Tesis:
Assessing mass change, ice discharge, and ice thickness in the Antarctic Peninsula using remote sensing and inversion modelling
- Autor: FERNANDES SHAHATEET, Kaian
- Título: Assessing mass change, ice discharge, and ice thickness in the Antarctic Peninsula using remote sensing and inversion modelling
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: MATEMATICA APLICADA A LAS TECNOLOGIAS DE LA INFORMACION Y LAS COMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79774/
- Director/a 1º: NAVARRO VALERO, Francisco José
- Director/a 2º: CHRISTIAN SEEHAUS, Thorsten
- Resumen: Los glaciares de la Península Antártica (AP) juegan un papel esencial en la dinámica oceánica, el clima global y la ecología. Durante las últimas décadas, la AP se ha convertido en un importante contribuyente al aumento del nivel del mar. A pesar de ello, la descarga de hielo, el balance de masa glaciar y el volumen total de hielo en la región siguen presentando incertidumbres. Además, aunque los glaciares de la periferia antártica actualmente contribuyen de forma modesta al aumento del nivel del mar, su contribución desde el presente hasta el final del siglo XXI se estima que aumentará substancialmente. Esta tesis pretende desarrollar métodos de procesado y análisis de datos que nos permitan generar datos novedosos relativos a los glaciares en la región de la Península Antártica. Esto se conseguirá usando técnicas de teledetección tales como imágenes de radar y ópticas, así como modelos numéricos para inferir la distribución de espesores del manto de hielo de la Península Antártica (APIS), con el objetivo de mejorar las estimaciones de descarga y volumen total de hielo en la región.
Presentamos en primer lugar los conceptos básicos de teledetección, incluyendo técnicas como el radar de apertura sintética (SAR), InSAR, DInSAR y offset-tracking. Se presentarán asimismo técnicas para tratamiento de imágenes ópticas y de mapas digitales de elevación (DEM). Nos centraremos después en la simulación del flujo glaciar, describiendo las ecuaciones que lo gobiernan (conservación de masa y momento, reología) y aproximaciones como la de hielos someros y plasticidad perfecta, utilizadas para inferir el espesor de hielo del APIS.
Las islas Shetland del Sur (SSI), situadas al norte de la Península Antártica, carecen de una estimación de balance de masa geodésico del conjunto del archipiélago. En consecuencia, estimaremos su balance de masa geodésico durante el periodo 2013-2017. Nuestra estimación se basa en datos SAR interferométricos y multiespectrales que cubren el 96% de las zonas glaciadas de las islas consideradas en nuestro estudio y el 73% del total de área glaciada de las SSI. Nuestros resultados muestran un balance de masa específico solo ligeramente negativo de 0.106 0.007 m w.e. a-1 y un cambio de masa de 238 12 Mt a-1 . Estos resultados son consistentes con una estimación del balance de masa geodésico a mayor escala y con medidas del balance de masa glaciológico en las SSI para el mismo periodo de estudio. Son también compatibles con la tendencia al enfriamiento observada en la región entre 1998 y mediados de los años 2010.
Hemos calculado la descarga de hielo del sector del APIS al norte de los 70 S para los cinco modelos de espesor de hielo más habitualmente utilizados, usando el mismo campo de velocidades y un mismo conjunto de puertas de flujo en todos los casos. De esta forma, la diferencia en los resultados es únicamente atribuible a la diferencia en espesores de hielo en las puertas de flujo. La descarga de hielo volumétrica para 2015-2017 varía entre 45-141 km a-1 , dependiendo del modelo de espesor de hielo utilizado, con un valor medio de 87 44 km a-1 . Las diferencias substanciales entre los resultados de descarga de hielo y una desviación media cuadrática normalizada multimodelo de 0.91 para el conjunto de datos revelan amplias diferencias e inconsistencias entre los modelos de espesor de hielo. Esto pone de manifiesto la escasez de medidas apropiadas del espesor de hielo y las dificultades de los modelos disponibles para reconstruir los espesores de hielo de esta compleja región.
