Geometry and flow of the ice cap of King George Island, Antarctica - field measurements and numeric simulation of the dynamics with a full-Stokes 3D-flow model

• Applicant: Professor Dr. Manfred A. Lange, since 4/2010
• Subject Area: Oceanography
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 26866584

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Die Eiskappe von King George Island (KGI), Südshetland Inseln, Antarktis, wird aufgrund ihrer Größe und geographischen Lage als temperiert und hinsichtlich des beobachteten Temperaturanstiegs entlang der Antarktischen Halbinsel als sensitiv eingestuft. Anhand von Satellitenbildern und DGPS (Differentiellen GPS)-Messungen konnte gezeigt werden, dass sich der bereits von 1956 bis 1995 dokumentierte Gletscherrückzug im vergletscherten Küstenbereich weiter fortgesetzt hat. Darüber hinaus werden deutliche Hinweise für beträchtliche Höhenabnahmen in den topographisch unteren Lagen der Eiskappe erbracht; dies verdeutlicht den voranschreitenden Eismassenverlust als Antwort auf die beobachtete atmosphärische Erwärmung. Für eine weitergehende Betrachtung des momentanen Bildes des glazialen Zustandes der Eiskappe wird ein full-Stokes-Fließmodell der neuesten Generation entwickelt und auf das Untersuchungsgebiet angewendet. Das Fließmodell basiert auf den Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie und berücksichtigt die Rheologieeigenschaften von polythermalen Eismassen. Mit Hilfe des Programmpaketes COMSOL Multiphysics© wurde das Modell implementiert und, unter anderem, im Rahmen der Vergleichsstudie ISMIP-HOM (Ice Sheet Model Intercomparison Project for Higher Order Models) erfolgreich verifiziert. Die Anwendung auf das Modellierungsgebiet der Eiskappe von King George Island erfordert die Assimilation verschiedener Datensätze: Die benötigten digitalen Geländemodelle der Topographie der Eisoberfläche, der Eismächtigkeit und des subglazialen Felsreliefs werden im Wesentlichen aus bodengebundenen und fluggestützen Messdaten mehrerer durchgeführter Feldkampagnen abgeleitet. Insbesondere der Einbezug fluggestützter GPR (Ground Penetrating Radar)- Messungen mit dem am Institut für Geophysik (Universität Münster) entwickelten 30MHz BGR-P30-System vervollständigt das Bild. Der Aufbau eines Netzwerkes zur Messung präziser Eisoberflächengeschwindigkeiten wird primär zur Bewertung und Optimierung der numerischen Modellstudien eingesetzt. Es wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt, um mehrere fließdynamisch-thermodynamisch koexistente Lösungen zu bewerten und/oder auszuschließen. Aus der hier präsentierten Vergleichsstudie zwischen gemessenen und berechneten Geschwindigkeiten können, unter anderem, zwei Kernaussagen gewonnen werden. Zum ersten kann gezeigt werden, dass das Miteinbeziehen und die Kombination von Gletschergleit-Mechanismen mit sonst üblichen eisdynamischen Ansätzen in der numerischen Berechnung absolut notwendig sind, um ein realistisches Fließfeld an der Oberfläche dieser subpolaren Eiskappe zu bestimmen. Zum zweiten wird gegenüber der allgemeinen Annahme einer durchweg temperierten Eiskappe von KGI ein polythermaler Eiskörper mit einem ausgedehnten Kalteisbereich postuliert. Aus den Ergebnissen der Simulationsstudien kann abgeleitet werden, dass nur die küstennahen, temperierten Schichten von der beobachteten atmosphärischen Erwärmung beeinflusst werden.

Publications

• (2008). Benchmark experiments for higherorder and full-Stokes ice sheet models (ISMIP-HOM). The Cryosphere 2(2), S. 95-108
  Pattyn, F., Perichon, L., Aschwanden, A., Breuer, B., Smedt, B. de, Gagliardini, O., Gudmundsson, G. H., Hindmarsh, R. C. A., Hubbard, A., Johnson, J. V., Kleiner, T. , Konovalov, Y., Martin, C., Payne, A. J., Pollard, D., Price, S., Rückamp, M., Saito, F., Souček, O., Sugiyama, S., Zwinger, T.
  
• (2008). Dynamics of the ice cap of King George Island, Antarctica. 23rd International Polar Meeting, Münster, Germany, 10-14 March 2008
  Rückamp, M., Blindow, N., Braun, M., Suckro, S., Moll, A., Lange, M. A.
  
