AG Gletschersysteme & Naturgefahren

FRAGILE – Next generation framework for global glacier forecasting

Worldwide glacier retreat outside the two large ice sheets is increasingly tangible and the associated ice-loss has dominated the cryospheric contribution to sea-level change for many decades. This retreat has also become symbolic for the effects of the generally warming climate. Despite the anticipated importance for future sea-level rise, continuing glacier retreat will affect seasonal freshwater availability and might add to regional water-stress in this century. Here, I envision a novel self-consistent, ice-dynamic forecasting framework for global glacier evolution that will lift the confidence in forward projections for this century to new heights. For the first time, each glacier on Earth will be treated as a three-dimension body within its surrounding topography without using any form of geometric simplification. The heart of the framework is the systematic utilisation of the rapidly growing body of information from satellite remote sensing. For this purpose, I intend to pass on to ensemble assimilation techniques that transiently consider measurements as they become available. This will streamline and increase the total information flow into glacier models. In terms of climatic forcing, global products will be replaced by regional forecasts with high-resolution climate models. Moreover, a more realistic representation of the local energy balance at the glacier surface is pursued that ensures multi-decadal stability in the melt formulation. The envisaged 3D finite-element modelling framework also allows a direct integration of iceberg calving, which is, on global scales, an oftenunconsidered dynamic ice-loss term. To this day, a key limitation of glacier projections is the poorly constrained ice volume and its distribution at present. Here, I put forward a promising remedy that builds on multi-temporal satellite information to calibrate a state-of-the-art reconstruction approach for mapping basinwide ice thickness on virtually any glacier.

European Research Council (ERC) – Starting Grant
Period: 2021 – 2026
Project staff: Theresa Diener, Alexander R. Groos, Johannes Fürst

MAGIC – Das Vorhersageverfahren für Gebirgsgletscher

Bilder des weltweiten Gletscherrückgangs sind heutzutage ein greifbares Sinnbild für spürbare Konsequenzen der globalen Erwärmung. In unmittelbarer Zukunft erwarten wir, dass dieser Niedergang anhält und bedeutsam zum globalen Meeresspiegelanstieg beiträgt. Des Weiteren hat der globale Gletscherschwund Einfluss auf lokale Wasserverfügbarkeit und in einige Regionen ist die ganzjährige Versorgung gefährdet. Verlässlichere Vorhersagen des zukünftigen Eisrückgangs sind damit unerlässlich zur Abschätzung von sozioökonomischen Risiken und Auswirkungen. Das Hauptziel dieses Projekts ist daher die Schaffung eines einsetzbaren Modellierverfahrens, welches verlässliche Simulationen vergangener und zukünftiger Gletscherentwicklung erlaubt. Das Eisflussmodell Elmer/Ice wird als Grundlage zur Entwicklung dieses prozess-orientierten Verfahrens dienen. Die Zielstellung dabei ist es den Einfluss von drei wichtige Unsicherheitsquellen zu minimieren. Im Vorgriff auf die stetig wachsende Informationsmenge aus der Satellitenfernerkundung, werden wir robuste Datenassimilationsmethoden entwickeln, um die meist unbekannte Bodentopographie unter Gletschern verlässlicher zu bestimmen sowie Fließparameter besser zu kalibrieren. Diese Unbekannten legen den Anfangszustand für Vorhersagen fest und entscheiden über die Relevanz der Eisdynamik. Elmer/Ice soll zudem an ein verbessertes Modell für die Oberflächenmassenbilanz, d.h. der Differenz aus Schneeakkumulation und Schmelze, gekoppelt werden. Die Schmelzbeziehung des gewählten Modells soll für längeren Zeitskalen (Jahrzehnte) geeignet sein. Basierend auf Ensemble- Simulationen erlaubt dieser Modellierungsrahmen eine fundierte Quantifizierung eisdynamischer Wechselwirkungen sowie der Fortpflanzung von Anfangsunsicherheiten. Als Machbarkeitsstudie, wenden wir den angestrebten Modellierungsrahmen auf zwei gletscherbedeckte Gebiete in den französischen Alpen und der chilenischen Cordillera Darwin an. Diese Standorte wurden gewählt da in beiden Regionen der Einfluss der Eisdynamik bedeutsam ist und da Feldmessungen sowie Fernerkundungsdaten verfügbar sind. Beide Standorte sind zudem anspruchsvolle Testbeispiele um die Anwendbarkeit, Leistungsfähigkeit und Robustheit des Modellierungsrahmens unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und dynamischen Gegebenheiten zu untersuchen.