Motivados por esta incertidumbre en la distribución de espesores de hielo, usamos un método de elementos finitos para inferir el espesor de hielo del APIS al norte de los 70 S aplicando una aproximación de dos pasos. El primer paso usa dos hipótesis, la aproximación de hielos someros (SIA) y la plasticidad perfecta (PP). El segundo paso usa la ecuación de conservación de masa para estimar el espesor en regiones de flujo rápido de hielo para superar las limitaciones de SIA y PP en la zona terminal de los glaciares. Conseguimos mejoras adicionales mediante ajuste manual de la frontera de los glaciares y usando nuevas formas de tratar los parámetros reológicos a lo largo de los márgenes glaciares. La aplicación del modelo a nuestra zona de estudio resultó en un volumen de hielo total de 28.7 ± 6.8 103 km3 y en una descarga glaciar de 95.0 ± 14.3 km3 a−1.
ABSTRACT
The glaciers on the Antarctic Peninsula (AP) play an important role in ocean dynamics, global climate, and ecology. During recent decades, the AP has become an important contributor to sea-level rise. Despite this, the ice discharge, mass balance, and total volume of the region remain unclear. Furthermore, although the glaciers in the Antarctic periphery currently contribute modestly to sea-level rise, their contribution is projected to increase substantially until the end of the 21st century. This thesis aims to develop data processing and analysis methods that allow us to generate novel updated glacier data for the Antarctic Peninsula region. This is achieved using satellite remote sensing techniques such as radar and optical images, and also numerical models to infer the ice-thickness distribution of the Antarctic Peninsula Ice Sheet (APIS), with the goal of improving ice-discharge and total ice volume estimates for this region.
The fundamentals of remote sensing are presented, including techniques such as synthetic aperture radar (SAR), InSAR, DInSAR, and offset-tracking. Optical imagery and Digital Elevation Model (DEM) techniques are also presented. We then focus on glacier flow modeling, describing the governing equations (mass and momentum conservation, rheology) and approximations such as shallow ice and perfect plasticity, used to infer the ice thickness of the Antarctic Peninsula Ice Sheet (APIS).
The South Shetland Islands (SSI), located north of the Antarctic Peninsula, lack a geodetic mass balance calculation for the entire archipelago. Therefore, we estimate its geodetic mass balance over the period 2013-2017. Our estimation is based on remotely-sensed multispectral and interferometric SAR data covering 96% of the glacierized areas of the islands considered in our study and 73% of the total glacierized area of the SSI. Our results show a close to balance, slightly negative average specific mass balance for the whole area of -0.106 +- 0.007 m w.e./a, and a mass change rate of -238 +- 12 Mt/a. These results are consistent with a wider scale geodetic mass balance estimation and with glaciological mass balance measurements at SSI locations for the same study period. They are also compatible with the cooling trend observed in the region between 1998 and the mid-2010s.
We computed the ice discharge from the APIS north of 70 S for the five most widely used ice-thickness reconstructions, using a common surface velocity field and a common set of flux gates. In this way, the differences in ice discharge can be solely attributed to the differences in ice thickness at the flux gates. The total volumetric ice discharge for 2015-2017 ranges within 45-141 km3/a, depending on the ice-thickness model, with a mean of 87 +- 44 km3/a. The substantial differences between the ice-discharge results and a multi-model normalized root-mean-squared deviation of 0.91 for the whole data set, reveal large differences and inconsistencies between the ice-thickness models. This makes evident the scarcity of appropriate ice-thickness measurements and the difficulty of the current models to reconstruct the ice-thickness distribution in this complex region.
Motivated by this uncertainty about the ice-thickness distribution, we used a finite element method to infer the ice thickness in the APIS north of 70S applying a two-step approach. The first step uses two different assumptions, namely, the shallow ice approximation (SIA) and the perfect plasticity (PP). The second step then uses the mass conservation equation to estimate the thickness in fast-flowing regions, with the aim of overcoming the limitations of SIA and PP near the glacier termini. Manual adjustment of glacier outlines and new ways to deal with rheological parameters along the margins provided further improvements. The application of the model at our study site resulted in a total ice volume of 28700 +- 6800 km3 and an ice discharge of 95.0 +- 14.3 km3/a.