Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 186-196).

Thesis (Ph. D.)--Oregon State University, 2008. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 138-151). Also available on the World Wide Web.

Thesis (Ph. D.)--University of Canterbury, 2009. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (leaves 177-204). Also available via the World Wide Web.

Understanding how debris-covered glaciers respond to climate is necessary in order to evaluate future water resources and glacier flood hazard potential, and to make sense of the glacier chronology in mountain regions, In order achieve this, it is necessary to improve the current understanding of how surface debris affects glacier ablation rate, and to develop methods by which the ablation of debris-covered glaciers can be predicted under various climatic scenarios. This thesis develops a numerical surface energy balance model that uses simple meteorological data to calculate melt beneath a debris layer of given thickness and thermal characteristics. Field data from three contrasting sites demonstrate that the assumptions made within the model concerning the thermal properties of supraglacial debris are valid during most ablation conditions and that model performance is considerably better than previous models. Model results indicate that the effect of debris on melt rate is highly dependent on meteorological conditions. Under colder climates, thin debris can accelerate ice melt by extending the ablation period at both diurnal and seasonal scales. However, in milder mid- summer conditions, even a very thin debris cover inhibits melt rate compared to that of exposed ice. The new melt model is applied to produce the first quantified ablation gradients for debris- covered glaciers, and to model the evolution of ice surfaces under a debris layer of variable thickness. Modelled ablation gradients are qualitatively similar to hypothetical ones outlined previously, and quantitatively similar to those measured in the field. The ablation gradients are used to explore the factors affecting the response of debris-covered glaciers to climate change. Beneath a debris layer of variable thickness, the melt model produced ablation topography, as observed in the field, which underwent topographic inversion over time in response to debris redistribution. Debris thickness variability was found to cause calculated ablation rate to increase compared to that calculated using a mean debris thickness by one to two orders of magnitude, suggesting that melt calculations made on the basis of spatially averaged debris thickness may be inaccurate.

A mass balance approach was used in an attempt to quantify nutrient flux to the nearshore at the West Coast, Barbados, W.I. Total nitrogen and total phosphorus levels of the groundwater at inland pumping stations and above beach margins, as well as in the water of the nearshore zone and approximately 2 km offshore, were obtained. Nearshore groundwater seepage rates and salinity data were also taken. This study attempted to use this raw data to estimate flushing rates, nutrient loading rates, and nutrient loss rates, to ultimately create a picture of the fate of nutrients as they travel in groundwater into the nearshore zone. Annual loading for the entire West Coast was calculated at 1.46 x 105 kg NO3---N for nitrogen and 1.19 x 103 kg PO4 3---P for phosphorus. Mean nutrient levels in groundwater above the beach margin were estimated at 969.83 muM for nitrogen and 3.63 muM for phosphorus. For nitrogen and phosphorus respectively, these levels were twice and three times higher than at the pumping stations farther inland; and there was also a fourfold and fivefold drop in nitrogen and phosphorus, respectively, in the nearshore zone relative to this groundwater above the beach margin. This indicated that the dense coastal population at the West Coast was adding significant amounts of nutrient to groundwater after it had left the inland pumping stations. There were no patterns of gradation in nutrient concentrations detected within the immediate nearshore, making completion of an accurate mass balance impossible, though indicating that there was significant advection of submarine groundwater offshore, beyond the study zone. This may contribute to the poor health of West Coast reefs, where sewage and fertiliser leaching and runoff are suspected as the primary sources for nutrient input to submarine groundwater to the south and northern parts of the West Coast, respectively.

Thesis (M. Sc.)--University of Canterbury, 2007. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (p. 70-75). Also available via the World Wide Web.

