San Rafael Glacier and Northern Patagonia Icefield surface mass balance estimation from different approaches
Estimation du bilan masse de surface du Glacier San Rafael et du Champ du Glace Nord de Patagonie par diverses approches
Résumé
The Northern Patagonia Icefield (NPI) have been losing mass at an accelerated rate during the last decades compared to the mean losses recorded since the Little Ice Age. Here we look for accurate estimates of the mean climate variables, surface mass balance (SMB) and ice dynamics of NPI. Due to the lack of available data in the area, the approach is based on physical models for both the atmosphere and the ice dynamics, in order to properly attribute the components of the glacial mass budget (mass balance, surface mass balance and ice discharge).First, the San Rafael Glacier (SRG) ice dynamics are modelled using the full-Stokes model Elmer/Ice. The flow model is initialised and constrained using the most up-to-date observations of surface velocities and bedrock elevation. The model is forced with several parametrisations of thealtitudinal SMB distribution to obtain consistency between the changes in SMB and ice dynamics. We show that previous studies have proposed excessive accumulation values on the icefield plateau, and that SRG imbalance is largely controlled by a large ice discharge (-0.83 +- 0.08 Gt/a compared to a slightly positive glacier-wide SMB (0.08 +- 0.06 Gt/a). This allows for an estimation of a committed mass loss of 0.34 +- 0.03 Gt/a for the next century. This value likely constitutes a minimum wastage in the future global climate change situation.Second, we model the SMB of the SRG and the NPI using the regional circulation model MAR (Modèle Atmosphérique Regional). This model is forced by the ERA-Interim reanalysis outputs and adapted to accurately reproduce accumulation on the icefield. In addition to accumulation, attention is paid to estimating accurate ablation and albedo values on the plateau. The modelled temperature and precipitation are also validated using data from weather stations in the valleys around the icefield. For the period 1980-2014, the modelled mean SMB of the SRG and the NPI are 0.86 Gt/a and -1.84 Gt/a, respectively, with a large inter-annual variability of 1.4 Gt/a and 6.1 Gt/a, which is induced by temperature and snowfall variability. Due to the hypsometry of the SRG, small changes in the punctual SMB around the ELA have impacts over large areas and have significant consequences on the final glacier-wide SMB. However, in-situ data above the ELA are lacking, leading to important uncertainty in accumulation. Nevertheless, our SMB estimates for the 3 largest non-calving glaciers of the icefield are similar to mass balance values given by geodetic techniques. This validation shows that our estimate of SMB, which is the first negative proposed at the scale of NPI, is accurate. Combined with the ice discharge proposed in the first section of this study, this SMB could have contributed to the observed mass loss from the 1980s.Finally, the study of the surface energy balance given by MAR reveals the key role of the albedo and the shortwave radiation budget in the variations of the SMB. Albedo variations indirectly justify the existing correlations between temperature and melting as air temperature controls the phase of precipitation on the plateau. Thus, changes in solid precipitation explain most of the SMB variations. Consequently, past conditions with higher solid precipitation may have explained larger glaciers in Patagonia. The current instability is possibly a result from the location of glacier fronts which are well below the necessary altitude for equilibrium in the current icefield topography.This study allows us to conclude that well constrained atmospheric and ice dynamic modelling leads to SMB values which are in better agreement with the mass balance of the icefield. Nevertheless, new field data is necessary to better constrain SMB estimates of the SRG and the NPI in order to improve our understanding of past and future climate change impacts on these glaciers.
Le champ de glace nord de Patagonie (NPI) a connu des pertes de glace accélérées depuis le Petit Âge de Glace (PAG). Cette thèse évalue les conditions climatiques moyennes régnant en Patagonie, ainsi que les bilans de masse de surface et les flux de glace engendrés par la dynamique de la glace du NPI. En raison du manque de données disponibles, l’approche est principalement basée sur des modélisations physiques à la fois des conditions atmosphériques et de la dynamique de l’écoulement des glaciers.Dans un premier temps, la dynamique du glacier San Rafael (SRG) est modélisée à l’aide du modèle full-Stokes Elmer/Ice. Le modèle d’écoulement est initialisé et contraint à l’aide des données de vitesse de surface et d’altitude du lit rocheux. Le modèle est forcé en considérant diverses paramétrisations et scénarios d’évolution du bilan de masse de surface (BMS) avec l’altitude. Les modélisations visent à retrouver un accord entre bilan de masse total, BMS et dynamique de la glace. Les simulations montrent que les études précédentes ont systématiquement surévalué l’accumulation sur le plateau et à haute altitude. Le déséquilibre du glacier est principalement contrôlé par un flux de glace élevé (-0.83 +- 0.08 Gt/a) en comparaison du BMS légèrement positif (0.08 +- 0.06 Gt a-1). Nos modélisations permettent d’évaluer que les pertes de glace irréversibles pour le glacier (ou committed mass balance) seront en moyenne de 0.34 +- 0.03 Gt/a pour le prochain siècle. Cette valeur est la perte minimale attendue pour ce glacier en réponse au changement climatique futur.Dans un second temps, nous modélisons le BMS de SRG et de NPI à l’aide d’un modèle de circulation atmosphérique régionale, le modèle MAR. Le modèle est forcé par les reanalyses climatiques ERA-Interim et adapté de façon à reproduire l’accumulation mesurée sur le plateau. Une attention particulière est aussi portée aux valeurs d’ablation et d’albédo. Les températures et précipitations sont validées à l’aide de données provenant des vallées alentour. Entre 1980 et 2014, les valeurs de BMS intégrées à l’échelle du SRG et de NPI était de 0.86 Gt/a et -1.84 Gt/a, respectivement, associées à une forte variabilité interannuelle (de 1.4 Gt/a et 6.1 Gt/a respectivement). Cette variabilité dépend directement de celle des températures et des précipitations neigeuses en Patagonie. En raison de l’hypsometrie du SRG, de faibles variations de BMS autour de la ligne d’équilibre ont un impact très fort sur la valeur intégrée de BMS à l’échelle du glacier. Néanmoins, l’obtention de données in-situ d’accumulation est encore nécessaire pour réduire l’incertitude des valeurs de BMS. Ici, les BMS intégrés à l’échelle des trois plus gros glaciers à terminaison terrestre de NPI ont été validés à partir de bilans géodésiques. Ainsi, combinée aux pertes par vêlage, la valeur négative de BMS proposée pour NPI aurait permis la perte de masse du champ de glace depuis les années 80.Enfin, l’étude du bilan d’énergie de surface révèle que les variations d’albédo contrôlent celles du BMS, car il contrôle le rayonnement de courtes longueurs d’ondes et la fonte du glacier. Les variations d’albédo expliquent indirectement le lien existant entre température et fonte celui-ci étant conditionné par la phase des précipitations sur le plateau. Ainsi, les changements des précipitations neigeuses expliquent les variations de BMS, et nous supposons que les conditions climatiques ayant régné au PAG étaient plus humides et ont permis au glacier de se développer jusqu’à des altitudes trop faibles pour que les glaciers soient stables aujourd’hui.Cette thèse a ainsi permis d’évaluer les conditions atmosphériques régionales et de mieux contraindre la dynamique des glaciers et les valeurs de BMS du champ de glace NPI. Néanmoins, de nouvelles estimations sont à effectuer en zone d’accumulations de NPI pour contraindre encore le BMS et conclure définitivement sur les causes du recul de NPI depuis le PAG.
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Glaciologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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