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Project ID: 431767937
Laufzeit: 2020-2023
Projekt-Team: Franziska Temme, Johannes Fürst, Fabien Gillet-Chaulet

Tapping the potential of Earth Observations (TAPE) – FAU Emerging Fields Initiative

Project staff: Thorsten Seehaus, Lukas Sochor, Matthias Braun, Johannes Fürst, Eberhard Bänsch, Andreas Maier, Nora Gourmelon

Ziel des Projekts ist es, die Zeitreihen von Erdbeobachtungs(EO)-Daten mit innovativen Methoden des „Deep Learnings“ zu analysieren, um effiziente Algorithmen zur Bewältigung der großen Datenmengen zu entwickeln. Der Wert dieser EO-Produkte wird durch fortgeschrittene Interpolationstechniken und Assimilation in geophysikalische Modelle, die es in der angewandten Mathematik gibt, weiter erhöht.

Funding period 2019-2022

Im Laufe des vorigen Jahrhunderts betrug die globale Erwärmung an der Erdoberfläche ca. 0.7°C. Da das Klimasystem einen Verstärkungseffekt in hohen Breiten aufweist, war diese Erwärmung stärker ausgeprägt in der Polarregion. Eine Folgeerscheinung ist der allgemeine Rückgang der Gletscher auf Svalbard im vorigen Jahrhundert. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Dickenabnahme im Süden allerdings dramatisch beschleunigt. Diese jüngste Entwicklung lässt sich jedoch nicht auf die gesamte Arktis übertragen, denn das Svalbard Archipel ist klimatisch gesehen, besonderen Gegebenheiten unterworfen. Untypisch für diese Breiten, erfährt es ein eher warmes und wechselhaftes Klima. Aus diesem Grunde wird die Gletscherentwicklung auf Svalbard oft als Vorbote für bevorstehende Änderungen in den anderen arktischen Regionen gesehen.Im Vergleich zu anderen Teilen der Arktis sind auf Svalbard sowohl Gletscherausdehnungen und Geometrieänderung der letzten Jahrzehnte gut dokumentiert. Deren Interpretation mit Hinblick auf den Klimawandel ist allerdings behindert, da geometrische Veränderungen durch die klimatische Oberflächenmassenbilanz und Eisflussdivergenzen verursacht werden. Letztere sind bestimmt durchdie Geometrie und den Eisfluss, wodurch sie nicht zwangsläufig direkt an klimatologische Veränderungen gekoppelt sind. Da es jedoch nur spärliche und meist asynchrone Geschwindgkeits- und Mächtigkeitsmessungen gibt, ist eine Quantifizierung des dynamischen Beitrags zu Gletscherveränderungen bis zum heutigen Tage weitestgehend unmöglich. Des Weiteren haben wir dadurch nur eine sehr vage Vorstellung des jährlichen Eisausflusses durch Eiskalben an den marinen Gletscherfronten. Dieser Eisausfluss erklärt vermutlich einen nicht unerheblichen Teil der jährlichen Eismassenbilanz des Archipels.Das Ziel dieses Forschungsantrags ist eine fundierte Bestimmung der dynamischen Komponente der Gletscherentwicklung auf Svalbard. Zu diesem Zweck werden flächendeckende Oberflächengeschwindigkeiten aus Fernerkundungsdaten abgeleitet, welche wiederum benötigt werden für eine Rekonstruktion der basalen Topographie unter der Eisdecke Svalbards.

Die geplante Rekonstruktion bedient sich des fundamentalen Prinzips der Massenerhaltung, liefert damit eine strömungskonsistente Karte der Eismächtigkeiten und ist bereits verfügbar in unserem Eismodell. Die Rekonstruktion ermöglicht die Berechnung der Flussdivergenz und somit eine bessere Interpretation der jüngsten Veränderungen angesichts der aktuellen Erwärmung in der Arktis. Darüber hinaus, können bisherige Extrapolationversuche zur Abschätzung des Gesamteisvolumens und des Gesamteisausflusses auf Svalbard ersetzt werden durch diese physikalisch fundierte Rekonstruktion. Die abgeleitete Bodentopographie ist im Einklang mit dem Eisströmungsfeld und wird vielen Anwendungen von Eisflussmodellen zugute kommen. Mit unserem Flussmodell werden wir regionale Unterschiede in der Bedeutung basalen Gleitens auf den Gesamteisfluss ableiten.

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 274939856