Objectifs du modèle

MEPRA est un Modèle Expert d’Aide à la Prévision du Risque d’Avalanche. Son objectif est d’analyser la stabilité mécanique d’un manteau neigeux simulé par le modèle de neige Crocus et d’en déduire un risque de départ spontané et un risque de déclenchement provoqué d’avalanches. MEPRA est un outil d’aide aux diagnostics pour le prévisionniste avalanche dans l’analyse des nombreux manteaux neigeux (2618 points de simulation dans les Alpes et 2786 dans les Pyrénées) issus de la chaîne SAFRAN-Crocus-MEPRA sur son département. L’originalité de MEPRA réside dans son schéma d’analyse de la stabilité naturelle et accidentelle (passage de skieur) du manteau neigeux mélangeant approche mécanique et approche experte.

Description sommaire

Variables de forçage du modèle

En configuration de base, MEPRA est alimenté au pas tri horaire par un profil Crocus du manteau neigeux dont les variables sont :

Nombre de couches numériques

Et pour chaque couche :

• Epaisseur
• Température au milieu de la couche
• Masse volumique de la neige
• Teneur en eau liquide
• Type et diamètre des grains

Sorties du modèle

Les sorties du modèle consistent en :

• des propriétés mécaniques pour chaque couche numérique du manteau neigeux (résistance à l’enfoncement, résistance aux cisaillements, contrainte naturelle de cisaillements et contrainte avec surcharge..)
• des niveaux d’instabilité naturelle et accidentelle dans le manteau neigeux
• des risques de départ spontané dans une échelle interne à 6 niveaux et de déclenchement provoqué (échelle à 4 niveaux)

Architecture du système expert

L’architecture du système expert est très proche du raisonnement habituel du prévisionniste avalanche. Trois grandes étapes (figure 1) structurent son raisonnement :
–  construction d’un manteau neigeux à partir des données CROCUS en y rajoutant notamment des informations mécaniques
–  analyse de ce manteau neigeux en terme de stabilité naturelle et/ou accidentelle
–  évaluation du risque de départ spontané et provoqué d’avalanche

Analyse de l’instabilité mécanique naturelle du manteau neigeux

L’instabilité mécanique du manteau neigeux à l’échelle d’une pente est un phénomène tridimensionnel lié à la composition du manteau neigeux et à sa variabilité spatiale mais aussi à la topographie du site avec notamment des ancrages amonts, avals ou latéraux …. Dans notre cas, le raisonnement se fait sur une pente type à l’échelle d’une zone géographique étendue (massif par exemple) qui correspond donc à un grand nombre de pentes réelles. L’approche utilisée pour analyser la stabilité naturelle se simplifie donc et s’appuie sur la recherche d’un indice de stabilité minimal. Elle est similaire à une approche classique de la mécanique des sols pour l’étude de la stabilité de remblais ou de pentes.

Dans cette approche mécanique des sols (en statique), on pré-suppose différentes lignes de ruptures possibles li et on calcule pour chacune un indice de sécurité (ou de stabilité) Fi tel que :

Fi = résistance limite le long de la ligne li / contraintes le long de la ligne li

La stabilité est alors évaluée en s’assurant que pour toutes les lignes li possibles, les valeurs correspondantes de Fi restent supérieurs à un indice de sécurité limite F0 (souvent proche de 1,5).

Dans le cas de la neige et de MEPRA, nous avons des conditions particulières d’analyse :
– la pente type est supposée constante et uniforme, avec une stratification du manteau neigeux parallèle à cette pente

– du fait de l’uniformité du manteau parallèlement à la pente, on ne peut définir de zones de compression ou de traction sur des faces verticales ou latérales du manteau neigeux

– dans le manteau neigeux, les lignes de rupture potentielles sont, sur une partie conséquente, parallèles à la stratigraphie

– et même s’il est difficile d’estimer la forme de la zone de rupture initiale ; on peut raisonnablement supposer que les épaisseurs des différentes strates, ainsi que la profondeur à laquelle passe la ligne de rupture, sont à priori petites par rapport à la longueur (parallèle à la pente) de cette ligne de rupture.

Dans ces conditions, l’approche décrite ci-dessus se simplifie : la valeur de Fi est alors essentiellement dépendante des caractéristiques mécaniques à la profondeur z par laquelle passe la ligne de rupture li, et donc du rapport suivant :

S(z) = résistance limite à la profondeur z / contrainte de cisaillement à la profondeur z

L’analyse de stabilité dans MEPRA s’appuie sur ce résultat et consiste donc à rechercher dans la partie supérieure du manteau neigeux des strates mécaniquement instables par un raisonnement statique en calculant un indice stabilité S(z). Cet indice calculé au bas de chaque couche est défini en comparant la résistance limite aux cisaillements, fonction de la masse volumique et du type de grains (cf §II.2), à la contrainte tangentielle de gravité :

A noter que la contrainte tangentielle de gravité ou contrainte totale de cisaillement est calculée de la manière suivante :

avec = angle de pente, di=densité de la couche i, hi=épaisseur verticale de la couche i et z = couche numéro z par rapport à la surface du manteau neigeux

Le niveau d’instabilité naturelle de chaque couche du profil supérieur sera fonction de la valeur du rapport S(z) et estimé par rapport à des valeurs limites d’insécurité :

• S (z) inférieur à 2 : strate fortement instable

• S (z) entre 2 et 3 : strate modérément instable

• S (z) supérieur à 3 : strate stable

Ensuite, en fonction de ce niveau d’instabilité naturelle, de l’épaisseur de neige instable et de l’évolution dans le temps de cette instabilité, MEPRA en déduit un risque de départ spontané d’avalanche dans une échelle à 5 niveaux (de très faible à très fort).

Et le déclenchement au passage d’un skieur

Pour le déclenchement provoqué au passage d’un skieur, l’analyse de l’instabilité se complexifie mélangeant approche mécanique et approche experte. MEPRA va rechercher dans le manteau neigeux analysé une structure de plaque soit une couche de neige fragile au passage d’un skieur (neige fraîche par exemple) située à moins d’un mètre de la surface du manteau neigeux et surmontée d’au moins une strate de neige ayant un comportement de plaque friable ou dure. Il en déduira un risque de déclenchement provoqué dans une échelle à 4 niveaux (de très faible à fort).

Les applications de MEPRA

MEPRA est le troisième maillon de la chaîne opérationnelle SAFRAN-Crocus-MEPRA de modélisation du manteau neigeux utilisée quotidiennement par les prévisionnistes avalanches de Météo-France.
Une version de MEPRA uniquement couplé à Crocus permet une utilisation locale essentiellement pour des besoins de prévision à petite échelle en moyenne montagne par exemple (Vosges, Jura …).

Références

Giraud G., 1992 - MEPRA : an expert system for avalanche risk forecasting, Proceedings of the International snow science workshop, 4-8 oct 1992, Breckenridge, Colorado, USA, p 97-106.

Giraud G., Brun E, Durand Y., Martin E., 1994 - Validation of objective models to simulate snow cover stratigraphy and avalanche risk for operational avalanche forecasting, Proceedings of the International snow science workshop, 30 oct - 3 nov 1994, Snowbird, Utah, USA

Giraud, G and J.P. Navarre. 1995. MEPRA et le risque de déclenchement accidentel d’avalanche. Actes du colloque de l’ Association Nationale pour l’Etude de la Neige et des Avalanches (ANENA) (The contribution of scientific research to safety with snow, ice and avalanche, Chamonix