• (2008). Fernerkundungsaktivitäten und Feldkampagnen auf King George Island. 23rd International Polar Meeting, Münster, Germany, 10-14 March 2008
  Braun, M., Blindow, N., Moll, A., Rückamp, M., Suckro, S.
  
• (2008). Isochrones, Raymond-bumps, watertable, and firn structure of the ice cap of King George Island. 23rd International Polar Meeting, Münster, Germany, 10-14 March 2008
  Suckro, S., Blindow, N., Rückamp, M., Braun, M., Moll, A. Lange, M. A.
  
• (2008). The geometry of the temperate ice cap of King George Island from GPR and GPS measurements. 23rd International Polar Meeting, Münster, Germany, 10-14 March 2008
  Blindow, N., Suckro, S., Rückamp, M., Braun, M., Moll, A.
  
• (2009). Dynamics of the ice cap of King Geoge Island, Antarctica – Field measurements and numerical simulations. 69. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel, Germany 23-26 March 2009
  Rückamp, M., Blindow, N., Suckro, S., Braun, M.
  
• (2009). Dynamics of the ice cap of King George Island, Antarctica – Field measurements and numerical simulations. International Symposium on Glaciology in the International Polar Year, Newcastle, UK, 27-31 July 2009
  Rückamp, M., Blindow, N., Suckro, S., Braun, M., Humbert, A.
  
• (2010). Geometry and thermal regime of the King George Island ice cap, Antarctica, from GPR and GPS. International Symposium on Glaciology in the International Polar Year, Newcastle, UK, 27-31 July 2009
  Blindow, N., Suckro, S., Rückamp, M., Braun, M., Schindler, M., Breuer, B., Saurer, H., Simões, J. C., Lange, M. A.
  
• (2010). Dynamics of the ice cap on King George Island, Antarctica: field measurements and numerical simulations. Annals of Glaciology, 51(55), S. 80-90
  Rückamp, M., Blindow, N., Suckro, S., Braun, M., Humbert, A.
  
• (2010). Flow dynamics and temperature regime of the main King George Island ice cap, Antarctica. International Polar Year Oslo Science Conference, Oslo, Norway, 8-12 June 2010
  Rückamp, M., Blindow, N., Humbert, A.
  
• (2010). Geometry and Glacial Hydrology of Bellingshausen Dome, King George Island, Antarctica. International Polar Year Oslo Science Conference, Oslo, Norway, 8-12 June 2010
  Sobiech, J., Blindow, N., Rückamp, N., Suckro, S.
  
• (2010). Geometry and thermal regime of the King George Island ice cap, Antarctica, from GPR and GPS. Annals of Glaciology, 51(55), S. 103-109
  Blindow, N., Suckro, S., Rückamp, M., Braun, M., Schindler, M., Breuer, B., Saurer, H., Simões, J. C., Lange, M. A.
  
• (2010). Glacier retreat, net accumulation and surface lowering of the King George Island ice cap (South Shetland Islands). 4th Open Science Conference, Buenos Aires, Argentina, 2010
  Braun, M., Rückamp, M., Suckro, S., Blindow, N., Falk, U.
  
• (2010). Ice mass loss on King George Island and its relation to other observations at the Antarctic Peninsula. 2nd ImCOAST Workshop, Cordoba, Argentina 8-10 August 2010
  Braun, M., Rückamp, M., Suckro, S., Blindow, N., Falk, U.
  
• (2010). Surface lowering, accumulation and area changes of the King George Island ice cap, Antarctica. International Polar Year Oslo Science Conference, Oslo, Norway, 8-12 June 2010
  Rückamp, M., Braun, M., Blindow, N., Suckro, S.
  
• (2011). Eisgeometrie und Fließdynamik der subpolaren Eiskappe von King George Island (Antarktis) – Einsatz eines fluggestützten GPR-Systems und eines numerischen full-Stokes-Fließmodells. Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Dissertation
  Rückamp, M.
  
• (2011). Flow dynamics and temperature regime of the King George Island ice cap, Antarctica. EGU General Assembly, Vienna, Austria, 3-8 April 2011
  Rückamp, M., Blindow, N., Humbert, A.
  
• (2011). King George Island ice cap geometry updated with airborne GPR measurements. Earth System Science Data Discussion
  Rückamp, M., Blindow, N.
  
• (2011). Observed glacial changes on the King George Island ice cap, Antarctica, in the last decade. Global and Planetary Change, 79(1-2), S. 99-109
  Rückamp, M., Braun, M., Suckro, S., Blindow, N.