Les glaciers des régions sub-polaires entre 45 et 60°S ont reculé dramatiquement au cours du dernier siècle. L'archipel des Kerguelen (49°S, 69°E) constitue un site unique dans ces régions où peu d'observations sont disponibles pour comprendre le recul glaciaire. Situés à faible altitude et proches de l'océan, ses glaciers ont montré une sensibilité particulière aux variations atmosphériques et océaniques. Ainsi, depuis les années 60, la calotte Cook (~400 km2) a reculé de manière spectaculaire, perdant 20% de sa surface en 40 ans. L'objectif de mon travail de thèse était d'évaluer l'état actuel et futur de la calotte, et de comprendre les causes de ce recul tout en les replaçant dans un contexte global. Pour ce faire, un réseau météorologique et glaciologique a été mis en place en 2010 sur l'archipel et des campagnes de mesures ont depuis été réalisées annuellement. L'analyse de ces mesures nous permet de confirmer le bilan de masse négatif de la calotte. Parallèlement, l'étude de l'albédo de l'ensemble de la calotte Cook à partir d'images satellites MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) permet d'évaluer l'évolution de la ligne de neige de la calotte depuis 2000, mettant en évidence une réduction importante de sa zone d'accumulation au cours des dix dernières années. La modélisation du bilan de masse de la calotte Cook à l'aide d'un modèle degré-jour couplé à une routine dynamique révèle par ailleurs que son retrait est principalement dû à une forte diminution des précipitations sur l'archipel depuis les années 60. Afin de replacer le recul des glaciers aux îles Kerguelen dans un contexte global, les tendances climatiques sur l'ensemble des zones subpolaires sont étudiées, faisant apparaître que la zone sub-Antarctique est actuellement celle où les retraits sont les plus forts à l'échelle du globe. Pour comprendre ces variations, nous analysons un ensemble complet de jeux d'observations de terrain, de satellites et de résultats de modélisation : réanalyses, modèles de l'exercice CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5), observations de température atmosphérique et océanique, précipitations, etc. Ceux-ci révèlent un réchauffement et un assèchement quasi généralisé de l'ensemble de la zone 40-60° S, lié à un déplacement vers le sud des zones dépressionnaires en réponse aux phases de plus en plus fréquemment positives du mode annulaire austral (Southern Annular Mode, SAM). Le recul récent des glaciers des îles Kerguelen, mais également d'autres zones glaciaires des régions subpolaires de l'hémisphère sud, est donc principalement lié à un déficit d'accumulation causé par le SAM, et amplifié par le réchauffement atmosphérique. L'évolution future du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen est évaluée grâce au Modèle Atmosphérique Régional (MAR), forcé à ses frontières par les modèles de l'exercice CMIP5. Des simulations du bilan de masse récent sont d'abord effectuées sur base des réanalyses ERA-Interim et NCEP1, et comparées aux observations in situ. Parallèlement, des simulations d'un an sont réalisées avec le désagrégateur de précipitations SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) en sortie du MAR, à différentes échelles, afin d'évaluer l'impact du changement d'échelle sur la représentation des précipitations. Une évaluation des modèles CMIP5 par rapport à ERA-Interim sur la période récente est ensuite réalisée sur base de certaines variables climatiques-clé. Le modèle le plus proche d'ERA-Interim sur la période récente, et les deux modèles les plus extrêmes sont ensuite utilisés pour forcer le MAR sur le prochain siècle, et les sorties de bilan de masse de surface sont analysées de manière critique. L'analyse du retrait de la calotte des îles Kerguelen à l'aide de différents outils a permis de mieux comprendre le lien entre glaciers et climat, mettant en évidence le rôle majeur du SAM, mais a également soulevé de nouvelles questions. / Glaciers of the southern hemisphere sub-polar regions between 45 and 60°S have declined dramatically over the last century. The islands of Kerguelen archipelago (49°S, 69°E) represent a unique location in regions where few data are available to understand glacier retreat. Situated at low altitudes and close to the ocean, their glaciers have shown particular sensitivity to atmospheric and oceanic variations. Thus, since the 1960s, the Cook Ice Cap (~400km2) has retreated spectacularly, losing 20% of its area in 40 years. The aim of my thesis was to assess the present and future state of the ice cap, and to understand the causes of this decline while putting them in a global context. To do so, a meteorological and glaciological network was set up in 2010 on Kerguelen archipelago and field campaigns have been carried out annually since then. Analysis of these measurements confirms the negative mass balance of Cook Ice Cap. In parallel, the study of the albedo over the whole ice cap from MODIS satellite images (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) gives us access to the evolution of the snow line since 2000, highlighting an important reduction of Cook Ice Cap accumulation area over the last decade. Mass balance modelling of the Cook Ice Cap using a degree-day model coupled to a simple ice motion routine further reveals that its retreat is mainly due to a strong decrease in precipitation over the Kerguelen Islands since the 1960s. In order to put the decline of the cryosphere on Kerguelen in a global context, climatic trends over the whole sub-polar regions are studied, revealing that the sub-Antarctic area is currently the one where glacier retreat is the strongest. To understand these variations, we analyse a complete set of field and satellite observations and modelling results : reanalyses, models from the CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5) experiment, atmospheric and oceanic temperature and precipitation observations, etc. The latter show warming and quasigeneralised drying of the whole 40-60°S area, linked to the southward shift of storm tracks in response to the more frequent positive phases of the Southern Annual Mode (SAM). Recent glacier retreat on Kerguelen archipelago, and for other glaciers and ice caps located at similar latitudes, is thus mainly due to a deficit of accumulation caused by the SAM, and amplified by atmospheric warming. The future evolution of Cook Ice Cap mass balance is evaluated using the MAR (Modèle Atmosphérique Régional) model, forced at its boundaries by CMIP5 models. Recent mass balance simulations are first carried out using ERA-Interim and NCEP1 reanalyses, and compared to in situ observations. In parallel, one-year simulations are produced with the precipitation desagregation scheme SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) on MAR outputs, at various scales, in order to evaluate the impact of downscaling on precipitation. An evaluation of CMIP5 models over the recent period against ERA-Interim is then carried out, considering certain key climatic variables. The model closest to ERA-Interim as well as the two most extreme models are then used to force the MAR model over the next century, and surface mass balance outputs are critically analysed. The analysis of the decline of the Kerguelen ice cap using different tools and techniques brought new insights on the link between glaciers and climate, highlighting the major role of the SAM, but also raised new questions.

