role in metamorphism and snowmelt. It shows large spatial variations in mountainous areas because the surface energy budget is affected by the topography, for instance because of the modulation of the short-wave irradiance by the local slope and the shadows and the short-wave and long-wave re-illumination of the surface from surrounding slopes. These topographic effects are often neglected in large-scale models considering the surface to be flat and smooth. Here we aim at estimating the surface temperature of snow-covered mountainous terrain in clear-sky conditions in order to evaluate the relative importance of the different processes that control the spatial variations. For this, a modelling chain is implemented to compute the surface temperature in a kilometre-wide area from local radiometric and meteorological measurements at a single station. The first component of this chain is the Rough Surface Ray-Tracing (RSRT) model. Based on a photon transport Monte Carlo algorithm, this model quantifies the incident and reflected short-wave radiation on every facet of the mesh describing the snow-covered terrain. The second component is a surface scheme that estimates the terms of the surface energy budget from which the surface temperature is eventually estimated. To assess the modelling chain performance, we use in situ measurements of surface temperature and satellite thermal observations (Landsat 8) in the Col du Lautaret area, in the French Alps. The results of the simulations show (i) an agreement between the simulated and measured surface temperature at the station for a diurnal cycle in winter within 0.2 ∘C; (ii) that the spatial variations in surface temperature are on the order of 5 to 10 ∘C in the domain and are well represented by the model; and (iii) that the topographic effects ranked by importance are the modulation of solar irradiance by the local slope, followed by the altitudinal ...
author2 Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)
Centre d'Etudes de la Neige (CEN)
Centre national de recherches météorologiques (CNRM)
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG )
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Météo-France-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)
University of Sheffield Sheffield
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
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The surface temperature controls the temporal evolution of the snowpack, playing a key role in metamorphism and snowmelt. It shows large spatial variations in mountainous areas because the surface energy budget is affected by the topography, for instance because of the modulation of the short-wave irradiance by the local slope and the shadows and the short-wave and long-wave re-illumination of the surface from surrounding slopes. These topographic effects are often neglected in large-scale models considering the surface to be flat and smooth. Here we aim at estimating the surface temperature of snow-covered mountainous terrain in clear-sky conditions in order to evaluate the relative importance of the different processes that control the spatial variations. For this, a modelling chain is implemented to compute the surface temperature in a kilometre-wide area from local radiometric and meteorological measurements at a single station. The first component of this chain is the Rough Surface Ray-Tracing (RSRT) model. Based on a photon transport Monte Carlo algorithm, this model quantifies the incident and reflected short-wave radiation on every facet of the mesh describing the snow-covered terrain. The second component is a surface scheme that estimates the terms of the surface energy budget from which the surface temperature is eventually estimated. To assess the modelling chain performance, we use in situ measurements of surface temperature and satellite thermal observations (Landsat 8) in the Col du Lautaret area, in the French Alps. The results of the simulations show (i) an agreement between the simulated and measured surface temperature at the station for a diurnal cycle in winter within 0.2 ∘C; (ii) that the spatial variations in surface temperature are on the order of 5 to 10 ∘C in the domain and are well represented by the model; and (iii) that the topographic effects ranked by importance are the modulation of solar irradiance by the local slope, followed by the altitudinal ... Article in Journal/Newspaper The Cryosphere Archive ouverte HAL (Hyper Article en Ligne, CCSD - Centre pour la Communication Scientifique Directe) The Cryosphere 16 2 559 579