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The Greenland ice sheet is the largest Northern Hemisphere store of fresh water, and it is responding rapidly to the warming climate. In situ observations document the changing ice sheet properties in the lower accumulation area, Southwest Greenland. Firn densities from 1840 meters above sea level retrieved in May 2012 revealed the existence of a 5.5-meter-thick, near-surface ice layer in response to the recent increased melt and refreezing in firn. As a consequence, vertical meltwater percolation in the extreme summer 2012 was inefficient, resulting in surface runoff. Meltwater percolated and refroze at six meters depth only after the end of the melt season. This prolonged autumn refreezing under the newly accumulated snowpack resulted in unprecedented firn warming with temperature at ten meters depth increased by more than four degrees Celsius. Simulations confirm that meltwater reached nine meters depth at most. The refrozen meltwater was estimated at 0.23 meters water equivalent, amounting to 25 % of the total 2012 ablation. A surface energy balance model was used to evaluate the seasonal and interannual variability of all surface energy fluxes at that elevation in the years 2009 to 2013. Due to the meltwater presence at the surface in 2012, the summer-averaged albedo was significantly reduced (0.71 in 2012; typically 0.78). A sensitivity analysis revealed that 71 % of the subsequent additional solar radiation in 2012 was used for melt, corresponding to 36 % of the total 2012 surface lowering. This interplay between melt and firn properties highlights that the lower accumulation area of the Greenland ice sheet will be responding rapidly in a warming climate. / Stability and Variations of Arctic Land Ice (SVALI) / Programme for Monitoring of the Greenland Ice Sheet (PROMICE) / Greenland Analogue Project (GAP)

Das aride Tarim-Becken im Nordwesten Chinas unterliegt Umweltveränderungen, die durch rapide Ausbreitung bewässerter Landwirtschaft sowie Klimawandel angetrieben sind. Während im Oberlauf in den letzten 50 Jahren ein Abflussanstieg beobachtet wurde, haben landwirtschaftliche Aktivitäten im Mittel- und Unterlauf zur Wasserknappheit und der drastischen Verkürzung des endorheischen Flusses geführt. Der Abfluss des Tarim, dessen Hauptzufluss der in Kirgistan entspringende Aksu-Fluss darstellt, wird zu einem großen Teil aus Schnee- und Gletscherschmelze in den oberen Gebirgseinzugsgebieten des Tien Shan gespeist. Da die Unterlieger von dem Wasser des Tarim zur Bewässerung in der Landwirtschaft abhängig sind, sind das Wissen über den Beitrag der Gletscherschmelze zum Abfluss sowie das Wissen über mögliche zukünftige Änderungen der Gletschermasse von großer Relevanz. Zahlreiche Studien beschränken sich oftmals nur auf die Betrachtung der Gletscherfläche, deren Änderung jedoch keine direkten Rückschlüsse auf etwaige Massenänderungen zulässt und zudem nur ein indirektes Signal für Klimaänderungen darstellt. Weiterführende Studien, welche zusätzlich Gletschermassenänderungen im Aksu-Einzugsgebiet untersuchen, haben häufig nur lokalen Charakter. Regionale Studien zu Massenänderungen, welche ganze Einzugsgebiete und Gebirgsketten umfassen, finden sich mehrheitlich für die letzte Dekade durch die Verfügbarkeit laseraltimetrischer Höhendaten und gravimetrischer Messungen, wobei letztere durch hohe Unsicherheiten gekennzeichnet sind. Um jedoch Aussagen hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung der Gletscher treffen zu können, widmet sich die Arbeit insbesondere der Untersuchung von Gletschermassenveränderungen seit den 1970er Jahren unter Verwendung deklassifizierter amerikanischer Satellitenbilddaten, SRTM-Daten sowie SPOT-5-Stereodaten. Zur Ableitung geodätischer Gletschermassenbilanzen wurden Daten der Mapping Camera (MC) des Hexagon-Satelliten aus den Jahren 1973–1976 stereoskopisch ausgewertet und mit Daten der SRTM-Mission aus dem Jahr 2000 und SPOT-5-Stereodaten aus dem Jahr 2009 verglichen. Die Ableitung geodätischer Massenbilanzen aus multi-temporalen Geländemodellen erforderte deren Co-Registrierung auf das als SRTM gewählte Master-Modell. In einem zweistufigen Verfahren wurden Verkippungen über eine globale Trendfläche und horizontale Lagefehler über eine analytische Beziehung zwischen Oberflächenneigung, Orientierung und der entsprechenden Höhendifferenz unter Einbeziehung nicht-glazialer Pixel minimiert. Die Eindringtiefe des SRTM-C-Bands wurde mittels ICESat-Daten mit 2,2 m abgeschätzt und bei der Differenzbildung berücksichtigt. Zur Bereinigung der Differenzbilder zwischen den Geländemodellen wurde ein höhenbasierter Ansatz entwickelt, welcher eine abnehmende Varianz der Höhendifferenzwerte vom Ablations- zum Akkumulationsgebiet annimmt. Dieser Ansatz stellt eine deutlich realistischere Annahme im Vergleich zur oftmals verwendeten Nullannahme dar, welche von keinen Veränderungen in den Akkumulationsgebieten ausgeht. Die Gletscher im Aksu-Einzugsgebiet zeigten im Ergebnis einen Massenverlust von 0,35±0,34 m w.e./a im Zeitraum 1975–1999, was dem globalen Durchschnitt für diese Periode entspricht. In den Jahren 1999 bis 2009 wurde indes eine Abnahme des Massenverlusts (0,23±0,19 m w.e./a) festgestellt, was möglicherweise auf eine Zunahme des Niederschlags in der letzten Dekade zurückzuführen ist. Zudem zeigte sich, dass schuttbedeckte Gletscher, deren Schuttauflage ab einer Dicke von etwa 2 cm einen hemmenden Einfluss auf die Abschmelzrate hat, signifikant an Masse verloren haben bei gleichzeitig nur relativ geringer Flächenabnahme. Insgesamt wies die räumliche Verteilung der Massenänderungen eine starke Heterogenität auf, mit zunehmender Tendenz von Osten nach Westen und von den Innen- zu den Außenbereichen des Zentralen Tien Shan. Zusätzlich konnten zahlreiche, zuvor in der Literatur nicht benannte, surgende Gletscher identifiziert werden. Der durch Eismassenverlust induzierte Anteil am Gesamtabfluss des Aksu wurde im Ergebnis mit circa 20% ermittelt. Neben der Oberflächenneigung sind, in einfachen Modellen zur Eisdickenabschätzung, die basale Scherspannung und der Anteil basalen Gleitens an der Oberflächengeschwindigkeit Haupteinflussfaktoren. Anhand gemessener Eisdicken, fernerkundlich abgeleiteter Gletscherfließgeschwindigkeiten und der Oberflächenneigung, als Näherung der Neigung des Gletscherbetts, konnte ein empirischer Zusammenhang zur Abschätzung des Anteils basalen Gleitens abgeleitet werden. Die Eisdickenabschätzung für die vier größten Gletscher des Zentralen Tien Shan erfolgte im weiteren Verlauf durch Anwendung von Glen’s Fließgesetz, unter Annahme laminaren Fließens. Die Ergebnisse weisen für die betrachteten Gletscher mittlere Dicken von 70 m bis 140 m für deren schuttbedeckte Gletscherzungen auf. Diese Werte liegen teilweise deutlich unter denen bisheriger Studien, welche von einer globalen Scherspannung für den gesamten Gletscher oder einem konstanten Anteil basalen Gleitens ausgehen. Im Vergleich zu vorhandenen Eisdickenmessungen konnte durch die lokale Abschätzung der basalen Geschwindigkeit die mittlere Abweichung von zuvor mehr als 200 m auf etwa 50 m reduziert werden. Durch Einbeziehung der in der Arbeit ermittelten geodätischen Gletschermassenbilanzen wurde der relative Volumenverlust seit den 1970er Jahren mit 6% bis 28% quantifiziert, welcher deutlich unter dem schuttfreier Gletscher innerhalb Hochasiens liegt.